Wirtschaftliche Bewertung von Geschäftsmodellen im Kontext der deutschen Energiewende

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1 Wirtschaftliche Bewertung von Geschäftsmodellen im Kontext der deutschen Energiewende 19. Fachgespräch: Infrastrukturen für dezentrale Energiesysteme Uni Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement IIRM, Universität Leipzig Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie, Fraunhofer MOEZ Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 15

2 Forschungsfelder der Professur Techno-ökonomische Optimierung dezentraler Energiesysteme: Modellierung von stationären und mobilen Batteriespeichern (EnBW, Bosch GmbH, Schaufenster Elektromobilität, BMVBS) sowie virtuellen Kraftwerken (EU). Akteurs-orientierte Modellierung kommunaler Energiesysteme: Energieeffiziente Stadt Delitzsch (BMBF-Wettbewerb Energieeffiziente Stadt, Fördervolumen 2,4 Mio ). Prof. Dr. Thomas Bruckner 16

3 Forschungsfelder der Professur Analyse liberalisierter Energiemärkte unter Klimaschutzrestriktionen: Energiewirtschaftliche Analysen basierend auf der Modellierung von Spotmarkt- und Regelenergiepreisen (BMU, BMWi, 50 Hertz, GASAG, Bosch, ) Mitarbeit im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Leitautor des IPCC SRREN und koordinierender Leitautor für das Kapitel Energy Systems des IPCC AR5 (gefördert vom BMBF) Prof. Dr. Thomas Bruckner 17

4 Eckpunkte des Energiekonzepts KWK Gas, Fern- und Nahwärme Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte kwh Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte Endenergie Quelle: Weiss, BMU, 2011 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 31

5 Thesen Die folgenden Geschäftsmodelle sind Auslaufmodelle: Bereitstellung von Strom (kwh) aus Kernkraftwerken Bereitstellung von Strom (kwh) aus fossilen Energieträgern Bereitstellung von Raumwärme aus Öl und Gas Neue Geschäftsmodelle Nutzung der erneuerbaren Energien Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Reduktion des Endenergieverbrauchs (Gebäudebereich, Industrie und Verkehr), KWK Maßnahmen zum Ausgleich der damit verbundenen Variabilität Flexibilitätsoptionen Prof. Dr. Thomas Bruckner 32

6 Entwicklung der Börsenstrompreise Quelle: Agora, 2015 Prof. Dr. Thomas Bruckner 41

7 Merit Order und Preisbildung am Spotmarkt Kurzfristige Grenzkosten, Preis Preiselastische Nachfrage Preis Merit Order Deckungsbeiträge EE KKW BK SK GuD GT Leistung Prof. Dr. Thomas Bruckner 42

8 MICOES Europe: Quelle: Böttger et al Prof. Dr. Thomas Bruckner 43

9 Strommarktmodellierung (mit GAMS) Schematischer Modellaufbau Brennstoff- und CO 2 - Preise Technische Parameter Kraftwerkspark Lastdaten (stündlich) INPUT Maximal/Minimalkapazität Ramp-Rates Stillstandzeiten Anfahrkosten Variable Kosten GAMS-Solver Gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem: Kostenminimierung! (Schattenpreise) OUTPUT Spotmarktpreise Strommengen Import/Export (stündlich) M. Theofilidi, Institut für Energietechnik, TU Berlin / T. Bruckner, Universität Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 44

10 Validierung des Strommarktmodells Betrachtungszeitraum 2012 Quelle: Böttger et al., IIRM, Uni Leipzig, 2014 Prof. Dr. Thomas Bruckner 45

11 [ /MWh] Exemplarische Modellergebnisse von MICOES 80 Jahresdurchschnitt Zeit [Stunden der Woche] Quelle: Böttger, IIRM, Uni Leipzig, 2014 Prof. Dr. Thomas Bruckner 46

12 Neue Geschäftsmodelle: Flexibilitätsoptionen (Netzausbau, Speicher, Lastmanagement, ) Quelle: Vattenfall Europe Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 47

13 Zeitliche Variabilität der Residuallast Referenz 40 % - Szenario 80 % - Szenario Quelle: VDE, Energiespeicher für die Energiewende, 2012 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 48

14 Zeitliche Variabilität der Residuallast Quelle: D. Böttger, M. Götz, N. Lehr, H. Kondziella, T. Bruckner: Potential of the Power-to-Heat Technology in District Heating Grid in Germany, Energy Procedia, Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 49

15 Ausgleich der Variabilität: Denkbare Optionen Ausgleich durch flexible fossil befeuerte Kraftwerke (zentrale Gasturbinen, dezentrale Back-up Technologien, ) Erzeugungsmanagement der EE (Abregelung) Speichereinsatz (Pumpspeicher, Batteriespeicher, Power to Heat, Druckluftspeicher, Power to Gas) Demand-Response - Maßnahmen (Lastmanagement) Ausbau der Verteilnetze Ausbau der Übertragungsnetze Europäisches Supergrid Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 50

16 Marktchancen für Speicheranwendungen Residuallast und Variation der Speichergröße Quelle: Kondziella et al., IIRM, Uni Leipzig, 2013 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 53

17 Power to Heat (P2H) and Power to Gas/Hydrogen Übertragungsnetz der 50Hertz Transmission GmbH Quelle: 50Hertz Quelle: Hypos e.v. Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 54

18 Power-to-Heat (P2H) in der BRD Quelle: D. Böttger, M. Götz, N. Lehr, H. Kondziella, T. Bruckner: Potential of the Power-to-Heat Technology in District Heating Grid in Germany, Energy Procedia, Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 55

19 Validierung des Strommarktmodells Betrachtungszeitraum 2012 Prof. Dr. Thomas Bruckner 56

20 Spezifischer Deckungsbeitrag [ /(kw a)] Modellergebnisse Amortisationszeiten von P2H-Anlagen bei Einsatz im Regelenergiemarkt Leistung [MW th ] Ökonomische Lebensdauer der P2H-Systeme: 10 Jahre Leistungskosten berechnet für WACC = 7 % 2,5 5 7, Leistungskosten [ /(kw a)] 103,07 56,87 41,69 34,19 20,16 11, ,9 3,0 40 7,7 5,1 2,1 1,3 60 6,2 3,5 2,6 1,3 0, ,9 3,5 2,2 1,8 0,9 0, ,6 2,5 1,7 1,3 0,7 0, ,9 1,9 1,3 1,1 0,6 0, ,6 1,5 1,1 0,9 0,5 0, ,9 1,3 0,9 0,8 0,4 0, ,4 1,1 0,8 0,7 0,4 0, ,0 1,0 0,7 0,6 0,3 0,2 Amortisationszeit in Jahren Hohe Profitabilität durch Vorhaltung negativer Regelleistung kann zu extrem kurzen Amortisationszeiten führen Prof. Dr. Thomas Bruckner 57

21 Entwicklung der Regelenergiepreise Quelle: BET, 2015 Prof. Dr. Thomas Bruckner 58

22 Zukunft des Regelenergiemarktes Regelleistungsnachfrage: Steigender Bedarf durch Zubau fluktuierender EE? Quelle: Ziegenhagen 2013 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 63

23 Fundamentale Berechnung von Regelenergiepreisen durch Opportunitätskostenansatz Grundlegende Idee: Kraftwerksbetreiber hat zwei Möglichkeiten A.) Handel am Spotmarkt oder B.) Handel am Spotmarkt und am Regelenergiemarkt Mögliche Spotmarkterlöse stellen die Referenz dar. Die bedeutet, dass ein Kraftwerksbetreiber seine Leistungspreise am Regelenergiemarkt entsprechend des Verlustes bestimmt, der auftritt, wenn durch die Verpflichtung am Regelenergiemarkt vom optimalen Spotmarktfahrplan abgewichen werden muss. Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 64

24 Einfluss der Mindestleistung auf Reservevorhaltung Marktdesign für Regelenergiemarkt: 1 Woche Gebotszeitraum für SRL Vorhaltende KW müssen auch bei niedriger Stromnachfrage am Netz bleiben Für negative SRL wegen Mindestlast hohe Must-Run Stromerzeugung Bandbreite für Stromerzeugung P max P min Möglichkeit zur Vorhaltung von positiver Reserve Höhe der Stromerzeugung Möglichkeit zur Vorhaltung von negativer Reserve Beispiel: P max = 500 MW P min = 200 MW (40 %) Für 50 MW negative Reserve = 250 MW als Must-Run am Spotmarkt Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 65

25 Durchschnittliche Preise am Regelenergiemarkt Woche = 168 Stunden Quelle: EEX, regelleistung.net Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 66

26 Spotmarktpreis- und Regelenergiepreis- Prognosen mit MICOES Europe Modellannahmen Stromnachfrage (8760 h) für jedes Land Installierte Kraftwerkskapazität (blockscharf) - Technische Parameter - Wirtschaftl. Parameter - Brennstoff- und CO 2 -Preise Kostenminimierung Gemischt-ganzzahlige Optimierung Modellierung in GAMS Spotmarkt Ergebnisse Spotmarktpreise Je Kraftwerk: - Stündliches Betriebsprofil - CO 2 -Emissio nen - Deckungsbeiträge Erneuerbare Energien und dezentrale Erzeugung Regelenergiebedarf für jedes Land Regelenergiemarkt Leistungspreise Reservevorhaltung je Kraftwerk Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 67

27 Jan. 12 Apr. 12 Jul. 12 Okt. 12 Jan. 13 Apr. 13 Jul. 13 Okt. 13 Jan. 14 Apr. 14 Jul. 14 Okt. 14 [Euro/MW und h] Fundamentale Modellierung von Preisen auf den Regelenergiemärkten (z.b. PRL) Realität Modell Quelle: Böttger, IIRM, Universität Leipzig (2015) Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 68

28 ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 70

29 ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 71

30 Mehrerlöse für das VK pro Szenario und Stützjahr Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 72

31 Kontakt Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Direktor, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Universität Leipzig Grimmaische Str. 12 D Leipzig Tel.: 0341/ Leiter, Abteilung für Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie Fraunhofer-Zentrum für Mittel- und Osteuropa (Fraunhofer MOEZ) Neumarkt Leipzig Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 77