Effekte von Power-to-Heat-Anlagen auf EE-Abregelung und Must-run-Erzeugung

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Ilse Sommer
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1 Effekte von Power-to-Heat-Anlagen auf EE-Abregelung und Must-run-Erzeugung Strommarktgruppentreffen Berlin Diana Böttger Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement - IIRM Universität Leipzig Diana Böttger 1

2015 Diana Böttger Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit

2 Agenda Motivation Modellbeschreibung und betrachtete Szenarien Effekte von Power-to-Heat Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien Fazit und Ausblick Diskussion Diana Böttger 2

Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von

3 Agenda Motivation Modellbeschreibung und betrachtete Szenarien Effekte von Power-to-Heat Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien Fazit und Ausblick Diskussion Diana Böttger 3

4 Zukünftig zunehmender Flexibilitätsbedarf Ausbau erneuerbarer Energien u.a. in Deutschland Insbesondere hoher Anteil fluktuierender Energieträger (Windkraft, Photovoltaik) Zukünftig steigende Anzahl von Zeiträumen mit Stromangebotsüberschüssen aus fluktuierenden erneuerbaren Energien Diana Böttger 4

5 Definition von Überschussstrom Quelle: AGFW 2014 Diana Böttger 5

6 Fernwärmeversorgung inkl. Elektrokessel Im Modell mit realen Systemen (Berlin, Chemnitz, Dresden, Halle, Leipzig) Brennstoff Heizkessel Wärme Strom Strom KWK-Anlage Elektrokessel Wärmespeicher Diana Böttger 6

7 Einfluss der Mindestleistung bei Reservevorhaltung Kraftwerke, die Regelleistung vorhalten, müssen auch bei niedriger Stromnachfrage am Netz bleiben Für negative SRL wegen Mindestleistung hohe Must-run-Stromerzeugung Beispiel: P max = 500 MW, P min = 200 MW (40 %) Für 50 MW negative Reserve = 250 MW als Must-Run am Spotmarkt Bandbreite für Stromerzeugung P max P min Möglichkeit zur Vorhaltung von positiver Reserve Höhe der Stromerzeugung Möglichkeit zur Vorhaltung von negativer Reserve Diana Böttger 7

min = 200 MW (40 %) Für 50 MW negative Reserve 200+50 = 250 MW als Must-Run am Spotmarkt Bandbreite für Stromerzeugung P max P

8 Agenda Motivation Modellbeschreibung und betrachtete Szenarien Effekte von Power-to-Heat Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien Fazit und Ausblick Diskussion Diana Böttger 8

9 Szenarien Betrachtung zukünftiger Jahre ( ) Orientiert am Netzentwicklungsplan 2015 Im Folgenden beispielhaft für einen Tag des Jahres 2020 (1. Januar) Annahme: In Fernwärmenetzen stehen MW el an Elektrokesseln (Power-to-Heat/ P2H-Anlagen) zur Verfügung (+ Wärmespeicher) Arbeitspreis für P2H: 0 oder 100 Euro/MWh (2 Varianten) Teilnahme an verschiedenen Märkten Spotmarkt Nein Regelleistungsmarkt (nur negative Sekundärreserve) Nein Referenz (ohne P2H) Ja R Ja S R+S Diana Böttger 9

000 MW el an Elektrokesseln (Power-to-Heat/ P2H-Anlagen) zur Verfügung (+ Wärmespeicher) Arbeitspreis für P2H: 0 oder 100

10 Strommarktmodell MICOES Europe MICOES = Mixed Integer Cost Optimization of Energy Systems MICOES minimiert deterministisch die volkswirtschaftlichen Gesamtkosten 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 -Emissionen - Deckungsbeiträge Erneuerbare Energien und dezentrale Erzeugung Regelenergiebedarf für jedes Land Regelenergiemarkt Leistungspreise Reservevorhaltung je Kraftwerk Diana Böttger 10

Parameter - Brennstoff- und CO 2 -Preise Kostenminimierung Gemischt-ganzzahlige Optimierung Modellierung in GAMS Spotmarkt Ergebnisse Spotmarktpreise Je Kraftwerk: -

11 Berechnung Must-run-Erzeugung (KWK und Regelleistung) Ziel: Quantifizierung, welche Kraftwerksleistung für Wärmeerzeugung (KWK) und Regelleistung (RL) am Netz bleiben muss ( Must-run ) Für Wärmeerzeugung von KWK-Anlagen: Kondensationskraftwerk = 0 KWK = P - RL neg Für Regelleistung: Kondensationskraftwerk KWK = P min + RL neg = RL neg Must-run aus Berücksichtigung von Mindestbetriebszeiten hier nicht mitgezählt P max P P min +RL neg P min Problematik: Eindeutigkeit der RL-Verteilung bei KW-Einsatz (2. Optimierung: Minimiere Must-run-Erzeugung bei ggb. Dispatch ) Diana Böttger 11

Kondensationskraftwerk KWK = P min + RL neg = RL neg Must-run aus Berücksichtigung von Mindestbetriebszeiten hier nicht mitgezählt P max P P min

12 Agenda Motivation Modellbeschreibung und betrachtete Szenarien Effekte von Power-to-Heat Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien Fazit und Ausblick Diskussion Diana Böttger 12

13 [GW] [GW] Must-run-Erzeugung - Ohne P2H Am Beispieltag sind ca. 9 GW an KWK-Anlagen am Netz um Wärmebedarf zu decken Für Regelleistung weitere ca. 3,5 GW Must-run-Erzeugung (Vorhaltung hier zu 86 % durch KWK-Anlagen) Must-run-Erzeugung KWK-bedingt Stunden des Tages Regelleistungsbedingt Must-run durch Regelleistung Stunden des Tages Kernenergie Braunkohle Braunkohle_KWK Steinkohle_KWK Diana Böttger 13

3,5 GW Must-run-Erzeugung (Vorhaltung hier zu 86 % durch KWK-Anlagen) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Must-run-Erzeugung 1 4 7

14 [GW] [GW] Must-run-Erzeugung - Mit P2H Nur Spotmarkt: minimale Änderung (KWK) Nur negative SRL: Reduktion um im Mittel 2,2 GW (bis zu 4,4 GW im Maximum) Beide Märkte: AP = 100: eher SRL-Vorhaltung Reduktion ebenfalls um im Mittel 2,3 GW AP = 0: auf beiden Märkten aktiv: im Mittel 1,4 GW Durchschnittliche Stündliche Senkung der Must-run-Erzeugung Must-run-Erzeugung Ohne S R S+R S 100 S 0 R 100 R 0 S+R 100 S+R 0 Diana Böttger 14

2,3 GW AP = 0: auf beiden Märkten aktiv: im Mittel 1,4 GW Durchschnittliche Stündliche Senkung der Must-run-Erzeugung

15 [GWh] Marktbedingte Abregelung von EE Ohne P2H Deutschland: 31,3 GWh Abregelung (2,7 % der EE-Erzeugung) Ausland: 84,1 GWh (4,2 % der EE-Erzeugung) Mit P2H In Deutschland können bis zu 8 GWh mehr EE integriert werden (höchste Werte in Szenarien mit SRL Vorhaltung) Im Ausland bis zu 4 GWh mehr EE nutzbar Über alle Länder maximal 11,3 GWh (Szenario S 0 ) Verringerung der Abregelung durch P2H S R S+R Deutschland Ausland Diana Böttger 15

in Szenarien mit SRL Vorhaltung) Im Ausland bis zu 4 GWh mehr EE nutzbar Über alle Länder maximal 11,3 GWh (Szenario

16 [GWh] Beispiel Fernwärmeversorgung Chemnitz S 0 : Durch Speicherverluste liegt Wärmeerzeugung etwas über dem ursprünglichen Bedarf (2 %) Bei geringem Arbeitspreis substituiert P2H sowohl Heizkessel (Erdgas) als auch KWK (Braunkohle) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Fernwärmelastdeckung je Technologie/ Markt Ohne S R S+R P2H-Regelenergie P2H-Spotmarkt Heizkessel KWK-Kraftwerk Bedarf Diana Böttger 16

auch KWK (Braunkohle) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Fernwärmelastdeckung je Technologie/

17 Vorhaltung von negativer SRL P2H verdrängt insbesondere Kohle- und Gaskraftwerke bei Vorhaltung Bei Abruf auch Verdrängung von Kohle- und Gaskraftwerken Bei geringem Arbeitspreis häufiger Abruf von P2H (bis zu 60 % des Abrufs mit rund 30 % Anteil an Vorhaltung) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Vorhaltung SRL negativ % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Abruf SRL negativ P2H Pumpspeicher Heizöl Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie Ohne S R S+R Ohne S R S+R Diana Böttger 17

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Vorhaltung SRL negativ 100 0 100 0 100 0 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Abruf SRL

18 [GWh] [GWh] Stromerzeugung Deutschland Exporte sinken, Importe steigen (bis auf Szenario S 100 ) Erzeugung insbesondere von Kohlekraftwerken sinkt Auch reduzierter Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken Erhöhung des Kernenergieeinsatzes 5 Änderung der Stromerzeugung in DE 8 Änderung Außenhandel DE S R S+R Kernenergie Braunkohle Steinkohle S R S+R Erdgas Heizöl Pumpspeicher Export Import Diana Böttger 18

Kernenergieeinsatzes 5 Änderung der Stromerzeugung in DE 8 Änderung Außenhandel DE 0-5 6 4 2-10 0-15 -2-4 -20-6 100 0

19 [Euro/MWh] Spotmarktpreise in Deutschland Keine Veränderung bei S 100 (kein P2H Einsatz wirtschaftlich) In anderen Szenarien leichte Anhebung (insbesondere bei negativen Preisen) S+R 0 : höchster Anstieg Ohne S 100 S 0 R 100 R 0 S+R 100 S+R 0-20 Diana Böttger 19

(insbesondere bei negativen Preisen) S+R 0 : höchster Anstieg 40 30 20 10

20 Differenz [t CO 2 ] Differenz [Euro] Auswirkungen auf Kosten und CO 2 -Emissionen Kosten: Kosteneinsparungen in Deutschland Kostensteigerung im Ausland Nettoeffekt in Szenarien mit geringem Arbeitspreis am größten Deutschland Alle anderen Länder Nettoeffekt S R S+R CO 2 -Emissionen: S 100 : Nur geringer Effekt durch Wärmespeicher Sinkende CO 2 -Emissionen in Deutschland, steigende CO 2 - Emissionen im Ausland Nettoeffekt aber in fast allen Szenarien: Einsparung möglich (bis zu 1,2 % der Emissionen des Tages) Deutschland Alle anderen Länder Nettoeffekt S R S+R Diana Böttger 20

21 Agenda Motivation Modellbeschreibung und betrachtete Szenarien Effekte von Power-to-Heat Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien Fazit und Ausblick Diskussion Diana Böttger 21

22 Fazit und Ausblick Positive Effekte von Elektrokesseln auf Strom- und Fernwärmeversorgung Reduktion der Must-run-Erzeugung möglich (durch Vorhaltung von Regelleistung) Verbesserte Integration von erneuerbaren Energien möglich Einsparung bei fossilen Energieträgern Senkung der CO 2 -Emissionen Ausblick Berechnungen für komplettes Jahr 2020 sowie weitere Jahre bis 2035 Diana Böttger 22

23 Agenda Motivation Modellbeschreibung und betrachtete Szenarien Effekte von Power-to-Heat Must-run-Erzeugung Marktbedingte Abregelung von erneuerbaren Energien Fazit und Ausblick Diskussion Diana Böttger 23

24 Kontakt Dipl.-Wirtsch.-Math. Diana Böttger Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Universität Leipzig Grimmaische Str. 12 D Leipzig Tel.: 0341/ Diana Böttger 24

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