Modellierung von Einsatzrestriktionen von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung für Strommarktsimulationen

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1 Modellierung von Einsatzrestriktionen von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung für Strommarktsimulationen Hintergrund und Motivation Analyse der Fragestellung Modell und Verfahren Exemplarische Untersuchungen Fazit und Ausblick Mihail Ketov, Philipp Baumanns, Albert Moser Wien,

2 Hintergrund und Motivation 1 Aktuelle Entwicklungen an europäischen Strommärkten Ziel: Verringerung der CO 2 -Emissionen Anhaltender Zubau von Stromerzeugungsanlagen auf Basis regenerativer Energiequellen erwartet Dargebotsabhängigkeit erhöht die Nachfrage nach flexiblen Stromerzeugern und -verbrauchern Kraft-Wärme-Kopplung Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zunehmend an Strommärkten beteiligt Anlageneinsatz durch thermische Lastdeckung bzw. vertragliche Lieferverpflichtungen beschränkt Kraftwerkseinsatz zunehmend durch Einflüsse aus der Wärmeversorgung determiniert Ziel der Arbeit Herleitung von KWK-Einsatzrestriktionen für anschließende Strommarktsimulationen 4 3 GW % Installierte Leistungen von EE-Anlagen in EU-28 Photovoltaikanlagen Windenergieanlagen Quelle: SOAF 215 Szenario B KWK-Anteil an thermischer Stromerzeugung in EU Quelle: Eurostat

3 Analyse der Fragestellung 2 Betrachtungsbereich und Wärmenachfrage Wärmeversorgungssysteme Unterteilung nach installierten Leistungen angeschlossener Anlagen Objektversorgung und Nahwärme (< 1 MW el ) Fernwärme- und Industrienetze (> 1 MW el ) Fokus auf Fernwärme- und Industrienetze, um höchste Rückwirkung auf Strommärkte abzubilden Fernwärme- und Industrienetze in Europa Quellen: IAEW, Halmstad University, sonstige Nachfrage nach thermischer Energie Fernwärmenetze Überwiegend Raumwärme Teilweise Warmwasser- und Prozesswärme Industrienetze Überwiegend Prozesswärme Fernwärmebedarf temperaturabhängig Industriewärmebedarf nahezu konstant Wärmebedarf [MWh/h] Nachfrage in einem Fernwärmenetz Stunde [h/a] Quellen: Wunderground, Fernwärmenetzbetreiber Kopenhagen Temperatur [ C/h]

4 Analyse der Fragestellung 3 Freiheitsgrade im Einsatz von KWK-Anlagen Einsatzweise von KWK-Anlagen elektrische Leistung PP Nachfahren th. Last (wärmegeführt) Keine th. induzierte Restriktion (stromgeführt) PP mmmmmm PP mmmmmm QQ mmmmmm KWK-Betriebsdiagramm QQ mmmmmm Arbeitspunkte Technologie Wärmeleistung QQ Portfolio von Anlagen im Wärmenetz Heizwerk, Wärmespeicher Spitzenlastkessel Entnahmekondensation Gegendruck Heizwerke (koppeln nur thermisch aus) Wärmespeicher Power-to-Heat (wandelt el. in th. Energie um) Hydraulisch, Thermisch, Regenerativ KWK-Anlagen und Power-to-Heat Wärmenetze KWK-Anlage ist wärmegeführt oder stromgeführt je nach verwendeter Technologie und Anlagenportfolio im jeweiligen Wärmenetz... Systembereich der Stromund Wärmeversorgung... Marktgebiet... Elektrische Last, Regelleistungen... Thermische Last Im-/Exporte mit angrenzenden Marktgebieten

5 Modell und Verfahren 4 Verfahrensschritte (1/3) Herleitung von wärmebedarfsgetriebenen KWK-Einsatzrestriktionen 1 Messwerte, Geokoordinaten Messstationen und Wärmeknoten Berechnung Temperatur bei Wärmeknoten KWK-Anlagen Parameter (P el,min, P el,max, Zuordnung Wärmeknoten), saisonaler Industriebedarf, Gesamtsolleinspeisung 2 3 Berechnung Energiemenge Industrie-KWK Iterative Anpassung der Heizgrenze Berechnung Einsatzentscheidung von Fernwärme-KWK 4 Abgleich Gesamtsolleinspeisung Umverteilung Restriktionen in Wärmeknoten KWK-Einsatzrestriktionen Stündliche und elektrische Arbeitspunktbereiche je KWK-Anlage, welche Lastdeckung im Wärmeknoten sicherstellen (Minimal- und Maximalleistung)

6 Modell und Verfahren 5 Verfahrensschritte (2/3) Anpassung der Heizgrenze bei Fernwärmenetzen zur Einhaltung der Gesamtsolleinspeisung im Marktgebiet (dritter Verfahrensschritt) Abschätzung des täglichen Raumwärmebedarfs durch Heizgradtag Heizgradtag = 24 h=1 (max{hhhhhhhhhhhhhhhhhhhh TTTTTTTTTTTTTTTTTTTT h ; }) Anpassung der Heizgrenze um Schrittweite (Halbierung der Schrittweite bei Richtungswechsel) Gesamtsolleinspeisung nicht getroffen Temperatur, Startheizgrenze, Startschrittweite, Wärmeknoten Berechnung Heizgradtage Einschalten falls Heizgradtag > Einsatzentscheidung Abgleich mit Gesamtsolleinspeisung Fernwärme- KWK-Restriktion Gesamtsolleinspeisung getroffen Elektrische Gesamtsolleinspeisung wird über alle Fernwärme- und Industriewärmenetze eines Marktgebiets getroffen

7 Modell und Verfahren 6 Verfahrensschritte (3/3) KWK- Einsatzrestriktionen in Wärmegruppen (vierter Verfahrensschritt) 4 Umverteilung Restriktionen in Wärmeknoten Prüfung, ob KWK-Einsatzrestriktionen zu einer kostengünstigeren KWK-Anlage verschoben werden können (unter Einhaltung technischer Nebenbedingungen) Kostengünstigere KWK-Einsatzrestriktionen im Anlagenportfolio im Wärmenetz Ausgestaltung KWK-Einsatzrestriktionen für anschließende Marktsimulation Wärmegeführt bspw. Gegendruck-KWK-Anlagen Gleiche Minimal- und Maximalleistung (Einspeisung fixiert) Stromgeführt bspw. Entnahmekondensations-KWK-Anlagen Ggf. Maximalleistung über Minimalleistung (verbleibender Freiheitsgrad)

8 Exemplarische Untersuchungen 7 Plausibilisierung und Einfluss in Marktsimulation Plausibilisierung der KWK-Einsatzrestriktionen für MMMMM 6 h 4 2 Exemplarische KWK-Einsatzrestriktion eines Fernwärmekraftwerks Zwangseinsatz Temperatur Plausible KWK-Einsatzrestriktionen mit 25 GW Must-Run im Januar 4 CC 2 h -2 1 TTTTh 75 eeee aa 5 25 Gesamtsolleinspeisung je Marktgebiet und als Summe über alle Zwangseinsätze Soll Ist DE Energievorgabe Fernwärme Industrie Marktsimulationsergebnis ohne und mit KWK-Einsatzrestriktionen (Auswahl) DE PL ohne mit ENTSO-E ohne mit ENTSO-E Energiemengen mit KWK-Einsatzrestriktionen realitätsnäher Steinkohle (inkl. KWK) Erdgas (inkl. KWK) TTTTh eeee aa

9 Fazit und Ausblick 8 Kernpunkte EE- und KWK-Erzeugung ist durch zufälliges Wetter beeinflusst und stellt zunehmend größere Erzeugungsanteile KWK-Anlagen sind im Einsatz von der Wärmenachfrage abhängig und vermarkten verbleibende Freiheitsgrade an den Strommärkten Verfahren ermittelt KWK-Einsatzrestriktionen unter Berücksichtigung der thermischen Lastdeckung, technischer Restriktionen und Freiheitsgrade durch weitere Anlagen im Wärmenetz Exemplarische Berechnung und eine anschließende Strommarktsimulation zeigen die gesteigerte Realitätsnähe des neuen Verfahrens und den Einfluss auf die Stromerzeugungsmengen Zukünftige Entwicklungen sollten Wärmenachfrage, Wärmespeicher und Power-to-Heat explizit abbilden, um Strom-Wärme-Sektorkopplung detaillierter zu untersuchen

10 9 Weitere Fragen? Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW) RWTH Aachen Mihail Ketov, M.Sc. Tel: +49 () Mail: mihail.ketov@iaew.rwth-aachen.de Web: Institutsleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. Albert Moser