Ausbauplanung von Verteilnetzen unter Berücksichtigung von Netzengpassmanagement mit marktbasiert bereitgestellter Flexibilität

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1 Ausbauplanung von Verteilnetzen unter Berücksichtigung von Netzengpassmanagement mit marktbasiert bereitgestellter Flexibilität Einleitung & Analyse Methodik Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Kilian Geschermann Wien,

2 Einleitung & Analyse 1 Inst. Leistung (GW) Hintergrund und Motivation Hoher Zubau von dezentralen Stromerzeugungsanlagen Integration von ungefähr 2/3 des geplanten EEG-Zubaus in das Verteilnetz, insbesondere Photovoltaik auf Mittel- und Niederspannungsebene Signifikanter Netzausbaubedarf im Verteilnetz Installierte EEG-Anlagenleistung HöS HS MS NS Wind Solar Biomasse sonstige Netzausbau auf max. Netzleistungsfähigkeit für seltene, extreme Einspeisesituationen volkswirtschaftlich nicht sinnvoll Bereits heute Berücksichtigung der Spitzenkappung in der Netzplanung Zukünftig zusätzliche Flexibilitätsoptionen im Verteilnetz verfügbar durch neue flexible Verbraucher und Speicher Weiterentwicklung des Ansatzes hin zu einer Bereitstellung lokaler Netzdienstleistungen (NDL) für das Netzengpassmanagement (NEM) über marktbasierte Prozesse in Diskussion

3 Einleitung & Analyse 2 Erlöse Ampelkonzept und Kosten für lokale Netzdienstleistungen Ampelkonzept Basis für die Bereitstellung lokaler NDL Regelung Interaktion zw. Marktteilnehmern und VNB Ziel: Ermittlung eines gesamtwirtschaftlich optimalen Verteilnetzausbaus unter Berücksichtigung von lokalen NDL zur Bewertung marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung Bewertung erfordert Vergleich der Kosten für Netzausbau Kosten für Nutzung lokaler NDL grün Flexibilität wird vom Vertrieb/ Aggregator marktund systemdienlich zur Portfoliooptimierung und zum Bilanzausgleich angeboten. gelb Flexibilität wird durch Netzbetreiber auf vertraglicher Basis netzdienlich zur Vermeidung von volkswirtschaftlich ineffizientem Netzausbau angefordert Unterschiede in den Konzepten sind u. a. indirekt Steuerung direkt starr Aggregationsebene flexibel langfristig Kontrahierung kurzzeitig variabel Vorlaufzeiten day ahead rot Flexibilität wird durch Netzbetreiber auch ohne vertragliche Grundlage zur Wahrung der Netzsicherheit gesteuert. Kosten für lokale NDL Vermarktung von Flexibilitätsoptionen am Spot- und Regelleistungsmarkt Opportunitätskosten zur Bereitstellung lokaler NDL für Marktteilnehmer Preisuntergrenze für die Kontrahierung lokaler NDL durch den VNB Ohne Bereitstellung lokaler NDL Mit Bereitstellung lokaler NDL Minimale Erlöse aus der Bereitstellung lokaler NDL Spotmarkt Regelleistungsmarkt Lokale NDL

4 Methodik 3 Kosten von marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung Kostenbewertung von lokalen Netzdienstleistungen für ein virtuelles Kraftwerk Netzknotenscharfe Last/Einspeisung Deckungsbeitrag Netzbetriebssimulation Identifizierung Netzengpässe Aufstellung von Netzrestriktionen Sensitivität einzelner Flexibilitätsoptionen auf Netzengpässe Einschränkung der aggregierten Leistung der Flexibilitätsoptionen in Abhängigkeit der Sensitivität Kostenbewertung für lokale NDL 1 2 (Spot, Regelleistung) ohne Netzrestriktionen Netzknotenscharfe Fahrpläne Prüfung Grenzwertverletzungen Lastflussberechnung für alle Netznutzungsfälle eines Jahres Sensitivitätsberechnung und Ermittlung von Netzrestriktionen Netzrestriktionen 3 (Spot, Regelleistung) mit Netzrestriktionen

5 Methodik 4 Spannung Kostenbewertung von lokalen Netzdienstleistungen für ein virtuelles Kraftwerk Knoten mit Flexibilitätsoption Knoten ohne Flexibilitätsoption Netzknotenscharfe Last/Einspeisung Deckungsbeitrag Netzbetriebssimulation HS MS Identifizierung Netzengpässe Aufstellung von Netzrestriktionen Sensitivität einzelner Flexibilitätsoptionen auf Netzengpässe Maximale Spannung Einschränkung der aggregierten Leistung der Flexibilitätsoptionen in Abhängigkeit der Sensitivität Minimale Spannung Abgangslänge U 4,max U 4,Stufe 1 U 4 P 1 P 1 + U 4 P 3 P 3 + U 4 P 4 P 4 x MW 0; 1 P 1 + 0; 1 P 3 + P 4

6 Methodik 5 Kosten von marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung Kostenbewertung von lokalen Netzdienstleistungen für ein virtuelles Kraftwerk Netzknotenscharfe Last/Einspeisung Deckungsbeitrag Netzbetriebssimulation Identifizierung Netzengpässe Aufstellung von Netzrestriktionen Sensitivität einzelner Flexibilitätsoptionen auf Netzengpässe Einschränkung der aggregierten Leistung der Flexibilitätsoptionen in Abhängigkeit der Sensitivität Erneute mit Netzrestriktionen Differenz des Deckungsbeitrages = Kosten der Nutzung lokaler NDL Kostenbewertung für lokale NDL (Spot, Regelleistung) ohne Netzrestriktionen Netzknotenscharfe Fahrpläne Prüfung Grenzwertverletzungen Lastflussberechnung für alle Netznutzungsfälle eines Jahres Sensitivitätsberechnung und Ermittlung von Netzrestriktionen Netzrestriktionen (Spot, Regelleistung) mit Netzrestriktionen

7 Methodik 6 Kosten Kosten Kosten Netzausbauoptimierung unter Berücksichtigung lokaler NDL Netzausbauverfahren Ausbaumaßnahmen Ist-Netz Gesamtkosten Ausbauiteration = Ausbauszenario Netz inkl. Ausbauoption AM Wirtschaftliche Bewertung NDL Ausbau Wirtschaftliche Bewertung Kosten NDL Differenz DB + Ausbaukosten Annuität Auswahl günstigstes Ausbauszenario Vergleich Ausbaumaßnahmen = Gesamt Ausbauoption Auswahl Ausbauoption Ausbau Ausführung, bis für alle Ausbauoptionen gilt: Kosten NEM + kein Ausbau < Kosten NEM + Ausbau AM 3 Optimaler Netzausbau Ausbau Option 3 Umsetzung ausgewählte Netzausbauoption Fortsetzung mit nächstem Ausbauiterationsschritt

8 Methodik 7 Kosten Kosten Kosten Netzausbauoptimierung unter Berücksichtigung lokaler NDL Netzausbauverfahren Ausbaumaßnahmen Ist-Netz Gesamtkosten Ausbauiteration = Ausbauszenario Netz inkl. Ausbauoption AM Wirtschaftliche Bewertung NDL Ausbau Wirtschaftliche Bewertung Kosten NDL Differenz DB + Ausbaukosten Annuität Auswahl günstigstes Ausbauszenario Vergleich Ausbaumaßnahmen = Gesamt Ausbauoption Auswahl Ausbauoption Ausbau Ausführung, bis für alle Ausbauoptionen gilt: Kosten NEM + kein Ausbau < Kosten NEM + Ausbau AM 3 Optimaler Netzausbau AM Ende Flexibilitätsnutzung ohne Netzausbau am günstigsten

9 Untersuchungsergebnisse 8 Betrachtetes Netzgebiet und Eingangsdaten Exemplarisches MS- und NS-Netz für das Jahr 2030 mit hohem EE-Anteil Windenergieanlagen: 25 MW Photovoltaikanlagen: 400 kw Flexibilitätsoptionen Batteriespeicher: 1 MW KWK-Anlage: 1 MW Power-to-Heat-Anlage: 2 MW Last- und EE-Einspeisezeitreihen gemäß Wetterjahr 2013 Historische Marktpreise aus 2013 Investitionskosten für Netzausbaumaßnahmen gemäß BMWi- Verteilernetzstudie Betrachtung von 4 Ausbauoptionen: MS 0-1, MS 0-3, MS 3-4, HS-/MS-Trafo Zwei Untersuchungsvarianten NEM per Einspeisemanagement (EisMan) NEM mit marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung (Flex) NS HS MS 1

10 Untersuchungsergebnisse 9 Jährliche Kosten in EUR Jährliche Kosten in EUR Optimaler Netzausbau Vergleich der Varianten Einspeisemanagement und marktbasierte Flexibilitätsbereitstellung Variante EisMan Ausbaukosten Kosten NEM Variante Flex Ausbaukosten Kosten NEM Ausbauoptionen Reduktion der NEM-Kosten durch marktbasierte Flexibilitätsbereitstellung Geringere Opportunitätskosten bei Einsatz von Flexibilitätsoptionen wie Batterien, KWK-Anlagen und PtH-Anlagen im Vergleich zur EE-Abregelung Steigerung des wirtschaftlichen Nutzens von NEM gegenüber Netzausbau Verringerung der Gesamtkosten um ca. 10% Ausbauoptionen Ausbau von MS 0-3 und MS 0-1 Nur Ausbau von MS 0-3

11 Zusammenfassung 10 Wesentliche Erkenntnisse und Ausblick Ziel Ermittlung eines gesamtwirtschaftlich optimalen Verteilnetzausbaus unter Berücksichtigung von marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung für das NEM Methodik Verfahren zur Kostenbewertung von marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung Kopplung mit Netzausbauverfahren Ergebnisse Netzrestriktionen auf Basis von Sensitivitäten einzelner Flexibilitätsoptionen auf Netzengpässe eignen sich für marktbasierte Nutzung von Flexibilität zum NEM Deutliche Reduktion der NEM-Kosten durch marktbasierte Flexibilitätsbereitstellung möglich Verringerung der Gesamtkosten durch kostengünstigere Substitution von Netzausbaumaßnahmen im Vergleich zur Abregelung von EE-Anlagen Ausblick Weitere Untersuchungen anhand eines realen Netzes der Westnetz GmbH Feldtest zur Praxiserprobung einer marktbasierten Flexibilitätsnutzung

12 Weitere Fragen? Kilian Geschermann Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW), RWTH Aachen University Tel: +49 (0) Institutsleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. Albert Moser

13 Backup 12 Kosten von marktbasierter Flexibilitätsbereitstellung Überblick über die Gesamtmethodik Kostenbewertung für lokale NDL (Spot, Regelleistung) ohne Netzrestriktionen Netzknotenscharfe Fahrpläne Prüfung Grenzwertverletzungen Lastflussberechnung für alle Netznutzungsfälle eines Jahres Sensitivitätsberechnung und Ermittlung von Netzrestriktionen Netzrestriktionen (Spot, Regelleistung) mit Netzrestriktionen Netzausbauverfahren Ausbaumaßnahmen Ausbauiteration Ausbauszenario Netz inkl. Ausbauoption Wirtschaftliche Bewertung NEM Ausbau Auswahl Ausbauoption Ist-Netz Ausführung, bis für alle Ausbauoptionen gilt: Kosten NEM + kein Ausbau < Kosten NEM + Ausbau Optimaler Netzausbau

14 Backup 13 Relative Auslastung Auslastung der Leitung MS 0-1 vor und nach NEM 140% 120% 100% 80% 60% Referenz EisMan Flex 40% 20% 0% Viertelstunden

15 Backup 14 Einspeisung/Last in MW Einsatz der Windenergieanlagen und Batterie in den beiden Untersuchungsvarianten EisMan und Flex WEA (Referenz) Bat (Referenz) WEA (EisMan) WEA (Flex) Bat (Flex) Viertelstunden