Verena Honeck M. Sc. Transferstelle Bingen in Mainz. Mainz, Verena Honeck Transferstelle Bingen

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1 Anlagenflexibilität auf Kläranlagen am Beispiel von arrivee Abwasserreinigungsanlagen als Regelbaustein in intelligenten Verteilnetzen mit erneuerbarer Energieerzeugung Verena Honeck M. Sc. Transferstelle Bingen in Mainz

2 Transferstelle Bingen Gegründet 1989 Institut an der Fachhochschule Bingen Wissenschaftliche Leitung durch Herrn Prof. Dr. Oliver Türk 20 Ingenieure aus diversen Fachrichtungen Integriert in das Institut für Innovation, Transfer & Beratung ggmbh (ITB ggmbh) 2

3 Kooperationspartner: Projektlaufzeit: April 2014 bis März 2017 Förderkennzeichen: 02WER1320A Projektkoordinator: Technische Universität Kaiserslautern Prof. Dr. Theo Schmitt Fördermaßnahme 3

4 Projektziele und angestrebte Ergebnisse Entwicklung einer Systemlösung zur Integration von Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung in ein optimiertes Regelenergie- und Speicherkonzept Lösungsansätze zur Bereitstellung von System- und Netzdienstleistungen für Verteil- und Übertragungsnetze zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energie Managementstrategie mit Handlungsempfehlungen Quantifizierung Regelenergiepotential auf Kläranlagen Erarbeitung von Regelenergiekonzepten & Entwicklung von Anlagenkonzepten zur technischen Umsetzung Strategien für anpassungsfähige Flexibilitätskonzepte Weiterentwicklung, Test und Verifizierung vorhandener Software für die Netzkopplung am Beispiel einer real betriebenen Kläranlage Normatives Szenario Integration verfahrenstechnischer, energetischer und ökonomischer Ergebnisse und energierechtlicher Randbedingungen Verknüpfung Abwasserwirtschaft und Energieversorgung 4

5 Stromwende: Ausbau der Erneuerbaren Umsetzung des europäischen Klimaschutzziels durch Ausbau des EE-Anteils am Strommix schreitet weiter fort EE-Anteil an der Stromproduktion in 2014 bei 26,2 % Weiterer Ausbau der EE mit zunehmend Überschussphasen verbunden Ziel: Verwertung des Überschussstrom statt Entsorgung Gewinner der Verwertung: zuerst Betreiber von Anlagen mit geringer Investition (PtH, NEA, flexible Verbraucher, usw.) 5

6 Verwertungskonzept EE-Überschüsse Versorgungsnetze können Strom nicht SPEICHERN! Speicher KWK Speicher Elektrolyse + Sabatier Wärme EHeizer, WP Gas Speicher unvollständige Darstellung Verdichter Gebläse Zentrifugen Druckluft (Speicher) Sandfang (Speicher) Speicher Strom Kläranlagen können Strom umwandeln und speichern! 6

7 Identifizierung und Bewertung der Flexibilitäten Regelenergiepotenziale Anlagen auf der Kläranlage BHKW Verdichter Zentrifugen Pumpen Gebläse Eindicker Klärschlammentwässerung Notstromanlagen Heizwerke Zubau Potenziale PtH PtG Batterien Elektrolyseur Jede Anlage besitzt spez. Anlagencharakteristik: Techn. An- bzw. Abfahrgeschwindigkeit zeitliche unterschiedliche Flexibilitäten durch die Prozesse selbst 7

8 Ergebnisse bundesweite Potenzialanalyse 811 Mio. m³ Klärgas bzw. 1,25 TWh el /a werden derzeit bundesweit jährlich produziert Bereits heute ist eine Leistung bis zu 300 MW el an Anlagenflexibilität möglich unter der Annahme, dass u. a.: Umstellung auf Faulung und Installation von BHKWs erfolgt Effizienzsteigerungen der Gasausbeute sowie Kapazitätsreserven wie z.b. Co-Vergärung durchgeführt werden Potenziale zur Stromerzeugung auf Kläranlagen Quelle: Schäfer, M.; Gretzschel, O.; Knerr, H.; Schmitt, T. G.; (2015): Wastewater treatment plants as system service provider for renewable energy storage and control energy in virtual power plants A potential analysis. Energy Procedia Vol. 73,

9 Vermarktungsmöglichkeiten in Virtuellen Kraftwerken Märkte für Flexibilitäten Gesetzliche Vergütung (KWKG, EEG) Stromhandel (Direktvermarktung) Vermarktung Spotmarkt (Strombörse EEX) Systemdienstleistungen Bilanzkreismanagement (Regelenergie, Ausgleichsenergie) 9

10 Einstiegsmarkt in die Flexibilität: Regelenergie Primärregelleistung Sekundärregelleistung Minutenreserve ± Regelung positiv negativ positiv negativ Schematische Darstellung und Abruffolge der Regelenergieprodukte 100% Übertragungsnetzbetreiber Verantwortlichkeit für Störungsbeseitigung Bilanzkreismanager geforderte Leistung Sekundärregelleistung Minutenreserve Primärregelleistung Bilanzkreismanagement 30s 5 Min. 15 Min. 45 Min. 60 Min. 10

11 Möglichkeiten der Regelenergiebereitstellung Positive Regelenergie Negative Regelenergie Verbrauch > Erzeugung Verbrauch = Unterspeisung (Netzfrequenz fällt unter 50 Hz) < = Überspeisung Erzeugung (Netzfrequenz steigt über 50 Hz) Stromerzeuger (z.b. Kraftwerke, Notstrom-Diesel, etc.) Stromerzeuger (z.b. Kraftwerke, BHKW-Anlage, etc.) Leistung erhöhen oder EIN Stromverbraucher (z.b. Elektrolysen, Schmelzöfen, etc.) Leistung absenken oder AUS Stromverbraucher (z.b. Mühlen, Pumpen, Verdichter, etc.) Last absenken oder AUS Last erhöhen oder EIN Quelle: Evonik New Energies 11

12 Anforderungen der Regelenergie Primärregelleistung (PRL) Sekundärregelleistung (SRL) Minutenreserve (MRL) Aktivierung Bis 30 Sekunden 5 Minuten bis zur Erbringung Bis 15 Minuten Ausschreibungszeitraum Wöchentlich Wöchentlich werktäglich Vertragsdauer 1 Woche 1 Woche 4 Stunden Produktzeitscheiben Keine (gesamte Woche) HT: Mo-Fr, 8-20 h, ohne Feiertag NT: restl. Zeitraum 6 Zeitscheiben á 4-Stunden am Tag Produktdifferenzierung Keine (symmetrisches Produkt) Positive / negative SRL Positive / negative MRL Mindestgebotsgröße 1 MW 5 MW (Inkrement in 1MW-Schritten) 5 MW (Inkrement in 1MW-Schritten) Dauer 30 Sek. bis 15 Min. 5 Min bis 4 Std. 15 Min bis 4 Std. Änderungsgeschwindigkeit automatische Aktivierung nach Frequenzabweichung (von 200 mhz bei einer Genauigkeit von ± 10 mhz.) mind. 2 % pro Minute der Nennleistung mind. 2 % pro Minute der Nennleistung Vergabe Leistungspreis-Merit-Order Leistungspreis-Merit-Order Leistungspreis-Merit-Order Vergütung Pay-as-bid (Leistungspreis) Pay-as-bid (Leistungs- und Arbeitspreis) Pay-as-bid (Leistungs- und Arbeitspreis) Höchsten Anforderungen Mittlere Anforderungen Geringere Anforderung Aktuell gültige Marktregeln Stand

13 Wesentliche Eckpunkte des Konsultationsverfahrens der BNetzA Stichtag Sekundärregelleistung Ausschreibung erfolgt kalendertäglich Produktscheiben 6 Scheiben a 4 h pro Tag 2. Minutenreserve Ausschreibung erfolgt kalendertäglich Unterscheidung zwischen Minutenreserveleistung (MRL) und Minutenreservearbeit (MRA) Produktscheiben 6 Scheiben a 4h pro Tag (MRL) bzw. 96 Scheiben a 0,25h pro Tag (MRA) 13

14 MRL und SRL Marktvolumen Ausschreibungen der Übertragungsnetzbetreiber auf der Internetplattform Bundesweites Kläranlagenpotenzial: 300 MW el ~13% Anteil der negative MRL Bundesweites Kläranlagenpotenzial: 300 MWel ~15% Anteil der negative SRL TA: Tagesausschreibung; DL.Nr - Durchlaufnummer 14

15 Positive Leistungspreise MRL vs. SRL mittleres Ergebnis: ca /MW a pos. MRL Strommangel im Regelenergiemarkt in vielen Stunden bereits vorhanden Dort Zahlungsrichtung hin zur Anlage mittleres Ergebnis: ca /MW a pos. SRL Situation Strommangel im deutschen Netz in 2014: tatsächliche Abrufe in 2014 MRL 310 h SRL h 15

16 Negative Leistungspreise MRL vs. SRL mittleres Ergebnis: ca /MW a neg. MRL Überschussstrom im Regelenergiemarkt in vielen Stunden bereits vorhanden Dort Zahlungsrichtung hin zur Anlage Situation Überschussstrom im deutschen Netz in 2014: mittleres Ergebnis: ca /MW a neg. SRL tatsächliche Abrufe in 2014 MRL 320 h SRL h 16

17 Grenzarbeitspreise bei Regelenergieabrufe Regelenergieabrufe bei Strommangel in 2014 Strommangel im Regelenergiemarkt in vielen Stunden bereits vorhanden Grenzarbeitspreise der positiven MRL Dort Zahlungsrichtung hin zur Anlage Situation Strommangel im deutschen Netz in 2014: Tatsächliche Abrufe: positive MRL in 310 h Grenzarbeitspreise der positiven SRL positive SRL in h 17

18 Dauer der Abrufe für die SRL neg in 2014 SRL Abrufe bei einem Arbeitspreis von -150 /MWh zum Vergleich: die MRL Abrufe bei einem Arbeitspreis von /MWh 18

19 Uhrzeit Uhrzeit Weitere Flexibilitätsmärkte in der Entwicklung Spotmärkte entwickeln sich mit dem Ausbau der EE zu Flexibilitätsmärkten ᴓ Strompreis /MWh el Day Ahead 70 hpreise unter 0 /MWh in hpreise unter 0 /MWh in 2015 DayAhead in 2015 Daten verändert nach EPEX Winter Frühjahr Sommer Herbst IntraDay 265 h Preise unter 0 /MWh in h Preise unter 0 /MWh in 2015 Werte unter 0 /MWh blau reingerahmt IntraDay in 2015 Daten verändert nach EPEX Winter Frühjahr Sommer Herbst 19 Werte über 100 /MWh rot eingerahmt

20 Flexibilität und die Wärmewende Flexible Anlagen nutzen Überschussstrom und reduzieren den Primärenergiefaktor Ausbau der EE erhöht die Klimaschutzpotenziale für flexible Anlagen Beitrag zur Energiewende Reduktion der CO 2 -Emissionen bei SRL Abrufen 20

21 Fazit und Ausblick Ausbau der Erneuerbaren wird weiter stattfinden Zunehmend Phasen mit Stromüberschüssen bzw. Strommangel Strommärkte entwickeln sich stochastischer, d.h. weniger planbar Flexible Anlagen (BHKWs und Stromverbraucher) sind auf der Kläranlage heute schon vorhanden Einstiegsmarkt Regelenergie schafft erste Wirtschaftlichkeit und startet Bewertungsprozess Die Verschiebung von Last auf Kläranlagen ist kostengünstiger als Netzausbau, Speicherung oder Vorhaltung von Kraftwerksleistung Kläranlagen sind preisbildend stabilisieren Netzentgelte es gilt Flexibilitäten auf Kläranlagen zu finden, zu bewerten und ggf. in ein virtuelles Kraftwerk zu integrieren 21

22 Weitere Flexibilitäten auch im Trinkwasserbereich Pumpen zur Trinkwasserversorgung in Kombination mit einem Hochbehälter Energiewirtschaftliche Optimierung und virtuelle Kraftwerke in der Trinkwasserversorgung am Beispiel der Stadtwerke Trier gefördert von: 22

23 Vorankündigung Tagungen 08.März 2016: 6. Fachtagung Smart Grids und virtuelle Kraftwerke in Ludwigshafen Industrielle Praxisbeispiele, Strategien zur Bilanzkreistreue, Neue Entwicklung im Regelenergiemarkt gefördert vom MWKEL Im Juni 2016: Klärwerksseminar in Trier aus der Reihe Binger Intensivseminare Kläranlagen Baustein in den Stromnetzen der Zukunft gefördert vom MULEWF 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt Verena Honeck M. Sc. (06721) Mit Energie für Effizienz und Umwelt Transferstelle Bingen Berlinstraße 107a Bingen