Kapitel 2: Management der Stromerzeugung

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1 Kapitel 2: Management der Stromerzeugung 2.1 Grundüberlegungen 2.2 Kraftwerke als zentrale Ressource 2.3 Kraftwerkseinsatzplanung 2.4 Beschaffungs- und Absatzmärkte 2.5 Portfoliomanagement in der Stromerzeugung 2.6 Kraftwerksinvestitionen 2.7 Auswirkungen verstärkter Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien 1 Ziele des Kapitels Grundlegende Aspekte des Managements von Stromerzeugungsanlagen kennen lernen Ressourcen- und marktorientierte Perspektive auf die Stromerzeugung verknüpfen Kontext der wesentlichen Beschaffungs- und Absatzmärkte für Kraftwerke nachvollziehen Methoden zum Kraftwerkseinsatz und Portfoliomanagement verstehen Investitionsentscheidungen im Kraftwerksbereich analysieren lernen 2

2 Kapitel 2: Management der Stromerzeugung 2.1 Grundüberlegungen 2.2 Kraftwerke als zentrale Ressource 2.3 Kraftwerkseinsatzplanung 2.4 Beschaffungs- und Absatzmärkte 2.5 Portfoliomanagement in der Stromerzeugung 2.6 Kraftwerksinvestitionen 2.7 Auswirkungen verstärkter Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien Grundüberlegungen (I) Kraftwerke stellen eine essentielle (unverzichtbare) Ressource zur Stromproduktion dar Strom kann nicht in nennenswertem Umfang gespeichert werden Daher muss Strom immer im Augenblick der Nachfrage bereitgestellt werden Dies unterscheidet Strom von den meisten Industrieprodukten wie Autos, Waschmaschinen usw. Vor der Liberalisierung in den Zeiten der Gebietsmonopole wurde der Kraftwerkseinsatz zur Deckung der jeweiligen Nachfrage (Last) optimiert klassische Kraftwerkseinsatzplanung 4

3 Grundüberlegungen (II) Nach der Liberalisierung werden die Kraftwerke marktorientiert eingesetzt Kraftwerke Teil eines Portfolios von Verträgen und Assets Portfoliomanagement sowohl ressourcen- als auch marktorientierter Ansatz des operativen Managements Daraus ergibt sich Gliederung des Kapitels - Zunächst Beschreibung der verfügbaren Ressource Kraftwerk - Daraus abgeleitet Kraftwerkseinsatzplanung - Dann Beschreibung der Bedingungen auf den relevanten Märkten für: Brennstoffe Strom CO 2 - Darauf aufbauend Methoden des Portfoliomanagements - Schließlich Betrachtung von Kraftwerksinvestitionsentscheidungen 5 Kapitel 2: Management der Stromerzeugung 2.1 Grundüberlegungen 2.2 Kraftwerke als zentrale Ressource 2.3 Kraftwerkseinsatzplanung 2.4 Beschaffungs- und Absatzmärkte 2.5 Portfoliomanagement in der Stromerzeugung 2.6 Kraftwerksinvestitionen 2.7 Auswirkungen verstärkter Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien 6

4 2.2 Kraftwerke als zentrale Ressource (I) Vielzahl von Technologien können zur Stromerzeugung eingesetzt werden (vgl. Vorlesung Einführung in die Energiewirtschaft) Für den optimalen Kraftwerkseinsatz bzw. das Portfoliomanagement sind v. a. folgende Aspekte bedeutsam Dargebotsabhängige Erzeugung ja/nein? D. h. Abhängigkeit vom momentanen Angebot einer regenerativen Energiequelle wie Wind, Solarstrahlung oder Wasser Höhe der variablen Kosten Umfassen v.a. die Brennstoffkosten Abhängig vom Wirkungsgrad Aber auch Kosten für Rauchgasreinigung u. ä. Flexibilität des Kraftwerkseinsatzes Anfahrkosten und Anfahrzeiten Mindestbetriebs- und Mindeststillstandszeiten Maximale Laständerungsgeschwindigkeiten (Gradienten) Wirkungsgradverlust bei Teillastbetrieb Subventionen z.b. KWK-G 7 Kraftwerke als zentrale Ressource (II) (Forts.) Bedeutsame Aspekte für den optimalen Kraftwerkseinsatz Speicherbarkeit des Inputenergieträgers verbunden mit Energiemengenbeschränkung für Inputenergie Tritt v. a. bei Speicher- und Pumpspeicherwasserkraftwerken auf In diesem Fall Speicherbewirtschaftung erforderlich, je nach Speichergröße und Zufluss im Tages-, Wochen- oder Jahresverlauf Höhe der Investitionskosten sind für Kraftwerkseinsatz nicht relevanten Investitionskosten sind aus Sicht des operativen Kraftwerksmanagements sunk costs (versunkene Kosten) Diese müssen unabhängig vom tatsächlichen Kraftwerksbetrieb refinanziert werden Optimierung des Kraftwerkseinsatz erfolgt gemäß dem Prinzip der Maximierung der erzielbaren Deckungsbeiträge Investition in Kraftwerke wird nur erfolgen, wenn zu erwarten ist, dass die diskontierten Deckungsbeiträge aus dem späteren Betrieb die Investitionskosten übersteigen 8

5 Kraftwerkstypen (I) Wiederholung aus der Einführung Kraftwerke sind technische Anlagen, die Primär- oder Sekundärenergie in mechanische oder elektrische Energie umwandeln Nach der Art der Energieumwandlung lassen sich verschiedene Kraftwerkstypen unterscheiden (s. nächste Folien) Kraftwerke weisen sehr unterschiedliche Größen auf (s. u.) Kraftwerke unterscheiden sich hinsichtlich ihrer fixen und variablen Kosten. 9 Kraftwerkstypen (II) Wasserkraftwerke wandeln potentielle Energie des Wassers in mechanische Energie (an der Turbinenwelle) und dann in Elektrizität um Typen: Laufwasserkraftwerke Speicherwasserkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Leistungsbereich: kleine Wasserkraft: 10 kw bis 5 MW große Wasserkraftwerke in Deutschland: bis ca MW Pumpspeicher-KW Goldisthal, Thüringen (ca MW) Laufwasserkraftwerke: Rheinfelden (25,7 MW) und Geisling (25 MW) größte Wasserkraftwerke weltweit: Itaipu (Brasilien) 18 GW Drei-Schluchten-Damm (China, im Bau) 23 GW 10

6 Kraftwerkstypen (III) Windkraftwerke: wandeln kinetische Energie des Windes (in mechanische und dann) in elektrische Energie um Leistungsbereich: 300 kw bis 5 MW Photovoltaikanlagen: wandeln Solarstrahlung direkt in Elektrizität um Leistungsbereich: Ca. 1 kw bis 300 kw (max. 150 W/m²) Brennstoffzellen: wandeln chemische Energie ohne Verbrennung direkt in Elektrizität um umgekehrte Elektrolyse Leistungsbereich: 1 kw bis mehrere MW, bislang aber erst Prototypen 11 Kraftwerkstypen (IV) Thermische Kraftwerke Oberbegriff für: Kernkraftwerke Fossile Kraftwerke Regenerative Kraftwerke auf Basis von Biomasse, Solarenergie (Solarthermische Kraftwerke), Erdwärme (Geothermie) Chemische bzw. nukleare Energie bzw. solare Strahlung werden zunächst in Wärme (thermische Energie) umgewandelt. In einem thermodynamischen Kreisprozess wird diese in mechanische Energie und dann in Elektrizität transformiert Gängige Kreisprozesse: Dampfkraftprozess Kessel & Dampfturbine(n) Gasturbinenprozess Verbrennungsmotorenprozess 12

7 Klassifikation der Kraftwerke aus Sicht des Kraftwerkseinsatzes ja nein Speicherbarer Input? ja Windenergie Photovoltaik Solarthermische Kraftwerke Laufwasserkraftwerke Speicherwasserkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Dargebotsabhängige Produktion? nein hoch Brennstoffkosten? mittel niedrig Gasturbinen (gas- und ölgefeuert) Gasgefeuerte GuD-Anlagen Gasgefeuerte KWK-Anlagen Steinkohle-Kraftwerke Steinkohlegefeuerte KWK Braunkohle-Kraftwerke Kernkraftwerke 13 Typische Kraftwerksparameter (I) Kraftwerkstyp Wasserkraftwerk Gasturbine GuD-Kraftwerk Steinkohlekraftwerk Braunkohlekraftwerk Kernkraftwerk Wirkungsgrad 60 % bis 85 % Alt: 25 % bis 33 % Neu: bis 38 % Alt: 40 % bis 50 % Neu: bis 58 % Alt: 35 % bis 43 % Neu: 46 % u. mehr Alt: 30 % bis 37 % Neu: 43 % u. mehr Alt: ca. 33 % Neu: 36 % Anfahrzeit Brennstoffkosten /MWh /MWh 7-9 /MWh ca. 4 /MWh ca. 2 /MWh* * Kosten kompletter Brennstoffzyklus einschließlich direkter Endlagerung Mindestbetriebszeit < 1 min. 15 min. 2 h 4 h 4 h 120 h Wenige Minuten ca. 1 h ca. 4 h 4 12 h ca. 12 h - 14

8 Typische Kraftwerksparameter (II) Kraftwerkstyp Investitionskosten Nutzungsdauer install. Leistung jährl. Stromertrag Biomasse-KW (Holz) 3,35 48 Mio 0,5 20 2,5 156 MWh Photovoltaik 20 Jahre Mio kw MWh Wind 16 Jahre 1,8 7,5 Mio kw MWh Quelle: Staiß: Jahrbuch Erneuerbare Energien Wirkungsgrad Wirkungsgrad = Verhältnis zwischen abgegebener Leistung (Nutzleistung) und zugeführter Leistung Variable Kosten = Brennstoffkosten / Wirkungsgrad + sonstige var. K. 16

9 Konsequenzen für Kraftwerkseinsatz Kern- und Braunkohlekraftwerke werden aufgrund ihrer niedrigen variablen Kosten fast immer eingesetzt Werden als Grundlastkraftwerke bezeichnet Gasturbinen und (Pump-)Speicherkraftwerke werden aufgrund ihrer Flexibilität zu Spitzenlastzeiten und zum Ausregeln von Lastschwankungen eingesetzt Spitzenlastkraftwerke Steinkohlekraftwerke, Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und GuD-Anlagen nehmen aufgrund ihrer mittelhohen variablen Kosten und ihrer mittelgroßen Flexibilität eine Zwischenstellung ein und werden entsprechend eingesetzt Mittellastkraftwerke 17