Beitrag neuer Technologien zur Systemstabilität aus Deutscher Perspektive

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Philipp Ursler
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1 Fachtagung Flexibilität in der Elektrizitätswirtschaft Beitrag neuer Technologien zur Systemstabilität aus Deutscher Perspektive Dr.-Ing. Ulf Kasper Luzern, 10. Mai 2017

2 Agenda Einleitung Entwicklung der Märkte für Regelreserve in Deutschland Präqualifikation für die Teilnahme am Markt für Regelreserve Erbringung von Regelreserven aus neuen Technologien Zusammenfassung 1

3 Kapitel 1 Einleitung

4 Hintergrund und Motivation Beschaffung von Systemdienstleistungen durch die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNBs) zur Gewährleistung des sicheren Systembetriebs Frequenzstabilität Spannungsstabilität Versorgungswiederaufbau Systembetrieb Rückgang der Erzeugung elektrischer Energie aus konventionellen Erzeugungsanlagen Kernenergie-Ausstieg in Deutschland Ausbau erneuerbarer Energien in Europa» Eine Bewertung des Beitrags neuer Technologien zur Systemsicherheit (d. i. Regelreserve) ist erforderlich. 3

5 Regelreservequalitäten Regelreservequalitäten in Europa differenziert nach Aktivierungszeit (ohne Imbalance Netting; IN) FCR Automatische Aktivierung Bis zu 15 Minuten afrr Automatische Aktivierung 30 s bis 15 min mfrr Semi-autom. oder manuelle Aktivierung Mindestens 15 min RR Semi-autom. oder manuelle Aktivierung Mindestens 15 min Netzfrequenz (50 Hz) Δf Regelarbeit Gesamte Regelarbeit (idealisiert) t 0 t s t 0 +5 min t min t min Synchronverbund Betroffene ÜNBs» Nutzung von bis zu fünf Reservequalitäten mit unterschiedlichen Anforderungen in Europa Zeit 4

6 Kapitel 2 Entwicklung der Märkte für Regelreserve in Deutschland

7 Kosten für Regelarbeit und leistung Entwicklung der ÜNB-seitigen Kosten (d. h. Erlöse aus Sicht der Marktteilnehmer) an den Märkten für Regelreserve Kosten für Leistungsvorhaltung und Arbeitserbringung 300 Mio Arbeit Leistung FCR positive afrr negative afrr positive mfrr» Rückgang der Gesamtkosten für afrr und mfrr» Anstieg der Kosten für FCR auf rd. 100 Mio. /Jahr negative mfrr 6

8 Kapitel 3 Präqualifikation für die Teilnahme am Markt für Regelreserve

9 Exemplarischer Abrufnachweis Exemplarische Darstellung eines sekundenscharfen Erbringungsnachweises für positive afrr mittels Musterprotokoll, sogenannter Doppelhöckerkurve (DHK) Leistung 120 % 80 Soll-Wert Ist-Wert Vorhaltephase Erbringungsphase min 80» Identifikation der relevanten Auswertungsbereiche ggü. Soll-Signal» Sichere Erbringung (mit einem Konfidenzintervall von 99,994 %) muss auch bei volatiler Einspeisung nur aus (Windkraft-)Anlagenpools möglich sein. Zeit 8

10 Kapitel 4.1 Erbringung von Regelreserven aus Windkraftanlagen

11 Angebotspotential von Windkraftanlagen Darstellung der Jahresdauerlinie der theoretisch von gepoolten Windkraftanlagen bei vor- und untertäglicher Auktion im Jahr 2012 handelbaren negativen mfrr 30-GW-Windpool (Anlagenbestand in Deutschland Ende 2012) 1-GW-Windpool (exemplarischer Windpool) Handelbare negative mfrr (Konfidenzintervall: 99,994 %) 100 % P inst GW-Windpool, vortägliche Auktion 1-GW-Windpool, vortägliche Auktion 30-GW-Windpool, untertägliche Auktion 1-GW-Windpool, untertägliche Auktion h/a Zeit Quelle: IWES

12 Angebotspotential von Windkraftanlagen Darstellung der Jahresdauerlinie der theoretisch von gepoolten Windkraftanlagen bei vor- % Pund untertäglicher Auktion im Jahr 2012 inst handelbaren negativen mfrr 30-GW-Windpool (Anlagenbestand 60 in Deutschland Ende 2012) 1-GW-Windpool (exemplarischer Windpool) Handelbare negative mfrr (Konfidenzintervall: 99,994 %) Handelbare negative mfrr (Konfidenzintervall: 99,994 %) 30-GW-Windpool, vortägliche Auktion 1-GW-Windpool, vortägliche Auktion 30-GW-Windpool, untertägliche Auktion 1-GW-Windpool, untertägliche Auktion GW-Windpool, vortägliche Auktion % P 1-GW-Windpool, vortägliche Auktion inst 30-GW-Windpool, 0 untertägliche Auktion GW-Windpool, untertägliche 500 Auktion h/a h/a Zeit Quelle: IWES

13 Mögliche Nachweisverfahren Diskussion der Nachweisverfahren Fahrplan und mögliche Einspeisung für die Erbringung von Regelreserve aus Windkraftanlagen Leistung Fahrplan Leistung Mögliche Einspeisung 0 15 min min 45 Zeit Zeit Prognose Reale Einspeisung Regelarbeit Prob. 1-h-Kurzfristprognose Mögliche Einspeisung» Trade-off zwischen einspeisbarer elektrischer Energie und Fahrplantreue» Nutzung des Verfahrens mögliche Einspeisung in Deutschland, da nicht einspeisbare Energiemengen für Anbieter geringer 12

14 Präqualifizierte Windkraftanlagen in Deutschland 160 MW Vergleich der in Deutschland präqualifizierten Windkraftanlagen mit der präqualifizierten Gesamtleistung Leistung aus Windkraftanlagen 0 neg. mfrr MR Reservequalität Leistung aus allen Erzeugungstechnologien 40 GW PRR pos. SRRneg. afrr SRR pos. MR neg. MR FCR pos. afrr pos. mfrr neg. mfrr Reservequalität Sonstige Nachfrage Batteriespeicher Bio Wasser Öl Gas Steinkohle Braunkohle Kernenergie» Bisher nur Präqualifikation von rd. 60 MW negativer mfrr aus Windkraftanlagen wegen geringer Wirtschaftlichkeit» Vergütung durch Direktvermarktung scheint aktuell auskömmlicher. 13

15 Kapitel 4.2 Erbringung von Regelreserven aus Batteriespeichersystemen

16 Zulässiger Betriebsbereich von Batteriespeichersystemen Anforderung für FCR Jederzeit Vorhaltung der für einen 30-minütigen Vollabruf erforderlichen elektrischen Energie Jederzeit Vorhaltung eines Puffers für den 30 Minuten dauernden vollständigen FCR-Abrufs in beide Richtungen Vergrößerung des Betriebsbereichs, in dem keine Ausgleichsgeschäfte getätigt werden müssen, durch Erhöhung der Speicherkapazität (ohne Erhöhung der Präqualifikationsleistung) Randbedingung Ladestand ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 MWh/MW 2,5 3,0 Auslegung von Leistungselektronik und Netzanschluss muss sowohl für FCR- Erbringung als auch Ausgleichsgeschäfte dimensioniert sein. % zulässiger Betriebsbereich Speicherkapazität/Präqualifikationsleistung 15

17 Zulässige Betriebsstrategien: Optionale Übererfüllung Darstellung des zulässigen Betriebsbereichs bei optionaler Übererfüllung als Leistungs-Frequenz-Kennlinie Leistungsabgabe ins Netz 120 % 100 P max Zulässige Übererfüllung Maximale Leistungskennlinie Minimale Leistungskennlinie 49,80 49,90 50,00 50,10 Hz 50,20 Netzfrequenz» Optionale Übererfüllung ermöglicht netzstützendes Lademanagement 16

18 Zulässige Betriebsstrategien: Nutzung des Totbands Darstellung der im Totband erlaubten Arbeitsbereiche Leistungsabgabe ins Netz 100 % P75 max ,99 50,01 Zulässiges Aufladen im Totband Zulässiges Entldaten im Todband Maximale Leistungskennlinie 49,80 49,90 50,00 50,10 Hz 50,20 Netzfrequenz» Netzstützende Nutzung des Totbands (inkl. Systemzeitkorrektur) ermöglicht aktives Lademanagement» Hohe Messgenauigkeit der Netzfrequenz ( 1 mhz) erforderlich 17

19 Zulässige Betriebsstrategien: Lade-/Entladevorgänge durch Fahrplangeschäfte Nutzung von Fahrplangeschäften zum Lademanagements während der Erbringung von FCR Leistungserbringung = Arbeitspunkt Fahrplangeschäft Vorlaufzeiten für Handelsgeschäfte berücksichtigen Auslegung des Batteriespeichers muss vollständige Reserveerbringung jederzeit gewährleisten. Arbeitspunkt/Leistungserbringung min Fahrplangeschäft Zeit» Fahrplangeschäfte ermöglichen aktives Lademanagement.» Eigenerzeugung ebenfalls zulässig, falls keine unangemessenen Fahrplanabweichungen entstehen. 18 Leistungserbringung Fahrplan Ladestand Mindestladestand Fahrplangeschäft min Zeit Ladestand des Batteriespeichers min Zeit

20 Präqualifizierte Batteriespeicher in Deutschland Vergleich der in Deutschland präqualifizierten Batteriespeicher mit der präqualifizierten Gesamtleistung Leistung aus Batterien 160 MW FCR PRR Reservequalität Leistung aus allen Erzeugungstechnologien 40 GW PRR pos. SRRneg. afrr SRR pos. MR neg. MR FCR pos. afrr pos. mfrr neg. mfrr Reservequalität Sonstige Nachfrage Batteriespeicher Bio Wasser Öl Gas Steinkohle Braunkohle Kernenergie» Für FCR erreichen einige Anbieter bereits eine wirtschaftliche Vermarktung. Aktuell können rd. 20 % des deutschen FCR-Bedarfs aus Batteriespeichern gedeckt werden. 19

21 Kapitel 5 Zusammenfassung

22 Zusammenfassung Sinkende afrr-/mfrr-gesamtkosten und weiterhin vergleichsweise hohe FCR-Kosten in Deutschland Regelreserve aus Windkraftanlagen in Deutschland Kurze zeitliche Vorläufe bei der Ausschreibung ermöglichen die Teilnahme von Windkraftanlagen an den Regelreservemärkten (insb. negative mfrr). Nutzung des Nachweisverfahrens mögliche Einspeisung für Windkraftanlagen aufgrund der niedrigeren abzuregelnden Energiemengen. Regelreserve aus Batteriespeichern in Deutschland Für FCR ist jederzeit eine Vorhaltung für einen 30-minütigen Vollabruf vorzusehen. Diverse Betriebsstrategien zum Lademanagement sind zulässig.» Vor dem Hintergrund der aktuellen Marktbedingungen scheint die Erbringung von FCR aus Batteriespeichern wirtschaftlich attraktiver zu sein als die Erbringung negativer mfrr aus Windkraftanlagen. 21

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