KWK-Ausbau im Zeichen der Energiewende Berliner Energietage Knut Schrader
Lebenslauf Dipl.-Ing. Knut Schrader Jahrgang 1958 Studium Versorgungstechnik Diplom 1987 seit 1987 Projektingenieur AEW Plan Köln seit 1992 Fachbereichsleiter Energie bei AEW Plan Leipzig seit 1994: Gesellschafter/Geschäftsführer der BET-Leipzig GmbH seit 2000: Prokurist BET-Aachen GmbH Thematische Schwerpunkte Konzeption und Projektsteuerung von EEG- und KWK-Anlagen Energieversorgungskonzepte CO 2 -Emissionshandel Kraft-Wärme-Kopplungs- und Erneuerbare-Energien-Gesetz Erfolgsvorschauen und due dilligence von Energieanlagen Portfolio- und Risikomanagement Contracting und Energiemarketing Mitherausgeber des "Praxishandbuch Kraft-Wärmekopplung 2
Inhalt Integraton Erneuerbarer Energien KWK-Auslegung Strommarkt Marktspiegelung Strompreischarakteristik Entnahme-Kond- und Gegendruck-KWK Wärmespeicher Wirtschaftlichkeit Speicher 3
Integration erneuerbarer Energien Die Energiewende beinhaltet einen verstärkten Ausbau Erneuerbarer Energien BET-Prognosen (~ 50% in 2050) Soweit keine ausreichenden Stromspeicherkapazitäten zur verfügung stehen müssen die Erneuerbaren von fossilen Kraftwerken ausgeregelt werden (Schattenkraftwerke) KWK-Anlagen mit Erdgas sind gut geeignet die dargebotsabhängigen EE auszuregeln Strom- und Wärmeerzeugung der KWK- Anlagen müssen entkoppelt werden Erforderlich ist die Spiegelung des KWK- Betriebs am Spotmarkt 4
KWK-Auslegungsphilosophien Klassische KWK-Auslegung Ziel hohe Vollbenutzungsstunden Keine Spiegelung am Strommarkt Auslegung auf Wärmegrundlast KWK mit 30% der Wärmehöchstlast Dauerbetrieb, auch Teillast Neue KWK-Auslegung Auslegung auf Mittellast, ca. 60% der Wärmehöchstlast Entkopplung Strom und Wärme Wärmespeicher Rückkühlung Spiegelung am Strommarkt Reiner Vollastbetrieb Angebot Systemdienstleistungen (Reserve, Kapazitätsmarkt?) 5
Vollbenutzungsstunden Kraftwerke KWK konkurriert überwiegend mit Steinkohle 6
Strompreisbildung (market clearing price) Merit order der Grenzkosten in /MWh Marktmodelle ergeben, dass KWK überwiegend Steinkohle verdrängt peak base 7
Strommarkt (1) base 8
Produkte des Strommarktes: EPEX-Spotprodukte 24 Einzelstunden ab 1 MWh in 0,1 MWh-Schritten für folgenden Tag 10 Blöcke für den folgenden Tag Block 8 Off-Peak I (00:00-08:00) Block 9 Peakload (08:00-20:00) Block 10 Off-Peak II (20:00-24:00) Block 7 Baseload (00:00-24:00) Block 1 Night (00:00-06:00) Block 2 Morning (06:00-10:00) Block 3 High Noon (10:00-14:00) Block 4 Afternoon (14:00-18:00) Block 5 Rush Hour (16:00-20:00) Block 6 Evening (18:00-24:00) 9
Spiegelung am Spotmarkt Berechnung der Grenzkosten der Stromerzeugung (variable Positionen) Wärmegutschrift (vermiedene Kesselkosten) Brennstoffkosten CO2-Kosten Variable Wartung und Instandhaltung Arbeitsanteil vermiedene Netzentgelte (vne) KWK-Zuschläge Prognose Wärmebedarf Folgetag Prognose Wärmespeichermanagement Limitierte Verkauf-Orders oberhalb der Grenzkosten Ergebnis: Einsatzplan KWK für Folgetag Kesselbetrieb, wenn Grenzkosten nicht erlöst werden 10
Märkte (2) Für die Wirtschaftlichkeit von Speichern ist die Tagesvolatilität der Strompreise maßgeblich (spread Höchst- und Tiefstpreis) Es wird allgemein erwartet, dass die Tagesvolatilität mit der Zunahme der erneuerbaren Energien steigt. Die Auswertung der Strom-Preiszeitreihen weist jedoch ab 2006 eine stetig sinkende Volatilität aus 11
Strommarkt (2) 12
Betrieb KWK-Anlagen Entnahme-Kond-Anlagen (mit Stromverlust) Wärmekosten entsprechen üblicherweise dem Stromverlust Ziel: Verlagerung der Wärmeauskopplung in Tiefpreiszeiten Effekt: Erhöhung der Stromerzeugung in Hochpreiszeiten (weniger Stromverlust) Ergebnis: Verminderung der Wärmekosten um ca. 20% Gegendruckanlagen (ohne Stromverlust, feste Kopplung Strom und Wärme, BHKW) Wärmekosten entsprechen üblicherweise den Wärmerestkosten Ziel: Verlagerung der Wärmeauskopplung in Hochpreiszeiten Effekt: Erhöhung der Stromerzeugung in Hochpreiszeiten Ergebnis: Erhöhung Stromerlös um ca. 20% 13
Wirtschaftlichkeit (2) Gegendruck-Anlagen (ohne Stromverlust, fest gekoppelt) Wärmeauskopplung zu Hochpreiszeiten 14
Wirtschaftlichkeit (1) Entnahme-Kond-Anlagen (mit Stromverlust) Wärmeauskopplung zu Tiefpreiszeiten 15
Technik der Entkoppelung Druckspeicher Serienmäßig hergestellte Druckbehälter Batterieanlagen Vorlauftemperatur bis ca. 130 C Einfache Einbindung (Hydraulische Weiche) Geringe Kostendegression mit dem Volumen Außerbetriebnahme einzelner Behälter möglich Drucklose Speicher Sonderanfertigungen Ein Behälter Anlagen Vorlauftemperatur max. < 100 C Umfangreiche Lade- und Entladeanlagen Hohe Kostendegression mit dem Volumen Rückkühlanlagen Vollständige Entkopplung 16
Druckspeicher Anhaltswerte: Batterieanlagen Druckbehälter Druckbehälter 300 m³ PN 25 Durchmesser 3,8 m, Höhe 26 m Gewicht ca. 100 t/behälter Investition ca. 500.000 /Behälter 17
Drucklose Speicher Anhaltswerte: Degressive Volumenkosten Speicherfähigkeit < 100 C Entkoppelte Anbindung 18
Technische Ausführung der Wärmespeicherung Druckspeicher Auslegung der Behälter auf den Nenndruck des Wärmenetzes Volumenbegrenzung durch Druckfestigkeit Serielle Bauweise durch Volumenbegrenzung (Speicherbatterien) Einfache Hydraulische Einbindung in das System (Hydraulische Weiche) Druckabhängige Speichermöglichkeit der Wärme > 100 C Spez. Speichervolumen 15-20 m³/mwh Höherer Platzbedarf gegenüber drucklosen Speichern Außerbetriebnahme einzelner Behälter möglich Drucklose Speicher Auslegung der Behälter auf atmosphärischen Druck Bauweise als große Einzelbehälter Komplizierte hydraulische Einbindung mit Wärmetauschern und Pumpen (Druckwechsel) Speichermöglichkeit Wärme < 100 C Spez. Speichervolumen 33 m³/mwh Geringerer Platzbedarf gegenüber Druckspeichern 19
Hydraulische Schaltungen Drucklose Speicher Druckspeicher 20
Wirtschaftlichkeit (3) Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit ist die Zyklenzahl des Speichers (= Volllaststunden) Zyklenzahl = Jahresladestrom / Speichervolumen Übliche Auslegungen Tagespeicher (ca. 250 350 Zyklen) Wochenendspeicher (ca. 150 200 Zyklen) Investitionen 21
Ergebnisse Wirtschaftlichkeit Speicher Für Investitionsrechnungen mit stark differierenden Investitionen ist der Barwert des Ergebnisses nach Steuern (20 Jahre) und nicht die Rendite des free cash flow maßgeblich 22
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