Windkraft Wirtschaftlichkeitsrechnung - eine systemdynamische Analyse Vortrag zur Masterthesis im Rahmen der CIB 2014 im Studiengang: bearbeitet von: Betreuung durch: Industrial Management Simon Redlinger 1. Prof. Dr.-Ing. Axel Löffler 2. Prof. Dr. oec. Robert Rieg 1
Inhalt 1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 2
1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 3
Abschnitt 1 Motivation / Problemstellung Motivation / Problemstellung Entscheidungsprozess im Konflikt unterschiedlicher Zielvorstellungen der beteiligten Parteien. Politik z. B. Energiepolitische Ziele Investoren z. B. Monetäre Ziele Kommunen z. B. Kommunalpolitische Ziele Bürger z. B. Landschaftsbildliche Ziele 4
Abschnitt 1 Motivation / Problemstellung Motivation / Problemstellung Zielgröße Bewertung der Investitionsentscheidung anhand monetärer Ziele. Möglichkeiten der Investitionsentscheidung für Windkraftprojekt: Ja/Nein-Entscheidung Auswahlentscheidung Ja / Nein Standort A Standort B Auswahl- Standort A Standort B Entscheidung entscheidung WKA Typ 1 Ja / Nein Ja / Nein WKA Typ 1 WKA Typ 2 Ja / Nein Ja / Nein WKA Typ 2 Kapitalwert als entscheidungsrelevante Zielgröße. Ziel: Zahlungsströme dynamisch abbilden. 5
1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 6
Abschnitt 2 System Dynamics Methodik Methodik Abbildung und Analyse von komplexen Systemen aus Wirtschaft, Technik, Umwelt und Gesellschaft mit Hilfe der System Dynamics (SD). Qualitative Beschreibung der Wirkungsstrukturen (mit Rückkopplungen) durch Wirkungsgraphen erklärendes Modell vs. beschreibendes Modell. Gewinnziel Verkaufsanstrengung Gewinndifferenz - B Realisierter Gewinn Quelle: eigene Darstellung nach: Homepage HTW Aalen Quelle: Sterman, John D.: Business Modeling, 2000, S. 52 7
Abschnitt 2 System Dynamics Methodik Quantitative Modelle Übergang zu quantitativer Modellbeschreibung (graphisch und mathematisch) mit Hilfe von Systemgrößen. allgemein: Beispiel: Quelle: Sterman, John D.: Business Modeling, 2000, S. 52 8
Abschnitt 2 System Dynamics Methodik Systemgrößen Systemgrößen zur quantitativen Modellbeschreibung: 1. Vorgabegrößen: konstant oder zeitabhängig, jedoch ohne Reaktion auf Systementwicklung. 2. Zwischengrößen: Verbindunggrößen zwischen Zustandsgrößen, Vorgabegrößen und anderen Zwischengrößen. Beschreibung durch algebraische oder logische Funktionen. 3. Zustandsgrößen: Speichergrößen, die die Geschichte des Systems beschreiben. Werden durch Differentialgleichung repräsentiert: Bevölkerung Geburten Sterbefälle R B GEBURTENRATE STERBERATE Quelle: eigene Darstellung nach Bossel, Hartmut: Systeme, Dynamik, Simulation, 2004, S.89 9
1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 10
Abschnitt 3 Einfaches NPV-Modell Zustandsgröße Kapitalwert Qualitatives Teilmodell zur Berechnung des Kapitalwerts: Einspeiseerlöse Betriebskosten diskontierte Einzahlungen Kapitalwert - - <Time> <TIME STEP> diskontierte Auszahlungen konformer unterjähriger Zinssatz KALKULATIONSZINSSATZ 11
Zahlungskategorie Einzahlung Auszahlung Abschnitt 3 Einfaches NPV-Modell Matrix der Zahlungskomponenten Zeitlicher Wiederholungscharakter einmalig Anschaffungsauszahlung: - Kaufpreis der Anlage - Kosten f. Netzanbindung & Verkabelung - Kosten für Baumaßnahmen - Kosten der Projektentwicklung - Sonstige Kosten periodisch Zahlungswirksame Betriebskosten: - Instandhaltungskosten - Versicherungskosten - Grundstückskosten - Steuern - Nebenkosten --- Einspeiseerlöse Quelle: eigene Darstellung nach Stefan, Tobias: Investitionsrechnung von Projekten in Windkraftanlagen, 2007, S. 36 12
Abschnitt 3 Einfaches NPV-Modell Modellannahmen Ausgewählte wichtige Modellannahmen: Anlage wird schlüsselfertig gekauft. Alle davor anfallenden Kosten werden zur Anschaffungsauszahlung zusammengefasst. Betriebsbeginn am 01. Januar eines Jahres. Steuerliche Wirkungen bleiben unberücksichtigt. Keine Preissteigerungen. Kein Resterlös nach Betriebsende. Erhalt der Einspeiseerlöse erfolgt kontinuierlich. 13
Abschnitt 3 Einfaches NPV-Modell Zwischengrößen / Vorgabegrößen EEG-REFERENZERTRAG - verlängerte Laufzeit EEG Grundvergütung Theoretischer Energieertrag EEG-Anfangsvergütung SDL-BONUS <Time> tatsächlicher Energieertrag Einspeiseerlöse TECHNISCHE VERFÜGBARKEIT VERSICHERUNGS QUOTE SPEZIFISCHE INSTANDHALTUNGS KOSTEN Pachtkosten Maschinenversicherung Instandhaltungs kosten HAFTPFLICHTVERSICHERUNG Betriebsunterbrechungsversicherung PACHTQUOTE Versicherungs kosten Betriebskosten Sonstige Kosten Schnittstelle Einzahlungen (Folie 11) <ANSCHAFFUNGSAUSZAHLUNG> QUOTE SONSTIGE KOSTEN Schnittstelle Auszahlungen (Folie 11) 14
Abschnitt 3 Einfaches NPV-Modell Zwischenfazit Basismodell NPV Zusammenhänge größtenteils aus gesetzlichen Regelungen und pauschalen Literaturwerten und Zusammenhängen. Keine Rückkopplungen. R Zahlungsströme sind statisch Rentenbarwertformel (bei gleichbleibender Vergütung). Instandhaltungskosten und somit zentraler Teil der Betriebskosten ergeben sich nicht aus Systemstruktur black box. Ziel: Zahlungsströme dynamisch implementieren/ zeitliche Struktur abbilden. 15
1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 16
Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Modellerweiterung dynamische Zahlungsströme Struktur größtenteils vorgegeben, d.h. zum Beispiel durch gesetzliche Regelungen. Dynamik auf Ein- und Auszahlungsseite vor allem durch Energieertrag und Instandhaltungskosten. Energieertrag unterliegt stochastischen Prozessen, d.h. Wetter bzw. Klimavorgängen und der technischen Verfügbarkeit. Instandhaltungskosten sind abhängig vom Instandhaltungskonzept, Alter der Anlage etc. Zusammenhänge der technischen Verfügbarkeit und der Instandhaltungskosten erkennen und strukturell abbilden (erweitertes NPV- Modell). 17
spezifische Betriebskosten [ /MWh/Jahr] Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Modellerweiterung Literatur (Stand der Technik) Ansatz zur beschreibenden Modellierung der Betriebskosten: 30 25 Stufenfunktion nach BWE 2002 Studie Exponentialfunktionsansatz, C1(t) 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Betriebsjahr [Jahr] Quelle: eigene Darstellung nach Albers, Axel: O&M Cost Modelling, Technical Losses and Associated Uncertainties, 2009, S. 2 18
Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Modellerweiterung SD-Ansatz Ansatz zur erklärenden Modellierung der Betriebskosten (enpv-modell): Instandhaltungs budget R1 Einspeiseerlöse THEORETISCHER ENERGIEERTRAG BUDGET QUOTE MIN SPEZIFISCHE INSTANDHALTUNGSKOSTEN tatsächlicher Energieertrag B2 Instandhaltungs aufwand - - technische Verfügbarkeit Instandhaltung spezifische Instandhaltungskosten B1 jährliche Verfügbarkeitszeit Notwendigkeit für Instandhaltung - JAHRESSTUNDEN ZAHL Abnutzung und Defekte VERSCHLEIßRATE <Time> Betriebskosten 19
Dmnl Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Simulationsergebnis technische Verfügbarkeit 1 technische Verfügbarkeit 0.975 0.95 0.925 0.9 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Betriebsjahr [Jahr] technische Verfügbarkeit: enpv-referenzszenario technische Verfügbarkeit: Kapitel 4.3.1 20
/Year Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Simulationsergebnis Betriebskosten 30,000 Betriebskosten 22,500 15,000 7,500 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Betriebsjahr [Jahr] Instandhaltungsbudget : enpv-referenzszenario Versicherungskosten : enpv-referenzszenario Pachtkosten : enpv-referenzszenario 21
Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Simulationsergebnis Kapitalwert 0 Kapitalwert -750,000-1.5 M -2.25 M -3 M 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (Year) Kapitalwert : enpv-referenzszenario 22
Abschnitt 4 Dynamisches NPV-Modell Kurzzusammenfassung Im einfachen Kapitalwertmodell werden Zusammenhänge aus den Grundlagen und den Zahlungsströmen eines Windkraftprojekts dargestellt. Da Kapitalwertmethode Betrachtung der zeitlichen Struktur benötigt, werden Instandhaltungskosten und technische Verfügbarkeit dynamisch betrachtet. Im Gegensatz zum Literaturansatz wird Verhalten erklärt und nicht nur beschrieben. 23
1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 24
Abschnitt 5 Risikoanalyse Risikoanalyse Einführung Unsicherheiten der zukünftigen Zahlungsströme: Anschaffungsauszahlung: Risiko durch Modellannahme eliminiert. Absatzpreis und -menge: durch EEG-Regelung kein Risiko. Verlauf der Versicherungs- und Pachtkosten an Anschaffungsauszahlung bzw. Einspeiseerlöse gekoppelt. Instandhaltungskosten durch Modellstruktur determiniert. Einspeiseerlöse: hohes Risiko, da an Windaufkommen gekoppelt. Anwendung der Risikoanalyse am Referenzszenario: Normalverteilte Unsicherheit beim berechneten Energieertrag von /- 10 %. Damit kann Erwartungswert und Standardabweichung festgelegt werden. 25
Abschnitt 5 Risikoanalyse Risikoanalyse Ergebnis Risikoanalyse enpv-modell 50% 75% 95% 100% Kapitalwert 0-750,000-1.5 M -2.25 M -3 M 0 5.000 10.00 15.00 20.00 Time (Jahr) 26
1. Motivation / Problemstellung 2. System Dynamics Methodik 3. Einfaches NPV-Modell 4. Dynamisches NPV-Modell 5. Risikoanalyse 6. Zusammenfassung / Ausblick 27
Abschnitt 6 Zusammenfassung / Ausblick Zusammenfassung Modellerweiterung Bewertung eines Windkraftprojekts erfolgt auf Basis des Kapitalwertes. Dazu notwendig ist Betrachtung des Cashflows. Dynamik wird v.a. bestimmt durch Windaufkommen und Instandhaltungskosten. System Dynamics - Methodik zur Modellierung der Instandhaltungskosten, da Wind durch stochastische Verhalten nicht durch Wirkungsbeziehungen zu beschreiben ist. 28
Abschnitt 6 Zusammenfassung / Ausblick Ausblick Möglichkeiten Integration der Zielvorstellung einer Kommune. Zusammenhang über Pachtund Steuerzahlungen und evtl. freiwilligen Leistungen des Inverstors. Verknüpfung mit Modellen die die Verbreitung der Windkraft beschreiben. Detailliertere Beschreibung des Instandhaltungsprozesses um daraus Instandhaltungsstrategien abzuleiten Einsparpotential. Generell große Anwendungsmöglichkeiten der System Dynamics für das Controlling Prof. Dr. Robert Rieg, HTW Aalen. 29
Vielen Dank! Interesse R Aufmerksamkeit Verständnis 30
Literaturverzeichnis Albers, Axel: O&M Cost Modelling, Technical Loses and Associated Uncertainties, 2009. Bossel, Hartmut: Systeme, Dynamik, Simulation; Norderstedt: Books on Demand, 2004a. HTW Aalen: Flyer Studiengang Applied System Dynamics; URL: http://www.htw-aalen.de/dynamic/img/content/studium/asd/asd_flyer.pdf, 2014. Sterman, John: Business dynamics; Boston: Irwin/McGraw-Hill, 2000. Tobias, Stefan: Investitionsrechnung von Projekten in Windkraftanlage; Hamburg; Diplomica, 2007. 31