Batteriespeicher, P2H und virtuelle Kraftwerke: Ökonomische Bewertung neuer Geschäftsmodelle im Kontext der Energiewende 23.6.2015, Energiecluster trifft Wissenschaft, Universität Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement IIRM, Universität Leipzig Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie, Fraunhofer MOEZ Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 1
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM) Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Universität Leipzig
Institutsstruktur Vattenfall Europe Professur Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institutionenökonomische Umweltforschung Forschungsstelle Kommunale Energiewirtschaft - eine Stiftung der Verbundnetz Gas AG (VNG) und der Stadtwerke Leipzig Umwelttechnik i.d. Wasserwirtschaft, Umweltmanagement Siedlungswasserwirtschaft Bioenergiesysteme Integriertes Flächenrecycling Prof. Dr. Thomas Bruckner 3
1. Kompetenzzentrum Öffentliche Wirtschaft und Daseinsvorsorge 1.2 Struktur des Kompetenzzentrums 09.06.201 1 Symposium "Öffentliche Wirtschaft" 4 Prof. Dr. Thomas Bruckner 4
Forschungsprofillinie und uniinterne Kooperation Prof. Dr. Thomas Bruckner 5
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Forschungsfelder der Vattenfall Europe Professur Techno-ökonomische Optimierung dezentraler Energiesysteme: Modellierung von stationären und mobilen Batteriespeichern (EnBW, Bosch GmbH, Schaufenster Elektromobilität, BMVBS) sowie virtuellen Kraftwerken (EU). Akteurs-orientierte Modellierung kommunaler Energiesysteme: Energieeffiziente Stadt Delitzsch (BMBF-Wettbewerb Energieeffiziente Stadt, Fördervolumen 2,4 Mio ). Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 7
Forschungsfelder der Vattenfall Europe Professur Analyse liberalisierter Energiemärkte unter Klimaschutzrestriktionen: Energiewirtschaftliche Analysen basierend auf der Modellierung von Spotmarkt- und Regelenergiepreisen (BMU, BMWi, 50 Hertz, GASAG, Bosch, ) Mitarbeit im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Leitautor des IPCC SRREN und koordinierender Leitautor für das Kapitel Energy Systems des IPCC AR5 (gefördert vom BMBF) Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 8
Auftraggeber Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 9
Eckpunkte des Energiekonzepts KWK Gas, Fern- und Nahwärme Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte kwh Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte Endenergie Quelle: Weiss, BMU, 2011 Prof. Dr. Thomas Bruckner 10
Thesen Neue Geschäftsmodelle: Nutzung der erneuerbaren Energien Maßnahmen zum Ausgleich der damit verbundenen Variabilität (räumlich und zeitlich Flexibilitätsoptionen) Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Energiewirtschaftliche und klimapolitische Rahmenbedingungen verändern sich grundlegend: Identifikation von Geschäftsmodellen (technische Potentiale) Bewertung innovativer Geschäftsmodelle (fundamentale Abschätzung zukünftiger Spotmarkt und Regelenergiepreise) Prof. Dr. Thomas Bruckner 11
Installierte Leistung [GW] Situation in den neuen Bundesländern Erneuerbare Energien in der 50Hertz Regelzone Lastdauerlinien 50Hertz EE-Anteil an der Nachfrage 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 27% 48% 11,3 0,3 1,3 1,2 0,3 2 6 18 Max. Nettolast 72% 0,3 3 11 25 2010 2014 2020 Wind PV Biomasse Andere Quelle: 50Hertz Quelle: Eigene Berechungen Prof. Dr. Thomas Bruckner 12
Power-to-Heat (P2H) Weiterer Anstieg der Erzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien bei gleichzeitig geringen Lasten erfordert flexible Speichermöglichkeit, z.b. in Form von Wärme (Power-to-Heat). Übertragungsnetz der 50Hertz Transmission GmbH Quelle: 50Hertz 50Hertz Ausblick bis 2020 Verdopplung der Leistung der Onshore-Anlagen im Vgl. zu 2010 Windkraft die dominierende Energiequelle (64 % an der installierten EE-Leistung) Jährliches Wachstum bei PV von 25 % Bilanzieller EE-Anteil an Stromnachfrage 72 % Unter geeigneten Bedingungen kann die gesamte Nachfrage in der Regelzone durch Windenergie- und PV-Anlagen gedeckt werden. Netzausbau als Flaschenhals Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 13
Min (Res.Last; Wärmebed.) [GWel] Technisches Potenzial von P2H-Anlagen auf der Nachfrageseite 2014 Negative Residuallasten können den Wärmebedarf übersteigen und umgekehrt. Technisches Potenzial in jeder Stunde des Jahres: Minimum aus Stromüberschuss und Fernwärmebedarf 2020 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1,5 TWh 5,9 TWh 2014 2020 0 1000 2000 3000 Stunden bei neg. Residuallast Quelle: eigene Berechnungen, IIRM, Universität Leipzig, 2012 Prof. Dr. Thomas Bruckner 14
Strommarktmodell MICOES Europe Modellannahmen Stromnachfrage (8760 h) für jedes Land Installierte Kraftwerkskapazität (blockscharf) - Technische Parameter - Wirtschaftl. Parameter - Brennstoff- und CO 2 -Preise Kostenminimierung Gemischt-ganzzahlige Optimierung Modellierung in GAMS Spotmarkt Ergebnisse Spotmarktpreise Je Kraftwerk: - Stündliches Betriebsprofil - CO 2 -Emissio nen - Deckungsbeiträge Erneuerbare Energien und dezentrale Erzeugung Regelenergiebedarf für jedes Land Regelenergiemarkt Leistungspreise Reservevorhaltung je Kraftwerk MICOES = Mixed Integer Cost Optimization of Energy Systems Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 15
MICOES Europe: Quelle: Böttger et al. 2014 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 16
Strommarktmodellierung (mit GAMS) Schematischer Modellaufbau Brennstoff- und CO 2 - Preise Technische Parameter Kraftwerkspark Lastdaten (stündlich) INPUT Maximal/Minimalkapazität Ramp-Rates Stillstandzeiten Anfahrkosten Variable Kosten GAMS-Solver Gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem: Kostenminimierung! (Schattenpreise) OUTPUT Spotmarktpreise Strommengen Import/Export (stündlich) M. Theofilidi, Institut für Energietechnik, TU Berlin / T. Bruckner, Universität Leipzig Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 17
Validierung des Strommarktmodells Betrachtungszeitraum 2012 Quelle: Böttger et al. 2014 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 18
Marktchancen für Speicheranwendungen Residuallast und Variation der Speichergröße Quelle: Kondziella et al. 2013 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 19
ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 20
ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 21
Mehrerlöse für das VK pro Szenario und Stützjahr Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 22
Energiewirtschaftliche Analyse von P2H-Anlagen im Regelenergiemarkt Leistungspreiserlöse für negative Sekundärregelleistung [ /kw a] 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 2010 2011 2012? Min LP Durchschn. LP Max. LP Potenzial von Power-to-Heat in deutschen Fernwärmesystemen und Bewertung der Profitabilität durch Vorhaltung negativer Regelleistung unter Berücksichtigung der Unsicherheit des künftigen Marktdesigns. Quelle: Böttger et al. 2014 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 23
Quelle: EEX, regelleistung.net Durchschnittliche Preise am Regelenergiemarkt 2012 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 24
Methodik: Opportunitätskostenansatz Quelle: Böttger et al. 2014 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 25
[Euro/MWh] [Euro/MW und h] Zusammenhang zwischen Spotpreisentwicklung und PRL-Leistungspreis Fundamentale LP weisen in 2013 und 2014 besonders hohe Werte auf, wenn deutlich negative Preise am Spotmarkt auftreten (hohe Opportunitätskosten für Kraftwerke, die dann trotzdem am Netz bleiben) 200 150 Weihnachten 2012 Weihnachten 2013 Weihnachten 2014 120 100 100 50 0-50 -100 80 60 40 20 0 Wochen in den Jahren 2012-2014 Minimum von Spotpreis Mittelwert von Spotpreis Maximum von Spotpreis Historischer mittlerer LP Mittlerer LP vom Modell Quelle: Böttger et al. 2015 Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 26
Zusätzliche negative Regelleistung in GW Zusätzliche positive Regelleistung in GW Zusatzerlöse im Regelleistungsmarkt Zunahme der Windkapazitäten in GW Zunahme der Windkapazitäten in GW Quelle: Inka Ziegenhagen, Masterarbeit, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement, Universität Leipzig, 2013. Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 27
GESCHÄFTSFELD NACHHALTIGKEITSMANAGEMENT UND INFRASTRUKTURÖKONOMIE MARKTBEREICH I: Energiemanagement und Energiewirtschaft - Techno-ökonomische Optimierung komplexer Energiesysteme - Energiewirtschaftliche Modellierung und Analyse - Quantitative Politikfolgenabschätzung MARKTBEREICH II: Stakeholder-Dialog und gesellschaftliche Akzeptanz - Gesellschaftliche Akzeptanzforschung - Integrierte Bewertung von Infrastrukturprojekten Fraunhofer MOEZ
ENERGIEMANAGEMENT UND ENERGIEWIRTSCHAFT PROF. DR. THOMAS BRUCKNER HENDRIK KONDZIELLA Big Data und Energiedatenmanagement: Begleitung von Unternehmen der Energiewirtschaft in Transformationsprozessen und Beitrag zur Produktoptimierung durch Datenanalyse und Datenaufbereitung. Strom (Fern-)Wärme Erdgas Preise Datenanalyse Datenaufbereitung Produktoptimierung Smart Meter Daten Industrie /Gewerbe Haushalte Erzeugungsportfolio Erneuerbare Energien Fossile Kraftwerke Clustering Visualisierung Ersatzwerte Kundenbewertung Standard- Lastprofile Zeitreihen für Planungstools Markt- und Umweltdaten Rohstoffe, CO2 etc. Prognosen Projektionen Fraunhofer MOEZ
Kontakt Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Direktor, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Universität Leipzig Grimmaische Str. 12 D-04109 Leipzig Tel.: 0341/97 33517 bruckner@wifa.uni-leipzig.de www.wifa.uni-leipzig.de/iirm Leiter, Abteilung für Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie Fraunhofer-Zentrum für Mittel- und Osteuropa (Fraunhofer MOEZ) Neumarkt 9-19 04109 Leipzig Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 30
Mitarbeit im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, Weltklimarat) Fraunhofer MOEZ Prof. Dr. Thomas Bruckner 31