Wirtschaftliche Bewertung von Geschäftsmodellen im Kontext der deutschen Energiewende 19. Fachgespräch: Infrastrukturen für dezentrale Energiesysteme Uni Leipzig 08.03.2016 Prof. Dr. Thomas Bruckner Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement IIRM, Universität Leipzig Nachhaltigkeitsmanagement und Infrastrukturökonomie, Fraunhofer MOEZ Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 15
Forschungsfelder der 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 ). Prof. Dr. Thomas Bruckner 16
Forschungsfelder der 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) Prof. Dr. Thomas Bruckner 17
Eckpunkte des Energiekonzepts KWK Gas, Fern- und Nahwärme Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte kwh Aus fossilen Brennstoffen bereitgestellte Endenergie Quelle: Weiss, BMU, 2011 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 31
Thesen Die folgenden Geschäftsmodelle sind Auslaufmodelle: Bereitstellung von Strom (kwh) aus Kernkraftwerken Bereitstellung von Strom (kwh) aus fossilen Energieträgern Bereitstellung von Raumwärme aus Öl und Gas Neue Geschäftsmodelle Nutzung der erneuerbaren Energien Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz Reduktion des Endenergieverbrauchs (Gebäudebereich, Industrie und Verkehr), KWK Maßnahmen zum Ausgleich der damit verbundenen Variabilität Flexibilitätsoptionen Prof. Dr. Thomas Bruckner 32
Entwicklung der Börsenstrompreise Quelle: Agora, 2015 Prof. Dr. Thomas Bruckner 41
Merit Order und Preisbildung am Spotmarkt Kurzfristige Grenzkosten, Preis Preiselastische Nachfrage Preis Merit Order Deckungsbeiträge EE KKW BK SK GuD GT Leistung Prof. Dr. Thomas Bruckner 42
MICOES Europe: Quelle: Böttger et al. 2014 Prof. Dr. Thomas Bruckner 43
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 Prof. Dr. Thomas Bruckner 44
Validierung des Strommarktmodells Betrachtungszeitraum 2012 Quelle: Böttger et al., IIRM, Uni Leipzig, 2014 Prof. Dr. Thomas Bruckner 45
[ /MWh] Exemplarische Modellergebnisse von MICOES 80 Jahresdurchschnitt 70 60 50 40 30 20 10 0 2015 2020 2025 2030 1 25 49 73 97 121 145 Zeit [Stunden der Woche] Quelle: Böttger, IIRM, Uni Leipzig, 2014 Prof. Dr. Thomas Bruckner 46
Neue Geschäftsmodelle: Flexibilitätsoptionen (Netzausbau, Speicher, Lastmanagement, ) Quelle: Vattenfall Europe Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 47
Zeitliche Variabilität der Residuallast Referenz 40 % - Szenario 80 % - Szenario Quelle: VDE, Energiespeicher für die Energiewende, 2012 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 48
Zeitliche Variabilität der Residuallast Quelle: D. Böttger, M. Götz, N. Lehr, H. Kondziella, T. Bruckner: Potential of the Power-to-Heat Technology in District Heating Grid in Germany, Energy Procedia, 2014. Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 49
Ausgleich der Variabilität: Denkbare Optionen Ausgleich durch flexible fossil befeuerte Kraftwerke (zentrale Gasturbinen, dezentrale Back-up Technologien, ) Erzeugungsmanagement der EE (Abregelung) Speichereinsatz (Pumpspeicher, Batteriespeicher, Power to Heat, Druckluftspeicher, Power to Gas) Demand-Response - Maßnahmen (Lastmanagement) Ausbau der Verteilnetze Ausbau der Übertragungsnetze Europäisches Supergrid Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 50
Marktchancen für Speicheranwendungen Residuallast und Variation der Speichergröße Quelle: Kondziella et al., IIRM, Uni Leipzig, 2013 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 53
Power to Heat (P2H) and Power to Gas/Hydrogen Übertragungsnetz der 50Hertz Transmission GmbH Quelle: 50Hertz Quelle: Hypos e.v. Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 54
Power-to-Heat (P2H) in der BRD Quelle: D. Böttger, M. Götz, N. Lehr, H. Kondziella, T. Bruckner: Potential of the Power-to-Heat Technology in District Heating Grid in Germany, Energy Procedia, 2014. Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 55
Validierung des Strommarktmodells Betrachtungszeitraum 2012 Prof. Dr. Thomas Bruckner 56
Spezifischer Deckungsbeitrag [ /(kw a)] Modellergebnisse Amortisationszeiten von P2H-Anlagen bei Einsatz im Regelenergiemarkt Leistung [MW th ] Ökonomische Lebensdauer der P2H-Systeme: 10 Jahre Leistungskosten berechnet für WACC = 7 % 2,5 5 7,5 10 30 100 Leistungskosten [ /(kw a)] 103,07 56,87 41,69 34,19 20,16 11,47 20 5,9 3,0 40 7,7 5,1 2,1 1,3 60 6,2 3,5 2,6 1,3 0,8 80 16,9 3,5 2,2 1,8 0,9 0,6 100 7,6 2,5 1,7 1,3 0,7 0,5 120 4,9 1,9 1,3 1,1 0,6 0,4 140 3,6 1,5 1,1 0,9 0,5 0,3 160 2,9 1,3 0,9 0,8 0,4 0,3 180 2,4 1,1 0,8 0,7 0,4 0,3 200 2,0 1,0 0,7 0,6 0,3 0,2 Amortisationszeit in Jahren Hohe Profitabilität durch Vorhaltung negativer Regelleistung kann zu extrem kurzen Amortisationszeiten führen Prof. Dr. Thomas Bruckner 57
Entwicklung der Regelenergiepreise Quelle: BET, 2015 Prof. Dr. Thomas Bruckner 58
Zukunft des Regelenergiemarktes Regelleistungsnachfrage: Steigender Bedarf durch Zubau fluktuierender EE? Quelle: Ziegenhagen 2013 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 63
Fundamentale Berechnung von Regelenergiepreisen durch Opportunitätskostenansatz Grundlegende Idee: Kraftwerksbetreiber hat zwei Möglichkeiten A.) Handel am Spotmarkt oder B.) Handel am Spotmarkt und am Regelenergiemarkt Mögliche Spotmarkterlöse stellen die Referenz dar. Die bedeutet, dass ein Kraftwerksbetreiber seine Leistungspreise am Regelenergiemarkt entsprechend des Verlustes bestimmt, der auftritt, wenn durch die Verpflichtung am Regelenergiemarkt vom optimalen Spotmarktfahrplan abgewichen werden muss. Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 64
Einfluss der Mindestleistung auf Reservevorhaltung Marktdesign für Regelenergiemarkt: 1 Woche Gebotszeitraum für SRL Vorhaltende KW müssen auch bei niedriger Stromnachfrage am Netz bleiben Für negative SRL wegen Mindestlast hohe Must-Run Stromerzeugung Bandbreite für Stromerzeugung P max P min Möglichkeit zur Vorhaltung von positiver Reserve Höhe der Stromerzeugung Möglichkeit zur Vorhaltung von negativer Reserve Beispiel: P max = 500 MW P min = 200 MW (40 %) Für 50 MW negative Reserve 200+50 = 250 MW als Must-Run am Spotmarkt Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 65
Durchschnittliche Preise am Regelenergiemarkt 2012 1 Woche = 168 Stunden Quelle: EEX, regelleistung.net Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 66
Spotmarktpreis- und Regelenergiepreis- Prognosen mit 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 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 67
Jan. 12 Apr. 12 Jul. 12 Okt. 12 Jan. 13 Apr. 13 Jul. 13 Okt. 13 Jan. 14 Apr. 14 Jul. 14 Okt. 14 [Euro/MW und h] Fundamentale Modellierung von Preisen auf den Regelenergiemärkten (z.b. PRL) 50 40 30 20 10 0 Realität Modell Quelle: Böttger, IIRM, Universität Leipzig (2015) Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 68
ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 70
ECOViPP - Economic Calculation and Optimization of Virtual Power Plants Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 71
Mehrerlöse für das VK pro Szenario und Stützjahr Quelle: Loßner et al, IIRM, 2015 Fraunhofer MOEZ Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 72
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 Leipzig Prof. Dr. Thomas Bruckner 77