Regelleistung aus Blockheizkraftwerken - Treiber, Potenziale und Hemmnisse
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
FVEE • Themen 2013 Wandlungstechnologien • Regelleistung aus BHKW
Regelleistung aus Blockheizkraftwerken –
Treiber, Potenziale und Hemmnisse
Die Wahrung der Systemsicherheit muss perspekti- Szenario A der Langfristszenarien 2011 [2] genutzt.
visch von konventionellen Kraftwerken auf regenera- Die elektrische Leistung der BHKW in Wohn- und
tive Energien und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Nichtwohngebäuden steigt demnach von 480 MW
(KWK) verlagert werden. Diese sollen zukünftig Sys- in 2010 über 2.800 MW in 2020 bis auf 3.700 MW
temdienstleistungen übernehmen, um in zunehmen- in 2030.
dem Maße fluktuierende erneuerbare Energien (FEE)
zu integrieren. Deutschland strebt an, im Jahr 2020 Für die verschiedenen Versorgungsobjekte wurden
ein Viertel der elektrischen Energie aus KWK-Anlagen Wärmebedarfsganglinien berechnet und jedem Ob-
zu erzeugen. Damit werden diese Anlagen einen jekttyp wurde eine konkrete Anlagenkonfiguration
Wuppertal Institut wesentlichen Teil der regelbaren Stromerzeugung zugeordnet, bestehend aus
Christine Krüger
christine.krueger@wupperinst.org ausmachen. Insbesondere die Erzeugung in dezen- • einem BHKW mit einer thermischen Leistung von
Frank Merten
tralen Blockheizkraftwerken (BHKW) wird zunehmen. ca. 30 % der Spitzenlast
frank.merten@wupperinst.org Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob de- • einem Spitzenkessel, der ausreichend groß ist, um
Arjuna Nebel zentrale Anlagen überhaupt nennenswert zur Sys- die Wärmeversorgung zeitweise vollständig zu
arjuna.nebel@wupperinst.org temstabilität beitragen können. übernehmen
Dietmar Schüwer • einem Warmwasserspeicher mit einer Kapazität
dietmar.schuewer@wupperinst.org
Beispielhaft für die verschiedenen Systemdienstlei- von etwa einer Stunde.
IZES stungen und dezentralen Erzeugungsanlagen wird in
Hermann Guss diesem Beitrag auf die Bereitstellung von Regellei- Diese Anlagenkonfigurationen und Wärmebedarfs-
guss@izes.de
stung (RL) aus BHKW eingegangen. Dabei werden ganglinien bildeten zusammen mit Ex-Post-Auswer-
IWES verschiedene Fragestellungen in diesem Kontext be- tungen des Minutenreservemarktes von 2010 die Ein-
Uwe Holzhammer trachtet: gangswerte für eine Modellierung und Simulation
uwe.holzhammer@
• Können BHKW nennenswerte Beiträge zum Regel- des Einsatzes dezentraler BHKW am Minutenreserve-
iwes.fraunhofer.de
leistungsangebot leisten? markt.
• Rechtfertigen die Erlösmöglichkeiten für dezen- Kern der Modellierung ist die Optimierungsaufgabe
trale BHKW am Regelleistungsmarkt die notwen- zur Bestimmung des technischen Potenzials:
digen Investitionen? Können die Markteintrittsbar- • Es soll so viel Regelleistung wie möglich bereitge-
rieren gesenkt werden? stellt werden.
• Sind die aktuellen regulatorischen Bedingungen • Dabei muss der Wärmebedarf jederzeit gedeckt
förderlich für Regelleistung aus BHKW? Wie unter- werden (wegen des Spitzenkessels ist das keine
scheiden sich die Bedingungen für Erdgas- und limitierende Größe).
regenerativ befeuerte BHKW? • Es darf keine ungekoppelte Erzeugung stattfinden
• Wie beeinflussen sich Spot- und Regelleistungs- (die Aufnahmefähigkeit der Wärmesenke ist also
markt gegenseitig? Welche Auswirkungen hat das eine begrenzende Größe).
auf Regelleistung aus BHKW? • Ökonomische und regulatorische Betrachtungen
werden bei dieser Bestimmung des technischen
Potenzials zunächst nicht einbezogen, Ziel ist die
Bestimmung des technischen Bestimmung der rein technischen Obergrenze.
Potenzials dezentraler BHKW am
Minutenreservemarkt Gemäß der Anforderungen des Regelleistungsmark-
tes muss eine Anlage in der Lage sein, während der
In einer Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes
gesamten angebotenen 4-Stunden-Zeitscheibe Regel-
[1] wurde das technische Potenzial dezentraler Block-
leistung nicht nur vorzuhalten, sondern auch zu
heizkraftwerke zur Bereitstellung von Minutenreserve
liefern (de facto wird jedoch nur ein geringer Teil der
untersucht. Im Rahmen der Studie wurden insbeson-
vorgehaltenen Regelleistung tatsächlich abgerufen).
dere die BHKW in Wohngebäuden (WG) und Nicht-
Die Anlagen müssen also sowohl bei positiver als
wohngebäuden (NWG) betrachtet. Für die Berech-
auch bei negativer Regelleistung über die volle Zeit
nung der Regelleistungspotenziale in den Jahren
laufen oder ruhen können, ohne das Randbedingun-
2010, 2020 und 2030 wurde ein Mengengerüst
gen verletzt werden. Deswegen wird bei der Opti-
für dezentrale KWK-Anlagen in Anlehnung an das
mierungsaufgabe „Bestimme die maximal mögliche
80
Wandlungstechnologien • Regelleistung aus BHKW FVEE • Themen 2013
Abbildung 1
Modellierung:
Jahresdauerlinie der
potenziell bereit-
gestellten Regelleistung
für 2010
Regelleistungsvorhaltung“ nicht zwischen positiver die ebenfalls RL bereitstellen können, hier in der
und negativer Regelleistung unterschieden. In einem Modellierung jedoch nicht betrachtet wurden. Signi-
der Optimierung nachgelagerten Schritt wird ent- fikante Anteile des Bedarfs an Minutenreserve können
schieden, ob positive oder negative RL bereitgestellt also potenziell durch BHKW gedeckt werden, wobei
wird und der tatsächliche Abruf von RL und seine das mögliche Regelleistungsangebot im Sommer
Auswirkungen auf die Wärmeversorgung durchge- deutlich geringer ist als im Winter.
spielt.
Abbildung 1 zeigt als ein Ergebnis der Modellierung Grundsätzliche ökonomische Hemmnisse
die Jahresdauerlinie der potenziell bereitgestellten RL
Abseits der rein technischen Betrachtungen muss die
für das Jahr 2010. Die Einheit „GW*h“ bezeichnet die
Teilnahme am Regelenergiemarkt für die Anlagenbe-
über die Stunden des Jahres (in h) bereitgestellte
treiber auch wirtschaftlich lohnend sein, damit dies
Regelleistung (in GW).
eine realistische Option darstellen kann. Durch die
nötige Präqualifikation zur Teilnahme an den Regel-
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Anlagen in
energiemärkten sowie die notwendige informations-
WG und NWG im Jahresmittel etwa 70 % ihrer Nenn-
technische Anbindung entstehen nicht unerhebliche
leistung als Regelleistung bereitstellen können. Wäh-
Kosten im Bereich von mehreren Tausend Euro, die
rend etwa einem Drittel des Jahres kann bei kalten
für kleinere BHKW häufig eine Eintrittsbarriere zur Re-
Außentemperaturen die volle verfügbare Anlagen-
gelenergiemarktteilnahme darstellen. Entsprechend
leistung genutzt werden, wohingegen im Sommer
müssen die an den Regelenergiemärkten wahrschein-
das Regelleistungspotenzial stark einbricht.
lich erzielbaren Erlöse hoch genug sein, damit eine
Teilnahme ernsthaft angestrebt wird. Aktuell beste-
Gemessen am Marktvolumen des Jahres 2010 hätten
hen jedoch diesbezüglich Zweifel. Der Markt birgt
die BHKW etwa 7% des Regelleistungsmarktes ab-
nicht genug Zahlungsbereitschaft: Die preissetzen-
decken können. Nimmt man an, dass das Marktvo-
den Markteilnehmer sind günstiger als Preisgebote,
lumen konstant bleibt, steigt der Anteil mit dem Aus-
welche die Opportunitäten aus der Eigenstromerzeu-
bau der BHKW auf 42 % in 2020 und 54 % in 2050.
gung für den BHKW-Standort berücksichtigen. In
vielen Segmenten der Regelenergie sind durch neue
Zu diesem Potenzial addiert sich noch das der Anla-
Marktteilnehmer und entsprechend steigenden Wett-
gen in Industriebetrieben und Wärmenetzen hinzu,
bewerbsdruck seit Jahren tendenziell sinkende Leis-
81
FVEE • Themen 2013 Wandlungstechnologien • Regelleistung aus BHKW
tungspreise zu beobachten. Im Extrem werden für Aktuelle regulatorische Hemmnisse
das Angebot von positiver Minutenreserve mittler-
Mit Erdgas betriebene BHKW sind zwar technisch zur
weile teils Leistungspreise von 0 G/MW verlangt.
Bereitstellung von Regelleistung in der Lage. Das För-
Dies ist für viele Anbieter derzeit auch noch akzepta-
dersystem für Erdgas-KWK fördert allerdings die
bel, da diese die zu zahlenden Arbeitspreise recht frei
Eigenstromversorgung durch eine Befreiung von der
bestimmen können (Pay-as-bid) und entsprechend
EEG-Umlage in großen Umfang. Damit wird eine auf
durch Regelenergieabruf ihre nötigen Einnahmen
den Strombedarf des Versorgungsobjektes ange-
erzielen. Seit Mitte 2011 sind aber auch sinkende
passte Stromproduktion unterstützt, die nicht auf
Arbeitspreise in der positiven Minutenreserve zu be-
Bedarfe im Spot- oder auch im Regelleistungsmarkt
obachten. Bei gleichbleibendem oder ansteigendem
reagiert. Diese Eigenverbrauchsregelung ist also dem
Wettbewerbsdruck (neue Teilnehmer) müsste somit
Einsatz von Erdgas-BHKW am Regelleistungsmarkt
das Regelenergievolumen langfristig steigen, damit
hinderlich.
die Erlöse an den jeweiligen Regelenergiemärkten
wieder steigen können.
Anders sieht die Situation bei Biomasseanlagen aus.
Ein relevanter Anteil von knapp 2,9 GWel der instal-
Aufgrund des steigenden Anteils fluktuierender
lierten Biomasseanlagen (Stand Oktober 2013) ver-
erneuerbarer Energien und den einhergehenden
marktet den produzierten Strom direkt, unter Nut-
kurzfristigen dargebotsabhängigen Erzeugungs-
zung der Marktprämie. Diese Biomasseanlagen
schwankungen kann mit einem leichten Anstieg der
können sich auch am Regelenergiemarkt betätigen,
benötigten Regelenergie gerechnet werden. Das
um die Rendite zu verbessern und einen Beitrag zur
Gros der Erzeugungsschwankungen kann jedoch
Systemstabilität zu leisten. Anlagen, welche bereits
über den viertelstündlichen Intradayhandel der EPEX
die Direktvermarktung nutzen, für den Regelenergie-
ausgeglichen werden. Entsprechend kann ein maß-
markt technisch auszustatten, erfordert in der Regel,
geblicher Anstieg der zukünftig benötigen Regellei-
bezogen auf die gängigen Anlagengrößen, keine
stung stark bezweifelt werden. Weiterhin bestehen
relevanten zusätzlichen Investitionen. Einige Anlagen
seit 2012 die europäischen Framework Guidelines on
stellen bereits seit 2012 Regelleistung bereit.
Electricity Balancing, mit denen grenzüberschrei-
tende Regelenergieausschreibungen ermöglicht wer-
Weiteren Akteuren ist es gelungen, sich auch für den
den sollen. Grundsätzliches Ziel der Harmonisierung
Sekundärreservemarkt, dessen Anforderungen höher
ist die Senkung der europaweiten Regelenergiekos-
sind, zur präqualifizieren. Besonders attraktiv ist für
ten. Dies soll sowohl durch die Absenkung der benö-
Biomasseanlagen die Bereitstellung von negativer
tigten Regelenergiemenge (Ausgleichseffekte) wie
Regelleistung (Minutenreserve und Sekundärregel-
auch durch stärkeren Wettbewerb (mehr Teilnehmer)
leistung). Gründe hierfür sind die höheren Erlös-
geschehen. Ein harmonisierter Netzkodex soll 2014
potenziale für negative Regelleistung und dass die
fertiggestellt sein und in bindendes europäisches
Bereitstellung negativer Regelleistung gut zur eta-
Recht überführt werden. Daher kann davon ausge-
blierten, oft rein wärmegeführten, Betriebsweise
gangen werden, dass sich die Erlösmöglichkeiten für
passt. Die Betriebsweise der Anlagen (in der Regel
kleinere BHKW an den Regelenergiemärkten mittel-
wird über den Tagesverlauf Volllast gefahren) muss
fristig nicht merkbar verbessern werden.
dafür nicht geändert werden, die Anlagenauslastung
bleibt hoch. Aktuell ist es deshalb am lukrativsten,
Im Endeffekt bedeutet dies, dass eine Teilnahme von
den Strom aus Biomasseanlagen gleichmäßig (unab-
kleinen BHKW an den Regelenergiemärkten nur
hängig vom Preissignal am Spotmarkt) zu produzie-
durch eine Senkung der Eintrittsbarrieren möglich
ren und negative Regelleistung über die gesamte
sein wird. Dies könnte beispielsweise dadurch ge-
Betriebszeit bereit zu stellen. Die Verdienstmöglich-
schehen, dass kleine BHKW nicht mehr einzeln prä-
keiten in der negativen Regelleistung reizen also eine
qualifiziert werden müssen, da diese eigentlich nur
Grundlastfahrweise an.
„digital“ betrieben werden, d. h. über eine zentrale
Leitwarte an- oder ausgeschaltet werden. Die Zuver-
Interessanterweise sind die Preise für Minutenreserve
lässigkeit eines Pools aus diesen Anlagen hängt ledig-
von der Höhe der Residuallast abhängig. Bei hoher
lich von der Poolgröße ab (ausreichend Ersatzan-
Einspeisung aus FEE sind wenige konventionelle Kraft-
lagen, falls Anlagen nicht anspringen). Bei diesen
werke am Markt, die auch negative Regelleistung an-
einfachen Motoren könnte auch stellvertretend eine
bieten könnten, somit steigt der Regelleistungspreis.
Baureihe vom Hersteller in Kombination mit be-
Abbildung 2 zeigt diesen Zusammenhang anhand der
stimmten Ansteuerungstools präqualifiziert werden,
mittleren Strom- und Leistungspreise 2012. Zu Zeiten
alle Anlagen im Feld wären somit automatisch für die
hoher FEE-Einspeisung sollte bei einer am Bedarf und
Regelenergieanwendung zugelassen.
damit am Strompreis orientierten Fahrweise von Bio-
82
Wandlungstechnologien • Regelleistung aus BHKW FVEE • Themen 2013
Abbildung 2a und 2b
Strom- und Leistungs-
Mittelwerte der Strompreise (2012)
preise im Tages- und
Wochentagsverlauf
(2012).
Mittelwerte der neg. MRL Leistungspreise (2012)
masse-Anlagen eigentlich die Stromproduktion redu- dukt Peak (Stunden mit Spitzenlast) und Offpeak
ziert werden. Durch die entgegengesetzten Signale (Niedriglaststunden)angeboten. Die durchschnitt-
am RL-Markt werden die Biomasseanlagen also ge- lichen SRL-Leistungspreise schwanken über den Jah-
rade in diesen Stunden betrieben, obwohl dies einer resverlauf beträchtlich und sind insbesondere in der
bedarfsorientierten Erzeugungsweise, die sich am NT-Zeit auf lukrativem Niveau, auch hier in den Pha-
Strompreis orientiert, widerspricht. Die Integration sen während der Strom an der Börse tendenziell
der FEE in den Minutenreservemarkt hingegen würde weniger Wert ist. Dieser Peak-/OffPeak-Fahrplan für
zu vermehrtem RL-Angebot in Zeiten niedriger Resi- die Stromvermarktung an der Strombörse EPEX wird
duallast führen und könnte damit diesen Fehlanreiz unabhängig von der Nachfrage erstellt. Die langen
vermeiden. Produktlängen am Sekundärregelleistungsmarkt ver-
hindern somit, dass Biomasseanlagen (aber auch an-
Die Biomasseanlagen, die Sekundärregelleistung (SRL) dere Anbieter) bedarfsgesteuert entsprechend der Si-
anbieten, müssen 12h-Produkte bereitstellen (Haupt- gnale am Spotmarkt betrieben werden können, auch
tarif (HT): 8–20 Uhr, Nebentarif (NT): 20–8 Uhr). An wenn es über den Intradaymarkt Optimierungsspiel-
der Strombörse wird das dazu passende Strompro- räume gibt. Erst durch eine weitere Verkürzung der
83FVEE • Themen 2013 Wandlungstechnologien • Regelleistung aus BHKW
Produktlängen und Vorlaufzeiten könnte das vorhan- Literaturangaben
dene Optimierungspotenzial der Biomasseanlagen
[1] UFOPLAN-Forschungsvorhaben „Klimapoliti-
vollständig genutzt werden.
scher Beitrag kohlenstoffarmer Energieträger in
der dezentralen Stromerzeugung sowie ihre
Perspektivisch ist es anzustreben, dass die BHKW-An-
Integration als Beitrag zur Stabilisierung der
lagen so ausgelegt werden, dass sie auch in den Win-
elektrischen Versorgungssysteme“ (FKZ 3710
termonaten elektrische Überkapazitäten aufweisen.
97 114) im Auftrag des Umweltbundesamts,
BHKW-Anlagen wären dann in der Lage, gleichzeitig
Wuppertal Institut 2012
auch in Phasen mit hoher Einspeisung aus FEE Pro-
gnosefehler mittels positiver Regelleistung auszuglei- [2] J. Nitsch et al. „Leitstudie 2011 – Langfristsze-
chen. Stehen geringe Mengen aus FEE bereit, so kann narien und Strategien für den Ausbau der
die Residuallast durch die BHKW-Anlagen bedient erneuerbaren Energien in Deutschland bei
werden und gleichzeitig können mittels negativer RL Berücksichtigung der Entwicklung in Europa
Prognosefehler ausgeglichen werden. und global“, März 2012
Implikationen
Die Bereitstellung von Regelleistung aus dezentralen
Anlagen ist perspektivisch notwendig: In einem rege-
nerativ dominierten Zielsystem müssen auch umwelt-
freundliche Energieerzeugungsanlagen Systemdienst-
leistungen übernehmen. Das technische Potenzial für
Regelleistung aus BHKW ist hoch. Wird der ange-
strebte Ausbau der KWK erreicht, werden damit signi-
fikante, für die Regelleistung geeignete Leistungen in
BHKW entstehen.
Unter den zurzeit herrschenden Bedingungen ist die
Bereitstellung von Regelleistung aus BHKW jedoch
entweder nicht ökonomisch attraktiv oder behindert
die bedarfsorientierte Stromproduktion. Deswegen
ist es notwendig, sowohl die Zugangshürden zu den
Regelleistungsmärkten zu senken als auch das
Zusammenspiel von Regelleistungs- und Spotmarkt
neu zu koordinieren.
Der ForschungsVerbund Erneuerbare Energien bietet
mit seinem Zusammenschluss thematischer, techni-
scher, wirtschaftlicher und politischer Kompetenzen
das geeignete Ideenlabor, um konkrete Vorschläge
für die Beseitigung dieser Hindernisse zu machen und
weitere offene Fragen in diesem Themenfeld zu be-
antworten.
84Sie können auch lesen
