• Keine Ergebnisse gefunden

Investitionsplannung von Kuppelkapazitäten unter  Berücksichtigung des Ausbaus von Windenergie in Europa

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Investitionsplannung von Kuppelkapazitäten unter  Berücksichtigung des Ausbaus von Windenergie in Europa"

Copied!
32
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

Philip Vogel Stephan Spiecker Christoph Weber Carlo Obersteiner Philip Vogel, Stephan Spiecker, Christoph Weber, Carlo Obersteiner

Investitionsplannung von Kuppelkapazitäten unter  Berücksichtigung des Ausbaus von Windenergie in Europa

ÖGOR ‐ IHS Workshop

Mathematische Ökonomie und Optimierung in der  Energiewirtschaft

24.09.2009 Wien

(2)

Überblick

• Warum Interkonnektoren ausbauen?

• Das Strommarktmodell E2M2s

• Ein europäisches „Supergrid“‐Szenario für den Netzausbau

• Ergebnisse 

• Ausblick

2

(3)

Vorteile der Vernetzung von Strommärkten

• Mehr  Handel und physischer Austausch von Elektrizität

• Verringerte Erzeugungskosten von Elektrizität in gekoppelten Ländern

• Absicherung gegen Lastschwankungen und verringerter Reservebedarf

R d k i d di i l K f k k i ä

• Reduktion der notwendigen nationalen Kraftwerkskapazitäten

• intensivierter Wettbewerb auf nationalen Strommärkten

• Ausgleich von volatiler WinderzeugungAusgleich von volatiler Winderzeugung

• Auffangen von extremen Wind‐ und Lastspitzen

 Positive Wohlfahrtseffekte durch den Kuppelausbau

 Wenn positive Wohlfahrtseffekte größer sind als Investitionskosten des  Kuppelausbaus dann sollten Kuppeln verstärkt werden

Kuppelausbaus, dann sollten Kuppeln verstärkt werden

3

(4)

Congestion

Wohlfahrtsgewinne durch verringerte Betriebskosten

Angebotskurve Angebotskurve original

Congestion

CA Netzausbau CB

g

CB Angebotskurve

CA Unrestringiertes

Gleichgewicht CA= CB

Ursprünglicher Ursprünglicher Wohlfahrtsverlust PA

P* PB

Wohlfahrtsgewinn durch Leitungsaubau Last B DB

Last A DA

(5)

Wohlfahrtsgewinne und Windenergie (I)

original Congestion Netzausbau

Angebotskurve A b t k

CA CB

Angebotskurve

CB Angebotskurve

CA Unrestringiertes

Gleichgewicht

Ursprünglicher Wohlfahrtsgewinn Angebotskurve

CB* mit Wind

CA= CB

Zusätzlicher

Wohlfahrtsgewinn durch Wind

Demand B DB

(6)

Wohlfahrtsgewinne und Windenergie(II)

• Aufgrund von technischen Restriktionen sind einige Kraftwerkstypen  weniger geeignet um auf volatile Winderzeugung zu reagieren

weniger geeignet um auf volatile Winderzeugung zu reagieren – Z.B. Gas‐ und Wasserkraftwerke sind sehr flexibel

– Z.B. Kohle und Nuklearkraftwerke sind relativ unflexibel

• Die nationalen Strommärkte sind unterschiedlich flexibel – Historisch gewachsene Unterschiede im Erzeugungsmix

– Geografische Unterschiede z B durch Verfügbarkeit von Standorten für – Geografische Unterschiede, z.B. durch Verfügbarkeit von Standorten für 

Technologien

• Die Koppelung von flexiblen mit unflexiblen Systemen über 

I t k kt k I t ti k t d Wi d i d i

Interkonnektoren kann Integrationskosten der Windenergie reduzieren – Vermeidung von hohen Anfahrkosten/  teuren Kraftwerksabschaltungen – Verringerung der Kraftwerksfahrweise unter Teillasteffizienz

6

(7)

Herausforderungen bei der Bewertung von Interkonnektoren

• Der europäische Strommarkt ist bereits verkoppelt

• Veränderungen an einer Grenze können Änderungen im ganzen System zur  Folge haben

 Der europäische Strommarkt muss als Ganzes analysiert werden

 Der europäische Strommarkt muss als Ganzes analysiert werden

 Die Elemente des Systems müssen trotzdem detailiert abgebildet werden

• Resultierende Herausforderungeng – Datenverfügbarkeit

– Technische Unterschiede der Angebotstechnologien Intertemporale Dimension

– Intertemporale Dimension

– Stochastik der volatilen Erzeugung

– Genauigkeit einzelner Systemkomponenten – Rechenleistung für Optimierung

 Kompromiss aus Detailierungslevel und Optimierungsrahmen notwendig 7

(8)

Unsicherheiten bei der Bewertung

• Ökonomische Rahmenbedingungen – Brennstoffpreise

– Nachfrageentwicklung – KapitalkostenKapitalkosten

• Energiepolitik  – CO2 Preise

– Subvention Erneuerbarer – Atomausstieg

• Natürliche Rahmenbedingungen

• Natürliche Rahmenbedingungen – Windaufkommen 

– Wasserzufluss

 Unsicherheiten können nur über Szenarien aufgefangen werden!

8

(9)

Das Optimierungsmodell E2M2s

• Entwickelt im Rahmen des EU Projektes Greennet

• Erweiterung und Detailierung im SUPWIND‐Projekt

• Dynamisch stochastische lineare Programmierung

• Start‐up Kosten linear approximiertStart up Kosten linear approximiert

• Langzeitmodell des Europäischen Stromsystems 

• Modelliert mehrere Jahre

• Peak‐load‐pricing Ansatz

• Endogene Investitionen in Kraftwerkskapazitäten

• DCLF/ PTDF Approximation von Lastflüssen optional/ pp p

• Rekombinierte Entscheidungsbäume werden verwendet

(10)

SUPWIND Projekt: Datenbanken und Modelle

European Electricity Market Model

E2M2s Wind and

demand E2M2s

G ti C iti

Internat. Electricity Exchange Generation Capacities;

Seasonal Hydrores. Planning;

Internat. Electricity Exchange data

Scenario Tree Tool

Joint Market Model JMM

y g

y g

Wind & Load & Outage Scen.;

Reserve Demand STT

Electricity Prices;

Cross-border Elec. Exchange Input data

Scheduling Model SM base

O t t

U it C it t Output

data base Unit Commitment;

Reserve Usage

(11)

Datenquellen

• Detailierte Datenbank einzelner Kraftwerke in der EU basierend auf Platts  und eigenen Recherchen

• Technische Parameter von Einzelkraftwerken aus akademischer Literatur

• Entso E Daten bezüglich Netzkapazitäten

• Entso‐E Daten bezüglich Netzkapazitäten

• Lastdaten von TSOs

• CO22‐/Brennstoffpreisprognosen von Eurostat und IEA/ p p g

• Winddaten von TSOs und Tradewind‐Projekt

• RES‐E Kapazitäten aus Green‐X

• Wasserdaten basierend auf nationalen Statistiken und Markedskraft

(12)

E2M2

S

: Grundkonzept

Input: - existierende Kraftwerke, Erneuerbare und Speicher - Brennstoff- und CO2-Preise

Wirkungsgrade - Wirkungsgrade

- technische Parameter (Verfügbarkeit, Start-up Kosten) - Netzkapazitäten

L t - Last

- Verfügbarkeit von Erneuerbaren

Methodik: Marktgeschehen entspricht Systemoptimierung Methodik: Marktgeschehen entspricht Systemoptimierung

- perfekter Wettbewerb myopisches Verhalten - myopisches Verhalten

- Nutzung des kostengünstigsten Kraftwerks bzw. Speichers zur Deckung der Last

F li l t h ti h K t i i i bl

- Formulierung als stochastisches Kostenminimierungsproblem - LP-Model mit zahlreichen Zeitschritten und Anbietern

(13)

E2M2

S

: Zeitauflösung

Aufgrund von saisonalen Effekten bezüglich der Last und der RES‐E Verfügbarkeit  muss ein ganzes Jahr modelliert werden

Die Modellierung von Jahresspeichern macht ebenfalls eine jährliche Betrachtung  notwendig

Die Unsicherheit des jährlichen Wasserzuflusses wird über Zuflussszenarien  berücksichtigt

Aufgrund der Größe des Problems werden nur 12 Typtage mit jeweils  12 g yp g j Typstunden gerechnet.

Um untertägige Windschwankungen berücksichtigen zu können werden dominante  Windszenarien für diese Stunden entwickelt

Windszenarien für diese Stunden entwickelt

Die Wasser und Windszenarien werden in der Zielfunktion mit Ihrer  Eintrittswahrscheinlichkeit gewichtet

(14)

Modellierung von Reserve‐Bedingungen

Hauptanforderungen

Erforderliche kurzfristige Reserveg

Rotierende Reserve (Primär‐ und Sekundärreserve) wird zu jedem Zeitpunkt benötigt

Erforderliche Gesamtreserve

St h d R (Mi t d St d ) i d ät li h b öti t

Stehende Reserve (Minuten‐ und Stundenreserve) wird zusätzlich benötigt um  längerfristige Abweichungen abzudecken

Insgesamt muss die Versorgungssicherheit gewährleistet sein, d. h. die verfügbaren 

E k i ä ü h di f d li h R bd k

Erzeugungskapazitäten müssen auch die erforderlichen Reserven abdecken Entsprechende Bedingungen in der Systemoptimierung berücksichtigt

Notwendige Reserven für die Versorgungssicherheit ergeben sich durch die Faltung der

Verteilung der Kraftwerksverfügbarkeit

Verteilung der Windfluktuation

Verteilung der Lastschwankungen

Verteilung der Lastschwankungen

14

(15)

Warum stochastische Optimierung?

Mit h d Wi d b ü Fl ibilität f d

• Mit zunehmendem Windausbau müssen Flexibilitätsanforderungen an  Strommärkte stärker berücksichtigt werden

• Deterministische Modelle können dies nicht ausreichend leisten

• Da Interkonnektoren helfen können Wind zu integrieren, indem Flexibilität  kostengünstiger bereitgestellt werden kann, ist eine adäquate Modellierung  von stochastischen Elementen notwendigg

• Aufgrund der Größe des betrachteten Problems kann dies nur in 

vereinfachter Form erfolgen – rekombinierender Entscheidungsbaum

(16)

E2M2

S

: RES‐E Verfügbarkeit – stochastische Szenarien

1. Wind Verfügbarkeit

Windgeschwindkeitsdaten von unterschiedlichen Messungspunkten per Land, g g p p , stündliche Zeitreihen für 3 Jahre verfügbar

Typische Kennlinien für Windturbienen

Kalibrierung auf jährliche Gesamterzeugung

5 Szenarien pro Zeitschritt, von ffast keinem bis hin zu vollständig ausgelastetem  Wind

Übergangswahrscheinlichkeiten aus historischen Daten abgeleitet:

z.B. Wie oft kommt nach sehr viel Wind sehr wenig Wind?

2. Wasser Verfügbarkeit

Hier sind die Langzeitschwankungen von Belang

Der jährliche Wasserzufluss kann sich um bis zu 20% unterscheiden

Fälle mit wenig Zufluss sind besonders kritisch

Kraftwerkskapazitäten müssen auch bei geringen Zuflüssen ausreichen zur  Lastdeckung

2 Wasserszenarien implementiert

(17)

E2M2 : RES‐E Verfügbarkeit – stochastische Szenarien

. . . .

Viel Wind

. . . .

Durchschnittlicher .

. . .

. . .

. . .

. . . s s‘ . . .

Durchschnittlicher

Zufluss .

.

. . .

. . . .

. . . .

Wenig Wind

Viel Wind . . .

. . .

. . . . . .

Niedriger

. .

. . .

. . .

. . .

. . . s s‘ . . .

Niedriger

Zufluss .

day 1,

hour 1 day 1,

hour 3 day 1,

hour 2

day d, hour h

day d, hour h+1

. . . .

Wenig Wind

(18)

E2M2s Ergebnisse

• fundamentale Preise für Elektrizitätserzeugung 

– Schattenpreis der Nachfragerestriktion

• Optimaler Austausch von Elektrizität

• Optimaler Dispatch der Erzeugungstechnologien

• Optimaler Dispatch der Erzeugungstechnologien

• Optimale Investitionen

• Gesamte Systemkosteny Bezug zu Interkonnektoren:

• Modellauf mit und ohne zusätzliche Interkonnektoren

• Differenz der Systemkosten ergibt Wohlfahrtsgewinne

• Wohlfahrtsgewinne können auf Produzenten Konsumenten und TSOs

• Wohlfahrtsgewinne können auf Produzenten, Konsumenten und TSOs 

aufgeteilt werden  18

(19)

Das Supergrid

• In Europa wird in großem Umfang Windenergie ausgebaut

• Insbesondere in der Nordsee sollen zahlreiche offshore Windfarmen  installiert werden

installiert werden

• Viele Politiker, Marktakteure & Wissenschaftler fordern deshalb einen , starken Netzausbau zwischen den nordeuropäischen Ländern

Di N b ll ök i h Si h f l di

• Dieser Netzausbau sollte aus ökonomischer Sicht nur erfolgen, wenn die  Wohlfahrtsgewinne die Netzausbaukosten übersteigen

• Im folgenden sollen mittels E2M2s die Wohlfahrtsgewinne eines Supergrid‐

Szenarios berechnet werden 19

(20)

Line increase of 500 MW New 1000 MW Line

(21)

Szenarioparameter ‐ Brennstoffkosten

60

40 50

30

Kohle Braunkohle Gas 20

Öl

0 10

21

0

2005 2010 2015 2020 2025 2030

(22)

Szenarioparameter – Windausbau von 2005‐2030

30000

20000 25000

15000

5000 10000

0 5000

DE ES FR UK IT DK PT EL FI NL SE IE BERO PL NOHRBG AT CZ SK CHHU SI LU BA

22

(23)

Szenarioparameter 

• CO2 Preise 2008 25 € /t CO2 linearer Anstieg bis 2015 auf 60 €/t CO2

• Geforderter Zinssatz Investitionen 10,2% real

• Moderater Ausbau Erneuerbarer Energieträger (berechnet mittels Green-X)

• Neue Leitungen würden 2020 in Betreib genommen werden

• Berechnungen in 5 Jahresschritten; dazwischen konstante Kostenänderungen angenommen, nach 2030 ewige Rente

• Alle Kostenersparnisse werden auf 2020 abdiskontiert 23

(24)

Ergebnisse

• Die gesamten Einsparungen an Systemkosten belaufen sich auf 3,1 Mrd € bezogen auf das Jahr 2020

• Einige Länder in Europa müssen eine reduzierte Wohlfahrt

• Einige Länder in Europa müssen eine reduzierte Wohlfahrt hinnehmen, während andere hinzugewinnen.

• Die Wohlfahrtsgewinne lassen sich auch auf die relevanten Stakeholder im Strommarkt aufteilen

– KonsumentenKonsumenten – Produzenten – Netzbetreiber

24

(25)

Diskontierte nationale Wohlfahrtsgewinne in 2020

25

(26)

Zeitliche Verteilung der Wohlfahrtsänderung – Beispiel  Deutschland

Deutschland

26

(27)

Konsumenten

CB CC2CC1CC0

CA

CA= CB Loss consumer rent 2

Loss consumer rent 1

PA0

Gain consumer rent 1 Gain consumer rent 2 P*

PA0

PB2 PPA1A2

PB1 PB0 DB

DA

FBA

(28)

Ausweitung von Übertragungskapazitäten – Auswirkungen für  Produzenten

CB CC2CC1CC0

CA

CA= CB Loss producer rent 2 Loss producer rent 1

PA0

Gain producer rent 1 Gain producer rent 2 P*

PA0

PB2 PPA1A2

PB1 PB0 DB

DA

FBA

(29)

Aufteilung der Wohlfahrtsgewinne

29

(30)

Grobe Kostenschätzung des Ausbaus

• Annahmen

– Investitionskosten 3 Mio. €/km – Durchschnittliche Länge 100km – Insgesamt 18 Leitungen notwendigg g g

• Gesamtkosten: 5,4 Mrd €

 In diesem Szenario würde sich das geplante Supergrid aus ökonomischer  Perspektive nicht lohnenp

30

(31)

Implikationen der Ergebnisse

• Kosten‐Nutzen Analyse sollte dem Ausbau des Stromnetzes zugrunde liegen

• Das Timing der Investitionen hat Einfluss auf die Höhe der  Wohlfahrtsgewinne

Wohlfahrtsgewinne

• Signifikante Verteilungseffekte sind gegebeng g g g

– Politische Restriktionen wahrscheinlich

– TSOs müssten für Reduktion der congestion rent kompensiert werden

• Ein Szenario ist nicht ausreichend um Vorteilhaftigkeit des Netzausbaus zu  analysieren

• Es sollte auf die Leitungen fokussiert werden, welche die höchstenEs sollte auf die Leitungen fokussiert werden, welche die höchsten  Wohlfahrtsgewinne ermöglichen

– Schattenpreise der Kuppeln als ökonomisches Ranking 31

(32)

Ausblick

• Nur ein gesamteuropäisches Marktmodell ist geeignet um den Ausbau von  Interkonnektoren mittels Kosten‐Nutzen‐Analyse zu bewerten

• Es sollten mehrere Szenarien gerechnet werden, um zukünftigen  Unsicherheiten begegnen zu können

Unsicherheiten begegnen zu können

• Als Kernparameter für den Ausbau gelten

– CO2- und Brennstoffpreise

– Veränderungen im Kraftwerkspark – Lastzuwachs

– Wasserzuflüsse – Ausbau von RES-E

• Ein stochastischer Ansatz hilft, die zunehmende Volatilität im Strommarkt  berücksichtigen zu könneng

32

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

We emphasize that, in view of Theorem 2.11 and the discrepancy bounds above, the use of Hammersley point sets and Halton sequences in quasi-Monte Carlo integration leads to a

Nur wenn eine Lizenz eine „devote Klausel“ zu Gunsten der GPL 2 enthält (die Lizenz tritt in diesem Fall zu Gunsten der GPL 2 zurück), liegt Kompatibilität vor und ein Programm

Following Zeilberger’s holonomic systems approach, special functions are described by (generators of) annihilating ideals in operator algebras.. Special function operations

— Entwicklung von Anwendungen für eine Nutzung bei den nationalen Gerichten unter Berücksichtigung von deren konkre­.

Das bedeutet, dass Sie mit einer Mahlzeit myLINE Schlank Riegel mit allen wichtigen, für Ihre Gesundheit notwendigen Nährstoffen versorgt sind.. Ersetzen Sie täglich eine oder

MVZ Endokrinologikum Hamburg – Zentrum für Hormon- und Stoffwechselerkrankungen, Reproduktionsmedizin und Pränatale Medizin Prof..

Zsfassung in dt. : deutet sich in Europa ein migrationsbedingtes Recht auf Staatsangehörigkeit an - auch unter Hinnahme der Mehrstaatigkeit? / von Sükrü Uslucan..

Eine sortenbedingte Variation ist auch unter Berücksichtigung dynamischer Abbauprozesse nachweisbar. Der errechnete nXP-Gehalt ist maßgeblich von der Kohlenhydrat-