I
Technische Universität Darmstadt
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachgebiet Regenerative Energien
-
Studienarbeit -
Bestimmung der Regelenergie zum Ausgleich der Windenergie
Bearbeitet von:
Andreas Sauer
Studiengang: Wirtschaftsingenieurwesen
Fachrichtung Elektrotechnik und Informationstechnik (Diplom)
Sperling
I
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ... III
Abbildungsverzeichnis ... IV
Tabellenverzeichnis ... V
1
Einleitung ... 1
1.1
Motivation ... 1
1.2
Ziel der Arbeit ... 2
1.3
Aufbau der Arbeit ... 3
2
Ausgangssituation und Grundlagen ... 4
2.1
Der Strommarkt ... 5
2.2
Bilanzkreise ... 8
2.3
Regelenergie ... 10
2.3.1
Primärregelleistung ... 12
2.3.2
Sekundärregelleistung ... 14
2.3.3
Minutenreserven ... 16
2.3.4
Zusammenfassung ... 21
2.4
Integration von Windenergie in das deutsche Stromnetz ... 22
2.4.1
Windfluktuation ... 23
2.4.2
Windenergieprognoseverfahren ... 24
2.4.3
Probleme bei sehr hoher Windstromeinspeisung ... 25
2.5
Regelenergiemarkt ... 25
2.6
Last ... 26
2.6.1
Lastgang ... 26
2.6.2
Lastprognose ... 27
3
Regel- und Reserveenergie heute ... 31
3.1
Methodisches Vorgehen ... 31
3.2
Ungeplante, nicht disponible Kraftwerksausfälle ... 32
3.3
Lastprognosefehler ... 36
3.4
Windprognosefehler ... 37
3.5
Berechnung ... 38
3.6
Kosten der Regelenergievorhaltung ... 40
4
Regel- und Reserveenergie 2020 ... 42
4.1
Szenariodefinitionen ... 42
4.2
Lastprognosefehler 2020 ... 43
II
4.3
Windprognosefehler 2020 ... 44
4.4
Szenarioberechnung für das Jahr 2020 ... 46
4.5
Kosten der Regelenergievorhaltung ... 48
5
Fazit ... 50
6
Literaturverzeichnis ... 53
III
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
Abb...Abbildung
BKV... Bilanzkreisverantwortlicher
CO
2
... Kohlendioxid
EEG... Erneuerbare Energien Gesetz
EEX... European Energy Exchange
EnWG... Energiewirtschaftsgesetz
EU... Europäische Union
EVU... Energieversorgungsunternehmen
GW... Gigawatt
GWh... Gigawattstunde
IWR... Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien
MW... Megawatt
nMR... negative Minutenreserve
pMR... positive Minutenreserve
StromNZV... Stromnetzzugangsverordnung
TLP...Tagesleistungspreis
ÜNB... Übertragungsnetzbetreiber
UCTE... Union pour la Coordination du Transport de l'Ectricité
VNB... Verteilnetzbetreiber
WEA... Windenergieanlage
WSE... Windstromeinspeisung
... und
§ ... Paragraph
§§ ... Paragraphen
Vgl...Vergleiche
IV
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Ausbau regenerativer Energien in Deutschland bis 2030 aus der BMU-
Leitstudie (2007) und der dena-Netzstudie. ... 1
Abbildung 2 zukünftiger Regelenergiebedarf. ... 3
Abbildung 3 Entwicklung der Rahmenbedingungen des Wettbewerbs seit 1997. ... 4
Abbildung 4 Bilanzkreis. ... 9
Abbildung 5 Ausschreibungen der Regelenergie auf www.regelleistung.net. ... 11
Abbildung 6 Kostenaufteilung der Regelenergie ... 12
Abbildung 7 Primärregelleistung der Regelzonen (Ausschreibungen für das erste Halbjahr
2008). ... 13
Abbildung 8 Sekundärreservearten der Übertragungsnetzbetreiber (Ausschreibungen für
das erste Halbjahr 2008). ... 15
Abbildung 9 Minutenreservearten. ... 17
Abbildung 10 Zeitlicher Einsatzablauf der Regelenergie. ... 22
Abbildung 11 Installierte Windkraftleistung in Deutschland ... 23
Abbildung 12 EEG-Windenergie-Einspeisung in Deutschland im April 2008, Tagesminima
und Tagesmaxima der 1/4-Stunden-Leistungsprofile. ... 24
Abbildung 13 Lastgang im RWE Netz vom 2.-8.Juni 2008 /eigene Darstellung /Daten von
rwe. ... 27
Abbildung 14 Last in den Regelzonen Prognose und tatsächliche Verteilung.. ... 28
Abbildung 15 Netzlast in Deutschland ... 29
Abbildung 16 Häufigkeitsverteilung der Leistungsabgabe ... 35
Abbildung 17 Kraftwerksausfallwahrscheinlichkeit ... 36
Abbildung 18 Lastprognosefehler 2007 ( Höchstlast 77.800 MW ). ... 37
Abbildung 19 Häufigkeitsverteilung der Windprognosefehler ... 38
Abbildung 20 gemeinsame Wahrscheinlichkeit für Leistungsdefizite bzw. Überschüsse .. 39
Abbildung 21 Lastprognosefehler für das Jahr 2020 ... 44
Abbildung 22 Windprognosefehler im Jahr 2007 und 2020 ... 45
V
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Mittlere Tagesleistungspreise pro MW Minutenreserve im Jahr 2006. ... 19
Tabelle 2 Mittlere Tagesleistungspreise pro MW Minutenreserve im Jahr 2007. ... 19
Tabelle 3 Abgerufene Minutenreserven. ... 21
Tabelle 4 Jahreshöchstlast in Deutschland ( eigene Darstellung, Daten von www.vdn-
berlin.de ). ... 29
Tabelle 5 Mittlerer Netto-Brutto-Faktor ... 33
Tabelle 6 Nicht disponible, stochastische Nicht-Verfügbarkeiten von Kraftwerken ... 34
Tabelle 7 Kraftwerksvektor "h_pp" ... 34
Tabelle 8 Defizitwahrscheinlichkeiten ... 38
Tabelle 9 Regelenergie 2007 ... 40
Tabelle 10 Regelenergiekosten für WEA bei einer Defizitwahrscheinlichkeit von 1 % ... 40
Tabelle 11 Regelenergiekosten für WEA bei einer Defizitwahrscheinlichkeit von 0,1 % .. 41
Tabelle 12 Regelenergiekosten für WEA bei einer Defizitwahrscheinlichkeit von 2 % ... 41
Tabelle 13 Prognose der Jahreshöchstlast ... 43
Tabelle 14 Szenario A zusätzliche Regelenergie 2020 ... 46
Tabelle 15 Szenario B Atomausstieg bei gleichzeitigem Ausbau der Windenergie auf 50
GW ... 47
Tabelle 16 Regelenergievorhaltung Szenario B ... 47
Tabelle 17 Regelenergievorhaltung Szenario C ... 48
Tabelle 18 Kosten Szenario A ... 48
Tabelle 19 Kosten Szenario B ... 48
Tabelle 20 Kosten Szenario C ... 49
1
1 Einleitung
1.1 Motivation
,,Windenergie weltweit erstmals über 100 000 Megawatt"
So lautete am 15. Mai 2008 eine Meldung des Internationalen Wirtschaftsforums
Regenerative Energien (IWR) in Münster
1
. Der Anteil regenerativer Energien an der
Bruttostromversorgung steigt dank Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) in Deutschland
seit Jahren rasant an. Der Anteil Erneuerbarer Energien am gesamten Bruttostrom-
verbrauch hat sich seit dem Jahr 2000 von 6,3 % auf rund 11,6 % im Jahr 2006 fast
verdoppelt. Für das vergangene Jahr 2007 wird erwartet, dass der Anteil weiter auf über
13 % ansteigt. Das Ausbauziel des EEG, Anteil der Regenerativen Energien bis 2010 über
12,5%, wäre somit bereits 2007 überschritten.
2
Der steigende Anteil der regenerativen
Energien wird an folgendem Schaubild noch verdeutlicht:
Abbildung 1 Ausbau regenerativer Energien in Deutschland bis 2030 aus der BMU-Leitstudie (2007)
und der dena-Netzstudie.
3
Die massive Zunahme des Anteils der Windenergie an der Stromerzeugung stellt die Frage
nach den Auswirkungen der Integration großer Windstrommengen in das
1
(IWR, 2008)
2
(BMU, 2007) S. 9
3
(DENA, 2008)
2
Stromversorgungssystem in Deutschland. Infolge der fluktuierenden und mit
Prognosefehlern behafteten Windstromeinspeisung (WSE) kann die installierte
Windkapazität nicht konventionelle Kraftwerkskapazität ersetzen. Dennoch ist zu
bedenken, dass jede kWh Windstrom, konventionell erzeugten Strom ersetzt und damit
fossiler oder nuklearer Brennstoff eingespart wird. Doch ein nicht ständig verfügbares
Windangebot und die teilweise starke Überlastung von Stromnetzen stehen den
Schadstoffminderungen entgegen. Elektrizität lässt sich nur bedingt speichern. Es ist somit
Aufgabe der Übertragungsnetzbetreiber ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung und
Nachfrage herzustellen. Da Windenergie eine fluktuierende Energiequelle ist, muss sie
durch Leistungsreserven ausgeglichen werden. Hier ist ein Neuer Markt, der Handel mit
Minutenreserven entstanden. Anfang 2005 erschien mit der Dena-Studie eine große
wissenschaftliche Untersuchung zum Thema ,,Energiewirtschaftliche Planung für die
Netzintegration von Windenergie in Deutschland an Land und Offshore bis zum Jahr
2020" diese analysiert die Auswirkungen des Windenergieausbaus auf das
Elektrizitätssystem bezüglich der langfristigen energiewirtschaftlichen Planbarkeit und
behandelt unter anderem das Thema der Regel- und Reserveenergie zum Ausgleich der
Windenergie (vgl. Kap. 13 der Dena-Studie
4
). In diesem Kapitel der Dena-Studie wird ein
mathematisch-statistisches Verfahren zur Bestimmung der insgesamt erforderlichen
Regel- und Reserveleistung beschrieben, welches auch Grundlage der Regelenergie-
Berechnungen dieser Studienarbeit ist.
1.2 Ziel der Arbeit
Die fluktuierende Energiequelle Wind lässt sich mit verschiedenen Prognoseverfahren für
den Folgetag voraussagen. Weicht der tatsächlich eingespeiste Wert von diesem
prognostizierten Wert ab, so ist Regelenergie einzusetzen um die Differenz auszugleichen.
Regelenergie ist auch für den konventionellen Kraftwerkspark nötig um Nicht-
Verfügbarkeiten von Kraftwerken auszugleichen. Die Last lässt sich auch nur mit einer
bestimmten Fehlerwahrscheinlichkeit prognostizieren, wofür hier auch Regelenergie
notwendig ist. Somit ergeben sich Regelenergievorhaltungen für einen Kraftwerkspark
ohne Windenergieeinspeisung und mit Windenergieeinspeisung. Ziel dieser Studienarbeit
ist es zu bestimmen wie viel Regelenergie zum Ausgleich der Windenergie vorgehalten
werden muss und wie hoch die Kosten hierfür ausfallen. Anschließend wird eine Szenario-
4
(DENA, 2005) Kapitel 13
A
R
Ab
1
In
St
R
M
W
vo
ei
A
Analyse für d
egelenergie
bbildung 2 zu
.3 Aufb
n Kapitel 2
tudienarbeit
egelenergie
Minutenreser
Windstromei
orzuhaltend
ine Prognos
Ausbauszena
die Windene
ebedarf und
ukünftiger Re
bau der A
werden zun
t dargestel
evorhaltung
rveregelung
inspeisung i
de Regelene
se über die z
arios. Kapit
2
zukü
Regelenergie
ergieeinspe
die damit v
egelenergiebe
Arbeit
nächst die G
llt. Von z
und i
g. Desweite
in Bezug au
ergie berech
zukünftigen
tel 5 gibt
2007
ünftiger
Win
efürkonvent
3
eisung des Ja
verbundenen
edarf.
Grundlagen
zentraler B
hr Unter
ern geht da
uf Regelene
hnet und Ko
n Bedarf und
ein kurzes
rRegele
ndenerg
ionellenKraft
ahres 2020
n Kosten fe
n und verwe
Bedeutung
rteilung in
as Kapitel
ergie ein. In
osten werde
d Kosten de
Fazit zu
2020
energieb
gieanlag
twerkspark
durchgefüh
stzustellen
endeten Ra
ist für d
n Primär
2.4 auf di
n Kapitel 3
en abgeschä
er Regelene
den gewon
bedarf
gen
Regelene
hrt um den z
(Abbildung
ahmenbedin
die Studien
r-, Sekun
ie Besonder
3 wird nun
ätzt. In Kap
ergie bei ver
nnenen Erk
für
ergiefürWEA
zukünftigen
g 2).
gungen der
narbeit die
ndär- und
rheiten der
die heutige
pitel 4 folgt
rschiedenen
kenntnissen.
A
n
r
e
d
r
e
t
n
.
4
2 Ausgangssituation und Grundlagen
Für ein grundlegendes Verständnis der Regelenergie und ihrer Bedeutung im Strommarkt
möchte ich auf ein paar grundlegende Sachverhalte genauer eingehen. Der Energiemarkt
wurde in den letzten Jahren zahlreichen Veränderungen unterzogen. Die meisten
Veränderungen ergaben sich aus europapolitischen Vorgaben oder zur Förderung und
Forderung eines unverfälschten und wirksamen Wettbewerbs. Die umfangreichen neuen
Gesetze, Gesetzesänderungen und Verordnungen der letzten 10 Jahre sind in Abbildung 3
dargestellt.
Abbildung 3 Entwicklung der Rahmenbedingungen des Wettbewerbs seit 1997.
5
Von besonderer Bedeutung für die jetzige und auch zukünftige Netzregulierung ist das im
Juli 2005 novellierte Energiewirtschaftsgesetz (EnWG). So möchte ich zunächst auf die
Struktur und die Entwicklung des deutschen Strommarktes eingehen (Abschnitt 2.1). Die
marktbeherrschende Stellung der Energieversorgungsunternehmen wurde in den letzten
Jahren immer weiter gedämpft und durch viele Gesetze und Verordnungen verringert.
Kapitel 2.2 gibt einen kurzen Überblick über das Thema Bilanzkreise, ihren Sinn und
Zweck. Danach möchte ich mich mit den Begriffen Regelenergie und Ausgleichsenergie
5
(vdn-berlin, 2007)
5
beschäftigen (Abschnitt 2.3). Diese spielen im weitern Arbeitsverlauf eine dominierende
Rolle und sollten daher explizit voneinander abgegrenzt werden. Der letzte Abschnitt
dieses Grundlagenkapitels beschäftigt sich mit der Windenergie als aufstrebende
Energieform auf dem deutschen Strommarkt und ihre Integration in das bestehende
Stromnetz. Die in der Einleitung dargestellte Statistik (Abb. 1) belegt den ruhmreichen
Siegeszug der Windenergieanlagen in Deutschland, hier möchte ich weiter auf die Daten
eingehen (Abschnitt 2.4). Kapitel 2.5 behandelt die Beschaffungsmärkte für Regelenergie.
Diese sind wichtig um die Preise für Regelenergie abschätzen zu können (Abschnitt 2.5).
Der zeitliche Verlauf der abgenommenen Leistung ist für Energieversorgungsunternehmen
(EVU) von fundamentaler Bedeutung, ihre Kosten lassen sich nur mit einer annähernd
genauen Lastprognose minimieren (Abschnitt 2.6)
2.1 Der Strommarkt
Noch vor wenigen Jahren wurden die Stromnachfrager ausschließlich von
Gebietsmonopolisten versorgt. Eine erste Fassung des EnWG gab es bereits 1935, hier
wurde die Elektrizitätsbranche mit Einführung des Energiewirtschaftsgesetzes ab 1935 der
staatlichen Regulierung unterworfen. Das Ziel dieser staatlichen Regulierung kann man in
der Präambel ablesen:
,,Um (...) im Interesse des Gemeinwohls die Energiearten wirtschaftlich einzusetzen, den
notwendigen öffentlichen Einfluss in allen Angelegenheiten der Energieversorgung zu
sichern, volkswirtschaftlich schädliche Auswirkungen des Wettbewerbs zu verhindern,
einen zweckmäßigen Ausgleich durch Verbundwirtschaft zu fördern und durch all dies die
Energieversorgung so sicher und billig wie möglich zu gestalten, hat die Reichsregierung
das folgende Gesetz beschlossen,(...)"
6
.
Hier wird deutlich eine staatlich kontrollierte Energiewirtschaft ohne den für schädlichen
empfundenen Wettbewerb gefordert. Diese monopolistische Versorgungsstruktur änderte
sich erst 1998, als im Zuge der Umsetzung der EU-Binnenmarktrichtlinie Elektrizität von
1996 das deutsche Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) erarbeitet wurde
7
. Seit dem Jahr 1998
hat sich die Struktur der Energieversorgungsunternehmen (EVU) grundlegend geändert.
6
(EnWG, 1935)
7
Vgl. (Kreikenbaum, 2008)
6
Ziel dieses, damals neuen Gesetzes, war es den Wettbewerb zwischen den EVU zu fördern
und dadurch die Kosten der Endkunden für elektrische Energie zu senken.
Laut Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) müssen seit 1999 die Stromerzeugung und der
Netzbetrieb voneinander getrennt werden. Diese wird auch als Entflechtung oder
Unbundling bezeichnet
8
. Ausgenommen sind lediglich die kleineren Verteilnetzbetreiber
mit unter 100.000 angeschlossenen Kunden. So hat der Übertragungsnetzbetreiber mit der
Herstellung des Stroms eigentlich nichts zu tun. Der vom EnWG gewünschte Kostendruck
führte zum Zusammenschluss der ehemals 9 Übertragungsnetzbetreiber auf nunmehr vier
Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland:
N
EnBW Transportnetze AG
N
E.ON Netz GmbH
N
RWE Transportnetz Strom GmbH
N
Vattenfall Europe Transmission
Ihre wesentlichen Aufgaben sind
9
:
N
die Instandhaltung und ggf. der Ausbau seiner Netze,
N
das Messen von Stromeinspeisung und Stromentnahme (wer, wann, wie viel?),
N
die Aufrechterhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Norm für die Spannung und
Frequenz
Es haben sich jedoch Holdinggesellschafften gebildet unter deren Dach Erzeuger,
Lieferanten, Übertragungsnetzbetreiber miteinander verbunden sind. Der E.ON Konzern
beschreibt seine eigene Konzernstruktur so:
,,Unser Geschäft erstreckt sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette im
Strom- und Gasbereich und ist gemäß der Struktur unserer Zielmärkte geografisch
oder funktional in Market Units (MU) gegliedert.
10
"
Zur Entflechtung gehört auch, dass die Lieferanten bzw. Stromhändler Energie überall in
Deutschland und im Europäischen Ausland einkaufen können und an Netzkunden
weiterverkaufen dürfen, sofern der Betroffene im Handelsregister eingetragen ist und
einem Bilanzkreis in der Regelzone des Netzkunden angehört. Mit der Einführung des
freien Wettbewerbs steht jedem Kunden das Recht auf freie Wahl des Energielieferanten
8
Vgl. (Heuck, 2007) S. 486ff
9
Vgl. (Heuck, 2007) S. 488
10
(EON, E.ON Strom und Gas Konzernstruktur, 2008)
7
zu. Hier kann der Kunde seine persönlichen ökonomischen oder auch ökologischen
Interessen verfolgen und somit auch indirekt den Anteil der jeweiligen Energieform am
Strommarkt bedingt steuern. Die Wahl des Netzbetreibers ist hingegen nicht frei. Dies
wäre jedoch auch volkswirtschaftlich völlig ineffizient. Die Kosten für die
Anschlussverbindung des jeweiligen Kunden zum Lieferanten wären von den wenigsten
Haushalten finanzierbar. Die Netze bilden daher ein natürliches Monopol. Durch das
,,Unbundling" der einzelnen Aktivitäten der früheren monopolistischen Stromversorger
wurde der Wettbewerb auf dem deutschen Strommarkt gestartet. Auf Bilanzkreise wird im
folgenden Kapitel 2.2 noch eingegangen.
Mit der zweiten Reform des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) 2005 setzt die
Bundesregierung das EU-Gemeinschaftsrecht für die leitungsgebundene
Energieversorgung in nationales Recht um. Zweck des EnWG ist die "möglichst sichere,
preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche,
leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas" (§ 1 Abs. 1
EnWG).
11
Ferner dient die Regulierung der Elektrizitäts- und Gasversorgungsnetze den
Zielen der Sicherstellung eines wirksamen und unverfälschten Wettbewerbs [...] und der
Sicherung eines langfristig angelegten leistungsfähigen und zuverlässigen Betriebs von
Energieversorgungsnetzen. (§ 1 Abs. 2 EnWG).
12
Das erstes Energiewirtschaftsgesetz wurde bereits 1935 formuliert. Dieses war eine
Reaktion auf wirtschaftliche Fehlentwicklung am Ende der Weimarer Republik und
beinhaltete eine ausgesprochen restriktive Haltung gegenüber Wettbewerb und Konkurrenz
und führte somit zum Gebietsmonopol im Versorgungs- und Netzbereich.
13
Das Ziel, eine
kostengünstige Energieversorgung, hat sich seit 1935 nicht geändert, sondern nur der Weg!
Das zentrale Anliegen des neuen Gesetzes wird durch zwei Verordnungen über den
Netzzugang (StromNZV
14
) und über die Netzentgelte (StromNEV
15
) in der
Stromwirtschaft unterstützt.
11
Vgl. (EnWG, Zweites Gesetz zur Neuregelung des Energiewirtschaftsrechts, 2005)
12
Vgl. (EnWG, Zweites Gesetz zur Neuregelung des Energiewirtschaftsrechts, 2005)
13
Vgl. (EnWG, 1978)
14
(StromNZV, 2005)
15
(StromNEV, 2005)
0 comments