I

Technische Universität Darmstadt

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Fachgebiet Regenerative Energien

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Studienarbeit -

Bestimmung der Regelenergie zum Ausgleich der Windenergie

Bearbeitet von:

Andreas Sauer

Studiengang: Wirtschaftsingenieurwesen

Fachrichtung Elektrotechnik und Informationstechnik (Diplom)

Sperling

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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

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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

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III

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis

Abb Abbildung

BKV Bilanzkreisverantwortlicher

CO2 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

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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

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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

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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 Münster1. 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)

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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-Studie4). 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

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