Intelligentes Lastmanagement (demand side integration, DSI) · IER Institut für Energiewirtschaft...
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www.ier.uni-stuttgart.de IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart / Schaltbare DSI-Kapazität von etwa 10 GW el kann mit besonders günstigem Erschließungsaufwand (<12 €/(kW*a)) erschlossen werden / Industrieprozesse: typischerweise sehr geringer spezifischer Erschließungsaufwand, dafür hoher Nutzungsaufwand / Querschnittstechnologien: höherer Erschließungsaufwand (sinkt mit Leistung je Standort), idealerweise sehr geringer Nutzungsaufwand Intelligentes Lastmanagement (demand side integration, DSI) für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung Martin Steurer, Dipl.-Ing. | IER, Universität Stuttgart | Tel.: +49 (0) 711 685-878-14 | E-Mail: [email protected] DSI stellt aufgrund des sehr hohen technischen Potenzials sowie des häufig geringen Erschließungsaufwands eine besonders vielversprechende Option zur Systemflexibilisierung dar. Flexible Stromverbraucher können genutzt werden, um die Stromnachfrage an das Angebot am Strommarkt anzupassen, System- dienstleistungen bereitzustellen, oder Netze zu entlasten. Dadurch können die sowohl die Kosten für den Systembetrieb (Kraftwerkseinsatz, Systemdienst- leistungen) als auch für notwendige Investitionen in Energieinfrastruktur (Kraftwerke, Netze, Speicher) gesenkt werden. / Einsatz von Industrieprozessen für Reserveleistung und von Querschnittstechnologien für Bilanzausgleich Angebot-Nachfrage / Dadurch insbesondere Reduktion der Kosten für Backup-Kapazitäten, Brennstoffe und CO 2 / Insgesamt Systemkosteneinsparung durch DSI in Größenordnung von 385 Mio. € 2015 (etwa 2 % der Erzeugungskosten) Herausforderungen bei hohem Anteil erneuerbarer Energien Chancen durch demand side integration (DSI) Branchenspez. Produktionsprozesse Querschnittstechnologien 10 Technologien 12 Industrie- und GHD-Branchen* + Haushalte *jeweils unterteilt in 3 bis 6 Größenklassen 16 Wirtschaftszweige 21 Produktionsprozesse Elektrolyse Lichtbogenofen … Aluminium Chlor Glas … Zement Stahl el. Booster Mühle Analyse- rahmen Methodik Zielgrößen Ergebnis- darstellung Auswertung aller relevanten statistischen Daten, Energie- verbrauchserhebungen, bestehenden DSI-Potenzialstudien Top-Down: Kennzahlenbildung Bottom-Up: Empirische Analysen Auswertung von Befragungen bei über 250 Betrieben, bei Verbänden, Herstellern, Dienstleistern, Netzbetreibern Potenzial- Verfügbarkeits- Säulen Kosten- Potenzial- Kurve Potenzial- karten Schaltbare Kapazität Verfügbar- keit Zeit- restriktionen Erschließungs- und Nutzungsaufwand Lüftungsanlagen Wärmepumpen … Kälteanlagen Fahrzeugbau Hotels … Kühlhäuser Haushalte Valide Parametrisierung bildet die Grundlage für eine belastbare Nutzenbewertung mit Hilfe des Strommarktmodells Abbildung von DSI-Optionen im Modell / Nachfrage- & EE-Ganglinien / Brennstoff- & CO 2 -Preise / Investitionsoptionen / DSI European Electricity Market Model E2M2s / Fundamentales lineares Optimierungsmodell des europäischen Strommarkts / Myopische Optimierung in stündlicher Auflösung für die Jahre bis 2050 / Vergleich von Lauf mit DSI-Option mit Lauf ohne DSI-Option; Sensitivitätsanalysen Input Output / Kostenminimaler Betrieb von und Investitionen in Leitungen, konventionelle Kraftwerke, Speicher, DSI, Power-to-X und Einspeisemanagement / DSI: Optimaler Einsatz, Einfluss auf die Strombereitstellungskosten Regionale Auflösung Modellaufbau Ab- und zuschaltbare Leistung P ab (t), P zu (t) Mögliche Verschiebedauer und Verschiebbare Energiemenge d v, E v Erschließungs- und Nutzungsaufwand c inv , c fix , c var DSI Cluster 1 DSI Cluster 2 … Lastzuschaltung Lastabschaltung Industrieprozesse (z. B. Metallerzeugung, Chemie, Papier, Zement) Weiße Ware in Haushalten (Kühl- und Gefriergeräte, Waschmaschi- nen, Wäschetrockner, Geschirrspüler) Große industrielle Liegenschaften (z. B. Fahrzeug- und Maschinenbau) Große gewerbliche Liegenschaften (Bürogebäude, Hotels, Krankenhäuser) Kleinere in- dustrielle und gewerbliche Liegen- schaften (z. B. Gastronomie, Landwirtschaft) Große Super- märkte/Waren- häuser Kühlhäuser Raumwärme (Wärmepumpen, Elektrospeicher- heizungen) Um den Systemnuten von DSI zu realisieren, / ist das Marktdesign so weiter zu entwickeln, dass nutzengerechte Erlösquellen sowohl für marktgetriebene als auch für netzgetriebene Laststeuerung ohne wesentliche gegenseitige Beeinträchtigung bestehen / sind Elemente zum Aufbau eines Smart Energy Systems zu entwickeln (Integrationsplattform, dezentrale Energiemanagementsysteme) / Wesentliche Rolle von Windkraft und Photovoltaik auf dem Transfor- mationspfad hin zu einer weitgehend dekarbonisierten Energieversorgung / Wie lassen sich hohe Anteile verteilter und volatiler Stromeinspeisung - unter Berücksichtigung der gesellschaftlichen Akzeptanz und der Versorgungssicherheit - möglichst effizient in das System integrieren? / Verschiedene technologische Optionen zur Systemflexibilisierung: Leitungsausbau, Flexibilisierung von Erzeugungsanlagen, Speicherung, sektorübergreifender Stromeinsatz (Power-to-X), Flexibilisierung der Verbraucherseite (demand side integration) Welchen Beitrag kann DSI in Deutschland zu einer effizienten und umweltfreundlichen zukünftigen Energieversorgung leisten? Hochdetaillierte empirische Potenzialcharakterisierung Analysen mit umfassendem europäischem Strommarktmodell Kosten-Potenzial-Kurve für DSI in Deutschland Jährliche Systemkosteneinsparung bei 80 % Erneuerbaren Energien Fazit: DSI kann einen relevanten Beitrag zu einer erfolgreichen Transformation des deutschen Energiesystems leisten.
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IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Universität Stuttgart
/ Schaltbare DSI-Kapazität von etwa 10 GWel kann mit besonders günstigem Erschließungsaufwand (<12 €/(kW*a)) erschlossen werden
/ Industrieprozesse: typischerweise sehr geringer spezifischer Erschließungsaufwand, dafür hoher Nutzungsaufwand
/ Querschnittstechnologien: höherer Erschließungsaufwand (sinkt mit Leistung je Standort), idealerweise sehr geringer Nutzungsaufwand
Intelligentes Lastmanagement (demand side integration, DSI) für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung
Martin Steurer, Dipl.-Ing. | IER, Universität Stuttgart | Tel.: +49 (0) 711 685-878-14 | E-Mail: [email protected]
DSI stellt aufgrund des sehr hohen technischen Potenzials sowie des häufig geringen Erschließungsaufwands eine besonders vielversprechende Option zur Systemflexibilisierung dar. Flexible Stromverbraucher können genutzt werden, um die Stromnachfrage an das Angebot am Strommarkt anzupassen, System-dienstleistungen bereitzustellen, oder Netze zu entlasten. Dadurch können die sowohl die Kosten für den Systembetrieb (Kraftwerkseinsatz, Systemdienst-leistungen) als auch für notwendige Investitionen in Energieinfrastruktur (Kraftwerke, Netze, Speicher) gesenkt werden.
/ Einsatz von Industrieprozessen für Reserveleistung und von Querschnittstechnologien für Bilanzausgleich Angebot-Nachfrage
/ Dadurch insbesondere Reduktion der Kosten für Backup-Kapazitäten, Brennstoffe und CO2
/ Insgesamt Systemkosteneinsparung durch DSI in Größenordnung von 385 Mio. €2015 (etwa 2 % der Erzeugungskosten)
Herausforderungen bei hohem Anteil erneuerbarer Energien
Chancen durch demand side integration (DSI)
Branchenspez. Produktionsprozesse Querschnittstechnologien
10 Technologien
12 Industrie- und GHD-Branchen* + Haushalte
*jeweils unterteilt in 3 bis 6 Größenklassen
16 Wirtschaftszweige
21 Produktionsprozesse
Elektrolyse Lichtbogenofen …
Aluminium Chlor Glas … Zement Stahl
el. Booster Mühle
Analyse-rahmen
Methodik
Zielgrößen
Ergebnis-darstellung
Auswertung aller relevanten statistischen Daten, Energie-
verbrauchserhebungen, bestehenden DSI-Potenzialstudien
Top-Down: Kennzahlenbildung Bottom-Up: Empirische Analysen Auswertung von Befragungen bei über 250 Betrieben,
bei Verbänden, Herstellern, Dienstleistern, Netzbetreibern
Potenzial- Verfügbarkeits- Säulen
Kosten- Potenzial- Kurve
Potenzial-karten
Schaltbare Kapazität
Verfügbar-keit
Zeit-restriktionen
Erschließungs- und Nutzungsaufwand
Lüftungsanlagen Wärmepumpen … Kälteanlagen
Fahrzeugbau Hotels … Kühlhäuser Haushalte
Valide Parametrisierung bildet die Grundlage für eine belastbare Nutzenbewertung mit Hilfe des Strommarktmodells
Abbildung von DSI-Optionen im Modell
/ Nachfrage- & EE-Ganglinien / Brennstoff- & CO2-Preise / Investitionsoptionen / DSI
European Electricity Market Model E2M2s / Fundamentales lineares Optimierungsmodell des europäischen Strommarkts / Myopische Optimierung in stündlicher Auflösung für die Jahre bis 2050 / Vergleich von Lauf mit DSI-Option mit Lauf ohne DSI-Option; Sensitivitätsanalysen
Input
Output
/ Kostenminimaler Betrieb von und Investitionen in Leitungen, konventionelle Kraftwerke, Speicher, DSI, Power-to-X und Einspeisemanagement
/ DSI: Optimaler Einsatz, Einfluss auf die Strombereitstellungskosten
Regionale Auflösung Modellaufbau
Ab- und zuschaltbare Leistung
Pab(t), Pzu(t)
Mögliche Verschiebedauer und Verschiebbare Energiemenge
dv, Ev
Erschließungs- und Nutzungsaufwand
cinv , cfix , cvar
DSI Cluster 1
DSI Cluster 2
…
Lastzuschaltung
Lastabschaltung
Industrieprozesse (z. B. Metallerzeugung, Chemie, Papier, Zement)
Weiße Ware in Haushalten (Kühl- und Gefriergeräte, Waschmaschi-nen, Wäschetrockner, Geschirrspüler)
Große industrielle Liegenschaften (z. B. Fahrzeug- und Maschinenbau)
Große gewerbliche Liegenschaften (Bürogebäude, Hotels, Krankenhäuser)
Kleinere in-dustrielle und gewerbliche Liegen-schaften (z. B. Gastronomie, Landwirtschaft)
Große Super- märkte/Waren- häuser
Kühlhäuser
Raumwärme (Wärmepumpen, Elektrospeicher-heizungen)
Um den Systemnuten von DSI zu realisieren,
/ ist das Marktdesign so weiter zu entwickeln, dass nutzengerechte Erlösquellen sowohl für marktgetriebene als auch für netzgetriebene Laststeuerung ohne wesentliche gegenseitige Beeinträchtigung bestehen
/ sind Elemente zum Aufbau eines Smart Energy Systems zu entwickeln (Integrationsplattform, dezentrale Energiemanagementsysteme)
/ Wesentliche Rolle von Windkraft und Photovoltaik auf dem Transfor-mationspfad hin zu einer weitgehend dekarbonisierten Energieversorgung
/ Wie lassen sich hohe Anteile verteilter und volatiler Stromeinspeisung - unter Berücksichtigung der gesellschaftlichen Akzeptanz und der Versorgungssicherheit - möglichst effizient in das System integrieren?
/ Verschiedene technologische Optionen zur Systemflexibilisierung: Leitungsausbau, Flexibilisierung von Erzeugungsanlagen, Speicherung, sektorübergreifender Stromeinsatz (Power-to-X), Flexibilisierung der Verbraucherseite (demand side integration)
Welchen Beitrag kann DSI in Deutschland zu einer effizienten und umweltfreundlichen zukünftigen Energieversorgung leisten?
Hochdetaillierte empirische Potenzialcharakterisierung Analysen mit umfassendem europäischem Strommarktmodell
Kosten-Potenzial-Kurve für DSI in Deutschland Jährliche Systemkosteneinsparung bei 80 % Erneuerbaren Energien
Fazit: DSI kann einen relevanten Beitrag zu einer erfolgreichen Transformation des deutschen Energiesystems leisten.
