Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
ELGEVOS
Innovationstage 2016Britta Zimmermann, Dr. Ingo Schuch
Dr. Ingo Schuch ‐ Innovationstage 2016 ‐ BonnBritta Zimmermann ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn
ELGEVOSPräsentation Teil I
Inhalt
Motivation
Stromhandel
Lastmanagement im Beispielsystem
Projektinhalte
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Erneuerbare Energien (EE) in Deutschland: Anteile am Endenergieverbrauch
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EE im Stromsystem
Volatile Einspeisung aus Windenergie und Photovoltaik (PV)
Windturbinen im Norden, PV im Süden
Kurze Prognosehorizonte
Transportengpässe, Netzstabilität
Schwankende Strompreise
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Netzstabilität und Systemdienstleistungen
Netzstabilität: Erzeugung = Verbrauch
Stromhandel am Terminmarkt und am Spotmarkt
Bei Abweichungen:
Regelleistung und Momentanreserve zur Frequenzhaltung
Spannungshaltung und Blindleistungsmanagement
Netzengpassmanagement
Versorgungswiederaufbau
Britta Zimmermann ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn
Dr. Ingo Schuch ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn
Netzstabilität und Systemdienstleistungen
Netzstabilität: Erzeugung = Verbrauch
Stromhandel am Terminmarkt und am Spotmarkt
Bei Abweichungen:
Regelleistung und Momentanreserve zur Frequenzhaltung
Spannungshaltung und Blindleistungsmanagement
Netzengpassmanagement
Versorgungswiederaufbau
Britta Zimmermann ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn
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Spotmarktpreise Day-Ahead 2014
Starke Volatilität der Preise
Teilweise negative Preise
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Stunden des Jahres 2014
Spo
tmar
ktpr
eise
DA
in E
UR
/MW
h
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Lastverschiebung
13.3.2014-20.3.2014
1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840 1860-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Stunden des Jahres 2014
Spot
mar
ktpr
eise
DA
in E
UR
/MW
h
6h
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Flexibilität im Beispielsystem
*
Solarkollektor-Gewächshaus mit• Wärmespeicher• Wärmepumpe (Heizen/ Kühlen)• Elektroheizung• Belichtung
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Regelleistung
Positive RL:
Erzeugung < Bedarf
Erhöhung der Erzeugungsleistung
Senken des Verbrauchs
Negative RL:
Erzeugung > Bedarf
Senken der Erzeugungsleistung
Erhöhung des Verbrauchs
*
*
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Das Projekt
• Betriebssimulation Gewächshaus mit Wärmepumpe und Speicher
• Simulation des Lastmanagements• Entwicklung einer Betriebsstrategie• Wirtschaftliche Machbarkeit
HU Berlin
Fraunhofer IWES• Rahmenbedingungen Strommärkte• Szenarien von (regionalem) Überschussstrom• Kostenoptimierter Einsatz der Stromverbraucher (Heizen/ Belichtung)
IGZ• Experimente und Simulationen zur flexiblen Belichtung: Auswirkungen auf Photosynthese, Wachstum, Ertrag und Heizenergiebedarf
• Wirtschaftliche Energiemanagementkonzepte für Gewächshäuser
• Nutzung von volatiler erneuerbarer Energie
• Flexibler Betrieb von Heizung, Kühlung, Belichtung
• Speicherdimensionierung
Ergebnis
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ELGEVOSPräsentation Teil II
Inhalt
Zwischenergebnisse
Anbauversuche im Gewächshaus
Modellierungsarbeiten
Simulation von Szenarien
Ausblick
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Anbauversuch zur volatilen Belichtung
0
2
4
6
8
14. Dez 21. Dez 28. Dez 04. Jan 11. Jan 18. Jan 25. Jan 01. Feb 08. Feb 15. Feb
Tomaten
ertrag [ kg/m
²]
konstante Belichtung (9 h/d mit 200 µmol/m²s)
volatile Belichtung (3x3 h/d mit 200 µmol/m²s)
(Kläring und Ramírez 2016)
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0
2
4
6
8
10
12
14
16Tomaten
ertrag [ kg/m
2]
konstante Lüftung (> 24 °C)
volatile Wärmepumpenkühlung (3x2 h/d mit 128 W /m² bei > 24 °C)
Anbauversuch zur volatilen Kühlung
el
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0
3
6
9
12
15
18
21
24
15
16
17
18
19
20
21
22
23
00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00
Wärmeleistun
g [ kW
]Tran
spira
tionsrate [ m
g/m²s ]
Taup
unktab
stan
d [ K ]
Tempe
ratur [ °C ]
Lufttemperatur Blatttemperatur Vegetationsheizung
Transpiration Taupunktabstand
Anbauversuch zur volatilen Heizung
Entwicklung eines Betauungssensorszur Messung der Blattkondensationund Heizungsregelung…
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Modellentwicklung zur PhotosyntheseNettoph
otosynthese[ gCO
2/m²d ]
(Kläring und Ramírez 2016)
Zusatzbelichtung 70 Tage je 9 h/d
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Modellentwicklung zu Energieströmen
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Simulation des thermischen Speichers
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Wassertem
peratur im
Wärmespe
icher [ °C
]Speichertemperatur mit ZINEG (6 m³/m²) ohne RL
Speichertemperatur mit ZINEG (6 m³/m²) und RL (126/63 h mit 20/1 MW)
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Simulation der Wärmepumpeneffizienz
4.44.2
3.03.2
4.4
4.1
3.03.2
0
1
2
3
4
5
WP warm WP kalt WP warm (+ Umwälzung) WP kalt (+ Umwälzung)
Jahresarbe
itszahl des W
ärmep
umpe
nsystems
Arbeitszahl mit ZINEG (6 m³/m²) ohne RL
Arbeitszahl mit ZINEG (6 m³/m²) und RL (126/63 h mit 20/1 MW)
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Simulation des erneuerbaren Deckungsgrades
Deckungsgrad mit ZINEG (6 m³/m²) ohne RL
Deckungsgrad mit ZINEG (6 m³/m²) und RL (126/63 h mit 20/1 MW)
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Ausblick
Verknüpfung der Modelle zur thermischen und elektrischen Energie, Photosynthese und Transpiration sowie zum Regelleistungsmarkt
Antrag auf Projektverlängerung um 1 Jahr bis 04/2018
Softwareentwicklung:
Diese soll es den Nutzern ermöglichen, Szenarien für Gewächshäuser zu rechnen und die Relevanz der Nutzung von Strom aus der Erzeugung von erneuerbaren Quellen zu bewerten.
Dies bedeutet zum Beispiel, dass entschieden werden kann, ob technische Verbrauchs‐ bzw. Speichereinheiten eines Gewächshauses zum Heizen/Kühlen bzw. zur Belichtung der Pflanzen eingesetzt werden sollten oder stattdessen effektiver am Regelleistungsmarkt teilnehmen.
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Ausblick (Projektverlängerung)
Zugriff auf die ZINEG‐Datenbankmit 5‐jährigen Messreihen
Eingabe von Gewächshaus‐Parametern und technischen Systemkomponenten (Kessel, Wärmepumpe, Speicher, BHKW, …)
SIMZINEGSoftware zur Simulation der Energie‐versorgung von Gewächshäusern aus volatilen Stromnetzen
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Stromhandel in Deutschland
Terminmarkt (mehrere Jahre)
Spotmarkt: Day-Ahead (24h) und Intraday (≤24h)
Regelleistungsmarkt (kurzfristige Frequenzabweichungen)
Primär-RL
Sekundär-RL
Minutenreserve
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Entwicklung Spotmarktpreise
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 201510
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Jahr
Spotmarktpreise in
EUR/MWh
Off‐Peak 20:00 bis 08:00Peak 08:00 bis 20:00
Monatliche Durchschnittspreise Day-Ahead
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Teilnahme am RL-Markt
Gemäß §20 Absatz 1 des Gesetzes über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (EnWG) „hat jeder Anbieter aufgrund des Netzzugangsanspruches den Anspruch auf Teilnahme an den Regelenergiemärkten“. Die technischen Voraussetzungen und Gegebenheiten potenzieller Anbieter müssen im Einzelnen näher untersucht werden (Bundesnetzagentur).
Bei der Ausschreibung werden zunächst die Leistungspreise gewertet. Der Leistungspreis ist der Preis der pro Zeitscheibe und Megawatt für die vorgehaltene Leistung bezahlt wird. Dabei ist es nicht entscheidend, ob die Leistung tatsächlich abgerufen wird. Wurden die Aufträge zur Erbringung erteilt und Leistung muss abgerufen werden, ist die Höhe der angebotenen Arbeitspreise maßgebend. Der Arbeitspreis wird je Stunde und Megawatt abgerufene Leistung vergütet.
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Entwicklung Leistungspreise(negative Sekundär-RL)
Durchschnittliche Leistungspreise für negative Sekundärregelleistung
2009 2010 2011 2012 2013 2014 20150
50
100
150
200
250
300
Jahr
Leistun
gspreis
in EUR/MW/h
Alle Preise5%‐ bis 95%‐Quantil25%‐ bis 75%‐QuantilLeistungsgewichteter Durchschnitt
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Entwicklung Arbeitspreise(negative Sekundär-RL)
Durchschnittliche Arbeitspreise für negative Sekundärregelleistung
2009 2010 2011 2012 2013 2014 20150
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Jahr
Arbeitspreis in EU
R/MWh
Alle Preise5%‐ bis 95%‐Quantil25%‐ bis 75%‐QuantilMarginaler AbrufpreisLeistungsgewichteter Durchschnitt
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Anbauversuch zur volatilen Kühlung
100 10097
114
80
90
100
110
120
130
Früchte > 50 g Früchte < 50 g
Ertrag [ kg/m ] Ertrag [ kg/m ]
Tomaten
ertrag [ % ]
Qualitätsstufen
konstantes Ablüften (bei > 24 °C)
volatile Wärmepumpenkühlung (3x2 h/d mit 128 W /m² bei > 24 °C)el
2 2
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Modellvalidierung thermischer Speicher (Ladung)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Jan Feb Mrz Apr Mai
Mittlere Spe
iche
rtem
peratur [ °C ]
Messung ZINEG Berlin Simulation
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Modellvalidierung thermischer Speicher (Entladung)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Sep Okt Nov Dez Jan
Mittlere Spe
iche
rtem
peratur [ °C ]
Messung ZINEG Berlin Simulation
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