Energiewende Deutschland. Kann der Strommarktsimulator GemCast den zukünftigen Energiemix und Strompreis zuverlässig berechnen?

 
 
Diplomica Verlag
  • 1. Auflage
  • |
  • erschienen im November 2016
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  • 96 Seiten
 
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978-3-95934-492-0 (ISBN)
 
Die Energiewende hat begonnen und die Struktur des deutschen Kraftwerkparks wird grundlegend geändert. Um den Umbau optimal zu gestalten, müssen mögliche Umbaupfade verglichen werden. Der Strommarktsimulator GemCast berechnet Zielgrößen, anhand derer dieser Vergleich vollzogen werden kann: Die Szenariosimulation berechnet den zukünftigen Börsenstrompreis und Energiemix, wovon auch Haushaltsstrompreise und Treibhausgasemissionen abgeleitet werden können. Um die Glaubwürdigkeit der Merit-Order-Simulation beurteilen zu können, wird GemCast in dieser Studie validiert. Die Modellresultate werden also mit den entsprechenden Größen des realen Systems Strommarkt verglichen. Dazu wird ein achtjähriger Rückvergleich (Backtesting) durchgeführt, anhand dessen die Performanz von GemCast vielschichtig untersucht wird. Neben der Einführung in den Strommarkt und in das Programm werden zunächst die Methodik und die zugrunde gelegten Daten erörtert. Anschließend werden zahlreiche Ergebnisse präsentiert, von denen einige über die eigentliche Buchthematik hinausreichen.
  • Deutsch
  • Hamburg
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  • Deutschland
  • 31 Abb.
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  • 31 Abb.
  • 10,62 MB
978-3-95934-492-0 (9783959344920)
3959344929 (3959344929)
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Pierre Laurenz, M. Eng., wurde 1987 in Coesfeld geboren. Nach dem Abitur in Münster folgte das Studium des Wirtschaftsingenieurwesens: Während der Bachelorsemester in Konstanz spezialisierte sich der Autor auf die Fachgebiete Elektro- und Informationstechnik. Im Masterstudium in Leipzig lagen die Schwerpunkte auf Energiewirtschaft und Logistik. Besonderes Interesse hat der Autor am Themenkomplex Nachhaltigkeit. Beide Abschlussarbeiten sowie praktische Tätigkeiten beinhalteten entsprechende Themen zur Energiewende. Hierbei wurden Simulationen entwickelt und angewandt, die im direkten Zusammenhang zum Strommarkt und den Erneuerbaren Energien stehen. So ergibt sich die Motivation und Befähigung zur Thematik des vorliegenden Buches.
1 - Energiewende Deutschland. Kann der Strommarktsimulator GemCast den zukünftigen Energiemix und Strompreis zuverlässig berechnen? [Seite 1]
1.1 - Inhaltsverzeichnis [Seite 3]
1.2 - Abbildungsverzeichnis [Seite 5]
1.3 - Tabellenverzeichnis [Seite 6]
1.4 - Abkürzungsverzeichnis [Seite 7]
1.5 - 1 Einleitung [Seite 9]
1.5.1 - 1.1 Ziel der Studie [Seite 9]
1.5.2 - 1.2 Aktueller Stand der Forschung [Seite 10]
1.5.3 - 1.3 Aufbau des Buches [Seite 12]
1.6 - 2 Grundlagen zum Verständnis der Studie [Seite 13]
1.6.1 - 2.1 Der deutsche Strommarkt [Seite 13]
1.6.1.1 - 2.1.1 Das Merit-Order-Modell [Seite 16]
1.6.2 - 2.2 Der Simulator GemCast [Seite 17]
1.6.3 - 2.3 Methodik zur Validierung von GemCast [Seite 22]
1.6.3.1 - 2.3.1 Programmverifikation [Seite 23]
1.6.3.2 - 2.3.2 Rückvergleich: Trend- und Fein-Fall [Seite 23]
1.6.3.3 - 2.3.3 Fehlertoleranz: Welche Verhaltensunterschiede zwischen Strommarkt und GemCast sind akzeptabel? [Seite 26]
1.7 - 3 Daten für die Validierung [Seite 27]
1.7.1 - 3.1 Kraftwerkspark konventioneller Energieträger [Seite 27]
1.7.2 - 3.2 Grenzkosten [Seite 28]
1.7.2.1 - 3.2.1 Wirkungsgrade [Seite 29]
1.7.2.2 - 3.2.2 Spezifische CO2-Emissionen [Seite 30]
1.7.2.3 - 3.2.3 Brennstoffpreise [Seite 31]
1.7.2.4 - 3.2.4 Betrieb und Wartung [Seite 31]
1.7.2.5 - 3.2.5 Preise für Emissionsrechte [Seite 31]
1.7.2.6 - 3.2.6 Sonderfälle: Kernkraftwerke und sonstige Kraftwerke [Seite 32]
1.7.3 - 3.3 Stromnachfrage [Seite 33]
1.7.4 - 3.4 Erzeugung aus Erneuerbaren Energien [Seite 34]
1.7.5 - 3.5 Historischer Strompreis und Energiemix [Seite 35]
1.8 - 4 Validierungsergebnisse [Seite 37]
1.8.1 - 4.1 Trend-Fall: Grober Rückvergleich von 2006 bis 2013 [Seite 37]
1.8.1.1 - 4.1.1 Strompreis im Trend-Fall [Seite 38]
1.8.1.2 - 4.1.2 Exkurs: Der Einfluss von Steinkohlekraftwerken auf den Strompreis [Seite 41]
1.8.1.3 - 4.1.3 Energiemix im Trend-Fall [Seite 42]
1.8.2 - 4.2 Fein-Fall: Genauer Rückvergleich für 2013 und 2014 [Seite 43]
1.8.2.1 - 4.2.1 Energiemix im Fein-Fall [Seite 44]
1.8.2.2 - 4.2.2 Saisonaler Strompreis [Seite 46]
1.8.2.3 - 4.2.3 Strompreis im Tagesverlauf [Seite 51]
1.8.2.4 - 4.2.4 Überlagerung von saisonalen und täglichen Effekten [Seite 56]
1.8.3 - 4.3 Szenariofehler [Seite 58]
1.9 - 5 Diskussion der Ergebnisse: Ist GemCast valide? [Seite 63]
1.9.1 - 5.1 Ausblick: Wie kann die Glaubwürdigkeit von GemCast verbessert werden? [Seite 65]
1.10 - 6 Fazit [Seite 69]
1.11 - Literatur [Seite 71]
1.12 - Anhang [Seite 77]
1.12.1 - A.1 Zusätzliche Abbildung zum Trend-Fall [Seite 77]
1.12.2 - A.2 Zusätzliche Abbildungen zum Fein-Fall [Seite 78]
1.12.2.1 - A.2.1 Fein-Fall im Überblick [Seite 78]
1.12.2.2 - A.2.2 Fein-Fall: Charakteristische Monate [Seite 79]
1.12.2.3 - A.2.3 Fein-Fall: Charakteristische Wochen [Seite 82]
1.12.2.4 - A.2.4 Fein-Fall: Merit-Order GemCast vs. Real [Seite 85]
1.12.2.5 - A.2.5 Fein-Fall: Abweichung von GemCast 2013 und 2014 über Last, Residuallast, EE-, Wind- & PV-Erzeugung [Seite 87]
1.12.2.6 - A.2.6 Sonstige Abbildungen [Seite 90]
1.12.3 - A.3 Datenpaket [Seite 93]
Textprobe:

Kapitel 3: Daten für die Validierung:

3.1 Kraftwerkspark konventioneller Energieträger:

Die Abbildung des deutschen Kraftwerksparks ist Grundlage für die Berechnungen von Gem-Cast. Für den Trend-Fall - also für die Jahre 2006 bis einschließlich 2013 - wird pro Jahr eine Kraftwerksliste erstellt, wobei die Zusammensetzung des Kraftwerksparks und die Grenzkosten für jedes Jahr angepasst werden. Die Merit-Order verändert sich in diesem Fall innerhalb eines Jahres nicht. Beim Fein-Fall findet die Anpassung der Grenzkosten - und damit auch die der Merit-Order - monatlich statt, wobei die Zusammensetzung des Kraftwerksparks innerhalb eines Jahres gleich bleibt. Also werden für den Fein-Fall 24 und für den Trend-Fall acht Kraftwerkslisten erstellt.
Grundlage für die zu erstellenden Kraftwerkslisten ist die Kraftwerksliste der BNetzA [Bun15d]. In dieser Liste sind alle Kraftwerke mit einer Nettonennleistung von mindestens 10 MW aufgeführt. Kleinere Kraftwerke, die nicht den EE zuzuordnen sind, werden bei der Validierung nicht berücksichtigt. Die BNetzA betreibt das Monitoring des deutschen Kraftwerksparks seit 2011 und hat im Jahr 2013 die erste Kraftwerksliste veröffentlicht [Bun15d]. Da über die Zeit davor keine Daten zum Zu- oder Rückbau von Kraftwerken in Deutschland gefunden werden konnten, mit Ausnahme von Kernkraftwerken16, wird die Kraftwerksliste von 2013 für die Jahre 2006 bis 2012 angepasst übernommen. Die Anpassung geschieht folgendermaßen: Kraftwerke, die zum jeweiligen Jahr noch nicht in Betrieb genommen wurden, werden zwar beibehalten, deren Wirkungsgrade und spezifischen CO2-Emissionen werden jedoch auf die Werte des ältesten Kraftwerks in der jeweiligen Kraftwerkskategorie gesetzt. Dabei wird angenommen, dass Inbetriebnahmen stets zum ersten Januar eines Jahres erfolgt sind. Ein Beispiel: Die Kraftwerksliste von 2013 führt drei Braunkohlekraftwerke, die erst seitdem Jahr 2012 Strom erzeugen. Für alle Jahre vor 2012 werden diese drei Kraftwerke beibehalten, wobei deren Wirkungsgrade und spezifischen CO2-Emissionen gesenkt werden - und zwar auf die des ältesten Braunkohlekraftwerks der Liste. Somit wird verhindert, dass der Kraftwerkspark mit zunehmender Reichweite in die Vergangenheit schrumpft. Gleichzeitig werden Grenzkosteneinsparungen modernerer Kraftwerke nicht in die Vergangenheit übertragen. Trotzdem sinkt die Qualität der Liste, je weiter in die Vergangenheit simuliert wird. Insgesamt werden, bis einschließlich 2006, Kraftwerke mit einer Nettogesamtnennleistung von rund 12 GW angepasst. Das entspricht etwa 13 % der installierten Nettonennleistung der in der Kraftwerksliste von 2013 angegebenen konventionellen Kraftwerke. In der zugrunde liegenden Kraftwerksliste der BNetzA, ist für jedes Kraftwerk unter anderem Typ, Jahr der Inbetriebnahme, Nettonennwirkungsgrad und Nettonennleistung angegeben. Um jedem Kraftwerk Grenzkosten zuweisen zu können, werden zusätzliche Parameter benötigt. Dazu gehören Wirkungsgrade, spezifische CO2-Emissionen und weitere Parameter, welche Preisschwankungen unterliegen. Im folgenden Abschnitt wird gezeigt, wie bei der Erweiterung der Liste vorgegangen und auf welche Daten dafür zurückgegriffen wurde.
3.2 Grenzkosten:

Für die beiden Validierungsfälle Trend und Fein werden diverse Kraftwerkslisten für die zu simulierenden Zeiträume erstellt (s. Absch. 3.1). Die Kraftwerke sind pro Liste nach Grenzkosten sortiert. Somit bilden die Listen die Merit-Order eines simulierten Zeitraumes ab. Die Grenzkosten variieren dabei von Liste zu Liste, da sie abhängig von Preisentwicklungen sind. Um die für die Validierung notwendigen Kraftwerkslisten erstellen zu können, sind Daten, anhand derer die jeweiligen Grenzkosten berechnet werden können, notwendig. Diese Daten werden in diesem Abschnitt vorgestellt und deren Einfluss in Bezug auf die Grenzkosten wird erläutert. Zu Beginn werden Kraftwerkswirkungsgrade (Absch. 3.2.1) und spezifische Emissionsfaktoren (3.2.2) behandelt. Anschließend werden Parameter, welche Preisschwankungen ausgesetzt sind, thematisiert: Brennstoffpreise (Absch. 3.2.3), variable Kosten für Betrieb und Wartung (Absch. 3.2.4) sowie Preise für Emissionsrechte (Absch. 3.2.5). Die Zusammensetzung der Grenzkosten von Kernkraftwerken und sonstigen Kraftwerken (Müllverbrennungsanlagen und Kraftwerke, die mehrere Energieträger verbrennen) werden gesondert erörtert (s. Absch. 3.2.6). Also werden zunächst die Grenzkosten von Braunkohle-, Steinkohle-, Erdgas- und Mineralölkraftwerken untersucht. Dabei werden, den Modellannahmen folgend (s. Absch. 2.2), alle Erdgaskraftwerke als GuD-Kraftwerke betrachtet. Die Abbildung 4 zeigt exemplarisch die mittlere Grenzkostenzusammensetzung von Steinkohlekraftwerken von 2006 bis 2013, wobei jedem Steinkohlekraftwerk, in Abhängigkeit vom Baujahr bzw. Wirkungsgrad, unterschiedliche Grenzkosten zugewiesen werden [.].
3.2.1 Wirkungsgrade:

Die Wirkungsgrade werden abhängig vom Kraftwerkstyp und Baujahr festgelegt, die Nennleistung wird dabei nicht berücksichtigt. Für die historische Entwicklung der Wirkungsgrade wird ein linearer Verlauf angenommen. Grundlage hierfür ist eine Studie, die, anhand von Pressemitteilungen von Kraftwerksbetreibern, den historischen Verlauf der Wirkungsgrade verschiedener Kraftwerkstypen abbildet [BHST05]. Dazu zählen Braunkohle-, Steinkohle- und Gaskraftwerke. Die Werte sind vergleichbar mit denen aus einer weiteren Studie [RMV08]. Für Kraftwerke, die mit Mineralölprodukten befeuert werden, wird auf Angaben des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) zurückgegriffen [Bun15b]. Dieser pragmatische Ansatz und die Rechercheergebnisse lassen keine genaueren Wirkungsgradprofile zu. Für Kraftwerke, deren Bau lange zurück liegt17, sind in den genannten Studien keine Daten vorhanden, weswegen deren Wirkungsgrade durch lineare Projektion in die Vergangenheit geschätzt werden. Der Anteil dieser Kraftwerke am konventionellen Kraftwerkspark von 2006 beträgt, gemessen an der Nettonennleistung, 7,7 %.

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