Versorgungssicherheit – Eine Herausforderung der Energiewende Ein Vortrag im Rahmen der Ringvorlesung Transformation des Energiesystems am 22. April 2015 an der Leibniz Universität Hannover Quelle: http://tvblogs.nationalgeographic.com/files/2013/10/blackout2-590x331.jpg
Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
Inhalt 1.
Stellenwert der Versorgungssicherheit
2.
Stromversorgungssituation in Deutschland
3.
Gesicherte Stromerzeugungsleistung
4.
Systemdienstleistungen
5.
Fazit
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22. April 2015
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1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Zieldreieck der Energiewirtschaft
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Seite 3
1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
§ 1 Absatz (1) Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) Versorgungssicherheit
Zweck des Gesetzes ist eine möglichst sichere, preisgünstige, verbraucherfreundliche, effiziente und umweltverträgliche leitungsgebundene Versorgung der Allgemeinheit mit Elektrizität und Gas, die zunehmend auf erneuerbaren Energien beruht.
Umweltverträglichkeit
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Wirtschaftlichkeit
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1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Was bedeutet nun Versorgungssicherheit? Aufgaben der Stromerzeuger
Aufgaben der Netzbetreiber
Bereitstellung:
Gesicherte Leistung Hohe Verlässlichkeit Systemdienstleistungen
Stromerzeuger
Leistungsregelung Spannungshaltung Frequenzhaltung Netz-Wiederaufbau
Unterbrechungsfreie Versorgung Niedrige Spannungsschwankungen Niedrige Frequenzschwankungen
Netzbetriebsführung Engpassmanagement N-1-Sicherheit im Netz
Netz
Übertragungsnetzbetreiber – ÜNB Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
Erwartungen der Kunden
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Stromkunden Verteilnetzbetreiber - VNB Seite 5
1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Betriebsstörungen in der Stromversorgung europäischer Staaten 1000
SAIDI = System Average Interruption Duration Index
min / a
Rumänien
Slowakai
Malta
Polen
Zypern
Tschechien
Schweden
Portugal
Litauen
Ungarn
Slowenien
Frankreich
GB
Italien
Österreich
Niederlande
Schweiz
Deutschland
1
Dänemark
10
Luxemburg
SAIDI in Minuten
100
Quelle: www.ceer.eu Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Betriebsstörungen in der Stromversorgung Deutschlands 25 min / a
21,53 19,25
20
SAIDI = System Average Interruption Duration Index 16,89
15,32
2009
2010
2011
2012
2013
SAIDI
15
15,31
15,91
14,63
14,90
10
5
0 2006
2007
2008
Quelle: www.Bundesnetzagentur.de Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Komponenten der Stromversorgung in Deutschland Stromnetze (Übertragungs- und Verteilnetze)
Erneuerbare Energien (EEG-Strom) Fluktuierende Stromeinspeisung
Konventionelle Kraftwerke Regelbare Stromerzeuger mit gesicherter Leistung Speicher Energieaustausch im Europäischen Verbundnetz Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Versorgungssituation 1994 80 70
60
Leistung in GW
50
Solar Windkraft
40
Gas Steinkohle
30
Braunkohle Kernkraft
20
Laufwasser Sonstige
10 0 Montag 0:00
Gesamtlast Dienstag 0:00
Mittwoch Donnerstag 0:00 0:00
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Freitag 0:00
Samstag 0:00
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Sonntag 0:00
Montag 0:00 Seite 11
1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Versorgungssituation 2013 80 70
60
Leistung GW in GW Leistung in
50
Solar Windkraft
40
Gas Steinkohle
30
Braunkohle
Kernkraft
20
Laufwasser Sonstige
10 0 Montag 0:00
Gesamtlast Dienstag 0:00
Mittwoch Donnerstag 0:00 0:00
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Freitag 0:00
Samstag 0:00
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Sonntag 0:00
Montag 0:00 Seite 12
1. Stellenwert der Versorgungssicherheit
Residuallast 80 70
60
Leistung in GW
50 40 Solar 30
Windkraft Konventionelle Erzeugung Gesamtlast
20 10 0 Montag 0:00
Residuallast
Dienstag 0:00
Mittwoch Donnerstag 0:00 0:00
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Freitag 0:00
Samstag 0:00
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Sonntag 0:00
Montag 0:00 Seite 13
2. Stromversorgungssituation in Deutschland
Ausbau der Erneuerbarer Energien in Deutschland 180
EEG 2014 ab 1. August 2014
TWh 160
Novellierungen des Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)
140
EEG 2009 ab 1. Januar 2009
120
Brutto-Stromerzeugung
EEG 2012 ab 1. April 2012
EEG 2004 ab 1. August 2004
100
Photovoltaik Wind offshore Wind onshore Wasserkraft Biomasse
1)
2) 3)
Hausmüll (Bio-Anteil) 80 60 40
EEG 2000 ab 1. April 2000 Stromeinspeisegesetz Novelle BauGB ab 1. Januar 1991 ab November 1997
1) bei Pumpspeicherkraftwerken nur Stromerzeugung aus natürlichem Zufluss 2) bis 1998 nur Einspeisung in das Netz der allgemeinen Versorgung, Angaben ab 2003 beinhalten auch die industrielle Stromerzeugung aus flüssiger Biomasse inklusive Pflanzenöl 3) biogener Anteil (50 %)
20 0
Quelle: AGEB – Stand: 12. Dezember 2014 Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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2. Stromversorgungssituation in Deutschland
Strommix Deutschland 1990-2014 – nach Primärenergie-Trägern 700 TWh
Photovoltaik
600
Wind offshore
Wind onshore Wasserkraft
500
Brutto-Stromerzeugung
Biomasse Hausmüll (Bio-Anteil)
400
Übrige Energieträger Mineralölprodukte
300
Erdgas Steinkohle
200
Kernenergie Braunkohle
100 0
Quelle: AGEB – Stand: 12. Dezember 2014 Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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2. Stromversorgungssituation in Deutschland
Strommix Deutschland 1990- 2014 (konventionell und erneuerbar) 700 TWh
konventionell
erneuerbar
Photovoltaik
600
Wind offshore Wind onshore Wasserkraft
500
Brutto-Stromerzeugung
Biomasse Hausmüll (Bio-Anteil)
400
Übrige Energieträger
Mineralölprodukte
300
Erdgas Steinkohle
200
Kernenergie Braunkohle
100 0
Quelle: AGEB – Stand: 12. Dezember 2014 Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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2. Stromversorgungssituation in Deutschland
Strommix Deutschland 1990- 2014 (gesichert und fluktuierend) 700 TWh
gesichert
fluktuierend
Photovoltaik
600
Wind offshore Wind onshore Wasserkraft
500
Brutto-Stromerzeugung
Biomasse Hausmüll (Bio-Anteil)
400
Übrige Energieträger
Mineralölprodukte
300
Erdgas Steinkohle
200
Kernenergie Braunkohle
100 0
Quelle: AGEB – Stand: 12. Dezember 2014 Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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2. Stromversorgungssituation in Deutschland
Zeiten geringer EEG-Stromeinspeisung - Dunkelflaute 80
Dunkelflaute im Januar 2012
GW 70
Gesamtlast
60 50
Windenergie
40
Solarenergie
30
Sonstige EE
20
Residuallast 10
0 14.01.2012
15.01.2012
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16.01.2012
22. April 2015
17.01.2012
18.01.2012
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Installierte und gesicherte Stromerzeugungs-Nettoleistung
Nicht gesicherte Leistung (verfügbare Leistung ohne Antrieb)
Gesamte installierte Stromerzeugungs-Netto-Leistung
Geplante Nichtverfügbarkeiten (Revisionen) Ungeplante Nichtverfügbarkeiten (Ausfälle) Systemdienstleistungen (Regelleistung) verfügbare Leistung (Reserve) eingespeiste Erzeugungsleistung (Erzeugungs-Last)
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Gesicherte Stromerzeugungs-Netto-Leistung (Gesicherte Leistung)
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2000 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
200 GW 180 160
Systemdienstleistungen Solarenergie
Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser
140
125
120
125
Freie gesicherte Leistung 101
100 25
Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar)
Erdgas
80
JahresHöchstlast
60
40
76
Steinkohle Braunkohle Kernenergie
20 0 Installierte Netto-Leistung
Gesicherte Leistung
Quelle: www.bmwi.de – Energiedaten und eigene Berechnungen Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2011 Nicht gesicherte Leistung
Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
200 GW 180 163 160
163
Systemdienstleistungen Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser
140
Freie gesicherte Leistung
120 100
Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas
27 80
JahresHöchstlast
60 40
79
Steinkohle Braunkohle Kernenergie
106
20 0 Installierte Netto-Leistung
Gesicherte Leistung
Quelle: www.bundesnetzagentur.de – Monitoring.Bericht 2011 und eigene Berechnungen Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2012 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
200 GW 180
169
169
160
Systemdienstleistungen Solarenergie Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser
140
Freie gesicherte Leistung
120
102 100
Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher
Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas
23 80
JahresHöchstlast
60 40
79
Steinkohle Braunkohle
Kernenergie
20 0 Installierte Netto-Leistung
Quellen:
1. 2.
Gesicherte Leistung
www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5 – Stand: 30. September 2014
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2013 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
200 GW 180
180
180
160
Systemdienstleistungen Solarenergie
Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser
140
Freie gesicherte Leistung
120
104 100
23
Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas
80
JahresHöchstlast
60 81
40
Steinkohle Braunkohle Kernenergie
20 0 Installierte Netto-Leistung
Quellen:
1. 2.
Gesicherte Leistung
www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5 – Stand: 30. September 2014
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2014 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
200 GW 180
188
188
160
Systemdienstleistungen Solarenergie
Windenergie, offshore Windenergie, onshore Lauf- und Speicherwasser
140
Freie gesicherte Leistung
120
105 100
24
Biomasse Sonstige (erneuerbar) Pumpspeicher Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas
80
JahresHöchstlast
60 81
40
Steinkohle Braunkohle Kernenergie
20 0 Installierte Netto-Leistung
Quellen:
1. 2.
Gesicherte Leistung
www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5 – Stand: 30. September 2014
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Kraftwerksstilllegungsanzeigeliste – Stand 14. April 2015
Anzahl der Kraftwerke für die eine vorläufige oder endgültige Stilllegung beantragte wurde: 46
Gesamte zur Stilllegung beantragte Kraftwerks-Netto-Leistung: 11356 MW Quelle: www.bundesnetzagentur.de Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Angezeigte Kraftwerksstilllegung Standorte
Quelle: www.bundesnetzagentur.de Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2014 250 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
GW 200
Systemdienstleistungen
188
188
Solarenergie
Windenergie, offshore Windenergie, onshore
Freie gesicherte Leistung
150
Lauf- und Speicherwasser Biomasse Sonstige (erneuerbar)
105 100
24
Pumpspeicher
JahresHöchstlast
Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas
50
81
Steinkohle Braunkohle Kernenergie
0 Installierte Netto-Leistung
Quellen:
1. 2.
Gesicherte Leistung
www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5 – Stand: 30. September 2014
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3. Gesicherte Stromerzeugungsleistung
Gesicherte Leistung und Jahres-Höchstlast 2023 250 Nicht gesicherte Leistung Geplante Nichtverfügbarkeiten Ungeplante Nichtverfügbarkeiten
GW
226
226
200
Systemdienstleistungen Solarenergie
Windenergie, offshore Windenergie, onshore
150
Freie gesicherte Leistung
Lauf- und Speicherwasser Biomasse Sonstige (erneuerbar)
100
86
Pumpspeicher
JahresHöchstlast
Sonstige (nicht erneuerbar) Erdgas
50
5
81
Steinkohle Braunkohle Kernenergie
0 Installierte Netto-Leistung
Quellen:
1. 2.
Gesicherte Leistung
www.bundesnetzagentur.de – Kraftwerksliste - Stand: 29. Oktober 2014 und Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2014 nach EnWG §12 Abs. 4 und 5 – Stand: 30. September 2014
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4. Systemdienstleistungen
Versorgungssicherheit durch Systemdienstleistungen Das Stromversorgungssystem gewährleistet neben der Übertragung elektrischer Energie auch die Qualität der Versorgung. Die Aufgaben zur Sicherstellung der Qualität eines Versorgungssystems fasst man unter dem Begriff der Systemdienstleistungen (SDL) zusammen.
Zu den Systemdienstleistungen gehören:
Betriebsführung Netzengpassmanagement Frequenzhaltung Spannungshaltung
Versorgungswiederaufbau
Die Sicherstellung der Qualität der Stromversorgung durch die Bereitstellung der Systemdienstleistungen obliegt den Netzbetreibern. Regional sind dies die Versorgungsnetzbetreiber (VNB), überregional die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB). Die Sicherstellung der Frequenzhaltung, Spannungshaltung und Versorgungswiederaufbau gelingt nur in der Zusammenarbeit von Erzeugern (Kraftwerken) und Netzbetreibern.
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4. Systemdienstleistungen
Anforderungen an die Spannungsqualität Fertigungen
keine kurzen Spannungseinbrüche (Dips)
Motoren
keine Asymetrien keine Flicker
Beleuchtung
keine Mehrfachnulldurchgänge
Uhren Rechner
keine Spannungseinbrüche (Dips)
keine Überspannungen
Unterhaltungselektronik
haben keine Anforderungen an die Spannungsqualität
Ohmsche Lasten (Heizungen) Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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4. Systemdienstleistungen
Anforderungen an die Frequenzstabilität Großbritannien
50,2
50,2
50,2 Hz
Hz
50,1
50,1
50,0
50,0
50,0
49,9 49,8
0
10
Zeit
20
30
49,9 49,8
40 hh48
Frequenz
50,1
Frequenz
Frequenz
Hz
Schweden
Zentraleuropa
0
10
Zeit
20
China (Osten)
50,2
0
10
Zeit
20
30
40 h 48
Singapur
Hz
50,1
50,0
50,0
Frequenz
50,1
49,9 49,8
49,8
40 h 48
50,2
Hz
Frequenz
30
49,9
0
10
Zeit
20
30
40 h 48
49,9 49,8
0
10
Zeit
20
30
40 h 48
Quelle: Wikipedia – Versorgungsqualität - 28.4.2014 Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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4. Systemdienstleistungen
Europäischer Netzverbund und deutsche Übertragungsnetzbetreiber European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E) früher: UCTE
Bildquelle: www.asue.de, Broschüre Virtuelle Kraftwerke Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland (ÜNB)
Bildquelle: www.bpb.de
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4. Systemdienstleistungen
Bereitstellung von Regelregelleistung Solidarische Bereitstellung innerhalb ENTSO-E durch alle verbundenen ÜNB
Primärregelung
Sekundärregelung
Zum Ausgleich größerer und länger andauernder Störungen
Tertiärreglung
Bilanzkreisausgleich
Leistung
Trägheit
Energetischer Ausgleich innerhalb der Regelzone und Frequenzregelzone
30 s
Automatische Aktivierung bei einer quasistationären Frequenzabweichung von ± 200 mHz Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
5 min
15 min
1h
Telefonischer und fahrplangestützter Abruf durch den ÜNB
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4. Systemdienstleistungen
Präqualifizierte Anbieter für den deutschen Regelleistungsmarkt
Quelle: Internetplattform der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Vergabe von Regelleistung– www.regelleistung.net – Stand: 14. April 2015 Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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4. Systemdienstleistungen
Systemdienstleistungen – Vermarktung der Regelleistung Primärregelleistung (PRL)
Wöchentliche Ausschreibung Ausschreibung symmetrisch Mindestangebotsgröße +/- 1 MW Umfang seit 7. April 2015: 783 MW Vergabe nach dem Leistungspreis Ausschließl. Vergütung d. Leistungspreises
Sekundärregelleistung (SRL)
Minutenreserveleistung (MRL)
Wöchentliche Ausschreibung Getrennte Ausschreibung pos. + neg. SRL Mindestangebotsgröße 5 MW Vergabe nach dem Leistungspreis Vergütung d. Leistungs- und Arbeitspreises
Quelle: Internetplattform der ÜNB – www.regelleistung.net Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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Tägliche Ausschreibung pos. + neg. MRL in jew. 6 mal 4 Stunden Mindestangebotsgröße 5 MW Vergabe nach dem Leistungspreis Abruf nach Arbeitspreises Vergütung d. Leistungs- und Arbeitspreises Seite 37
4. Systemdienstleistungen
Systemdienstleistungen – Vermarktung PRL 900
7000
MW
€/MW
800
6000 700
Gesamtbedarf an Primärregelleistung in MW
5000
500 Maximaler Leistungspreis
400
4000
300
3000
200
Minimaler Leistungspreis
Leistungspreis
Gesamtbedarf (negativ/positiv)
600
2000
100 0
1000
Sep 11
Jan 12
Mai 12
Sep 12
Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
Jan 13
Mai 13
Sep 13
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Jan 14
Mai 14
Sep 14
Jan 15
Seite 38
4. Systemdienstleistungen
Systemdienstleistungen – Vermarktung SRL 3500
2500
MW
€/MW
mittlerer Bedarf (positiv)
3000
2000
mittlerer Bedarf (negativ)
1500
2000 Maximaler Leistungspreis
1500
1000
1000
Leistungspreis
mittlerer Gesamtbededarf
2500
500
500 Minimaler Leistungspreis
0 Feb 11
Sep 11
Apr 12
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Okt 12
Mai 13
22. April 2015
Nov 13
Jun 14
Dez 14
0 Jul 15
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5. Fazit
Fazit Die Erneuerbaren Energien tragen nur in geringem Maß zur Deckung der Gesicherten Leistung bei.
Durch den Zubau von Gas- und Kohlekraftwerken besteht trotz des Abschaltens der 8 Kernkraftwerke eine Überkapazität am deutschen Strommarkt. Die beantragte Stilllegung konventioneller Kraftwerke und die Außerbetriebnahme der restlichen deutschen Kernkraftwerke wird bis 2023 wird zu einer Verknappung der Freien Gesicherten Leistung führen. Konventionelle Kraftwerke werden zur Abdeckung der Gesicherten Leistung auch in Zukunft gebraucht. Konventionelle Kraftwerke werden auch für die Bereitstellung der erforderlichen Systemdienstleistungen benötigt.
Die Sicherstellung der Versorgungssicherheit im Zuge des weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien bleibt eine wichtige Aufgabe! Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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Vielen Dank für Ihr Interesse
Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf Institut für Kraftwerkstechnik und Wärmeübertragung
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