Dezentrales Energiemanagement. Potentiale des Smart Meterings E-Book

Christian Schäfer

• Herausgeber: GRIN Verlag
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2011

Beschreibung

Diplomarbeit aus dem Jahr 2011 im Fachbereich BWL - Unternehmensführung, Management, Organisation, Note: 1,15, FOM Hochschule für Oekonomie & Management gemeinnützige GmbH, Berlin früher Fachhochschule, Sprache: Deutsch, Abstract: Die Energiewirtschaft steht vor einem grundlegenden Veränderungsprozess, der vom Umfang als Paradigmenwechsel bezeichnet werden muss. Der weltweit ansteigende Energieverbrauch bei gleichzeitigem Rückgang der Verfügbarkeit fossiler Energieträger hat in den vergangenen Jahrzehnten zu einem stetigen Anstieg der Energiepreise geführt. Für Länder mit einer hohen Energieimportquote steigt das Versorgungsrisiko durch eine wachsende Abhängigkeit. Um die Abhängigkeiten von Energieimporten zu reduzieren und dem Trend entgegenzuwirken werden seit einigen Jahrzehnten in hohem Maße Erneuerbare Energien (EE) sowohl national als auch international gefördert. Hierzu wurde in Deutschland durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und die Liberalisierung der Energiewirtschaft der Grundstein gelegt. Das ursprünglich für das Jahr 2010 ausgegebene Ziel des Anteils der EE von 4,2% wurde mit knapp 16% um ein Vielfaches übertroffen. Neben dem Wandel der Energieträger nimmt auch der dezentrale Charakter der Erzeugerstruktur zu. Windkraft- und Photovoltaikanlagen sind darüber hinaus durch eine stochastische Einspeisungs-charakteristik und eine fehlende Steuerbarkeit gekennzeichnet. Derzeit werden Abweichungen von Energie- und Nachfrageprognosen im Versorgungssystem durch den Einsatz von Regelleistungen konventioneller Kraftwerke ausgeglichen. Der geplante Ausbau der EE wird zu weiterem Ausgleichsbedarf führen. Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist die derzeitige Problemlösung in vielerlei Hinsicht optimierungsbedürftig. Gleichzeitig stellen ehrgeizige Energieeffizienzziele hohe Anforderungen an das zukünftige Energiesystem. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse des Potentials eines dezentralen Energiemanagements in Bezug auf eine aus volkswirtschaftlicher Sicht optimierungsbedürftigen Ausregelung von Angebot und Nachfrage und der Erreichung zukünftiger Anforderungen an das Energiesystem. Dabei soll insbesondere die Rolle des Smart Meterings bei der Zielerreichung untersucht werden.

Leseprobe

Impressum:

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Motivation und Rahmenbedingungen

1.2 Ziele und Abgrenzung

1.3 Vorgehen

2 Elektrische Energieversorgung in Deutschland

2.1 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen

2.1.1 Erzeugung

2.1.2 Distribution

2.1.3 Regelenergie

2.1.4 Handel und Vertrieb

2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen

3 Energiesystemanforderungen

3.1 Motivation und Anreize der Marktrollen

3.1.1 Energielieferant

3.1.2 Endverbraucher

3.1.3 Dezentrale Erzeuger

3.1.4 Netzbetreiber

3.1.5 Messstellenbetreiber / Messdienstleister

3.2 Energiepolitische Motivationen

3.3 Anforderungen

3.3.1 Versorgungssicherheit

3.3.2 Umweltverträglichkeit

3.3.3 Wirtschaftlichkeit

4 Dezentrales Energiemanagement

4.1 Grundlagen

4.2 Erzeugungsmanagement

4.3 Lastmanagement

4.4 Voraussetzungen

4.4.1 Smart Grid

4.4.2 Smart Metering

4.4.3 Intelligente Geräte

5 Potentialanalyse

5.1 Lastmanagement

5.2 Erzeugungsmanagement

5.3 Ausgleichsbedarf

5.3.1 Szenario 2010

5.3.2 Szenario 2020

5.4 Bewertung

6 Zusammenfassung und Ausblick

7 Anhang

Anhang 1: EEG-Mittelfristprognose: Entwicklung 2000 bis 2015

Anhang 2: Virtuelle Kraftwerke

Anhang 3: Projekte und Auswirkungen variabler Tarife

Anhang 4: Übersicht Smart Meter Tarife

8 Literaturverzeichnis

9 Quellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kapazität und Erzeugung

Abbildung 2: Stromerzeugung aus EE

Abbildung 3: Spannungsbandmanagement

Abbildung 4: Aufbau des elektrischen Energieversorgungsnetzes

Abbildung 5: Einflussgrößen auf die Netzbetriebsführung

Abbildung 6: Zeitverlauf der Regelungsarten

Abbildung 7: Unterschied Regelenergie - Ausgleichsenergie

Abbildung 8: Ausgleichsenergiepreise

Abbildung 9: Abweichungen Nachfrage und Windeinspeisung

Abbildung 10:Strombeschaffung

Abbildung 11: Entwicklung des Handelsvolumens am Spot- und Terminmarkt

Abbildung 12 Strompreise am Spotmarkt der EEX

Abbildung 13: Zeitbereiche der Stromhandelsmärkte

Abbildung 14: Anteile am Stromverbrauch

Abbildung 15: Entwicklung der Liquidität am EEX- bzw. EPEX

Abbildung 16: Belastungen durch die EEG-Umlage

Abbildung 17: Motivation und Anreize

Abbildung 18: Ziele und Zukunftssäulen des intelligenten EVS

Abbildung 19: Durchschnittliche Unterbrechungsdauer

Abbildung 20: Komponenten des dezentralen Energiemanagements

Abbildung 21: Regelkreis des Energiemanagements

Abbildung 22: Möglichkeiten der Lastanpassung

Abbildung 23: Einbindung von Lastmanagement in die Systemplanung

Abbildung 24: Zeitvariable Tarifoptionen

Abbildung 25: Wirkungsmatrix eines Smart Grids

Abbildung 26: Smart Home im Endausbau

Abbildung 27: Übersicht der Anwendungsbereiche im Haushaltssektor

Abbildung 28: Lastkurve Elektrospeicherheizung

Abbildung 29: Ausgleichsenergiebedarf und Preise

Abbildung 30: EEG-Strommengen und Vergütungszahlungen

Abbildung 31: EEG-Quote und Durchschnittsvergütung

Abbildung 32: Übersicht aktueller Pilotprojekt mit zeitvariablen Tarifen

Abbildung 33: Smart Meter Tarife des Grundversorgers

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Installierte Leistung nach Spannungsebene und EE-Art

Tabelle 2: Anforderungen für die Bereitstellung von Regelenergie

Tabelle 3: EEG-Vergütungen 2009

Tabelle 4: Voraussetzungen eines zukünftigen Energiesystems

Tabelle 5: Einflussmöglichkeiten des DR

Tabelle 6: Aufgaben/Funktionen Smart Metering

Tabelle 7: Lastmanagementpotentiale in Haushalten

Tabelle 8: EEG-Einspeisung aus Windkraftanlagen und Regelenergiebedarf

Tabelle 9: Projekte zu Virtuellen Kraftwerken in Deutschland

Tabelle 10: Spitzenlastreduktion durch variable Tarife

1Einleitung

Die Energiewirtschaft steht vor einem grundlegenden Veränderungsprozess, der vom Umfang als Paradigmenwechsel bezeichnet werden muss.[1] Der weltweit ansteigende Energieverbrauch bei gleichzeitigem Rückgang der Verfügbarkeit fossiler Energieträger hat in den vergangenen Jahrzehnten zu einem stetigen Anstieg der Energiepreise geführt.[2] Für Länder mit einer hohen Energieimportquote steigt das Versorgungsrisiko durch eine wachsende Abhängigkeit. Darüber hinaus fordert die fortschreitende Klimaerwärmung eine Reduktion der CO2-Emissionen, an denen die zur Stromerzeugung eingesetzten konventionellen Kraftwerke einen bedeutenden Anteil haben. Die EU hat sich das anspruchsvolle Ziel gesetzt, die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2020 um mindestens 40% im Vergleich zum Jahr 1990 zu senken.[3]

Um die Abhängigkeiten von Energieimporten zu reduzieren und dem Trend entgegenzuwirken werden seit einigen Jahrzehnten in hohem Maße Erneuerbare Energien (EE) sowohl national als auch international gefördert. Hierzu wurde in Deutschland durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und die Liberalisierung der Energiewirtschaft der Grundstein gelegt. Das ursprünglich für das Jahr 2010 ausgegebene Ziel des Anteils der EE von 4,2% wurde mit knapp 16% um ein Vielfaches übertroffen. Neben dem Wandel der Energieträger nimmt auch der dezentrale Charakter der Erzeugerstruktur zu. Der Installationsort wird nun von der optimalen Ausnutzung des Wind- oder Sonnendargebots entschieden. Aus diesem Grund werden Windkraftanlagen überwiegend in Norddeutschland installiert, wohingegen die meisten Lastschwerpunkte im Süden liegen. Der Transport großer elektrischer Leistungen über lange Strecken wird dadurch zunehmen. Windkraft- und Photovoltaikanlagen sind darüber hinaus durch eine stochastische Einspeisungscharakteristik und eine fehlende Steuerbarkeit gekennzeichnet.

Das historisch gewachsene Energiesystem in Deutschland und Europa mit zentralen Steuerungs- und Kontrollkonzepten der Stromversorgungsinfrastruktur stößt bei der Integration der fluktuierenden dezentralen Erzeugungsanlagen hinsichtlich eines stabilen Netzbetriebs und benötigter Übertragungskapazitäten zunehmend an seine Grenzen. Da elektrische Energie derzeit nicht effizient und ökonomisch sinnvoll in großen Mengen gespeichert werden kann, jedoch das Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zu jedem Zeitpunkt hergestellt werden muss, werden die Kosten durch den verstärkten Einsatz teurer Regelleistung zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage zunehmend steigen. Einerseits steigen hierdurch die Energiekosten für die Verbraucher, auf der anderen Seite entsteht auch ein Konflikt mit dem CO2-Reduktionsziel, da die Regelleistung derzeit ausschließlich durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt wird und diese durch vermehrten Teillastbetrieb einen geringeren Wirkungsgrad entfalten. Die vermehrte Einspeisung dezentraler Erzeuger im bisher nur wenig überwachten Verteilungsnetz, macht zunehmend den Einsatz dezentraler Datenerfassungs- und Steuerungstechnik sowie Koordinationsmechanismen erforderlich, um auf die durch eine Umkehr des Energielastflusses entstehenden Probleme reagieren zu können. Das Smart Metering und dezentrale Energiemanagement setzen genau bei dieser Problemstellung an.

1.1Motivation und Rahmenbedingungen

Um die ökologischen Ziele unter vertretbaren wirtschaftlichen Aufwand zu erreichen, gilt es für einen energieeffizienten Ausgleich zwischen stark schwankenden Lastanforderungen und teilweise ebenfalls fluktuierenden Erzeugungskapazitäten zu sorgen. Gleichzeitig soll die Energieeffizienz weiter gesteigert werden. Zur Zielerreichung ist zwingend der Wechsel vom passiven Stromnetz zum Smart Grid notwendig. Dieses soll durch die durchgängige kommunikative Vernetzung der Verbraucher, Erzeuger und Speicher eine aktive Steuerung des Energiesystems ermöglichen. Um ein aktives Energiemanagement in einem Smart Grid betreiben zu können, muss die Qualität und Häufigkeit der Messdatenerfassung steigen. Zudem steigen die Anforderungen an die Überwachung der Verteilnetze auf Grund der vermehrten dezentralen Einspeisung. Dem Smart Metering kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Neben einer für ein Energiemanagement erforderlichen Kommunikationsinfrastruktur führen die verbesserten Messmethoden zu einer Erhöhung der Prognosegüte und damit zu einer Optimierung in der Energiebeschaffung. Darüber hinaus können Spannungsschwankungen oder Versorgungsausfälle schneller identifiziert und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Neben notwendigen technischen Veränderungen müssen auch wirtschaftliche Anreize gesetzt werden, um eine intelligente Steuerung von Erzeugung und Verbrauch zu ermöglichen. Im derzeitigen Energiesystem gibt es weder für die Betreiber von EE-Anlagen durch eine feste Einspeisungsvergütung noch für die Haushalte als Stromverbraucher einen Anreiz zur zeitlichen Verlagerung und damit zur Vermeidung ineffizienter Regelenergie. Dieser Anreiz könnte aber durch die Einführung der nach § 40 Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) ab dem Jahr 2011 einzuführenden variablen Tarife gesetzt werden, indem diese den Verbraucher durch eine Veränderung des Strompreises zur gezielten, zeitlich optimierten Nutzung elektrischer Geräte motivieren. Durch die Verlagerung der Last bei großer Energienachfrage oder geringem Stromangebot in Zeiten mit hohem Energieangebot würde sich der Verbraucher an der Regelung des Stromnetzes beteiligen. Durch die Infrastruktur des Smart Meterings könnten Signale zur Verbrauchs- und Erzeugungssteuerung übermittelt werden.

1.2 Ziele und Abgrenzung