Energiewirtschaft I PDF - HTWK Leipzig Skript WS 2024/25

HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften M 338 Grundlagen der Energietechnik Energiewirtschaft I - Skript - Prof. Dr.-Ing. Uwe Jung Ausgabe: WS 2024/25  Energiewirtschaft I...

HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften M 338 Grundlagen der Energietechnik Energiewirtschaft I - Skript - Prof. Dr.-Ing. Uwe Jung Ausgabe: WS 2024/25  Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ Inhaltsverzeichnis 1 Einführung............................................................................................................. 1 1.1 Einordnung der Energiewirtschaft.................................................................. 1 1.2 Historie der Energiewirtschaft......................................................................... 1 1.3 Marktakteure (Auswahl).................................................................................. 2 2 Energiequellen...................................................................................................... 3 2.1 Energieformen und -nutzung.......................................................................... 3 2.2 Bestands-Energieträger.................................................................................. 4 2.3 Regenerative Energieträger........................................................................... 7 2.4 Ziele, Fragen, Entwicklungen......................................................................... 7 3 Energiebilanzen.................................................................................................... 8 3.1 Allgemeines.................................................................................................... 8 3.2 Primär- und Endenergieverbrauch, Effizienzkennzahlen................................ 8 3.3 Import und Export......................................................................................... 10 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung................................................................ 11 4 Energiepreisbildung............................................................................................ 13 4.1 Grundlegende Preisbildungsmechanismen.................................................. 13 4.2 Technische Bedingungen leitungsgebundener Energieträger...................... 13 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas................................................................... 16 4.4 Tarifsysteme für Fernwärme......................................................................... 22 4.5 Chargenweise transportierte Energieträger.................................................. 24 4.6 Preisvergleiche............................................................................................. 25 5 Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiesystemen................................................ 26 5.1 Grundlagen................................................................................................... 26 5.2 Statische Verfahren...................................................................................... 26 5.3 Dynamische Verfahren................................................................................. 26 6 Energiewirtschaftliche Optimierung..................................................................... 27 6.1 Grundlagen................................................................................................... 27 6.2 Ganglinien von Energiesystemen................................................................. 28 6.3 Spitzenlastberechnung für Energieumwandlungsanlagen............................ 29 Literatur [Auswahl] Konstantin Praxisbuch Energiewirtschaft, Springer, aktuelle Auflage Ströbele/Pfaffenberger/Heuterkes Energiewirtschaft, Oldenbourg, aktuelle Auflage Kugeler/Phlippen Energietechnik, Springer, aktuelle Auflage (vsl. 2025) Fachzeitschriften: BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft - Energiefachmagazin des VDI) Energiewirtschaftliche Tagesfragen Energie & Management Neue Energie (Magazin für Erneuerbare Energien) Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 1 Einführung 1 Einführung 1.1 Einordnung1.1der Energiewirtschaft Einordnung der Energiewirtschaft Querschnittbereich der Volkswirtschaft Energiebereitstellung, -verteilung, -anwendung Wirtschaftlicher und rationeller Einsatz von Energieträgern Erschließung neuer Energiequellen 1 Einführung 1.2 Historie der1.2Energiewirtschaft Historie der Energiewirtschaft - 40.000 Beherrschung des Feuers in China Mittel- Holz, Windmühlen, Wasserräder alter: handwerkliche Güterproduktion ab 17.Jhr. industrielle Produktion 19.Jhr. Kohlenutzung, Dampfmaschine 1. Industrielle Revolution ab 1900 WS 2023/24 Elektrizität; Verbundnetze für Energiewirtschaft I 4 Strom, Wärme, Gas, Kanalisation; geordnete Abfallentsorgung; Erdöl, Verbrennungsmotoren, 1 Einführung Automobil 1.2 Historie der Energiewirtschaft 1935 Energiewirtschaftsgesetz erstmalig in D, Energieversorgung sollte frei von Wettbewerb sein, WS 2023/24 einheitl. ErzeugungEnergiewirtschaft u. Verteilung, I Gebietsmonopole 5 ab 1948 Montanwirtschaft, Kohle, Erdöl, Erdgas, Stahl (Großkraftwerke) ab 1966 Kernenergie, kommerzielle Nutzung (AtG: diente Förderung der Kernenergie) 1972 Bericht des 'Club of Rome': Endlichkeit von Wachstum 1973 1. Ölkrise (in damals westlicher Welt) 1 Einführung 1990 StrEG – Stromeinspeisegesetz 1.2 Historie der Energiewirtschaft 1998 Neuregelung des Energiewirtschaftsrechts: EnWG - Energiewirtschaftsgesetz zur Elektrizitäts- u. Gasversorgung, Liberalisierung der Energiemärkte WS 2023/24 Energiewirtschaft I 6 1999 StromStG – Stromsteuergesetz 2000 EEG – Erneuerbare-Energien-Gesetz 2002 KWKG – Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz AtG geändert: Geordneter Ausstieg aus der Nutzung der Kernenergie* *mehrfach geändert, endgültiger Ausstieg war 2023 2015 Pariser Klimaschutzabkommen 2019 KSG - Klimaschutzgesetz 2020 Gesetz zum Ausstieg aus Kohleverstromung bis 2038 WS 2024/25 Energiewirtschaft I 11 1 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 1 Einführung 1.3 Marktakteure 1.3 (Auswahl) Marktakteure (Auswahl) Stromanbieter Anzahl: ca. 1.150 Stromanbieter in D "große 4": EnBW, E.ON, RWE, Vattenfall Ökostrom:Bürgerwerke, EWS Schönau, Green Planet Energy, LichtBlick, Naturstrom, Polarstern vor Ort: Stadtwerke, regionale Anbieter Wärme- und Gasanbieter teilweise wie oben Energiedienstleister (Contractingunternehmen) Lobbyverbände BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft BEE Bundesverband Erneuerbare Energien e Bund der Energieverbraucher 1 Einführung … 1.3 Marktakteure (Auswahl) Energiewirtschaft I 8 Forschungs- und Consultingunternehmen WS 2023/24 AEE Agentur Erneuerbare Energien, Berlin GEOMAR Helmholz-Zentrum für Ozeanforschung, Kiel IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Uni Stuttgart IE Leipziger Institut für Energie ISET Institut für Solare Energietechnik, Kassel PIK Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung 1 Einführung WI Wuppertal-Institut für(Auswahl) 1.3 Marktakteure Klima, Umwelt, Energie Öffentliche Stellen in D BMUV Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz BMWK Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BNA WS 2024/25 Bundesnetzagentur Energiewirtschaft I 14 dena Deutsche Energieagentur SRU Sachverständigenrat für Umweltfragen UBA Umweltbundesamt Internationale Organisationen IAEA Internationale Atomenergie-Agentur IEA International Energy Agency IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change ("Weltklimarat") 1 Einführung IRENA International Renewable 1.3 Marktakteure Energy Agency (Auswahl) Umwelt- WS 2024/25 und Klimaschutzverbände Energiewirtschaft I 13 BUND Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland FFF Fridays for Future GP Greenpeace Nabu Naturschutzbund Deutschland WWF World Wide Fund for Nature WS 2023/24 Energiewirtschaft I 11 2 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 2 Energiequellen 2 Energiequellen 2.1 Energieformen und -nutzung 2.1 Energieformen und -nutzung Physikalische Vorkommen Solarenergie direkte Sonnenenergie (elektromagnetische Wellen) Windenergie indirekte Sonnenenergie (Temperaturunterschiede) biochemisch gebundene Energie indirekte Sonnenenergie (Photosynthese) Nuklearenergie Kernspaltung, Kernfusion Erdwärme 2 Energiequellen radioaktiver Zerfall, Wärme aus Erdinnerem Fakultät Maschinen- und Energietechnik 2.1 2 Energieformen und -nutzung Energiequellen Gravitationsenergie Fakultät Maschinen- und Energietechnik 2.1 Energieformen durch Mond-, Energiedargebot und -nutzung Sonnen-, Planetenbewegung Bestands-Energieträger Energiedargebot (Vermögensenergie) WS Primärenergieträger, die sich nicht oder Bestands-Energieträger (Vermögensenergie) 2024/25 Energiewirtschaft I in erdgeschichtlichen 17 Zeiträumen erneuern [Kohle, Erdöl, Erdgas, Grenzfall: Torf] Primärenergieträger, die sich nicht oder in erdgeschichtlichen Zeiträumen erneuern [Kohle, Erdöl, Erdgas, Grenzfall: Torf] Regenerierbare Energieträger (Einkommensenergie) Primärenergieträger, die sich ständig Regenerierbare Energieträger auf natürliche Weise (Einkommensenergie) erneuern [Solar-, Wind-, Wasser-, Bioenergie, Geothermie] Primärenergieträger, die sich ständig auf natürliche Weise erneuern [Solar-, 2Wind-, Energiequellen Wasser-, Bioenergie, Geothermie] 2.1 Energieformen und -nutzung Energieumwandlung WS Primärenergie 2009/10 Energiewirtschaft I 15 Energieträger, die noch keiner WS 2009/10 Umwandlung Energiewirtschaft I 15 unterworfen wurden [z.B. Kohle, Rohöl, Nawaro] Sekundärenergie Energieträger, aus Primär- od. anderen Sekundär- energieträgern [Strom, Treibstoff, Holzpellet ab Werk] Endenergie Energieträger, vom Endverbraucher zur Umwandlung in Nutzenergie bezogen [Strom an Steckdose, Treib- stoff an Tankstelle, Holzpellets im Heizungskeller] Nutzenergie 2 Energiequellen Energieform, in welcher das Energiebedürfnis des 2.1 Energieformen und -nutzung Endverbrauchers gedeckt wird [Licht, Kraft, Wärme] WS Energieströme 2024/25 Energiewirtschaft I 19 Energiebilanz Gegenüberstellung der in ein System eintretenden bzw. austretenden Energieströme Energieverbrauch Die für die Deckung des Energiebedarfs verbrauchte Menge an Energie in der jeweils erforderlichen Form Energiebedarf Der zur Erfüllung eines bestimmten Zweckes unter Einsatz einer bestimmten Technologie - zukünftig - erwartete Energieaufwand in der jeweils erforderlichen Form Verbrauchssektoren Industrie, Haushalte, Verkehr, GHD-Bereich* *Gaststätten, Handel, Dienstleistungen WS 2023/24 Energiewirtschaft I 3 15 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 2 Energiequellen 2.1 Energieformen und -nutzung Bewertung der Energienutzung [Energieeffizienz] Wirkungsgrad Quotient aus Nutzleistung und Primärleistung Nutzungsgrad Quotient aus nutzbar abgegebener Energie und insgesamt zugeführter Energie wie Wirkungsgrad, jedoch über längeren Zeitraum betrachtet, wechselnde Einsatzbedingungen (z.B. Heizperiode, Stillstandszeiten) Exergie 2 Energiequellen Anteil der Energie, der in Nutzarbeit umgewandelt werden kann Fakultät Maschinen- und Energietechnik Anergie 2.1 Energieformen und -nutzung Anteil der Energie, Bewertung der keinen Nutzen der Energienutzung hat [Energieeffizienz] Erntefaktor (Saatfaktor) Verhältnis der Energiemenge, welche eine Anlage während ihrer WS 2024/25Lebensdauer bereitstellt, zu derI für die Herstellung der 21 Energiewirtschaft Anlage aufgewendeten Energiemenge Energetische Amortisationszeit Zeit, nach welcher eine Anlage ebenso viel Energie bereitge- stellt hat, wie zu ihrer Herstellung aufgewendet worden ist Ökologische2 Amortisationszeit Energiequellen Fakultät 2.2 Zeit, Bestands-Energieträger 2.2 Bestands-Energieträger nach welcher eine Anlage (eine Maßnahme) die Umwelt Maschinenbau und Energietechnik um die gleiche Menge an Schadstoffen entlastet hat, wie zu Begriffe ihrer Herstellung in die Umwelt abgegeben worden sind Förderung ausgebeutete Menge eines Bestands-ET pro Zeiteinheit Reserven Vorkommen, die bekannt sind und deren Ausbeutung nach WS 2009/10 Energiewirtschaft I 22 derzeitigem Stand technisch machbar und wirtschaftlich ist Ressourcen Vorkommen, die vermutet werden und deren Förderung nach derzeitigem Stand technisch-wirtschaftlich nicht machbar ist Ressourcen, nachgewiesene Vorkommen mit großer Wahrscheinlichkeit vorhanden und Ausbeutung technisch machbar Ressourcen, spekulative Vorkommen, deren Fundorte nicht genau bekannt sind, technische Machbarkeit der Ausbeutung unklar SoSe 2016 Energiewirtschaft I 23 4 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften 2 Energiequellen ____________________________________________________________________________________ 2.2 Bestandsenergieträger Verteilung der konventionellen Erdöl- und Erdgasreserven 2 Energiequellen Fakultät Maschinenbau und 2.2 Bestands-Energieträger Energietechnik Quelle: BGR Reichweite Quelle: BGR SoSe 2024 Energiewirtschaft I 26 Statische Reichweite Zeitdauer, nach welcher die Reserven bei gleich bleibendem Verbrauch aufgezehrt wären = Quotient aus den Reserven und dem gegenwärtigen Verbrauch Dynamische Reichweite Annahme eines sich ändernden – wahrscheinlich ansteigenden – Verbrauches, z.B. aufgrund wachsender Weltbevölkerung und wachsender neuer Märkte (z.B. BRICS-Staaten) Fördermaximum Bestands-Energieträger sind begrenzt. Förderung einer Fundstätte steigt bis2 Energiequellen Maximum und nimmt dann wieder ab. 2.2 Bestandsenergieträger Beispiel: Peak-Oil-These [Hubbert, 1956] Reichweiten von Bestands-Energieträgern (weltweit) statisch SoSe 2015 Energiewirtschaft I 28 2 Energiequellen Fakultät Maschinen- und Energietechnik 2.2 Reserven, Ressourcen und Potenziale /BGR-Energiestudie 2015/ Reichweiten von Bestands-Energieträgern WS 2024/25 Energiewirtschaft I (weltweit) 27 dynamisch Kohle Erdgas Erdöl Wachstumsrate Wachstumsrate Wachstumsrate WS 2009/10 Energiewirtschaft I 31 5 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ Entwicklung der Bestandsenergieträger Rohölentdeckung weltweit 2 Energiequellen 2.2 Bestandsenergieträger Entwicklung der Bestands-Energieträger Rohölförderung weltweit World 2 Energiequellen 2.2 Bestandsenergieträger SoSe 2024 Energiewirtschaft I 31 33 Kohle Erd- gas Öl Entwicklung der Bestands-Energieträger 2 Energiequellen 2.2 Bestandsenergieträger 2.2 Bestandsenergieträger Verbrauch fossiler Brennstoffe weltweit Entwicklung der Bestands-Energieträger Energiewirtschaft I Verbrauch fossiler Brennstoffe weltweit Erd- 2 Energiequellen gas WS 2024/25 Energiewirtschaft I 31 Öl Kohle SoSe 2024 SoSe 2024 Energiewirtschaft I 6 33 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 2 Energiequellen Fakultät Maschinenbau und 2.3 Regenerative Energieträger 2.3 Regenerative Energieträger Energietechnik Begriffe erneuerbare bzw. regenerative Energien - Energien, in menschlich relevanten Zeiträumen verfügbar - Energien, sich in kurzen Zeiträumen wieder herstellend Nachhaltigkeit (sustainability) - Erhalt der Regenerationsfähigkeit eines Ökosystems - ursprünglich aus Forstwirtschaft Ernten - statt "Fördern" - z.B. Holzernte, Windernte Potenziale 2 Energiequellen Fakultät Maschinen- 2.2 Reserven, - statt "Reserven" Ressourcen und Potenziale und Energietechnik und "Ressourcen" - häufig als verfügbare Arbeit pro Zeitraum, z.B. kWh/a Regenerative Energieträger Einordnung der Potenzialbegriffe WS 2013/14 Energiewirtschaft I 41 http://images.google.de/imgres?imgurl=http://elite.tugraz.at/Offner/pics/9%2520- 2.gif&imgrefurl=http://elite.tugraz.at/Offner/9.htm&usg=__64aBk9J90_dZe1RgtKicAWkw7y4=&h=246& w=425&sz=5&hl=de&start=48&tbnid=82LLRxbPkHG_mM:&tbnh=73&tbnw=126&prev=/images%3Fq %3Dweltenergiereserven%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Dde%26sa%3DN%26start%3D40 WS 2009/10 Energiewirtschaft I 35 Fakultät Maschinenbau und 2.4 Ziele, Fragen, Entwicklungen Energietechnik Zielstellungen - Klimaschutz durch THG-Minderung - Ressourcenschonung durch rationelle Energienutzung Fragestellungen - EU-Politik: THG-Minderung technologieoffen oder explizit EE? - einheitlicher Energie-Binnenmarkt? Entwicklungen in D - Umbau der Energiesysteme auf EE ("Energiewende") - Rekommunalisierung (Gründung Stadtwerke, Netzrückkauf, …) 7 WS 2013/14 Energiewirtschaft I 80 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 3 Energiebilanzen 3 Energiebilanzen 3.1 Allgemeines3.1 Allgemeines Energiebilanz (EB) − statistische Erfassung der Energieströme einer Volkswirtschaft für eine vergangene Periode − anschauliche Darstellung in Flussdiagrammen − in D erstellt von Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB) → einschlägige Fachverbände 3 undEnergiebilanzen wissenschaftliche Institute Struktur einer EB (Beispiele) 3.1 Allgemeines − Primärenergie − Endenergie − Einzelenergieträger (Kohlen, Öle, Gase, EE, Wärme, Strom,...) Energieflussbild 2023 für die Bundesrepublik Deutschland, in Petajoule (PJ) SoSe 2024 Energiewirtschaft I 38 WS 2024/25 Energiewirtschaft I 38 3 Energiebilanzen 3.2 Primär- und 3.2 Endenergieverbrauch, PEV und EEV, Effizienzkennzahlen Effizienzkennzahlen Primärenergieverbrauch in D (2023) WS 2024/25 Energiewirtschaft I 40 8  Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften 3 Energiebilanzen ____________________________________________________________________________________ 3.2 PEV und EEV, Effizienzkennzahlen 3 Energiebilanzen 3.2 PEV und EEV, Effizienzkennzahlen WS 2024/25 Energiewirtschaft I 42 Einordnung des PEV Entwicklung des Primärenergieverbrauchs (PEV): https://de.statista.com/statistik/daten/studie/42195/umfrage/deutschland -verbrauch-an-primaerenergie-in-millionen-tonnen-oelaequivalent/ Entwicklung des Bruttoinlandsproduktes (BIP): https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1251/umfrage/entwicklung- 3 Energiebilanzen 3.2 PEV und EEV, Effizienzkennzahlen des-bruttoinlandsprodukts-seit-dem-jahr-1991/ Energieintensität Energieintensität in PJ/10^6 € 8,0 (selbst berechnet) 7,0 6,0 5,0 WS 2024/25 Energiewirtschaft I 43 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 3 Energiebilanzen 1995 2000 2005 und EEV, 3.2 PEV 2010 2015 Effizienzkennzahlen 2020 2025 Energieproduktivität Entwicklung der Wertschöpfung je WS 2024/25 Energiewirtschaft I 44 eingesetzter Einheit Primärendenergie WS 2024/25 Energiewirtschaft I 45 9 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 3 Energiebilanzen 3.3 Import und3.3Export Import und Export 3 Energiebilanzen 3.3 Import und Export Energiewirtschaft I 45 Rohölimporte SoSe 2022 Rohölimporte nach Deutschland https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1346532/umfrage/verteilung- 3 Energiebilanzen 3.3 Import und Export der-deutschen-importmenge-von-erdoel-nach-laendern/ https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1341666/umfrage/jaehrliche- Gasimporte nach Deutschland rohoelimporte-in-deutschland/ GWh WS 2024/25 Energiewirtschaft I 47 3 Energiebilanzen 3.3 Import und Export SoSe 2024 Energiewirtschaft I 49 3 Energiebilanzen 3.3 Import und Export WS 2024/25 Energiewirtschaft I 49 10 WS 2024/25 Energiewirtschaft I 50 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 3 Energiebilanzen 3.4 Umwelt, Klima undKlima 3.4 Umwelt, Beschäftigung und Beschäftigung Bei Emissionen erfolgt Unterscheidung zwischen "klassischen" Luftschadstoffen und Treibhausgasen (THG). Minderung: Luftschadstoffe → BImschG 3 Energiebilanzen THG → KSG, Handelsinstrumente 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung WS 2024/25 Energiewirtschaft I 51 3 Energiebilanzen 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung WS 2024/25 Energiewirtschaft I 52 3 Energiebilanzen 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung WS 2024/25 Energiewirtschaft I 53 3 Energiebilanzen 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung WS 2024/25 Energiewirtschaft I 54 WS 2024/25 Energiewirtschaft I 55 11  Energiewirtschaft I 3 Energiebilanzen HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung Entwicklung Beschäftigung – Energiesektor Beschäftigte im Energiesektor 3 Energiebilanzen 3.4 Umwelt, Klima und Beschäftigung SoSe 2023 Energiewirtschaft I 52 WS 2024/25 Energiewirtschaft I 57 12 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung 4 Energiepreisbildung Fakultät 4.1 Grundlegende Preisbildungsmechanismen 4.1 Grundlegende Preisbildungsmechanismen Maschinenbau und Energietechnik Kriterien zur Preisbildung - Transportart eines Energieträgers 4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinenbau und - vertragliche 4.1Gestaltung der Grundlegende Energiebeschaffung Preisbildungsmechanismen Energietechnik Unterscheidung von Energieträgern nach Transportart ▪ leitungsgebundene Energieträger: - Strom - Erdgas - Fernwärme ▪ chargenweise transportierte Energieträger: - Kraftstoffe - Flüssiggase - Stein- und Braunkohle 4 Energiepreisbildung Fakultät WS 2013/14 Energiewirtschaft I Maschinenbau 78 und - Briketts,4.1Pellets, Grundlegende Preisbildungsmechanismen Hackschnitzel Energietechnik vertragliche Gestaltungsmöglichkeiten ▪ Vollversorgungsvertrag - All-Inclusive-Vertrag, Tarifpreise, WS 2013/14 Energiewirtschaft I frei verhandelte Preise 78 - kleinere und mittelständische Kunden - deckt Energielieferung und Netznutzung ab - klassisch bei leitungsgebundenen Energien ▪ Portfoliomanagement - optimierte Energiebeschaffung durch Produktkombination - z.B. Energiehandel an Börsen und bilaterale Verträge - eher sehr große Kunden - Netznutzungsvertrag extra - leitungsgebundene und chargenweise Energien 4 Energiepreisbildung Fakultät 4.2 Technische WS 2013/14 Bedingungen 4.2 Technische Bedingungen vonleitungsgebundener Energiewirtschaft I EnergietechnikEnergieträger Maschinenbau 79 Leitungsenergien und Übersicht a) Speicherbarkeit b) Produktionskapazität c) Betriebsbereitschaft d) Transportsysteme e) Verbundwirtschaft Bedingungen gelten für bestehendes Energiesystem. Im Zuge des 4 Energiepreisbildung Umbaus der Energieversorgung 4.2 Techn. Beding.kommt es zu leitungsgeb. Veränderungen. Energieträger a) Speicherbarkeit  mangelnde Speicherbarkeit von Strom, Öl, Gas, Fernwärme bisher wirtschaftlich relevant verfügbar: - Pumpspeicherkraftwerke - Öl- SoSe 2014 und Gasspeicher Energiewirtschaft I 63 - Heißwasserspeicher Konsequenz: weitgehende Zeitgleichheit in Erzeugung, Fortleitung und Anwendung der Energie erforderlich, insbesondere bei Strom 13  4 Energiepreisbildung Energiewirtschaft I HTWK Fakultät Leipzig, Maschinenbau und Fakultät Ingenieurwissenschaften 4.2 Techn. Bedingungen leitungsgeb. Energieträger Energietechnik ____________________________________________________________________________________ a) Speicherbarkeit Stand der Technik: - Speicherung von Stromüberschuss in Pumpspeicherkraftwerken derzeit einzige großtechnische Alternative - Ausbau aus geologischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gründen begrenzt – insbesondere in D künftig: 4 Umstellung Im Zuge der Energiepreisbildung auf regenerative Energien wirdMaschinenbau anFakultät und weiteren Speicheroptionen – insbesondere für Strom – gearbeitet, 4.2 Technische Bedingungen von Leitungsenergien Energietechnik z.B. … a) Speicherbarkeit Speicheroptionen für die Zukunft: WS 2018/19 Energiewirtschaft I 57 Wasserstoff- speicher Schwungrad- Biogasspeicher speicher Batteriespeicher Druckluft- Autoflotte als speicher 4 Energiepreisbildung Stromspeicher 4.2 Techn. Beding. leitungsgeb. Energieträger Einordnung WS 2013/14 von Speichersystemen a) Speicherbarkeit Energiewirtschaft I Einordnung von Speichersystemen: 83 Fakultät Maschinenbau und Energietechnik SoSe 2024 Energiewirtschaft I 62 b) Produktionskapazitäten  Auslegung von Produktionskapazitäten muss nach Maximalbelastung des Jahres erfolgen Schwierigkeit: ausgeprägte jahres- und tageszeitliche Schwankungen der Nachfrage Darstellung in sog. Lastganglinien WS 2013/14 Energiewirtschaft I 84 14  Fakultät Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Maschinenbau und Fakultät Ingenieurwissenschaften Energietechnik ____________________________________________________________________________________ b) Produktionskapazitäten Belastungsschwankungen verursacht von z.B.: - zeitpunktorientiertem Bedarf nach Licht (Lichtspitzen) - zeitpunktorientiertem Bedarf nach Raumwärme (Winterspitzen) - Lebensgewohnheiten (Früh- und Abendspitze) - Arbeitszeitregelungen und Produktionsrhythmus (geringe Nacht- und Wochenendbelastung) Folge derzeit: → geringe Auslastung von Produktionskapazitäten zu bestimmten Tageszeiten künftig: → ggf. Veränderungen durch Eigenerzeugung, z.B. privateFakultät PV- Stromanlage, solare Wärmebereitstellung Maschinenbau und Energietechnik WS 2013/14 Energiewirtschaft I 85 c) Betriebsbereitschaft  Erfordernis ständiger Betriebsbereitschaft, d.h. lückenlos vom 01.01. 0:00 h bis 31.12. 24:00 h derzeit: - Energieanwender bestimmt Lastgang → jeder Abnehmer kann zu jedem Zeitpunkt Elektroenergie, Gas und Heißwasser – Industrie: auch Dampf – beziehen - dadurch ökonomische Probleme und Nachteile für Energie- versorgungsunternehmen (EVU): → Leerlaufbedarf konstant → Lohnkosten konstant Fakultät → Lastfolgeregelung erhöht spezifischen Brennstoffverbrauch Maschinenbau und Energietechnik → zu Schwachlastzeiten oft Grundlastkraftwerke in Teillast c) Betriebsbereitschaft WS 2013/14 Energiewirtschaft I 86 künftig: - freie Wahl des Energieabnehmers wird ggf. beeinflusst - Demand Side Management (DSM) - Ziel: Glättung von Verbrauchsspitzen (Peakshaving) - Einsatz intelligenter Zähler (Smart Metering) Smart Meter → geben dem Stromabnehmer an, wann Elektroenergie günstig ist bzw. steuern direkt Haushaltsgeräte an → zählen Strom in zwei Richtungen, wenn Kunde gleichzeitig Fakultät Maschinenbau und Energieerzeuger ist (z.B. PV-Anlage) Energietechnik d) Transportsysteme WS 2013/14 Energiewirtschaft I 87  Notwendigkeit eines Transportsystems Merkmale: - Stromleitungen, Gas-Pipelines, FW-Rohrleitungen - Auslegung der Transportkapazität nach Jahresmaximalleistung - langfristige Kapazitätsplanung erforderlich - erforderliche Zeitgleichheit von Erzeugung, Fortleitung und Anwendung schafft starke Einschränkungen in der Flexibilität - kostenintensiv wg. hohem Automatisierungsgrad - aus ökonomischer Sicht maximale Auslastung von Transport- systemen angestrebt, z.B. durch Leistungsbezug außerhalb von Spitzenzeiten WS 2013/14 Energiewirtschaft I 15 88  4 Energiepreisbildung Energiewirtschaft I 4.2 Techn. Beding. leitungsgeb. Energieträger HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ d) Transportsysteme derzeit: - Elektrizität: Ausrichtung auf Versorgung durch zentrale Großkraftwerke - Gas: Belieferung durch Partner, z.B. […] künftig: - Elektrizität: dezentrale Strukturen mit vielen Anlagen, Netzausbau, ggf. Temperatur- management, HGÜ (Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung), Smart Grids (intelligente Netze) - Gas: auch inländische Produktion und Einspeisung von4 Biomethan, Gasnetze als Energiepreisbildung Energiespeicher (Power-to-Gas) 4.2 Techn. Beding. leitungsgeb. Energieträger SoSe 2023 Energiewirtschaft I 66 e) Verbundwirtschaft  Produktgleichheit von Strom bzw. Erdgas ermöglicht nationale und internationale Verbundnetze  erhebliche ökonomische Vorteile für Verbundnetze Elektrizität: - in D vier Regelzonen - in Europa UCTE = Union für die Koordinierung des Transports elektrischer Energie - seit 01.01.2009 Zusammenschluss von UCTE und vier weiteren Verbundnetzen zur ENTSO-E = European Network of Transmission System Operators for Electricity Fakultät Erdgas: Maschinenbau und Energietechnik in D seit 01.10.2021 noch 1 Marktgebiet e) Verbundwirtschaft SoSe 2024 Energiewirtschaft I 69 Elektrizität: Verbundsysteme in D und Europa www.udo-leuschner.de/energie-chronik WS 2013/14 Energiewirtschaft I 91 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas 16 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Marktakteure Energieversorgungsunternehmen (EVU) Verbundunternehmen regionale Versorger örtliche Versorger (z.B. Stadtwerke) ab 100.000 Kunden => Grundversorger Netzbetreiber Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) 4 Energiepreisbildung Verteilnetzbetreiber (VNB) 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Preisbestandteile Beschaffung (Erzeugung1), Einkauf), Vertrieb, Marge 2024/25 WS Netzentgelte Energiewirtschaft I 76 Steuern und Abgaben 1) Stromgestehungskosten - Großhandelspreis auf Strommarkt ermittelt - Strommarktdesign: Grenzkostenbepreisung, Merit Order WS 2024/25 Energiewirtschaft I 77 Zur Bestimmung der Stromgestehungskosten: 17 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas WS 2024/25 4 Energiepreisbildung Energiewirtschaft I 80 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Bilanzierung einer Verbrauchsstelle SLP (Standard-Last-Profil) RLM (Registrierende Leistungsmessung) Verpflichtend für… Strom ab Verbrauch von 100.000 kWh/a → StromNZV Gas ab Verbrauch von 1,5 GWh/a bzw. bei Ausspeiseleistung > 500 kW → GasNZV 4 Energiepreisbildung darunter freiwillig auf Antrag, Netzbetreiber prüft 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Stromzähler analog digital WS 2024/25 Energiewirtschaft I 81 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas WS 2024/25 Energiewirtschaft I 83 Tarifpreiskomponenten Entgelt für Anschlussbereitstellung: - Grundpreis (fix) oder - Leistungspreis (leistungsabhängig) plus - Verrechnungspreis (für Mess- und Steuereinrichtungen) Vergütung für gelieferte Strom-/Gasmenge: - Arbeitspreis 18 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Tarifarten nach Struktur Eintarif:  einheitlich 24 h/ 7 d Zweitarif:  Hochtarif, Niedrigtarif Dynamischer Tarif  last- und zeitvariabel  Arbeitspreis richtet sich nach Strom- bzw. Gasmarkt  Voraussetzung: 4 Energiepreisbildung digitaler Strom- bzw. Gaszähler 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Tarifarten nach Bedarf (Bsp. Strom) Grundstrom- bzw. Haushaltsstromtarif (Ersatzversorgung)  muss Grundversorger anbieten WS 2024/25 Energiewirtschaft I 85 [Angebote der Versorger]  konventioneller Strom  grüner Strom  Regionalstrom  … Heizstromtarif  z.B. Nachtspeicherheizung Wärmepumpentarif 4 Energiepreisbildung E-Auto-Tarif 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Tarifarten WS 2024/25 nach Bedarf (Bsp. Gas) I Energiewirtschaft 86 Gas-Grundversorgung (Ersatzversorgung)  muss Grundversorger anbieten [Angebote der Versorger]  Erdgas  grünes Gas 4(z.B. Energiepreisbildung Biomethan) 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Stromtarife Tarifpreisbildung - hier: Stadtwerke Leipzig Preisblatt Ersatzversorgung Strom Preise gültig ab 1. Januar 2024 Auf Grundlage der gültigen Stromgrundversorgungsverordnung 4 Energiepreisbildung […] bieten die Leipziger 4.3 Tarifsysteme für Strom, Gas, Fernwärme Stadtwerke […] für 4 Energiepreisbildung ersatzversorgte 4.3 Tarifsysteme für Strom, Kunden Strom zu den Energiewirtschaft I Gas, Fernwärme 87 nachfolgenden allgemeinen Preisen an. […] Leipzig WS 2024/25 Stromtarife Tarifpreisbildung - hier: Stadtwerke Stromtarife Tarifpreisbildung - hier: Stadtwerke Leipzig WS 2024/25 Energiewirtschaft I 88 SoSe 2024 Energiewirtschaft I 79 SoSe 2024 Energiewirtschaft I 19 79 Energiewirtschaft I 4 Energiepreisbildung HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften 4.3 Tarifsysteme für Strom, Gas, Fernwärme ____________________________________________________________________________________ Stromtarife Tarifpreisbildung - hier: Stadtwerke Leipzig 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Mehrtarifzähler oder Zweirichtungszähler Stromtarife TarifpreisbildungEnergiewirtschaft SoSe 2024 - hier: Stadtwerke I Leipzig 80 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom, Gas, Fernwärme Stromtarife Tarifpreisbildung - hier: Stadtwerke Leipzig 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas WS 2024/25 Energiewirtschaft I 91 Gastarife - Vollversorgungsvertrag Vollversorgungsverträge sind Tarifverträge, deren Preis vor Lieferbeginn einmalig zwischen dem Versorger und dem Abnehmer fest vereinbart wird und SoSeder 2022 für die gesamte Lieferdauer konstant Energiewirtschaft I bleibt. 78 Vollversorgungsverträge werden längerfristig auf mehrere Jahre geschlossen.4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinen- und Energietechnik 4.1 Leitungsgebundene Energieträger Vollversorgungsvertrag: Gastarife - Vollversorgungsvertrag 1. Art und Umfang der Lieferung 2. Vorhalteleistung und Vertragsliefermenge WS 2024/25 Energiewirtschaft I 93 3. Lieferung durchgehend oder unterbrechbar 4. Messung und Gasübergabe WS 2009/10 Energiewirtschaft I 108 20 Energiewirtschaft I 44.3Energiepreisbildung Tarifsysteme für Strom und Gas HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ Gastarife - Vollversorgungsvertrag 5. Preisgestaltung - Grundpreis bzw. Leistungspreis - Arbeitspreis - Preisgleitklauseln a) Leistungspreis: (als Stundenleistungspreis = max. Stundenbezug im Jahr) 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom und Gas Gastarife - Vollversorgungsvertrag b) Arbeitspreis: WS 2024/25 Energiewirtschaft I 95 c) Durchschnittspreis aus Leistungspreis und Arbeitspreis: 4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinenbau und 4.3 Preisbildung für Strom, Gas und Fernwärme Energietechnik Gastarife - Vollversorgungsvertrag WS 2024/25 Energiewirtschaft I 96 c) Preisgleitklauseln: - dienen der Preisanpassung - berücksichtigt Veränderungen beim Gaslieferanten: + Investitionsstand + Lohnniveau + Heizölpreis (!) - Modus = Zeitspanne zwischen zwei Preisanpassungen, 4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinen- üblich meist 4.1 vierteljährlich Energieträger Leitungsgebundene und Energietechnik 4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinen- - Referenzzeit Gastarife = Zeitraum zur Mittelwertbildung - Vollversorgungsvertrag 4.1 Leitungsgebundene Energieträger und Energietechnik - Wartezeit Gastarife = Zeitraum zwischen Referenzzeit(ende) und - Vollversorgungsvertrag c) Preisgleitklauseln: Preisanpassung - Preisgleitklauseln: c) Aufstellung getrennt nach Leistungspreis und Arbeitspreis SoSe 2015 Energiewirtschaft I 95 - Aufstellung getrennt nach Leistungspreis und Arbeitspreis 6. Abgaben und Steuern 6. Abgaben und Preise zzgl. Steuern Mineralölsteuer, Ökosteuer, Umsatzsteuer Preise zzgl. Mineralölsteuer, Ökosteuer, Umsatzsteuer 7. Vertragslaufzeit 7. Vertragslaufzeit oft 1 oder 2 Jahre oft 1 oder 2 Jahre WS 2009/10 Energiewirtschaft I 112 WS 2009/10 Energiewirtschaft I 112 21 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung Fakultät 4.4 Tarifsysteme fürfürFernwärme 4.3 Preisbildung Maschinenbau und leitungsgebundene Energieträger Energietechnik FernwärmeGrundlagen: Gesetzliche Definition des Fernwärmebegriffs durch den Bundesgerichtshof: Wird aus einer nicht im Eigentum des Gebäudeeigentümers stehenden Heizungsanlage von einem Dritten nach unter- nehmenswirtschaftlichen Gesichtspunkten eigenständig Wärme produziert und an andere geliefert, so handelt es sich um Fernwärme. Auf die Nähe der Anlage zu dem zu versorgenden Gebäude oder das Vorhandensein eines größeren Leitungsnetzes kommt es nicht an. [Urteil vom 425. Energiepreisbildung Fakultät Oktober 1989 in NJW 1990,1181] Maschinenbau und 4.3 Preisbildung für Strom, Gas und Fernwärme Energietechnik → "Nahwärme" ist ggf. auch Fernwärme Fernwärmetarife – Gesetzliche Grundlagen -WS 2016/17 unterliegt nicht EnWG Energiewirtschaft I 98 - Grundlage ist "Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Versorgung mit Fernwärme (AVBFernwärmeV)" vom 20. Juni 1980, zuletzt geändert am 25. Juli 2013 - Verordnung enthält Bestimmungen u.a. zu: + technischen Anschlussbedingungen + Hausanschlusskosten + Preisänderungsklauseln + aber nicht: Vertragsabschlüsse mit Wärmekunden - Technische Anschlussbedingungen (TAB) des Fernwärme- Fakultät 4 Energiepreisbildung unternehmens (FWU) für leitungsgebundene Energieträger Maschinenbau 4.3 Preisbildung und Energietechnik - Wärmeliefervertrag zwischen FWU und Wärmekunde Fernwärmetarife SoSe 2015 Energiewirtschaft I 100 Tarifmodelle: Preismodelle: - Grundpreisregelung - Leistungspreisregelung* * Berechnungsgrundlage ist die Wärmeleistung. Physikalische Einstellung des erforderlichen Netzwasserstroms gegebener Vor- und Rücklauftemperaturen durch Mengenbegrenzer. 4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinenbau und 4.3 Preisbildung für leitungsgebundene Energieträger Energietechnik Fernwärmetarife Jahres-Fernwärmekosten bei Leistungspreisregelung: WS 2018/19 Energiewirtschaft I 99 Größenordnung: Anschlusswert für EFH → ca. 10 – 13 kW Jahreswärmebedarf EFH → ca. 10.000 – 15.000 kWh WS 2018/19 Energiewirtschaft I 100 22 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung Beispiel für ein 4.3 Tarifsysteme für Strom, Gas, Fernwärme FW-Preisblatt SoSe 2023 Energiewirtschaft I 104 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom, Gas, Fernwärme 4 Energiepreisbildung 4.3 Tarifsysteme für Strom, Gas, Fernwärme SoSe 2023 Energiewirtschaft I 106 Dem Wert wird die je- weils gültige Umsatz- steuer hinzugerechnet. 23 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung 4.5 Chargenweise transportierte 4.4 E-träger in Chargen: Kohle,Energieträger Heizöl, Flüssiggas Grundlegendes Beispiele: - Kohlen - Heizöl - Flüssiggas - Holzpellets - Bioabfälle (z.B. für Biogasanlagen) Merkmale: - in D kein Markt für Braunkohle - Kohlebörsen für Steinkohle (KW-Kohle) - Rohstoffbörsen für Pellets und Bioabfälle Lieferant  Kunde 4 Energiepreisbildung - häufig noch Individualverträge 4.5 E-träger in Chargen: Kohle, Heizöl, Flüssiggas SoSe 2022 Energiewirtschaft I 105 4 Energiepreisbildung Fakultät Maschinen- 4.2 Nicht-Leitungsgebundene Energieträgerund Energietechnik WS 2024/25 Energiewirtschaft I 110 Preisherkunft am Beispiel Steinkohle hier am Beispiel für Importkohle aus Kolumbien Förderkosten vor Ort (frei Grube) ca. 53 % Transport vor Ort ca. 5 % Seefracht ca. 33 % 4 Energiepreisbildung Hafenumschlag 4.4 E-träger in Chargen: Kohle, ca.Heizöl, 9 %Flüssiggas Preisberechnung für Endkunden - oft nur Mengenpreise vereinbart, die sich aber ggf. an Weltmarktpreisen orientieren, z.B. für Steinkohle ……… €/t - besser: Umrechnung von Mengenpreis [€/t] in (primär-) energie bezogenen Preis [€/kWh] WS 2009/10 Energiewirtschaft I 127 SoSe 2023 Energiewirtschaft I 111 24 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 4 Energiepreisbildung Fakultät 4.6 Preisvergleiche 4.5 Preisvergleiche Maschinenbau und Energietechnik Vorgehensweise - zur Vergleichbarkeit von Endenergieträgern (leitungs- und nicht-leitungsgebundene): → Jahresnutzungsgrad, → Nutzenergiepreis [€/kWh] - Jahresnutzungsgrade gibt es für verschiedene Endenergie- träger und deren Anwendungen, z.B. in der Heizungstechnik: 90 % bei Niedertemperatur-Ölkessel 97…99 % bei Erdgas-Brennwertkessel Fakultät Maschinenbau und 100 % bei Elektro-Direktheizung (Tagstrom) Energietechnik Beispiele Endenergieträger mit Primärenergie- Jahres- Nutzenergie- Anwendungssystem SoSe 2014 preis nutzungsgrad Energiewirtschaft I preis 115 [Ct/kWh] A [Ct/kWh] NT-Ölkessel 10 0,90 11,1 Erdgas-Brennwertkessel 10 0,98 10,2 Elektro-Direktheizung 28 1,00 28,0 4 Energiepreisbildung (Tagstrom) 4.6 Preisvergleiche Netzparität (Grid Parity) SoSe 2014 Energiewirtschaft I 116 /Quelle: Fraunhofer ISE, Aktuelle Fakten zur PV in D, 05.09.2024/ WS 2024/25 Energiewirtschaft I 115 25 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 5 Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiesystemen 1 Einführung Fakultät 5.1 Grundlagen 1.2 Investitionsrechenverfahren Maschinenbau und Energietechnik Zielstellung Variantenvergleich Ermittlung Vorzugsvariante Unterscheidung5 von Wahlproblem und Wirtschaftlichkeitsanalyse vonErsatzproblem Energiesystemen 5.1 Grundlagen Finanzmathematische Grundlagen ▪ Zahlenreihen ▪ kalkulatorischer Zinssatz ▪ Aufzinsen, Abzinsen Wegen der Verzinsung des Kapitals erfolgt die Festlegung eines Bezugszeitpunktes für Zahlungen. - Aufzinsen (Akkumulieren, Compounding) → Bezugszeitpunkt am Anfang des Nutzungszeitraumes - Abzinsen (Diskontieren, WS 2016/17 Discounting) Energiewirtschaft II 15 5 Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiesystemen → Bezugszeitpunkt am Ende des Nutzungszeitraumes 5.1 Grundlagen Grundsätzliche Einteilung der Verfahren (a) statisch keine Diskontierung von WS 2024/25 Zahlungen Energiewirtschaft I 117 Durchschnittswerte für Nutzungszeitraum Anwendung auf "kleine" Projekte (Maßnahmen) (b) dynamisch Diskontierung von Zahlungen Einzelbetrachtung der Perioden im Nutzungszeitraum vorzugsweise Anwendung bei Energieprojekten 5 Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiesystemen 5.2 Statische Verfahren 5.2 Statische Verfahren Übersicht - Kostenvergleichsrechnung → Basisverfahren, SoSe 2020 nur Ausgabenseite Energiewirtschaft I 115 - Gewinnvergleichsrechnung → Einbeziehung von Erlösen - Rentabilitätsrechnung → Bezugnahme auf Kapitaleinsatz - Amortisationsrechnung → Rückflussdauer 5 Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiesystemen 5.3 Dynamische Verfahren 5.3 Dynamische Verfahren Übersicht - Kapitalwertmethode → berechnet Nettoüberschuss einer Investition Grundlage aller dynamischen Energiewirtschaft I 116 SoSe 2020 Verfahren - Interne Zinsfußmethode → berechnet Effektivverzinsung bzw. interne Rendite einer Investition Sonderfall der Kapitalwertmethode - Annuitätenmethode → Umrechnung des Kapitalwertes in gleiche Jahresbeträge (Annuitäten) vgl. VDI-RL 2067, 6025 26 SoSe 2020 Energiewirtschaft I 117 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 6 Energiewirtschaftliche Optimierung 6 Energiewirtschaftliche Optimierung Fakultät Maschinen- und Energietechnik 6.1 Grundlagen 6.1 Grundlagen Energiewirtschaftliche Zielstellungen: → Gewinne bzw. Erträge erhöhen  → Aufwendungen bzw. Kosten senken  Aufgabenstellung z.B.: → Steigerung Wirkungsgrade  6 Energiewirtschaftliche Optimierung Fakultät = Minimierung Verluste  Maschinenbau und 6.1 Grundlagen Energietechnik Beispiel: In Kraftwerkstechnik durch Einsatz neuer Werkstoffe el. Wirkungsgrad steigern. positiv: ▪ weniger Brennstoffverbrauch = Stromgestehungskosten  ▪ Ressourcenschonung, Klimaschutz Energiewirtschaft I etc. 154 WS 2010/11 andererseits: ▪ Einsatz höherwertiger Materialien → Investitionskosten  ▪ Betrieb könnte bei höheren Temperaturen anfälliger sein Fazit: 6 Energiewirtschaftliche Energiewirtschaftliche Optimierung Optimierung 6 Fakultät Maschinen- Fakultät Maschinen- → konkurrierende 6.1 Grundlagen 6.1 Grundlagen und Energietechnik Anforderungen = Optimierungsproblem und Energietechnik weitere Aufgabenstellungen weitere Aufgabenstellungen → Auslegung von Anlagenkomponenten Energiewirtschaft I 134 SoSe 2015 z.B. Bestimmung eines optimalen Rohrdurchmessers → Auslegung von Energiesystemen mit verschiedenen Erzeugertypen 6 Energiewirtschaftliche Optimierung Fakultät Maschinen- z.B. Bestimmung eines optimalen Spitzenlastanteilesund Energietechnik 6.1 Grundlagen Überbegriff für Entscheidungsfindung: Operationsforschung (Operations Research) Vorgehensweise: → Definition 6 einer Zielfunktion Z (x) Optimierung Energiewirtschaftliche Fakultät Maschinen- und Energietechnik → hier: Findung 6.1 Grundlagen des Kurvenminimums (= gesuchtes Optimum) WS 2010/11 Energiewirtschaft I 156 Optimierungsverfahren: Verfahren Problemtyp Beispiel Einfache Differentiation einfache Optimierung zwischen (1. Ableitung bilden, kontinuierliche Investitionskosten und Extrempunkt- Probleme mit Betriebskosten bei einem bestimmung) konvexer Zielfunktion technischen Parameter Lineare Optimierung lineare Probleme Optimierung von (Simplex-Verfahren) Maschineneinsatzzeiten in der Produktion Newton-Verfahren WS 2010/11 aufwendigere EnergiewirtschaftOptimierung I zwischen 157 (numerisch) kontinuierliche Investitionskosten und Probleme mit Betriebskosten bei mehreren konvexer Zielfunktion technischen Parametern dynamische diskrete Probleme Optimierung von Kosten bei zeitlich Optimierung (ganzzahlig) veränderlichen Bedingungen (Einteilung der Zeitachse in Abschnitte = Diskretisierung) WS 2010/11 Energiewirtschaft I 158 27 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ 6.2 Ganglinien von Energiesystemen Zielstellung - Ganglinien bzw. Dauerlinien dienen der Einsatzplanung/ Re- gelung bzw. Auslegung von Energieversorgungssystemen - Der Energiebedarf eines Systems – z.B. Wärmebedarf einer Wohnsiedlung – ist von folgenden Größen abhängig: → Werktag bzw. Sonn- und Feiertag → Wetter, Wind, Regen → Jahreszeit, Lichtverhältnisse, Außentemperatur - Darstellung des Energiebedarfs erfolgt als zeitlicher Verlauf: Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresganglinien. - Unterscheidung zwischen ungeordneten und geordneten Ganglinien. Ungeordnete Ganglinie Ungeordnete Tagesganglinien sind zur Einsatzplanung und Rege- lung von Energieumwandlungsanlagen erforderlich. Beispiel: Geordnete Ganglinie Geordnete Jahrgangslinien dienen zur Auslegung und Wirtschaft- lichkeitsanalyse eines Energieumwandlungssystems. Beispiel: Parameter zur Auslegung eines EV-Systems Maximale Leistung Q̇ max bzw. Pmax zur Auslegung von Produktionskapazitäten (z.B. max. Energiebe- darf, Auslegungstemperatur) Mittlere Leistung Q̇ m bzw. Pm Maß für die Auslastung einer Energieerzeugungsanlage, anderer Parameter ist die Volllaststundenzahl tV 28 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ Erforderliche Minimalleistung Q̇ min bzw. Pmin wichtig für Abschaltung von Energieerzeugungsanlagen bzw. Komponenten wie Kesseln, Turbinen etc. Normierte Darstellung - Bezug einer Einzelleistung auf die Gesamtleistung - Bezug eines Teilzeitraumes auf die Gesamtnutzungsstunden Ermittlung geordneter Jahresganglinien (a) Aufzeichnungen vor Ort - Ausgangslage ist vorhandene ungeordnete Jahresganglinie - daraus graphische Entwicklung einer geordneten Jahresgangli- nie (b) Mathematische Ansätze - Bei mangelnder Datenlage können Jahresganglinien durch ma- thematische Ansätze beschrieben werden (z.B. nach Sochin- sky, Rossander, Haerlin, Wolf und Junge1) - Hierbei handelt es sich um mathematische Funktionen, die eine Jahresganglinie möglichst realitätsnah abbilden sollen. - Eine zu erbringende Leistung wird als Funktion der Zeit sowie kennzeichnender Parameter angegeben: P(t) = f ( t, tB, Pmax, Pmin) - Aus den kennzeichnenden Parametern werden weitere charak- teristische Größen formuliert: m0 = Ungleichförmigkeitsgrad/Lastverhältnis 5 Wirtschaftlichkeitsanalyse von ES m = Belastungsfaktor Fakultät Maschinen- und Energietechnik 5.3 Energiewirtschaftliche Optimierung Jahrgangslinie: P [kW] Mathematische Ansätze Erfahrungsgemäß Pmax besteht ein linearer Zusammenhang zwischen einer Jahresdauerlinie der Außentemperatur und dem Heizbedarf. Pmin WS 2009/10 Energiewirtschaft I 170 6.3 Spitzenlastberechnung für Energieumwandlungs- anlagen Grundlagen - bei Auslegung von Energieumwandlungsanlagen häufig zwi- schen Grundlast und Spitzenlast unterschieden - Bestimmung der jeweiligen Anteile ist Optimierungsaufgabe - bei BHKW häufig erdgasbasierter Spitzenlastkessel eingesetzt - Kosten- und Einnahmebetrachtung in Anlehnung an VDI 2067 1 Wolf, M.: Enzyklopädie der Energiewirtschaft (1959) 29 Energiewirtschaft I HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften ____________________________________________________________________________________ Herleitung der mathematischen Formeln - Integration der Spitzenlastfläche - Kosten-Einnahme-Betrachtung - Bestimmung der minimalen Kosten für opt. Spitzenlastanteil sopt - Definition der Kostenanteile in der Praxis Beispielrechnung: kG = spezifische Investitionskosten, Grundlasteinheit (BHKW): 550 €/kW th kS = spezifische Investitionskosten, Spitzenlasteinheit (Kessel): 55 €/kW th G = Jahresnutzungsgrad der Grundlasteinheit (Wärme): 0,45 S = Jahresnutzungsgrad der Spitzenlasteinheit (Wärme): 0,9 a = Annuitätenfaktor: 0,1  = Stromkennzahl: 1,0 Hi = Heizwert Brennstoff: 8,05 kWh/m³ pB = Kosten Brennstoff: 5,0 Ct/m³ pel = Elektroeinnahmen (hier: 5,0 Ct./kWh) m0 = 0,15 tB = 5.760 h/a 30