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#Fragenkatalog

Teil 1 (Jungbluth)

Ursachen Flexibilitätsbedarf

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/00 Ursachen Flexibilitätsbedarf/Fragen aus Vorlesung.md).

Warum und wozu braucht man Flexibilität im Energiesystem? (Strom, Erdgas, Fernwärme)

Der physische Flexibilitätsbedarf resultiert aus der zeitlich schwankenden Nachfrage nach Strom und Wärme und daraus Erdgas

Stromsystem Das System muss in der Lage sein, die schwankende Nachfrage bedienen zu können.

Netzseitig:

  • Keine direkte Speicherfähigkeit von Strom im Netz
  • Deshalb: Erzeugung und Verbrauch müssen im Netz jederzeit ausgeglichen sein! Sonst würde sich die Netzfrequenz ändern.

Nachfrageseitig:

  • zeitlich schwankende Nachfrage
    • geringe Saisonalität
    • Wochenzyklus
    • tageszeitlich zyklisch
    • signifikante kurzfristige Schwankungen
  • Prognoseunsicherheit der Nachfrage

Angebotsseitig:

  • Wenig flexibles Angebot erneuerbarer Energien (EE)
  • Prognoseunsicherheit bei Angebot EE
  • wenig flexible Grundlasterzeugung

Erdgassystem Gasspeicher und die Speicherfähigkeit des Netzes decken den physischen Flexibilitätsbedarf. Saisonal zyklisch (temperaturbedingt), mehrtägiger stochastischer Trend Erdgasspeicher stellen die Flexibilität dar.

Netzseitig:

  • Signifikante Speicherfähigkeit des Netzes durch Druck- und damit Massenänderung im Transportnetz zur Reaktion auf kurzfristige Nachfrageänderung

Nachfrageseitig:

  • Temperaturabhängige schwankende Nachfrage
  • Flexible Großverbraucher (Gas KW)

Angebotsseitig:

  • Große Speicherkapazität (ca. 30% des Jahresbedarfs an Erdgas)
  • Gewisse Flexibilität in Quellen und Importen

Fernwärmesystem

Netzseitig:

  • Geringe Speicherfähigkeit des Netzes

Nachfrageseitig:

  • Trägheit der kurzfristigen Wärmenachfrage aufgrund der immanenten Wärmespeicherung in den Gebäudemassen + lokale Warmwasserspeicher

  • gewisse Entkopplung von untertägiger Erzeugung und Bedarf

Angebotsseitig:

  • Täglich bis saisonale Flexibilitätsbereitstellung i. d. R. durch (mehrere) Wärmeerzeuger mit flexibler Wärmeleistung und zeitlich variablem Betrieb.
Was ist das Kennzeichen flexibler Enegiesysteme?

Antwort steht noch aus...

Woraus resultiert der physische Flexibilitätsbedarf ursächlich?

Leitaussagen: Flexibilitätsbedarf und Flexibilitätsbereitstellung

  • Das Bedürfnis nach aktivem Management von Energiesystemen resultiert aus der zeitlichen Veränderlichkeit der Einflussgrößen (Input, Output, Parameter)
  • Aktives Management bedeutet die Nutzung von im System immanenter Flexibilität, Steuerbarkeit
  • Der physische Flexibilitätsbedarf resultiert ursächlich aus der zeitlich schwankenden Nachfrage nach Strom und Wärme und daraus Erdgas
  • Ursachen des Flexibilitätsbedarfs im Stromnetz sind die zeitlich schwankende Nachfrage, deren Prognoseunsicherheit, die dargebotsabhängige Erzeugung (aus EE), deren Prognoseunsicherheit und wenig flexible Grundlasterzeugung
  • Flexibilitätsbereitstellung (Strom und Erdgas) geschieht durch Handelsmärkte, Regelenergiebereitstellung und Netzmaßnahmen
  • Physisch geschieht die Flexibilitätsbereitstellung über flexible Erzeuger, Nachfrageflexibilität und Speicher (Erdgas: auch Netzpuffer als Speicher; Fernwärme: auch Gebäude als Speicher)
  • Subsystem Erdgas: v.a. Gasspeicher und die Speicherfähigkeit des Netzes decken den physischen Flexibilitätsbedarf
Welche Faktoren beeinflussen den pyhsischen Flexibilitätsbedarf?

Leitaussagen: Flexibilitätsbereitstellung über Netzmaßnahmen

  • Der Einsatz von Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen im Stromsystem hat ein signifikantes Ausmaß erreicht von etwa 4% der Energie der Nettostromerzeugung und etwa 8% des Marktwerts der Nettostromerzeugung
  • Instrumente für die Flexibilitätsbereitstellung über Netzmaßnahmen sind Einspeisemanagement, Redispatch, Netzreservekraftwerke und sonstige Anpassungsmaßnahmen
  • Durch Einspeisemanagement werden ganz überwiegend Windkraftanlagen in ihrer Erzeugung abgeregelt
Sind flexible Energiesysteme (Anlagen; z.B. Gasspeicher, Pumpspeicher-Kraftwerke, Erdgas-GuD-Kraftwerke, Gasturbinenkraftwerke) im liberalisierten Energiemarkt wertvoller als inflexible Energiesysteme (z.B. Windkraftanlagen, Atomkraftwerke)?

Ja (siehe Vorlesung 1 ab Folie 26)

Wenn ja, aus welchem Grund ist das so bzw. wodurch können flexible Energiesysteme Wert (= Gewinn) generieren?
  • Man kann auf Preisschwankungen reagieren.
  • Zeitlich variable Marktpreise sind der wesentliche Werttreiber für die Vermarktung marktdienlicher Flexibilität. Je höher der Clean Spread desto wirtschaftlicher die Produktion.
  • Die variablen Marktpreise entstehen aus Angebot und Nachfrage (Preisbildung am Strommarkt, maried order) Mehr Erzeugung aus EE, sorgt für günstigeren Endpreis.
  • Netz: Maßgeblicher Werttreiber für netzdienliches Verhalten (von Netznutzern) ist die Verringerung der zu zahlenden Netzentgelte.
  • Für die Industrie: Kosteneinsparung durch Reduzierung der Jahreshöchstlast (peak-Shaving) um teurere Stunden zu reduzieren.
  • Netz: Die Ausschreibung von Regelenergie ist der Werttreiber für systemdienliches Verhalten.

Fragen aus der Datei [GEK Fragen](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/00 Ursachen Flexibilitätsbedarf/GEK Fragen.md).

Worauf resultiert der Flexibilitätsbedarf?
  • Nachfrage nach Strom und Wärme ist schwankend (saisonal, tageszeitlich + stochastisch)
  • Stromnetz hat kaum direkte Speicherfähigkeit, sodass Erzeugung + Verbrauch immer ausgeglichen sein müssen
  • Prognoseunsicherheit im Angebot EE
  • Großkraftwerke sind oft wenig flexibel
Wofür wird Flexibilität genutzt?
  • Marktdienlich: Flexibilität für Herstellung des Gleichgewichtes von Angebot + Nachfrage 
  • Systemdienlich: Flexibilität für konstante Haltung der Netzfrequenz bzw. Netzdrucks  Garantie der Versorgungssicherheit
  • Netzdienlich: Flexibilität zur Minimierung von Netzengpässen
Was sind die Werttreiber von Flexibilität?
  • Marktdienlich: zeitlich variable Marktpreise
  • Systemdienlich: Ausschreibung von Regelenergie
  • Netzdienlich: Ausschreibung von Regelenergie
Wodurch kann Flexibilität bereitgestellt werden?
  • Redispatch: Reduzierung der Stromeinspeisung und gleichzeitige Erhöhung anderswo unter Kostenerstattung
  • Netzreservekraftwerke
  • Einspeisemanagement: Abregelung von EE-Anlagen unter Entschädigung
  • Flexumer: Endkunden im Energiesystem, die Flexibilität fürs System bereitstellen können (z.B. E-Auto-Ladestation, PV-Batterie)
Wie wird Flexibilität im Gasnetz bereitgestellt?
  • Flexibilität im Gasnetz wird gedeckt durch tolerable Druckänderungen im Gasnetz, große Erdgasspeicher und eine gewisse Flexibilität bei Importen
Welches sind die Akteure im Energiemarkt, welche Ziele haben sie und wie ist deren Kostenfunktion aufgebaut?
  • Versorger
    • Ziel: Minimierung der Versorgungskosten
    • {Endkunden und Unternehmen, die Kunden direkt beliefern (z.B. Fernwärmeanbieter)
    • Kosten setzen sich zusammen aus Arbeitspreis und Leistungspreis, durch Flexibilität kann v.a. die Maximalleistung reduziert werden Peak Shaving
  • Vermarkter
    • Ziel: Gewinnmaximierung
    • Betreiber von Kraftwerken und großen Energiespeichern
    • Gewinn ergibt sich aus dem Verkaufs-Arbeitspreis, Kosten sind Brennstoff, Emissionszertifikate, Startkosten sowie Betriebs- und Fixkosten
    • Deckungsbeitrag: Gewinn - variable Kosten
    • clean spread: Deckungsbeitrag/elektrische Arbeit W_el cs = DB/W_el = Verkaufspreis – 1/η_el Brennstoffpreis – ξ/η_el CO2Preis
    • Vermarktungsentscheidung berücksichtigt nur die variablen Kosten, nicht die Fixkosten (das sind dann versunkene Kosten)
    • Grenzkosten sind die Kosten, die nächste kWh zu produzieren. Die Grenzkostenfunktion ist daher die Ableitung der variablen Kosten nach der Arbeit: GK = dV ariableKosten / dW_el. Der Verlauf der Grenzkosten ist reziprok zum Verlauf des Wirkungsgrades
    • Für die Frage der Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerks sind aber auch die Fixkosten (Anlagekomponenten, Bau, Rückbau, Personal) relevant
Welche Parameter beeinflussen die Entscheidung zum Speichereinsatz?
  • Technische: Kapazität, Wirkungsgrad, Selbstentladung, Ein- + Ausspeiseleistung, Umschaltzeit zwischen Ein- + Ausspeicherung
  • Ökonomisch: Investitionskosten, Ein- + Ausspeicherkosten, sonstige Betriebskosten
Welche Parameter beeinflussen den Einsatz eines Kraftwerks?
  • Technisch: Nennleistung, Mindestleistung, Wirkungsgrad, Lastgradient, Mindeststillstands-/-betriebszeit, Anfahrzeit
  • Ökonomische: Strom-/Wärmeerlöse, Brennstoffkosten, Emissionskosten, sonstige variable Kosten (Hilfsstoffe, Entsorgung, Betriebskosten), Startkosten, Investitions- + Rückbaukosten

Werttreiber Flexibilitätsbedarf

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/01 Werttreiber Flexibilitätsbedarf/Fragen aus Vorlesung.md).

Was sind Werttreiber?

Leitaussagen: Werttreiber

  • Zeitlich variable Marktpreise sind der wesentliche Werttreiber für die Vermarktung marktdienlicher Flexibilität (über die Handelsmärkte)
  • Der Handelsmarkt übersetzt die physische Situation von Bedarf und Erzeugung in Preise
  • Maßgeblicher Werttreiber für netzdienliches Verhalten (von Netznutzern) ist die Verringerung der zu zahlenden Netzentgelte
  • Die Netzentgeltsystematik ist z. Zt. noch zeitlich invariabel und bietet nur wenige Möglichkeiten der Flexibilitätsnutzung (v.a. Reduktion des Leistungsentgelts durch Reduktion der bezogenen Jahreshöchstlast)
  • Die Ausschreibung von Regelenergie ist der Werttreiber für systemdienliche Flexibilitätsbereitstellung
Wie ist das ökonomische Kalkül von Versorgern vs. Vermarktern?
  • Flexible Energiesysteme werden durch Erzeugungs-, Speicher- und Verbrauchsanlagen realisiert, in Strom-, Erdgas- und Fernwärmesystemen.
  • „Flexumer“ sind Endkunden im Energiesystem, welche Flexibilität für das System bereitstellen können
  • Es gibt prinzipiell zwei Perspektiven der Bewirtschaftung/ Management flexibler Energiesysteme: „Versorger“ vs. „Vermarkter“
  • „Versorger“ sind v.a. Endkunden, aber auch Unternehmen, die diese Kunden direkt beliefern. Sie exekutieren eine Versorgungsaufgabe. Ihr (ökonomisches) Ziel ist die Minimierung der Kosten der Versorgung.
  • „Vermarkter“ sind freie Akteure am Energiemarkt, wie Kraftwerke und Speicher. Sie exekutieren keine Versorgungsaufgabe. Ihr (ökonomisches) Ziel ist die Maximierung des Gewinns aus dem Anlagenbetrieb.
Welche Parameter braucht man für das Management und die Abbildung von Speichern bzw. Kraftwerken?

Zum Management von Speichern (generell) und Kraftwerken sind viele technische und ökonomische Parameter notwendig:

  • Leistungs-, Energie-, Wirkungsgrad-, (Laständerungs-,) Zeit- und Kostenparameter sowie Erlösparameter.

Funktionsweise und Komponenten

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/02 Funktionsweise und Komponenten/Fragen aus Vorlesung.md).

Wie funktioniert ein Dampfkraftwerk?

In einem Dampfkraftwerk laufen folgende drei Schritte ab:

  • 1–2: Verdichtung in der flüssigen Phase durch die Speisewasserpumpe; hierbei wird mechanische Arbeit zugeführt
  • 2–3: Wärmezufuhr im Dampferzeuger und Überhitzer
  • 3–4: Expansion in der Turbine; hierbei wird mechanische Arbeit abgeführt
  • 4–1: Wärmeabfuhr und Kondensation im Kondensator
Welche Hauptkomponenten hat ein Dampfkraftwerk?
  • Speisewasserpumpe
  • Verdampfer (Kessel)
  • Generator
  • Kondensator
Wo ist das „Gaspedal“ im Dampfkraftwerk? Wie könnte die Leistung eines Dampfkraftwerks geregelt werden? (Überlegen Sie dazu, welche Parameter die Turbinenleistung beeinflussen. Denken Sie ggf. an das h-s-Diagramm.)
Wie funktioniert ein Gasturbinenkraftwerk? Aus welchen 3 Schritten besteht er?

Der Gasturbinen(kreis)prozess besteht aus Verdichtung des Arbeitsmediums Luft, Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs und Entspannen mittels Turbine (Details Vorlesung 4 Folie 38 )

  • 1–2: Ein Verdichter bringt die Luft auf hohen Druck
  • 2–3: Brennstoff (Gas, Heizöl) wird der komprimierten Luft in der Brennkammer zugeführt und entzündet, die Verbrennungswärme dem Gemisch zugeführt
  • 3–4: das heiße, unter hohem Druck stehende Rauchgas treibt eine Turbine an (wird in einer Turbine entspannt). Hierbei wird mechanische Arbeit abgeführt, die Turbine treibt damit den Generator zur Stromerzeugung sowie den Verdichter
Welche Thermodynamische Prozesse laufen in welchen Komponenten das Gasturbinenkraftwerks ab?

Ist das die richtige Antwort? Der idealisierte Gasturbinenprozess (Joule-Prozess kann in p-v, T-s und h-s-Diagrammen anschaulich dargestellt werden:

  • Isentrope Verdichtung durch den Verdichter
  • Isobare Wärmezufuhr (Verbrennung) in der Brennkammer
  • Isentrope Expansion in der Turbine
  • Isobare Wärmeabgabe an die Umgebung.
Wie unterscheidet es sich von einem Dampfturbinenkraftwerk?

Gasturbinenkraftwerke haben weder einen Wasser-/Dampf-Kreislauf, noch einen Kühlkreislauf. Sie benötigen kein Kühlwasser, sondern (nur) einen ausreichenden Erdgasanschluss. Im Vergleich zu Dampfkraftwerken sind sie im Bau wesentlich kostengünstiger und wesentlich kompakter zu bauen. Allerdings sind Brennstoffkosten, Verschleiß und Wartungskosten i.d.R. höher und die Lebensdauer geringer. Zwei Bauformen: Aeroderivative und sog. Heavy-Duty-GT (Industriegasturbinen)

Wie wird die Leistung geregelt im DT-KW?

Die (Turbinen-)Leistung errechnet sich s.o. aus 𝑃𝑇 = 𝜂𝑇 𝑚ሶ Δℎ , mit 𝑚 : Massenstrom , Δℎ : Enthalpiedifferenz (𝑤𝑎𝑏), f{p,T,v} • Regelung der Turbinenleistung über Regelung des Massenstroms (und/ oder der Enthalpiedifferenz) möglich Der Massenstrom ist vereinfacht proportional zu Druck p und Rohrquerschnitt A vor der Turbine: 𝑚 ∼ 𝑝 𝐴 Die Parameter Druck und Temperatur werden durch die zwei unabhängigen variablen Speisung und Feuerung eingestellt. Durch die Speisewasserpumpen wird der Druck geregelt. Durch die Feuerung wird die sich in Verbindung mit dem Dampfmassenstrom einstellende Temperatur geregelt. Weiter gleicht die Regelung die externen Störgrößen wie zum Beispiel Brennstoffeigenschaften, schwankende Rauchgas- und Speisewassertemperatur aus.

Wie wird die Leistung geregelt im GT-KW?

Fragen aus der Datei [GEK Fragen](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/02 Funktionsweise und Komponenten/GEK Fragen.md).

Was ist ein Schwarzstart?

Start des Kraftwerks ohne Energie aus Stromnetz. (z.B. Blackout)

Welche Kraftwerke sind schwarzstartfähig?
  • Wasserkraftwerke
  • Gaskraftwerke (mit Batteriespeicher oder Diesel-Generator)
  • Druckluftspeicherkraftwerke

Nicht schwarzstartfähig sind:

  • thermische Kraftwerke (Atom, Kohle)
Beschreibe die Stationen des Dampfkraftkreislaufs und nenne den zugehörigen thermodynamischen Prozess
  1. Speisewasserpumpe und Preheater komprimieren das Wasser und heizen es vor → Isentrope Verdichtung
  2. Im Dampferzeuger wird das Wasser mit Hilfe von Wärme aus dem Brennstoff verdampft. Der Überhitzer erhitzt den Dampf noch weiter → isobare Wärmezufuhr
  3. In der Turbine wird mechanische Arbeit abgeführt, Druck und Temperatur des Dampfes ver- ringern sich → Isentrope Expansion
  4. Im Kondensator wird der Dampf wieder verflüssigt, Restwärme wird in einem armen benach- barten Fluss geleitet → Isobare Wärmeabfuhr
  5. Das Rauchgas wird ”gereinigt” und das ”Reingas” über einen Kühlturm abgeleitet
Wie kann der Prozesswirkungsgrad im Dampfkraftwerk erhöht werden:
  • Erhöhung von Dampfdruck und -temperatur
  • oder Reduzierung von Kondensatordruck und -temperatur.
Welche Faktoren gehen in die Berechnung des Netto Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks ein (Nenne mindestens 3):
  • Prozesswirkungsgrad (51%)
  • Dampferzeugungswirkungsgrad
  • Turbinenwirkungsgrad
  • Generatorwirkungsgrad
  • elektrischer Eigenbedarf (Speisewasserpumpe, Rauchgasreinigung, Kesselanlage)
Wie kann die Turbinenleistung in einem Dampfkraftwerk geregelt werden?
  • durch Regelung des Drucks (via Speisewasserpumpe oder Feuerung)
  • Veränderung des Rohrquerschnitts vor der Turbine über ein Regelventil → Wirkungsgrad sinkt in Teillast
  • Anwinkelung der Rotorblätter
Wie flexibel sind Dampfturbinenkraftwerke? Konkret: können sie schnell geregelt werden oder sind sie eher träge? Gib Gründe dafür an.

Sie sind träge weil:

  • die Brennkammer muss beim Start erst aufgeheizt werden um die Zündtemperatur zu erreichen
  • Der Dampfkreislauf muss die nötige Temperatur erreichen, nasser Dampf würde die Turbine beschädigen und wird daher zunächst direkt in den Kondensator geleitet
  • Minimale Teillast ist begrenzt durch die Größe des Feuerraums (der eine Mindestfeuerungs- leistung benötigt zur Wärmeübertragung) und einem mindestens notwendigen Massenstrom zur Kühlung der Verdampferrohre
  • Leistungsgradient ist begrenzt durch die thermischen Spannungen, die die verwendeten Werk- stoffe in Turbine und Kessel aushalten
Welche Prozesse gibt es für die Wärmekopplung aus Dampfkraftwerken
  • Gegendruckprozess: Entspannung im Kondensator nicht auf sehr kleine Drück, sondern bis Fernwärmetemperatur erreicht ist (circa 3-4- bar)
  • Entnahme-Kondensationsprozess: Teil des Damp-Massenstroms wird vor der Turbinierung entnommen. Elektrische und thermische Leistung verhalten sich hier reziprok.
Beschreibe die Stationen des Gasturbinenkraftwerks und nenne den zugehörigen thermodynamischen Prozess
  1. Ein Verdichter (Kompressor) bringt Luft auf einen hohen Druck → isentrope Verdichtung
  2. Brennstoff wird in der Brennkammer der komprimierten Luft zugefügt → isobare Wärmezufuhr
  3. das heiße Rauchgas unter hohem Druck treibt eine Turbine an, in der das Rauchgas entspannt wird → isentrope Expansion
  4. die Turbine treibt einen Generator an, ein Teil des erzeugten Stroms wird direkt für den Kompressor benötigt
  5. das entspannte Rauchgas wird über einen Kühlturm abgeführt
  6. isobare Wärmeabgabe an die Umgebung
Wie kann der Prozesswirkungsgrad im Gaskraftwerk erhöht werden?
  • Erhöhung des Druckverhältnisses vom Rauchgas vor und nach der Turbine
Warum ist der Gesamtwirkungsgrad bei der Gasturbine höher als bei der Dampfturbine?

Höhere Temperaturen!!!

Wann ist es sinnvoll ein Gasturbinen-KW laufen zu lassen
  • Spitzenlastzeiten (geringe elektrische Wirkungsgrade & teurer Brennstoff)
Welche Vorteile gibt es an Gasturbinen-KW?
  • geringe investitionskosten
  • geringer Platzbedarf und kein Kühlwasserbedarf, daher standortunabhängig
  • kurze Anfahrzeiten, hohe Gradienten
  • geringer Eigenbedarf
  • schwarzstartfähig
Welche Nachteile gibt es an Gasturbinen-KW?
  • teure Brennstoffkosten
  • begrenzte Lebensdauer (wegen der hohen thermischen Belastung)
Was ist ein GuD KW?
  • Gasturbinen-KW und Dampfturbinen-KW werden hintereinandergeschaltet
Welche elektrischen Wirkungsgrade erreicht ein GuD-KW?
  • bis zu 60%
Beschreibe die Stationen des Prozesses in einem Verbrennungsmotorkraftwerk und nenne den zugehörigen thermodynamischen Prozess

Motorprozess:

  1. Ansaugen des Benzin-Luft-Gemisches
  2. Kompression des Gemisches, mechanische Arbeit wird von der Kurbelwelle zugeführt (ver- gleichbar mit Kompression durch Speisewasserpumpe im Dampfprozess) → isotrope Kompres- sion
  3. Verbrennung und Expansion des Verbrennungsgases, mechanische Arbeit wird an die Kurbel- welle abgeführt → isochore Wärmezufuhr, isentrope Expansion
  4. Ausschieben des Verbrennungsgases → isochore Wärmeabfuhr

Motor treibt einen Generator an

Wie hoch ist der elektrische Wirkungsgrad im Verbrennungsmotorkraftwerk?
  • 30-45%
Ordne die folgenden Speicher in Hinsicht auf Einspeicherungsverluste pro Zeit und Roundtrip-Wirkungsgrad: Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Batteriespeicher, Redox-Flow-Batterie und Wärmespeicher

Verluste über Zeit

  1. Pumpspeicher (keine Ahnung, vermutlich aber kaum welche, bitte melden falls bekannt)
  2. Batteriespeicher (~0,13 % / Tag)
  3. Redox-Flow-Batterie (0,3 % / Tag)
  4. Wärmespeicher (0,5 % - 1 % / Tag)
  5. Druckluftspeicher (3 % / Tag)

Wirkungsgrade:

  1. Batteriespeicher (90 %)
  2. Pumpspeicher (70-84 %)
  3. Redox-Flow-Batterie (70 - 79 %)
  4. Druckluftspeicher (70 %)
  5. Wärmespeicher (40 %)
Ordne den folgenden Speichern: *Pumpspeicher, Poren- und Kavernenspeicher für Methan, Druckluftspeicher, Batteriespeicher, Redox-Flow-Batterie und Wärmespeicher* die nachfolgenden Begriffe zu *Minutenreserve, Stundenspeicher, Tagesspeicher, Langzeitspeicher, Saisonaler Speicher*
  • Pumpspeicher: Als Stunden-, Tages- und Langzeitspeicher verwendbar
  • Poren- und Kavernenspeicher für Methan: Saisonaler Speicher
  • Druckluftspeicher: Tagesspeicher, Minutenreserve
  • Batteriespeicher: Minutenreserve, Stundenspeicher, Tagesspeicher
  • Redox-Flow-Batterie:
  • Wärmespeicher: Saisonale Wärmespeicher
TODO Fragen Typische Kapazität, Speicherdichte, Leistung, Kosten

Grundlagen

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/03 Grundlagen/Fragen aus Vorlesung.md).

Wie funktioniert der Energiemarkt? (am Beispiel Strommarkt)

Die Versorgung mit Energie – d.h. der Einsatz von Kraftwerken und Speichern usw. – erfolgt im liberalisierten Energiemarkt nicht durch die zentrale Planung eines Versorgers, sondern durch Käufe und Verkäufe an Märkten (V3, Folie 8/9)

Wer kauft und verkauft?

Akteure am Großhandelsmarkt Strom, Gas, (CO2-Zertifikate): Erzeuger: Erzeuger verkaufen ihre Erzeugung (Strom, Gas) und kaufen Brennstoffe und Emissionszertifikate in verschiedenen Produkten und zeitlichen Strukturen, oder sichern beides preislich ab. Speicherbetreiber agieren ähnlich. Händler: Handelsunternehmen, Banken und finanzielle Dienstleister schöpfen Wert aus der Gestaltung von und dem Handel mit Produkten, ohne selbst zu produzieren. Sie stellen dem Markt Liquidität zur Verfügung und handeln oft grenzüberschreitend. Lieferanten: kaufen die für die Belieferung ihrer Kunden benötigte Energie (Strom, Gas) über verschiedene Produkte und zeitliche Strukturen, oder sichern die Energie preislich ab, Speicherbetreiber, Großkunden: Energieintensive Industrieverbraucher sind ebenfalls im Strom- und Gasgroßhandel aktiv, um Energie zum besten Preis für die eigene Verwendung zu beschaffen.

Was wird gekauft und verkauft (Produkte)?

Damit sich überhaupt ein liquider („flüssiger“) Handel einstellen kann, müssen die gehandelten Produkte definierte, immer gleiche Eigenschaften besitzen Standardisierte, zeitgebundene Produkte (Strom, Gas), Base und Peak als Standardprodukt. Nicht standardisierte, individuelle Produkte: Fahrpläne (Tages, Stunden oder im ¼ h Raster)

Welche Fristigkeiten der Produkte werden gehandelt?

Produkte werden (immer) vor der Lieferung/ Erfüllung gehandelt. Der Zeitbereich (Fristigkeit) erstreckt sich von wenigen Minuten bis zu mehreren Jahren im Voraus (Spotmarkt – Terminmarkt).

Wie kommt der Preis zustande?

Die Preisfindungs- und Zuschlagssystematik über den markträumenden Gleichgewichtspreis wird bei den Auktionen auf dem Spotmarkt – Day-ahead, Intraday – angewendet. Auf Grundlage von Angebot(spreisen) und Nachfrage(preisen) bilden sich Marktpreise Durch Zusammenführen von Angebots- und Nachfragekurve ergibt sich der markträumende Gleichgewichtspreis (Spotmarktauktionen) Aus der Summe der Gebote an den Spotmarktauktionen bildet sich die merit order und MCP und bezuschlagte Menge ergeben sich

Wie bestimmt man das Verkaufsgebot aus einem Kraftwerk (Menge, Preis)?

Als Preisnehmer (= ohne marktbeherrschende Stellung) bilden die Produktionskosten (Erzeugungskosten) die Grundlage für Verkaufsgebote aus einer Erzeugungsanlage Ist die „Produktionsfunktion“ – der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerks – nicht konstant über der Leistung, sind die spezifischen Erzeugungskosten (VDK, Stückkosten) ebenso nicht konstant Grenzkosten sind diejenigen Kosten, die die produzierte Einheit (Strom) (zusätzlich) verursacht. Der (zusätzliche) Erlös (Strompreis) muss also zumindest diese Kosten decken.

Wiederholung Leitaussagen, die nicht in den Fragen->Antworten vorkommen – Kosten, Gebote, Märkte Marktplatz, „Markt“: Ort, an dem Waren ausgetauscht werden durch Kauf und Verkauf Im Terminmarkt werden Produkte oft nicht physisch, sondern nur finanziell erfüllt. Sie dienen Käufer und Verkäufer der Preisabsicherung (oder dem spek. Handel) Die Motivation zum Terminhandel liegt im Absichern von Preisen bzw. Risiken, im Ausnutzen von Kursdifferenzen oder in der Spekulation

Kann man ein Kraftwerk auch im Terminmarkt vermarkten? Vorlesung 3

Die Bewirtschaftung im Terminmarkt dient dazu, Unsicherheit (Risiko und Chance) bzgl. des Gewinns bzw. Deckungsbeitrags (Rendite) gegen Sicherheit einzutauschen Die zukünftigen Spotmarktpreise und damit die (viertel-)stündlichen Clean Spreads des Kraftwerks sind ex ante ungewiss. Gleichzeitig zeigt die Historie, dass Spotmarktpreise und -niveaus und auch die Clean Spreads stark schwanken (hohe Volatilität)

Wäre das sinnvoll (auch für Windkraftwerke z.B.)?

Ja, total, da kurzfristig erst Wetterbedinungen besser absehbar sind.

Fragen aus der Datei [GEK Fragen](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/03 Grundlagen/GEK Fragen.md).

Grundlagen verschiedener Vermarktungsstrategien

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/04 Grundlagen verschiedener Vermarktungsstrategien/Fragen aus Vorlesung.md).

Was passiert, wenn man vermarktet hat, und der Clean Spread steigt?
Was passiert, wenn man vermarktet hat, und der Clean Spread fällt?
Kann man eine bereits verkaufte Liefermenge nochmal verkaufen?

Fragen aus der Datei [GEK Fragen](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/04 Grundlagen verschiedener Vermarktungsstrategien/GEK Fragen.md).

Wie wird das Gleichgewicht zwischen Kauf + Verkauf in Märkten geregelt?
  • Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage passiert im liberalisierten Energiemarkt durch Kauf und Verkauf an Märkten
Was sind die Besonderheiten eines idealen Marktes?
  • Ein einzelner Marktteilnehmer hat nur geringen Einfluss auf den Preis
  • Alle Produkte sind homogen, d.h. vollständig gegeneinander substituierbar
  • es gibt keine Barrieren für den Eintritt und Austritt
  • Markttransparenz: Alle Teilnehmer sind über Produkte, Mengen und Preise informiert
Was sind Produkte eines Strommarktes?
  • gehandelte Produkte müssen definierte, immer gleiche Eigenschaften haben
  • Im Strommarkt: Base und Peak (8-20 Uhr) im Spotmarkt (Day-Ahead und tagesaktuell) und
  • Terminmarkt (Tag, Woche, Monat, Quartal, Jahr)
Beim Terminhandel wird nur finanziell erfüllt. Was bedeutet finanzielle Erfüllung? Und wodurch können Preise dabei abgesichert werden?
  • Statt der Lieferung der Strommenge wird zum Lieferzeitpunkt der Differenzpreis des zugrundeliegenden Geschäfts zum aktuellen Spotmarktpreis ausgezahlt
  • Hedging: Absichern physischer Positionen, Risikominimierung
  • Arbitrage: Ausnutzen von Kursdifferenzen in verschiedenen Märkten zum gleichen Zeitpunkt
  • Spekulation: Kauf/Verkauf unter der Annahme, dass der Preis fällt/steigt
Wie findet bei den unterschiedlichen Märkten die Preisfindung statt?
  • Terminmarkt: kontinuierlicher Handel, pay as bid
  • Sportmarkt:
    • Verdeckte Auktion, alle erhalten den Markträumungspreis (MCP = Market Clearing Price)
    • 24 Stunden eines Tages handelbar ab 12 Uhr des vorherigen Tages, die Viertelstunden ab 15 Uhr des vorherigen Tages
    • Preisrampen im Viertelstundenbereich v.a. durch PV-Erzeugung, die morgens steil ansteigt und abends wieder fällt sowie Lastrampen (v.a. nachts)
  • Regelenergie: verdeckte Auktion, niedrigstes Gebot erhält den Zuschlag, pay as bid
Beschreiben sie die Bewirtschaftung im Terminmarkt.
  • Spotmarktpreise sind sehr volatil. Bewirtschaftung im Terminmarkt dient dazu, Unsicherheit bzgl. des Gewinns gegen Sicherheit einzutauschen
  • Grundlage der Terminmarktpreise: Simulation von zukünftigen Preisen auf Basis historischer Muster  Price Forward Curve
  • Der Clean Spread kann nur gesichert werden, wenn Input und Output (d.h. Strom und Brennstoffe) gehandelt werden
Definieren sie die Begriffe intrinsischer, extrinsischer und Realoptionswert.
  • Intrinsischer Wert: Summe des Deckungsbeitrags über alle zukünftigen Stunden zum aktuellen Zeitpunkt (risikofrei absicherbar durch Handelsgeschäfte)
  • Realoptionswert: gewichteter Mittelwert der erwarteten Deckungsbeiträgen in der Zukunft
  • Extrinsischer Wert: zusätzliches Erlöspotential, wenn auf veränderte Preise flexibel reagiert werden kann; Differenz aus intrinsischem Wert + Realoptionswert
Welche Vermarktungsstrategien gibt es und nennen sie Beispiele davon.
  • Regelbasiert: die Regel enthält implizite Marktmeinung
    • Z.B. physische oder finanzielle Limitierung, monatliche anteilige Vermarktung
  • Marktorientiert: Handel unterschiedet unter Beachtung von Ertrags- + Risikovorgaben frei über die Vermarktungsposition
    • Z.B. finanzielle Limitierung
  • Delta-Hedging
  • Intrinsic Rolling

Grenzkostenfunktion

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/05 Grenzkostenfunktion/Fragen aus Vorlesung.md).

Platzhalter

Noch keine Fragen hinterlegt. Bitte Fragen einfügen.

Flexibilitätsbereitstellung

Fragen aus der Datei [Fragen aus Vorlesung](./Fragenkatalog/01 Teil 1 %28Jungbluth%29/06 Flexibilitätsbereitstellung/Fragen aus Vorlesung.md).

Platzhalter

Noch keine Fragen hinterlegt. Bitte Fragen einfügen.

Teil 2 (Schemm)

Dynamische Programmierung

Fragen aus der Datei [Fragen aus Fragestunde](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/00 Dynamische Programmierung/Fragen aus Fragestunde.md).

Was sind die typischen Restriktionen eines KW bzw. Speichers?

Kraftwerk

  • Zustände (Aus, An)
  • Benötigte Zeit für Zustandswechsel
  • Minimal- bzw. Maximalleistung
  • Bestimmte Anzahl von Starts

Speicher zusätzlich

  • Geschwindigkeit Einspeicherung/Ausspeicherung (minimale/maximale Pumpleistung)
  • Rüstzeiten (Umbau von Einspeicherung (Pumpbetrieb) zu Ausspeicherung (Turbinenbetrieb))
Was kennzeichnet eine Zustandsübergangsmatrix und wie ist die aufgebaut?

Aufbau:

  • Zustände (des Kraftwerks) in Zeilen/Spalten dargestellt
  • Erlaubte Übergänge (zwischen den Zuständen) i.d.R. mit CashFlow verbunden

(Teil 1 der Frage, hat der Schemm nicht beantwortet?)

Abbildung eines KW bzw. Speichers in einer Zustandsübergangsmatrix

Antwort steht noch aus...

Bei der Zustandsübergangsmatrix: Wie kann die Mindeststillstands eines KW (als Restriktion), die bei der lineareren Programmierung viel Leistung benötigt, vereinfacht abbilden? (schwierig)

Anzahl der Starts beschränken. Dies ist deutlich einfacherer zu berechnen und erzielt eine ähnliche Wirkung. (Aussage Schemm!)

Dynamische Optimierung: Warum wird die rekursiv von hinten nach vorne gelöst?

In dem letzten Zustand kann der Wert einer Aktion eindeutig bestimmt werden. Der Wert wird nicht von den nächsten Werten (gibt keine) beeinflusst.

Durch das iterativ rückwärtige Rechnen kann dann zu jedem Zeitpunkt die optimale Aktion (zusammengesetzt aus der optimalen Aktion im aktuellen Zeitschritt und den optimalen Aktionen im folgenden Zeitschritt (bereits bekannt)) bestimmt werden.

Was sind die grundsätzlichen Unterschied zwischen deterministischer und stochastischer "Welt"?
  • Bei deterministischen Verfahren werden keine Unsicherheit bezüglich zukünftiger Preise beachtet. Bei stochastisch schon.

Intrinsic Rolling

Fragen aus der Datei [Fragen aus Fragestunde](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/01 Intrinsic Rolling/Fragen aus Fragestunde.md).

Wie läuft das Verfahren ab?
  • Risikofreies Verfahren, da nur Vermarketet wird wenn Cashflow > 0
  • Wenn CF positiv, wird Kraftwerk vermarketet
  • Sollte der Strompreis fallen, werden die bereits verkaufeten Positionen günstiger nachgekauft -> Es wird Gewinn erzielt und das Kraftwerk bleibt aus.
  • Bei steigenden Strompreisen fährt man den bereits zuvor gesicherten Gewinn ein. (Hätte man mit dem Vermarkten gewartet, wäre der Gewinn größer gewesen.)
Wann gibt es einen Zusatzwert und wann nicht?

Es wird ein Zusatzwert generiert, wenn die Strompreise nach Vermarktung fallen. Wenn der Strompreis unter die Brennstoffkosten fällt, ist es günstiger den Strom von anderen zu kaufen anstatt das Kraftwerk zu betreiben.

Dynamische Optimierung: Berechnung einzelner Verfahren (Folie 21)

Für die Berechnung des optimalen Cashflows zu einem Zeitpunkt wird der Cashflow der aktuellen Option mit dem Cashflow der zukünftig besten Optionen addiert.

Siehe Excel "01 Dyn Programmierung Kraftwerk Blank.xlsx".

Bei Speichern (mit weitaus mehr Zuständen) sieht es komplizierter aus.

![Folie21](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/01 Intrinsic Rolling/Folie21.PNG)

Die drei Tabellen sollen die drei möglichen Zustände des Kraftwerks abbilden. Bei Einspeicherung wechselt man in den "volleren" Zustand (Tabelle nach oben) bei Ausspeicherung nach unten. Bei Option Nichts verweilt man in der aktuellen Tabelle.

Fragen aus der Datei [GEK Fragen](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/01 Intrinsic Rolling/GEK Fragen.md).

Wofür eignet sich Intrinsic Rolling?

Zur Bewirtschaftung von Speichern oder Querverbundsystemen (KWK)

(Jungbluth Vorlesung 3, Folie 40)

Stochastische Bewertung

Fragen aus der Datei [Fragen aus Fragestunde](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/02 Stochastische Bewertung/Fragen aus Fragestunde.md).

Sicherer Umgang mit den Begrifflichkeiten

TODO Keine Richtige Frage.. Hier müssen wir die Begrifflichkeiten auflisten Antwort steht noch aus...

Erklären Sie die beiden Methoden, die zur Berechnung des Realoptionswert verwendet werden. (Monte-Carlo-Simulation und Wahrscheinlichkeitsverteilung der Preise)

Monte-Carlo-Simulation Numerische Lösung eines Problems durch Ausführen sehr vieler gleichartiger Zufallsexperimente.

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Preise

  • Antwort steht noch aus
Intrinsischer und extrinsischer Wert berechnen und definieren

Intrinsischer Wert

  • Definition: Summe des Deckungsbeitrags über alle zukünftigen Stunden zum aktuellen Zeitpunkt. Risikofrei absicherbar durch Handelsgeschäfte.
  • Berechnung: max(Durchschnitt Wert T - Kosten; 0)

Extrinsischer Wert

  • Definition: Zusätzliches Erlöspotential, wenn auf veränderte Preise flexibel reagiert werden kann.
  • Berechnung: Differenz aus intrinsischem Wert und Realoptionswert
Wie wird das Delta berechnet?
  • Mithilfe eines Steigungsdreiecks (Numerische Approximation)

![Delta](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/02 Stochastische Bewertung/Berechnung Delta.PNG)

Excel Einfaches KW-Beispiel: Anhand der vollständigen Excel das logische Vorgehen erklären und die Veränderungen bei Wertänderungen begründen.

Excel Tabelle angucken TODO Link.

Nachfolgend die wichtigsten Parameter erklärt:

Sigma

  • Volatilität, je höher desto besser/höher der Cashflow.

phi1

  • liegt in [0, 1]
    • 0 = Kein Einfluss -> Der neue Wert T orientiert sich am Langfristniveau
    • 1 = Vollständiger Einfluss -> Der neue Wert T orientiert sich nur am vorherigen Wert T-1
  • Einfluss des vorherigen Wertes auf den neuen Wert.

Startpunkt Simu

  • Vorherige Wert T-1
  • Hat nur Einfluss wenn phi1 > 0

Langfristniveau

  • Wert wohin die Pfade streben
  • Hat nur Einfluss wenn phi1 < 1

K

  • Kosten (z.B. Brennstoff)

Cash-Flow

  • max(Wert (also Preis) - Kosten; 0)
    • Preis > Kosten = Preis - Kosten
    • sonst 0

Intrinsischer Wert Summe des Deckungsbeitrags über alle zukünftigen Stunden zum aktuellen Zeitpunkt. Risikofrei absicherbar durch Handelsgeschäfte.

Realoptionswert Gewichteter Mittelwert der erwarteten Deckungsbeiträge in der Zukunft.

Extrinsischer Wert Zusätzliches Erlöspotential, wenn auf veränderte Preise flexibel reagiert werden kann. Differenz aus innerer Wert und Optionswert

Last-Square-Monte-Carlo-Optimierung

Fragen aus der Datei [Fragen aus Fragestunde](./Fragenkatalog/02 Teil 2 %28Schemm%29/03 Last-Square-Monte-Carlo-Optimierung/Fragen aus Fragestunde.md).

Welche Wahlmöglichkeiten gibt es zu einem Zeitpunkt für den Inhaber?

Der Inhaber kann

  • die Option zum jetzigen Zeitpunkt ausüben (dann ist sie weg)
  • die Option aufsparen und warten
Wie wählt der Inhaber die geeignete Aktion aus?

Der Inhaber übt die Option aus, wenn der momentane Cashflow höher als der zukünftig erwartete Cashflow ist.

Wie wird alles operationalisiert?

Erwartungswertbildung mithilfe einer Regression auf Basis der aktuellen Informationen vornehmen.

  1. Mithilfe alter Preisdaten werden Simulationsparameter bestimmt.
  2. Es werden mehrere Pfade gemäß der möglichen Ausführungszeitpunkte t_n (mithilfe dieser Parameter) simuliert.
  3. Es wird eine Regression mit den Preisen (X) im aktuellen Zeitpunkt t_n und dem erwarteten Cashflow (y) der folgenden Ausführungszeitpunkte (= wenn wir jetzt warten würden) bestimmt.
  4. Die Regressionslinie (= erwarteter Cashflow in Zukunft, wenn wir jetzt warten würden) und der Cashflow im aktuellen Zeitpunkt t_n dient der Entscheidung, ab welchen Preisen (X) man die Option jetzt ausüben sollte. (Je nachdem welche Gerade oben liegt.)
Was sind die aktuellen Informationen? (Was?)

Die Informationen, die zum Zeitpunkt der Erwartungswertbildung vorliegen. z.B. aktuelle Marktpreise, American Option, und Simulationsparameter (aus historischen Daten ermittelt)