Dynamische Berechnung der Stromgestehungskosten von Energiespeichern für die Energiesystemmodellierung und -einsatzplanung

Zusammenfassung

Im Zuge der Energiewende gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung für die Versorgungssicherheit in der Stromversorgung. Folglich muss auch die ökonomische und technische Machbarkeit sowie die energielogistische Implementierung von Energiespeichern in der Energiesystemmodellierung verstärkt diskutiert werden. Diese Arbeit konzentriert sich dabei verstärkt auf die Stromgestehungskosten der Energiespeicherung. Dafür werden zu Beginn die bisherigen Ansätze aus der Fachliteratur untersucht und Problematiken dieser Ansätze aufgezeigt. So werden die Stromgestehungskosten von Energiespeichern in den Ansätzen der Fachliteratur allesamt auf Basis der Gesamtlebensdauer berechnet. Gerade in der Energiesystemmodellierung müssen aber auch kürzere Betrachtungszeiträume möglich sein, weshalb das in dieser Arbeit vorgestellte Kostenmodell dynamisch auf beliebige Betrachtungszeiträume anwendbar ist. Die Kosten werden dabei in Abhängigkeit der tatsächlichen Speichernutzung berechnet. Neben den flexiblen Betrachtungszeiträumen soll das Modell weiterhin auch flexibel auf beliebige Speicherformen anwendbar sein. Zur Veranschaulichung wird das Modell nach der Einführung des mathematischen Ansatzes rechnergestützt modelliert und anhand von Referenzlastprofilen und Literaturwerten für fünf Speichertechnologien verifiziert. Anschließend wird eine Sensitivitätsanalyse ausgewählter Eingangsparameter durchgeführt. Da die meisten Programme zur Kraftwerkseinsatzplanung lineare oder gemischt-ganzzahlig lineare Optimierungsansätze verwenden, die Berechnung von Stromgestehungskosten (LCOE) jedoch nicht linear ist, werden die Kosten meist durch feste LCOE-Werte approximiert. In diesem Artikel wird die Integration des vorgestellten Kostenmodells in eine lineare Optimierungsumgebung zur Kraftwerkseinsatzplanung mittels rekursiver und rollierender Kostenberechnung vorgestellt. Die Ergebnisse werden für unterschiedliche Optimierungsszenarien präsentiert und diskutiert.

Abstract

Due to the transition in energy supply from fossil to renewable energy sources, energy storage systems are getting more and more important for the security of power supply. Therefore also the modeling of those storage systems in energy system modeling needs to be further discussed. This paper focuses on the levelized costs of energy storage. In the beginning, the existing approaches of calculating those costs are analyzed in a literature review. It will be shown that all of the approaches calculate the levelized costs on the basis of the energy storages’ lifetime. For the usage in energy system modeling it is mandatory that the calculation can be done for variable and shorter time periods. Therefore this work’s approach calculates the costs based on the time of operation in any period chosen. Additionally, the model can be used for any type of storage system. After introducing the mathematical model, the levelized costs of energy storage will be calculated to illustrate the models properties and then verified with reference load profiles for five different energy storage types. Following this, particular input parameters are varied and sensitivities are pointed out. Most of the programs for power plant dispatch calculations use linear or mixed integer linear programing algorithms. As the calculation of levelized costs of electricity is non-linear, most programs use fixed values during the whole time of simulation. In this article the integration of the presented approach into a linear optimization program via recursive and shifted calculation is elaborated. Results are presented and discussed.