Strompreis und Merit-Order-Effekt

Wenn wir elektrische Energie produzieren wollen, dann müssen wir Geld investieren. Einerseits als Investition in Anlagen, andererseits in Wartung und Instandsetzungen. Aber zum Teil auch in die Energie, die wir für die Umwandlung verwenden. Wenn wir die marginale Energieeinheit betrachten, sind die Investition und die Wartung als Fixkosten zu betrachten und eigentlich nur die Energiekosten definieren den Mindestpreis, der gezahlt werden müsste, um kostendeckend eine weitere Energieeinheit zu produzieren.

Daraus ergeben sich schließlich unterschiedliche Mindestpreise pro MWh, je nachdem, welche Energiequelle und welche Technologie mit welchem Wirkungsgrad verwendet wird.

Dies stellt natürlich eine vereinfachte Entscheidungsgrundlage dar. In einem dynamischen Prozess kommen auch andere Faktoren, wie etwa die Betriebsweise der Anlagen zum Tragen, sodass es auch zu Situationen kommt, wo unter diesem Preis dennoch produziert wird.

Addiert man die jeweiligen Leistungen aller Anlagen, die bis zu einem gewissen Preis produzieren wollen, erhält man die Angebotskurve für die Strombörse. In ähnlicher Weise entsteht auch die Nachfragekurve, wobei hier vor allem die Energieversorger den Bedarf ihrer Kunden einkaufen, und verpflichtet sind, deren Bedarf zu decken. Darüber hinaus sind aber auch Speicherkraftwerke als Käufer tätig, die versuchen günstig Strom einzukaufen, und die umso mehr elektrische Energie kaufen, umso günstiger der Preis ist.

Werden die Angebotskurve und die Nachfragekurve übereinandergelegt, so ergibt sich aus dem Schnittpunkt der aktuelle Strompreis. Solche Strompreise werden Beispielsweise für Stundenwerte, Viertelstundenwerte und für unterschiedliche Arten an Regelenergie immer wieder neu ermittelt.

Welchen Einfluss haben erneuerbare Energien?

Bis vor einigen Jahren war dies ein einigermaßen eingespieltes und vorhersehbares Preissystem. In der Nacht war die Stromnachfrage geringer und der Preis dementsprechend niedriger und am Tag war es umgekehrt, mit Preisspitzen am Morgen, am Mittag und am Abend. Dies Angebotsseite hat sich eigentlich kaum geändert. Nachts liefen die Grundlastkraftwerke, tagsüber zusätzlich die Mittellastkraftwerke und während den Bedarfsspitzen haben Speicher- und Spitzenlastkraftwerke den nötigen und teuren Spitzenlaststrom bereitgestellt. In den letzten Jahren haben die erneuerbaren Energien den Strommarkt aber durch den sogenannten Merit-Order-Effekt aufgewühlt.

Erneuerbare Energien, wie Wind- und Solarenergie haben nämlich keine Energiekosten, die beglichen werden müssen, ihre Grenzkosten sind demnach Null. Deshalb verdrängen sie die Produzenten mit fossiler Energie in der Angebotskurve nach hinten. Gleiches gilt auch für subventionierte BHKW und Biogasanlagen, die fix vergütet werden. Diese drängen auf den Strommarkt als hätten sie keine Grenzkosten, obwohl sie Energiekosten, und wenn nur in Form von Opportunitätskosten aufweisen.

Diese Verschiebung der Angebotskurve führt bei unveränderter Nachfragekurve zu einem niedrigeren Strompreis. Die Verschiebung des Schnittpunktes der beiden Kurven, durch Anlagen mit niedrigen Grenzkosten, wird als Merit-Order-Effekt bezeichnet.

Merit-Order-Effekt_1

 

Allerdings ist die Produktion von elektrischer Energie aus Wind- und Solarenergie nicht konstant und deshalb ist der Strompreis stärkeren Schwankungen ausgesetzt, je nachdem ob erneuerbare Energie elektrischen Strom liefert oder nicht.

Insbesondere Solarenergie, die hauptsächlich in den Mittagsstunden Energie liefert, hat dafür gesorgt, dass hier die Preisspitzen wesentlich seltener entstehen, oft genug ist der Strompreis hier sogar niedriger. Dies ist auch eine Auswirkung, die den traditionellen Stromproduzenten zu schaffen macht, weil sie bisher in diesen Stunden einen Großteil ihres Gewinnes einfahren konnten.

Strombedarf_1

Nun kommt es zunehmend zu der Kuriosität, dass der Börsenpreis negativ ist, dass also die Stromproduzenten Geld bezahlen müssen, damit sie elektrischen Strom produzieren dürfen. Das liegt einerseits daran, dass es den Produzenten von erneuerbarer Energie aufgrund der garantierten Einspeisevergütung gleichgültig ist und andererseits insbesondere Kohlekraftwerke nicht schnell genug ihre Leistung drosseln können und unnötigerweise produzieren müssen.

Viele Verfechter der Früher-war-alles-besser-Mentalität sehen das Problem in der Produktion von erneuerbarer Energie, doch die Wahrheit ist, dass die veralteten und unflexiblen Kraftwerke nicht für eine dynamische, saubere und zukunftsorientierte Stromproduktion geeignet sind. Deshalb werden sie auch mittelfristig durch den Merit-Order-Effekt aus dem Strommarkt verdrängt werden.

Börsenpreis_1.JPG

Nichtsdestotrotz wird sich auch unsere Stromnachfrage ändern müssen, damit wir vermehrt erneuerbare Energie dann verwenden, wenn sie produziert wird. Wir können diese Aufgabe nicht allein den Speicherkraftwerken überlassen. Nicht nur weil es zu viele Speicherkraftwerke beanspruchen würde und teuer wäre, sondern auch weil es ineffizient ist.

Die Aufgabe der Anpassung der Nachfragekurve, in Bezug auf das Angebot an erneuerbare Energie, wird das sogenannte Smart Grid übernehmen müssen.

Hier noch ein Blog mit Infos zur EEX-Strombörse und weitere Strombörse bezogene Texte der Energieblogger.

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Erneuerbare Energie in Europa

Ein Teilziel der Beschlüsse rund um die sogenannten 20-20-20 Ziele der europäischen Kommission ist es, bis 2020 im Durchschnitt 20 % an erneuerbaren Energien aufweisen zu können. Deshalb wurden für jedes Land, entsprechend der Voraussetzungen, Ziele gesetzt, die zwischen 10 % für Malta und 49 % für Schweden liegen. Von 2004 konnte der europäische Durchschnitt von 8,5 % auf immerhin 17 % in 2016 gesteigert werden. Bei gleichbleibender Entwicklung wie in 2016 wird das Ziel mit 18,2 % verfehlt werden.

Allerdings ist die Umsetzung in den einzelnen Ländern sehr unterschiedlich. Neben Kroatien, das keine Steigerung erzielen musste, konnten die ersten Länder bereits 2011 ihre Ziele erreichen, aber die Mehrzahl der Länder, darunter Spanien, Malta und Österreich werden ihre Ziel 2020 oder kurz davor erreichen können. Acht Länder sind bisher bei der Umsetzung ihrer Ziele deutlich im Hintertreffen, besonders die Niederlande und Luxemburg. Dabei ist es erstaunlich, dass eines der reichsten Länder, nämlich Luxemburg, bis 2016 noch nicht einmal in der Lage war 50 % seiner Zielsetzung zu erreichen.

Analyse der Windenergie

Was in den Grafiken im Video zu sehen ist, stellt die Stromproduktion aus dem Jahre 2011 von Windkraftanlagen in Luxemburg mit einer installierten Peakleistung von 42 Megawatt dar.

Wie durch die grauen Kurven zu erkennen ist, unterliegt die Stromproduktion sehr starken und unregelmäßigen Schwankungen, wobei sich gleich drei Herausforderungen für die Nutzung von elektrischem Strom aus Windkraftanlagen ergeben. Zum einen ist das die eingespeiste Peakleistung, die sich zu jeder Tages- und Jahreszeit ergeben kann. Zum anderen sind es die beiden Extreme von einer längeren Periode mit jeweils sehr viel oder sehr wenig Wind, die die meisten Speichertechnologien an ihre Grenzen bringen.

Wann wird Windenergie gewonnen?

Generell wird gesagt, dass Windenergie überwiegend in den Wintermonaten anfällt, aber 2011 waren die Unterschiede zwischen Sommer- und Wintermonaten eher moderat, außer im Dezember in welchem mehr als die doppelte Energiemenge der anderen Monate gewonnen wurde.

Die Schwankungen im Wochen- und erst recht im Tagesprofil sind dennoch über das ganze Jahr extrem.

Auch wenn der Zusammenhang zwischen Jahreszeit und Windenergie 2011 kaum ersichtlich war, so kann dennoch ein Zusammenhang zur Tagesmitteltemperatur gesehen werden, wonach Windenergie hauptsächlich bei Tagesmitteltemperaturen über 0°C und unter 15°C gewonnen wird. Dies gilt für die gewonnene Peakleistung genauso wie für die Energiemenge pro Tag. Man kann sich fragen, ob dies zur persönlichen Erfahrung mit Wetter passt.

Im Gegensatz zu PV-Strom ist die Leistung die aus Windenergie gewonnen wird fast nie null, wenngleich sie aber oft sehr niedrig ist.

Es ist zu erkennen, dass ein überwiegender Teil der Windenergie in einem Leistungsbereich zwischen 10 und 40% gewonnen wird.

Auch wenn bei starkem Wind die Peakleistung der Windkraftanlagen erreicht werden kann, so wird dennoch nur wenig Energie mit mehr als 85% der Leistung gewonnen.

Biogasanlagen

Was in den folgenden Grafiken zu sehen ist, stellt die Stromproduktion aus dem Jahre 2011 von Biogasanlagen in Luxemburg mit einer installierten Peakleistung von 8,7 Megawatt dar.

Wie die grauen Kurven zeigen, liegt die Leistung stets in einem engen Band und zeigt nur wenige Ausreißer nach unten auf. Diese Konstanz der Stromproduktion wird gerne als die wichtigste Eigenschaft von Biogasanlagen für den Wandel hin zu einer Energieversorgung mit erneuerbaren Energien angesehen.

Ist die Konstanz der Energie aus Biogas tatsächlich so gut?

Der fatale Irrtum dabei ist, dass die Energienachfrage nicht konstant ist und die Versorgung mit anderen erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie es eben so wenig ist. Obwohl Biogas sich leicht speichern lässt, zumindest für ein Zeitintervall von 48 Stunden, wird dieses Potenzial nicht genutzt, um die Integration von erneuerbaren Energien zu erleichtern. Somit liegt in dem vermeidlichen Vorteil der konstanten Stromproduktion, die hier zu erkennen ist, die Ignoranz gegenüber den Bedürfnissen unseres Energiesystems und des anstehenden Wandels unserer Energieproduktion.

Mit einigem an Fantasie erkennt man, dass im Sommer etwas weniger Strom aus Biogas gewonnen wird als im Winter. Dies ist wohl auf Wartungsarbeiten an einzelnen Fermentern und Blockheizkraftwerken zurückzuführen, da viele Anlagen mit dem niedrigen Wärmebedarf im Sommer zu kämpfen haben, und bevorzugt zu dieser Zeit Wartungsarbeiten durchführen.

Die geringen Schwankungen im Wochen- und Tagesprofil spiegeln sich auch in der Abhängigkeit zur Tagesmitteltemperatur wieder. Die geringfügige Abnahme der Leistung und der täglichen Energiemenge lässt keine starken Abhängigkeiten zu, und begünstigt die Vermutung, dass stochastisch vermehrt Wartungsarbeiten durchgeführt werden, wenn der Wärmebedarf am geringsten ist.

Bemerkenswert ist, dass niemals die installierte Leistung vollständig abgerufen wird, was wohl darauf zurückzuführen ist, dass einzelne Biogasanlagen nicht so funktionieren, wie sie es sollten. So wurde 2011 hauptsächlich eine aufsummierte Leistung in Höhe von 60 bis 70% der angegebenen Peakleistung eingespeist. Dies führt zu einer, im Vergleich zu Photovoltaik und Windkraftanlagen, signifikant unterschiedlichen Energieeinspeisung in Funktion der relativen Leistung. So wird bis zu einer Leistung von 50% 0% der Energiemenge produziert und unterhalb von 80% der Leistung 100% der Energie gewonnen.

Analyse von Solarenergie

Visualisierung der Stromproduktion aus PV-Modulen

Was in den folgenden Grafiken im Video zu sehen ist, stellt die Stromproduktion aus dem Jahre 2011 der Photovoltaikanlagen in Luxemburg mit einer installierten Peakleistung von 22 Megawatt dar.

Wie durch die grauen Kurven zu erkennen ist, unterliegt die Stromproduktion sehr starken Schwankungen, wobei sich gleich drei Herausforderungen für die Nutzung von PV-Strom ergeben. Zum einen ist das die eingespeiste Peakleistung, die sich zu jeder Jahreszeit an einem sonnigen Tag in der Mittagszeit ergeben kann. Zum anderen sind es die beiden Extreme von einer längeren Periode mit jeweils sehr viel oder nur wenig Sonne, die die meisten Speichertechnologien an ihre Grenzen bringen. Oft wird beanstandet, dass PV-Strom zu unberechenbar ist, um in einem Energiesystem genutzt werden, weil es ohnehin nur 950 bis 1050 Volllaststunden aufweist. Allerdings sollte bedacht werden, dass sich diese Volllaststunden nur auf den grauen Bereich verteilen können.

Wie verhält sich der PV-Ertrag saisonal?

In den Sommermonaten ist, wie zu erwarten, die Energieproduktion mit moderaten Schwankungen am höchsten, doch bereits im Wochenprofil ist zu erkennen, dass es durchaus bedeutende Unterschiede von Woche zu Woche geben kann und erst recht, wenn die Tagesproduktion verglichen wird, wenn diese im Sommer selbst unter jene von einigen Tage im Winter fallen kann.

Zeigt man die Tagesproduktion in Funktion der Tagesmitteltemperatur auf, so ist zu erkennen, dass der Wirkungsgrad bei steigenden Temperaturen sinkt. Trotz viel Sonnenschein sinkt die Peakleistung bei Tagesmitteltemperaturen über 20°C. Gleichzeitig können aber auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt noch Peakleistungen anfallen. Auch deshalb gibt es im Winter Tage mit entsprechend hoher Tagesproduktion. Allerdings fällt auf, dass bei Temperaturen zwischen -5°C und 10°C die meisten Tage mit sehr wenig Energie liegen.

Mit welcher Leistung kann gerechnet werden?

Wegen der vielen Nachtstunden ist die Solarproduktion oft auf 0%. Gleichzeitig fällt auf, dass die Leistung sehr selten über 70% der installierten Leistung liegt. Das führt dazu, dass die meiste Energie im Bereich  von 20 bis 65% gewonnen wird. So wurde 2011 90 % der Energie mit weniger als 65% der Peakleistung produziert.