Zur Wettbewerbsfähigkeit der Wasserkraft in liberalisierten Elektrizitätsmärkten: eine modellgestützte Analyse dargestellt am Beispiel des schweizerischen Energieversorgungssystems
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Frankfurt am Main [u.a.]
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2006
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis VII
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis XII
Tabellenverzeichnis XVI
Symbolverzeichnis XVII
Abkürzungsverzeichnis XXI
1 Einleitung 1
1.1 Ausgangslage und Problemstellung 1
1.2 Zielsetzung und Lösungsweg 2
2 Rahmenbedingungen in liberalisierten Elektrizitätsmärkten 5
2.1 Liberalisierung der europaischen Elektrizitätsmärkte 5
2.2 Absatzmärkte für Elektrizität 7
2.2.1 Märkte für Fahrplanenergie 7
2.2.2 Regelenergie und Regelenergiemärkte 8
2.3 Investitionsentscheidungen in liberalisierten Elektrizitätsmärkten 11
2.4 Unsicherheiten in wettbewerblichen Elektrizitätsmärkten 14
2.4.1 Marktpreise von Primärenergietragem 15
2.4.2 Entwicklung der Stromnachfrage 18
2.4.3 Verhalten der Wettbewerber 19
2.4.4 Politische und regulatorische Rahmenbedingungen 19
2.4.5 Technologische Entwicklungen 20
2.4.6 Anlagenverfügbarkeit 21
2.4.7 Marktpreise für Elektrizität 23
2.5 Zur Preisbildung im Stromsektor 24
2.6 Merit-Order-Kurve und graphische Analyse 27
3 Wasserkraft im liberalisierten Elektrizitätsmarkt 31
3.1 Wasserkraftnutzung in Europa 31
3.2 Typologisierung der Wasserkraftwerke 32
3.3 Wasserkraftkaskaden 33
3.4 Stromgestehungskosten 34
3.5 Externe Kosten 38
3.6 Mehrzweckaufgaben 40
VIII Inhaltsverzeichnis
3.7 Nutzungsaspekte von Wasserkraftanlagen 41
3.7.1 Regelfähigkeit und Betriebsarten 41
3.7.2 Kraftwerkseinsatz im liberalisierten Markt 43
3.8 Auswirkungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie auf die Stromerzeugung aus
Wasserkraft 45
4 Das Schweizer Elektrizitätssystem 47
4.1 Strukturen der Elektrizitätswirtschaft 47
4.2 Übersicht über den Kraftwerkspark 48
4.3 Energie- und umweltpolitische Rahmenbedingungen im Elektrizitätssektor 50
4.3.1 Elektrizitätsmarktgesetz und Bundesgesetz über die Stromversorgung 50
4.3.2 Politische Diskussion zur Kernenergienutzung 52
4.3.3 Klimapolitische Rahmenbedingungen 53
4.3.4 Politische Rahmenbedingungen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 56
4.4 Politische und rechtliche Rahmenbedingungen für die Nutzung der Wasserkraft 57
4.4.1 Nutzungsberechtigte und Nutzungsdauer der Wasserkraft in der Schweiz 57
4.4.2 Wasserzinse und sonstige finanzielle Verpflichtungen gegenüber der öffentlichen
Hand 59
4.4.3 Auswirkungen der Wasserrahmenrichtlinie auf das Wasserrecht der Schweiz 62
4.4.4 Restwassermengen 63
4.4.5 Schwall-und Sunkproblematik 64
4.5 Erneuerungs- und Erweiterungspotenziale der Wasserkraft 6*
5 Entwicklung eines hydro-thermischen Energiesystemmodells 67
5.1 Planungsebenen bei Energieversorgungsuntemehmen 67
5.2 Existierende Ansätze zur Entscheidungsunterstützung bei der Planung des
Kraftwerksausbaus 68
5.3 Existierende Ansätze zur Abbildung von Wasserkraft 69
5.4 Existierende Ansätze zur Modellierung von Strompreisen 72
5.4.1 Fundamentalanalytische Modelle 72
5.4.2 Finanzmathematische Modelle 73
5.4.3 Spiertheoretische Modelle 74
5.4.4 Statistische und okonometrische Modelle 75
5.5 Anforderungsprofil an ein Modell zur Analyse der Wettbewerbsfähigkeit der
Wasserkraft 76
5.6 Optimierende Energiesystemmodelle als Vorlaufer des entwickelten
PERSEUS-HYDRO-Modells 77
Inhaltsverzeichnis IX
5.7 Kurzdarstellung des entwickelten Modellansatzes 80
5.8 Mathematische Beschreibung des Modells 82
5.8.1 Modellelemente, Parameter und Variablen 82
5.8.2 Zielfunktion 85
5.8.3 Nebenbedingungen 86
5.8.3.1 Deckung der Nachfrage nach Energie-und Stoffflüssen 86
5.8.3.2 Energie- und Stofflussbilanzgleichungen 86
5.8.3.3 Beschrankung von Energie- und Stoffflüssen 87
5.8.3.4 Kapazitatsrestriktkmen 88
5.8.3.5 Beschränkung der Prozessnutzung 88
5.8.3.6 Abbildung von Reservekapazität 90
5.8.3.7 Abbildung des politisch motivierten Ausbaus emeuerbarer Energien 93
5.8.3.8 Abbildung von Wasserkraftwerken 93
5.8.3.9 Abbildung von Speicherseen 94
5.8.3.10 Anlagenfahrweise von Pumpspeicherzentralen 95
5.8.3.11 Konzessionsvertängerungen und Restwassermengen 96
5.9 Systemgrenzkosten der Stromversorgung 96
5.9.1 Relevante Charakteristika der Kraftwerkstypen mit Einfluss auf die Preisbildung 96
5.9.2 Zur Ableitung von Preisinformationen in optimierenden Energiesystemmodellen 97
5.10 Implementierung, Datenbasis und Analyseoptionen 105
5.11 Verbesserung des Lösungsprozesses 106
6 Modellaufbau und Datenbasis 109
6.1 Abbildungsbereich 109
6.2 Betrachtungshorizont und zeitliche Differenzierung 111
6.3 Abbildung des Kraftwerksparks in der Schweiz 112
6.3.1 Abbildung von Wasserkraftwerken 113
6.3.1.1 Zuflösse zu Speicherseen und Laufwasserkraftwerken 115
6.3.1.2 Energieinhalt der Speicherseen 116
6.3.1.3 Kraftwerksleistung, Fallhöhen und Kaskadenstruktur der Wasserkraftwerke 116
6.3.1.4 Typotogisierung und Abbildung der restlichen Wasserkraftwerke 121
6.3.1.5 Konzessionsablauf und Konzessjonsveriängarungen 122
6.3.2 Kernkraftwerke 124
6.3.3 Technologiedaten der Neubauoptionen 125
6.4 Abbildung der Energiesysteme in den angrenzenden Regionen 126
6.5 Brennstoffpreise 128
XII Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.1: Minimale, maximale und durchschnittliche jährliche
Zuwachsraten 1991 -2004 der Stromnachfrage in
ausgewählten europäischen ländern 19
Abbildung 2.2: Zusammenhang zwischen Last-, Merit-Order- und Preiskurve 28
Abbildung 2.3: Schematische Merit-Order-Kurve in Deutschland und
Einflüsse 28
Abbildung 2.4: Strompreis und Netzeinspeisung in Deutschland im Sommer-
und Winterhalbjahr 2004 29
Abbildung 3.1: Veranschaulichung einer Kraftwerkskaskade am Beispiel
der Kraftwerke Oberhasli (KWO) 34
Abbildung 3.2: Durchschnittliche Gestehungskosten in Rappen/kWh nach
Kraftwerkstypologien 36
Abbildung 3.3: Stromgestehungskosten für Kraftwerksneubauten 37
Abbildung 3.4: Kraftwerkseinsatz auf Basis der Schattenpreise bei
Speicherkraftwerk 44
Abbildung 4.1: Stromproduktion und Elektrizitätsbilanz der Schweiz im
Jahr 2002 50
Abbildung 4.2: Ausbaupotenzial der Jahresproduktion der schweizerischen
Wasserkraft 66
Abbildung 5.1: Die Entwicklung der PERSEUS Programmfamilie 80
Abbildung 5.2: Hierarchie der Datenstruktur und Modellelemente 83
Abbildung 5.3: Merit-Order-Kurve und Schattenpreise der Stromnachfrage ... 100
Abbildung 5.4: Graphische Lösung des Investitionsproblems und
Wiedergewinnung der Erzeugungskosten 104
Abbildung 6.1: Abgebildete Regionen 109
Abbildung 6.2: Grundstruktur der endogenen Modellregionen (bis auf die
Schweizer Modellregion) 110
Abbildung 6.3: Zeitliche Differenzierung und Betrachtungshorizont 112
Abbildung 6.4: Veranschaulichung der Parde-Koeffizienten am Beispiel der
Kraftwerke Hinterrhein 118
Abbildung 6.5: Struktur einer ausgewählten Kraftwerkskaskade und
Grundstruktur des Netzes 120
Abbildung 6.6: Konzessionsablauf aller Wasserkraftwerke mit mehr als
0,3 MW installierter Leistung 122
Abbildung 6.7: Konzessionsablauf der Schweizer Wasserkraftwerke
kumuliert nach typen im betrachtungszeitraum 123
Abbildungsverzeichnis XIII
Abbildung 6.8: Sterbelinie des französischen Kernkraftwerksparks 126
Abbilduno 6.9: Übertragungskapazitäten der Kuppelleitungen im PERSEUS-
HYDRO Modell im Jahr 2000 130
Abbildung 6.10: Preisindex für europäische Emissionszertifikate (EU
allowances) an der eex 137
Abbildung 7.1: Struktur des schweizerischen Kraftwerksparks im
Referenzszenario 147
Abbildung 7.2: Konzessionsende und -Verlängerung kumuliert nach Typen 148
Abbildung 7.3: Elektrizitätsproduktion und Nachfrage im
Referenzszenario 148
Abbildung 7.4: Kraftwerkseinsatz an einem charakteristischen Sommer-
und Winterwerktag im Jahr 2015 150
Abbildung 7.5: Kraftwerkseinsatz an einem charakteristischen Sommer-
und Winter Werktag im Jahr 2030 151
Abbildung 7.6: Elektrizitätsproduktion je Saison im Vergleich für die Jahre
2000,2015 UND 2030 152
Abbildung 7.7: Veranschaulichung des Kraftwerkeinsatzes und der
Energieflosse am Beispiel der Kraftwerke Hinterrhein im
Jahr 2015 153
Abbildung 7.8: Stromerzeugungsstruktur nach Energieträgern in
Deutschland und Frankreich 155
Abbildung 7.9: Stromerzeugungsstruktur nach Energieträgern in
österreich und italien 157
Abbildung 7.10: Stromerzeugungsstruktur nach Energieträgern in BeNeLux
und Slowenien 158
Abbildung 7.11: Entwicklung der nationalen Stromhandelsbilanzen 160
Abbildung 7.12: Stromaustausch zwischen den endogen abgebildeten
Regionen 161
Abbildung 7.13: Stromaustausch CH-D im Tagesverlauf 162
Abbildung 7.14: Grenzkosten der Stromversorgung für Spitzenlast und
Grundlast in der Schweiz und den Anrainerregionen 163
Abbildung 7.15: Grenzkosten der Stromversorgung im Jahr 2015 werktags je
Saison 164
Abbildung 7.16: Vergleich der Preisdauerlinien aus Börsenmarktdaten (EEX
2004) und Modellergebnissen im Jahr 2005 165
Abbildung 7.17: Vergleich der Konzessionsverlängerungen für die Szenarien
mit unterschiedlichen Gaspreisen 171
Abbildung 7.18: Vergleich der Grenzkosten der Stromversorgung in der
Schweiz für die Szenarien mit unterschiedlichen Gaspreisen 172
XIV AbtkWungsverzeichnis
Abbildung 7.19: Vergleich der Stromerzeugung nach Energieträgern in der
Schweiz und Deutschland für die Szenarien mit
unterschiedlichen co2-zertifikatspreisen 174
Abbildung 7.20: Vergleich der Konzessionsverlängerungen für die Szenarien
mit unterschiedlichen co2-zertifikatspreisen 175
Abbildung 7.21: Vergleich der Grenzkosten der Stromversorgung in der
Schweiz für die Szenarien mit unterschiedlichen CO2-
Zertifikatspreisen 176
Abbildung 7.22: Vergleich der CO2-Emissionen der modellierten Regionen
für die Szenarien mit unterschiedlichen CO2-
Zertifikatspreisen 178
Abbildung 7.23: Vergleich der Grenzkosten der Stromversorgung in der
Schweiz für die Szenarien REFERENZ, KKW-ZUBAU und
KKW-STOP 179
Abbildung 7.24: Vergleich des Stromaustausches der Schweiz im Jahr 2015
und 2030 für die Szenarien REFERENZ und I-CH 5000 MW 182
Abbildung 7.25: Vergleich der Stromerzeugung nach Energieträgern in der
Schweiz und Deutschland für die Szenarien REFERENZ und
NACHFRAGE+ 20 184
Abbildung 7.26: Vergleich der Grenzkosten der Stromversorgung in der
Schweiz und Frankreich für die Szenarien REFERENZ und
NACHFRAGE + 20 185
Abbildung 7.27: Vergleich der Kapazitäten und der Stromerzeugung in
Deutschland für die Szenarien REFERENZ und WIND MAX 186
Abbildung 7.28: Vergleich der Kapazitäten und der Stromerzeugung in
Deutschland für die Szenarien WIND MAX und RESERVE + 187
Abbildung 7.29: Vergleich der Kapazitäten und der Stromerzeugung in der
Schweiz für die Szenarien WIND MAX und RESERVE + 188
Abbildung 7.30: Vergleich der Grenzkosten im Szenario REFERENZ und
RESERVE + 189
Abbildung 7.31: Spezifische Investition des Ausbaupotenzials I9
Abbildung 7.32: Vergleich der Stromerzeugung aus „neuen Erneuerbaren
für die Szenarien RE 77% und RE 77% + DSM I94
Abbildung 7.33: Vergleich der Stromerzeugung nach Energieträgern für die
Szenarien REF, RE 77%undRE 77%+ DSM I95
Abbildung 7.34: Sensitivität des Preises für Grund- und Spitzenlast in der
Schweiz im Jahr 2030 auf Variation des Gas- und
Steinkohlepreises 1
Abbildung 7.35: Sensitivität der (kumulierten) Konzessionsverlängerungen
bei Laufwasser- und Speicherkraftwerken im Jahr 2030 bei
Variation des Gas- und Steinkohlepreises 200
AbbikJungsveizeichnis XV
Abbildung 7.36: Sensitivität des Preises für Grund- und Spitzenlast in der
Schweiz im Jahr 2030 auf Variation des Gas- und CO2-
Zertifikatspreises 201
Abbildung 7.37: Sensitivität der (kumulierten) Konzessionsverlängerungen
bei Laufwasser- und Speicherkraftwerken im Jahr 2030 bei
Variation des Gas- und CC 2-Zertifikatspreises 203
Abbildung 7.38: Sensitivität der CO2-Emissionen in den modellierten
Regionen im Jahr 2015 und in der Schweiz im Jahr 2030 204
XVI Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 3.1: Wasserkraftnutzuno zur Stromerzeugung in Europa 31
Tabelle 3.2: Typologisierung der Wasserkraft 33
Tabelle 3.3: Prozentuale Aufteilung der Gestehungskosten der
verschiedenen kraftwerkstypen in der schweiz 35
Tabelle 3.4: Externen Kosten der Wasserkraftnutzung 39
Tabelle 4.1: Wasserzins- und Steuereinnahmen aus der Wasserkraft in
Mio. CHF und Anteil an den gesamten Steuereinnahmen von
ausgewählten Kantonen 61
Tabelle 5.1: Planungsaufgaben bei EVU 68
Tabelle 5.2: Module der PERSEUS-Modellfamilie 79
Tabelle 5.3: Analyseoptionen des PERSEUS-HYDRO Modells 106
Tabelle 6.1:: Techno-ökonomische Parametrisierung der Modellanlagen 113
Tabelle 6.2: Abgebildete Zentralen und Statistik der
Wasserkraftanlagen 114
Tabelle 6.3: Spezifische Investitionen (€/kW) für Lauf- und
Speicherkraftwerke 123
Tabelle 6.4: Produktionseinbuben infolge der (minimalen)
Restwasservorschriften 124
Tabelle 6.5: Technische und ökonomische Daten der Kernkraftwerke der
Schweiz 125
Tabelle 6.6: Zubauoptionen der konventionellen Stromerzeugung in der
Schweiz 125
Tabelle 6.7: Zubauoptionen der konventionellen Stromerzeugung 127
Tabelle 6.8: Studien zur Prognose der Entwicklung der
Weltenergiemärkte und Primärenergieträgerpreise 128
Tabelle 6.9: Trendentwicklung der Weltmarktpreise für fossile
Energieträger 129
Tabelle 6.10: Netzverluste der Stromversorgung der Modellregionen 131
Tabelle 6.11: Entwicklung der Stromnachfrage in den Modellregionen 132
Tabelle 6.12: Entwicklung der Windkraftkapazität im Referenzszenario
und Szenario WIND MAX 34
Tabelle 6.13: CO2-Emissionsfaktoren der Stromerzeugung I36
Tabelle 6.14: Entwicklung der CO2-Zertifikatspreise in den Szenarien 137
Tabelle 7.1: Szenario-Varianten 167
Tabelle 7.2: CO2-Emissionen in den abgebildeten Regionen I77
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