Economic evaluation of the system concepts. Working package 3.5
Description
In this study, the economic efficiency of a concept for underground pumped storage (UPSW) in hard coal mining plants is investigated. The aim is to evaluate an investment decision for a UPSW. Two technical design variants are considered: Variant 1 (600 m drop height / 461,814 m3 storage volume) and variant 2 (1000 m drop height / 355,982 m3 storage volume). Variant 2 differs fundamentally from variant 1 in that an active line system is already available at an altitude of 1000 m below NHN as an underground storage facility. In contrast, it is assumed that in the case of variant 1, a complete underground storage system must be excavated at a depth of 600 m. The underground storage system must be installed at a depth of 600 m below the surface. The framework data are selected on the basis of the Prosper Haniel hard coal mine of RAG. In addition, variant 2 is equipped with two ternary machine sets, whereas variant 1 has only one pump turbine. A deterministic techno-economic model of the UPSW based on Matlab has been developed for the performance of the economic analysis, which simulates the participation of the UPSW in the spot and secondary control energy market. The technical and economic framework conditions for the model originate mainly from the project partner Institute of Hydraulic Engineering and Water Management at the University of Duisburg-Essen as well as from electricity price forecasts prepared at the Chair of Energy Systems and Energy Economics. The calculation methodology used in this study corresponds to that of the dynamic investment calculation. For the consideration of data uncertainties a parameter variation based on a best- and worst-case scenario analysis is applied. The results of the study show that under the boundary conditions described here, a UPSW with sole participation in the day-ahead market does not generate a profitable revenue situation. In this respect, the results are in line with the current statements of PSW operators. For the economic operation of a UPSW it is therefore indispensable to offer more profitable system services such as the provision of control energy in addition to conventional electricity marketing on the spot market. In this study, the revenues from participation in the secondary balancing energy and spot market are also determined. Due to technical restrictions, participation in the secondary balancing energy market is only possible for both variants in connection with a power plant network. Obliging contracts that cannot be fulfilled due to a lack of storage capacity are taken over from the pool in the modeling. Although no profitable revenue situation can be achieved with simultaneous participation in the balancing energy and spot market, both variants reduce the financial losses compared to sole participation in the day-ahead market. Due to the plans of RAG regarding the future mine water retention level (700 m below NHN), variant 1 is the preferred plant concept from the point of view of the project group. Based on the findings of this study, the minimum storage volume for Variant 1 is approximately 600,000 m3 to meet the pooling requirement. With regard to the mechanical design, it is advisable to consider several sets of machines for further investigations, such as variant 1+ (two Francis pump turbines), as this is advantageous in terms of flexibility and controllability when participating in the electricity market. Consequently, further investigations are recommendable and very promising. On the basis of the results obtained in this paper, an investment in a UPSW cannot be presented economically under current market conditions. However, this would also apply to new conventional pumped storage plants. It should be noted that almost all the pumped storage plants currently available on the market have been written off. They therefore offer electricity at variable costs and are therefore cheaper than new pumped storage plants that have not been depreciated. This economic efficiency calculation involves major uncertainties, as the evaluation of new systems in early development phases can only be carried out on the basis of inadequate cost data. In addition, electricity economic, political and social unpredictability (e.g. the effects of changes to the Renewable Energy Sources Act (EEG) on electricity prices) represent a high uncertainty potential when considering these long-term investments during the energy turnaround.
Abstract (German)
In der vorliegenden Studie wird die Wirtschaftlichkeit eines Konzeptes fuer Untertage-Pumpspeicherwerke (UPSW) in Anlagen des Steinkohlebergbaus untersucht. Ziel ist es, eine Investitionsentscheidung fuer ein UPSW zu bewerten. Dabei werden zwei technische Auslegungsvarianten betrachtet: Variante 1 (600 m Fallhoehe / 461.814 m3 Speichervolumen) und Variante 2 (1000 m Fallhoehe/ 355.982 m3 Speichervolumen). Variante 2 unterscheidet sich von Variante 1 grundsaetzlich darin, dass bereits ein aktives Streckensystem auf einer Hoehe von 1000 m unter NHN als Untertagespeicher zur Verfuegung steht. Im Gegensatz dazu wird angenommen, dass im Fall von Variante 1 ein komplettes untertaegiges Speichersystem in einer Tiefe von 600 m aufgefahren werden muss. Die Rahmendaten werden in Anlehnung an das Steinkohlebergwerk Prosper Haniel der RAG gewaehlt. Darueber hinaus ist Variante 2 mit zwei ternaeren Maschinensaetzen ausgestattet, wohingegen Variante 1 nur ueber eine Pumpturbine verfuegt. Fuer die Durchfuehrung der Wirtschaftlichkeitsanalyse ist ein auf Matlab basierendes deterministisches techno-oekonomisches Modell des UPSW entwickelt worden, das die Teilnahme des UPSW am Spot- und Sekundaerregelenergiemarkt simuliert. Die technischen und oekonomischen Rahmenbedingungen fuer das Modell stammen groesstenteils vom Projektpartner Institut fuer Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universitaet Duisburg-Essen sowie am Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft erstellten Strompreisprognosen. Die in dieser Studie eingesetzte Berechnungsmethodik entspricht der Methodik der dynamischen Investitionsrechnung. Zur Beruecksichtigung von Datenunsicherheiten wird eine Parametervariation anhand einer Best- und Worst-Case Szenario Analyse angewendet. Die Untersuchungsergebnisse ergeben, dass sich unter den hier getroffenen Randbedingungen bei einem UPSW mit alleiniger Teilnahme am Day-Ahead Markt keine gewinnbringende Erloessituation einstellt. Die Ergebnisse decken sich dahingehend mit den aktuellen Aussagen von PSW-Betreibern. Zur wirtschaftlichen Betriebsweise eines UPSW ist es daher unabdingbar, neben der konventionellen Stromvermarktung am Spotmarkt, ebenfalls ertragreichere Systemdienstleistungen wie etwa die Bereitstellung von Regelenergie anzubieten. In der vorliegenden Studie werden die Erloese aus der Teilnahme am Sekundaerregelenergie- und Spot-Markt ebenfalls ermittelt. Aufgrund technischer Restriktionen ist die Teilnahme am Sekundaerregelenergiemarkt fuer beide Varianten jeweils ausschliesslich in Verbindung mit einem Kraftwerksverbund moeglich. Verpflichtende Kontrakte, die mangels Speicherkapazitaeten nicht erfuellt werden koennen, werden in der Modellierung vom Pool uebernommen. Obwohl keine gewinnbringende Erloessituation bei gleichzeitiger Teilnahme an Regelenergie- und Spotmarkt erreichbar ist, verringern beide Varianten im Vergleich zur alleinigen Teilnahme am Day-Ahead Markt, die finanziellen Verluste. Auf Grund der Planungen der RAG bezueglich des zukuenftiges Grubenwasserhaltungsniveaus (700 m unter NHN), handelt es sich bei Variante 1 aus Sicht des Projektverbundes um das bevorzugte Anlagenkonzept. Aus Erkenntnissen dieser Studie ergeben sich als minimales Speichervolumen fuer Variante 1 circa 600.000 m3 um die Poolungsbedingung zu erfuellen. Im Hinblick auf die maschinentechnische Ausfuehrung, ist fuer weiterfuehrende Untersuchungen die Betrachtung von mehreren Maschinensaetzen, wie etwa bei Variante 1+ (zwei Francis-Pumpturbinen), zu empfehlen, da diese bei einer Strommarktteilnahme vorteilhaft in Bezug auf Flexibilitaet und Regelbarkeit ist. Demzufolge sind weitere Untersuchungen empfehlenswert und durchaus vielversprechend. Auf Grund der in dieser Arbeit ermittelten Resultate kann eine Investition in ein UPSW bei derzeitigen Marktbedingungen nicht wirtschaftlich dargestellt werden. Dies wuerde aber auch fuer neue konventionelle Pumpspeicherwerke gelten. Zu beruecksichtigen ist, dass die derzeit am Markt verfuegbaren Pumpspeicherwerke fast alle abgeschrieben sind. Sie bieten deshalb die Elektrizitaet zu variablen Kosten an und sind damit billiger als nicht abgeschriebene neue Pumpspeicherwerke. Diese Wirtschaftlichkeitsberechnung beinhaltet grosse Unsicherheiten, da die Bewertung neuer Systeme in fruehen Entwicklungsphasen nur auf einer unzureichenden Kostendatenbasis erfolgen kann. Daneben stellen elektrizitaetswirtschaftliche, politische sowie gesellschaftliche Unvorhersehbarkeiten (z. B. die Auswirkungen von Aenderungen an dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf die Strompreisgestaltung) in Zeiten der Energiewende ein hohes Unsicherheitspotential bei der Betrachtung dieser langfristigen Investitionen dar.Files
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- Original title (German)
- Wirtschaftliche Bewertung der Anlagenkonzepte. Arbeitspaket 3.5
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 59 p.
- Report number
- INIS-DE--2403
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 50006736
- Subject category
- S01: COAL, LIGNITE, AND PEAT;
- Descriptors DEI
- COAL MINING; COMPARATIVE EVALUATIONS; ECONOMIC ANALYSIS; EVALUATION; FEASIBILITY STUDIES; FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY; PLANNING; PRICES; PUMPED STORAGE POWER PLANTS; RENEWABLE ENERGY SOURCES; SIMULATION; SPOT MARKET; UNDERGROUND FACILITIES
- Descriptors DEC
- DEVELOPED COUNTRIES; ECONOMICS; ENERGY SOURCES; EUROPE; EVALUATION; HYDROELECTRIC POWER PLANTS; MARKET; MINING; PEAKING POWER PLANTS; POWER PLANTS; WESTERN EUROPE