The German Wind Power Experience – Integrating large Intermittent Generation Capacities in the Electricity Market Christian Schneller E.ON Netz GmbH, Bayreuth / Germany
The German Wind Power Experience – Integrating large Intermittent Generation Capacities in theElectricity Market
Christian SchnellerE.ON Netz GmbH, Bayreuth / Germany
Seite 2Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
I. Facts & Figures
II. Operational Challenges
III. Economic & Legal Challenges
IV.Conclusions
Agenda
Seite 3Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Wind Power Capacity
57,000
75,000
inst. cap. [in MW]
Sources: dena, EWEA
onshore
offshore
10,000
70,000
202020102007
22,09630,000
48,000
2010 20202006
180,000
Germany Europe
Seite 4Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Wind Power Geography
Germany 22,096 MW
E.ON Netz8,687 MW
40 % 17 %
D
EU 27 56,535 MW
Sources: EWEA, ISET
as of Dec 31, 2007
Seite 5Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
E.ON Netz`s Perspective
In 2007 renewables accounted for…
70% of E.ON Netz`s „revenues“
> 150.000 generators in E.ON`s grid zone
20% of gross power consumption within E.ON`s grid zone
> 500 km new eHV lines currently in authorization procedures
380 kV-LinesRenewables have become a significant operational and
economic factor.
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I. Facts & Figures
II. Operational Challenges
III. Economic & Legal Challenges
IV.Conclusions
Agenda
Seite 7Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
The wind blows wherever it pleases.
You hear its sound, but you cannot tell
where it comes from or where it is going.John
3,8
Seite 8Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
1st Challenge: Limited Availability…
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
Prop
ortion
of w
ind
pow
er in
grid
peak
load
in %
in 2
006
Jan Feb Mar AprilMayJuneJuly Aug Sept Oct NovDec
Back-up Capacity
The wind blows when
it wants.
“Wind Refinement
“
+
Seite 9Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
… requires sufficient Back-up Generation.
Wind power feed-in 2007 in E.ON grid: 26 MW - 7569 MW
„Capacity credit“ of German wind turbines: 8 % (2006) -> 5 % (2020)
Sufficient incentives for back-up generation?
From NIMBY to BANANA?
Back-up Capacity
“Refinement”
Who is responsible for “refinement”?
Seite 10Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
2nd Challenge: Limited Predictability…
Balancing Power
It is hard to tell when the wind will be
blowing
Example E.ON control area
Forecast Tools
+0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
00:00 h 03:00 h 06:00 h 09:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 00:00 h
feed-i
n [
MW
]
forecast
wind energy feed-in
+ 2130 MW
Seite 11Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
E.ON
Netz
P1
(t)
Pn(t)
Transformation
Pges= ΣaiPi + biPi2
+ ...
P(t
)
Backup… requires reliable Forecast Tools & Balancing Power.
Balancing Power
Forecast of Wind Speed & Direction
Forecast error and gradients rise with capacity
Will there be sufficient fast reacting generation units?
Seite 12Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
3rd Challenge: Different Location of Wind & Demand…
< 4 m/s
4 – 5 m/s
> 5 m/s
Grid Expansion
The wind blows where it wants
“Traffic Regulation”
+
Seite 13Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
…requires „traffic regulation“…
Priority Rules1. RES-E 2. CHP-E 3. New conventional plants 4. „The rest“
Generation ManagementTempory feed-in restrictions in case of 100% RES-E
Locational Signals Generators in Germany enjoy free access to the grid.RES-E producers get compensation payments for feed-in restrictions !!!
Technology SolutionsTemperature Monitoring & „hot cables“
Seite 14Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
… and Grid Expansion.
Source: dena grid study 2005
How to synchronize RES &
Infrastructure Development?
Overhead Lines or Underground
Cables?
Up to 2.700 km new/enforced eHV lines needed by 2020
8 years for authorization on average!
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I. Facts & Figures
II. Operational Challenges
III. Economic & Legal Challenges
IV.Conclusions
Agenda
Seite 16Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
RES Promotion: Effectiveness vs. Efficiency
Give Marketing & “Refinement” Responsibility to Generators
I. Feed-in System: „take & pay“ (and refinement) obligation for grid operators – guaranteed demand & fixed price for the generator
High investment safety but RES-E generators stay immatureII. Green Certificates: price & marketing (and refinement) risk for the generator
More efficiency oriented but risk premium increases RES-E subsidies
III. Bonus System: marketing risk & refinement responsibility on the generator, limited price risk
Possible compromise solution / 1st step towards market integration
Seite 17Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
RES-E Integration is a European Task (I)
INERNAL ELEMENTS
TIE LINES
P.
SK
FRY
CH
BA
MK
PL
FR
DK
HUAT
SI
GR
BG
D
FRY
AL
RO
PL
PT ES
FR
DK
HU
NL
SI HR
GR
BGIT
D
BE
CZ
P.
SK
FRY
CH
BA
MK
PL
FR
DK
HUAT
SI
GR
BG
D
FRY
AL
RO
PL
PT ES
FR
DK
HU
NL
SI HR
GR
BGIT
D
BE
CZopera
tionall
y
Seite 18Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbHSource: EWEA
UK2.389
Ireland805
Germany22.247
France2.454
Spain15.145
Portugal2.150
Italy2.726
Croatia17
Turkey146
Romania8
Greece871
Poland276
Czech Rep.116
Austria982Switzerland
12
Luxembourg35
Netherlands1.746
Belgium287
Denmark3.125
Norway333
Sweden788
Finland110
Lithuania50
Latvia27
Estonia 58
Slovakia6
Bulgaria70
Hungary65
Ukraine89
Wind Power in 2007EU: 56.535 MWTotal Europe: 57.136 MW
econom
icall
y
RES-E Integration is a European Task (II)
Seite 19Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
On March 13th, 2001 the ECJ ruled: The German renewables act hinders trade
in electricity and discriminates against foreign market participants; it is yet compatible with the EC Treaty at the „current state of community law“.
What would be the Court`s position as of September 16th, 2008?
RES-E Integration is a European Task (III)
legally
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The 2nd Renewables Directive…
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I. Facts & Figures
II. Operational Challenges
III. Economic & Legal Challenges
IV.Conclusions
Agenda
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Regulatory To-Do List
1)Accelerate approval procedures for new eHV lines & clear “traffic rules” to handle congestions
2)Ensure availability of sufficient back-up and balancing power
3)Marketing risk & refinement responsibility should be on the RES generators to allow for innovative solutions in system integration
4)Harmonize European RES promotion & coordinate system development among TSOs (ENTSO)
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Keep the balance!
Back-up
Seite 25Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
CO2-Emissions in % compared to 1990 levels
-25 %
-50 %
-75 %
-100 %
25 %
0 %
50 %
75 %
100 %
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Kyoto- 5,2 %
IEA / OECD
+ 57%
G8
IPCC- 80-95%
- 25-40% - 50%
Seite 26Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Reducing emissions and maintaining growth implies carbon productivity must increase by ten times
Index: 2008 = 1
Carbon productivity growth required:5.6 %/a
Real World GDP Growth at Current Trends*: 3.1 %/a
Emissions decrease to reach 20 GtCO2e by 2050: 2.4 %/a
Carbon productivity = GDP
GHG Emissions
*Global insight GDP forecast to 2037, extrapolated to 2050Source: MGI: The carbon productivity challenge
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
2010 2020 2030 2040 2050
Seite 27Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
How to make a revolution… ?
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300
10
0
8
6
4
2
Index: Year 0 = 1
Years
Carbon productivitygrowth required2008-50
US laborproductivity growth 1830-1955
Source: MGI: The carbon productivity challenge
Seite 28Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
EU Draft RES Directive: Trading with guarantees of origin
1 MWh RES-energy
Promotion of „green power“
RES-target fulfilment
Tradable by member states when fulfilling interim targets
Trading by companies, but: member states can limit import and export under specific conditions (if security of supply or environmental targets are threatened)
counts for the attainment of the national RES-target in country of payment
Every new built RES asset
Seite 29Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
UK2,8 Germany
1153
France²6,5
Spain60,5
Portugal0,5
Italy11,6
Greece1,3
Poland0,1
Czech Rep.0,2
Austria5
Netherlands0,5
Belgium2,1
Denmark0,2
Sweden0,7
Finland<0,1
Lithuania<0,1
Latvia<0,1
Estonia <0,1
Slovenia0,18
Solar Power Capacities in 2006
European Union1: 1246 MW
1)Estimation2)Overseas
departments included
Source: Photon
Seite 30Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Regulatory Issues
Micro – Regulation (Technical) Grid connection rules safeguard stabilizing
operational behaviour of wind farms („voltage funnel“) Guaranteed right to grid access - execution requires not
even a contract! Building Code – preferential treatment for new RES
installations Priority Rule for connection, access & transportation of
„green“ power
Macro - Regulation Market orientation of the support scheme European Harmonization of RES supportHow can RES become an Integral Part of the Internal
Electricity Market?
Seite 31Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Current Renewables footprint: 1,4 GW
Germany Wind Biomass Biogas Biomethane
123
1,231
Q1/2008: 1,354
584 245
250 228
6
OtherWind
Installed renewables capacity as of March 31, 2008 [MW] (excluding large hydro)
18
Spain Wind Biomass Small Hydro
Poland Wind
Denmark Wind
Sweden Wind BiomethaneUK
Wind Biomass
11
Portugal Wind
16
USA Wind
BiomassSmall HydroBiomethaneBiogasSolar
Seite 32Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Development of installed global and EU PV capacity
Source: European Photovoltaic Industry Association
Seite 33Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Wind power growth in Germany and EU
57,000
75,000
inst. cap. [in MW]
Sources: dena, EWEA
onshore
offshore
10,000
70,000
202020102007
22,09630,000
48,000
2010 20202006
180,000
Germany Europe
Seite 34Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
E.ON
Netz
P1
(t)
Pn(t)
Transformation
Pges= ΣaiPi + biPi
2 + ...
P(
t)
Forecasting wind power is critical !
Backup
Continual improvement through artificial neuronal networks
Forecast of wind speed & direction for 39 reference locations
Day-ahead feed-in prognosis for E.ON grid control area
Seite 35Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
I. Different dimensions
II. Three basic problems
III. Technical solutions
IV.Regulatory aspects
BACK-UP
Seite 36Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Forecast error rises with wind power capacity Growing need for balancing power More fast reacting generation units needed
Sufficient conventional generation remains indispensable
Minimum feed-in 2007 in E.ON grid: 26 MW (max. feed-in: 7569 MW)
Calculative „capacity credit“ of German wind turbines: 8 % (2006) -> 5 % (2020)
Wind power hardly substitutes conventional capacity
Back-up capacity
Balancing power
Seite 37Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Stochastic feed-in – conversion into supply profiles (I)“Wind energy refinement“
a) Day-ahead balancing between forecast and pre-defined supply profile
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2capa
city
in M
W
Pre-defined supply profile
wind power forecast
„surplus“
day-ahead balancing
power
„deficit“
Seite 38Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2
capa
city
in M
W
actual wind power
generation
wind powergenerationforecast
„deficit“Intra-daybalancing
„surplus“
Stochastic feed-in - conversion into supply profiles (II)“Wind energy refinement“
b) Intra-day balancing between prognosis and actual wind power generation
Seite 39Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Station AB8 B9
C1T1 T2
B1 B2
B3 B4 B5 B6 C7
C2
B7
Station AB8 B9
C1T1 T2
B1 B2
B3 B4 B5 B6 C7
C2
B7
1252 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123
123123123123123123123123
Station AB8 B9
C1T1 T2
B1 B2
B3 B4 B5 B6 C7
C2
B7
Station AB8 B9
C1T1 T2
B1 B2
B3 B4 B5 B6 C7
C2
B7
Control center
Bottleneck Management: Generation Management - an Interim Solution
To avoid critical overload
wind farms receiveelectronic signals to
reducefeed-in power
Once sufficient capacities
are available againoperators resume
unrestricted feed-in
Critical load level
Reduction signal
Signal: feed-in restriction
lifted again
Seite 40Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
I. Different dimensions
II. Three basic problems
III. Technical solutions
IV.Regulatory aspects
BACK-UP
Seite 41EC&R - June 2008
In Europe 20%
renewables until 2020
Key elements of the draft european renewables directive
Licenses
National support
systems and flexibility in
target fulfilment
through GoO trading
Grid access
Ambitioned development goals
Seite 42Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Key Points of the RES-Directive
EU - RES directive E.ON`s Position
20% overall RES target and burden sharing between member states (based on economic capability, not potentials)
Effort sharing not based on geographical RES potential, but on flatrate and GDP
Introduce limited flexibility via GoO-trade with restricted participation by companies
Targets provide long-term framework to establish RES in energy mix
Very ambitious targets require efficient use of renewables (boutique to industry)
E.ON supports targets by own activities
Flexiblity in target fulfillment of member states required
GoO-trade appropriate tool RES trade key for cost-efficient
EU-wide RES expansion 1st step into right direction,
further steps would be full opening of GoO-trade
Seite 43Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Governments and others can
resell in a secondary
market
The flow and transfer of guarantees of origin
GOs are sold with electricity to TSOs in exchange
for the feed-in tariff
GOs are sold to
TSOs in exchange
for the feed-in
premium
GOs are sold as green
certificates to
electricity suppliers
facing obligations
GOs are
sold to memb
er state gover
n-ments
GOs are sold to other
interested parties (banks,
suppliers, traders, NGOs)
GOs transferr
ed for tax
benefitsTransfe
r
Insurance
Cancellation
GOs cancelled by independent body
Producers of renewable energy are entitled to GOs
Seite 44Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Aktuelle Diskussion in EU-Parlament und EU-Rat
Vorschläge von Turmes und DE/UK/PL
E.ON`s Position
Herkunftsnachweise (GoOs) wie bisher nur für Vermarktungszwecke
Handel auf Unternehmensebene stark erschwert (Turmes) oder abgeschafft (DE/UK/PL)
Alternative Flexibilitätsmechanismen auf Ebene der Mitgliedsstaaten (statistische Zählung)
Beibehaltung des EU-KOM Vorschlags
Unternehmen kommt als Investoren und Händlern wichtige Rolle in der Realisierung des EE-Ausbaus zu, daher muss Handel auf Unternehmensebene zugelassen werden
Kein neues System erforderlich, da vorhandenes GoO-System bereits im internationalen Umfeld bewährt
Alternative Flexibilitätsmechanismen zu komplex für zeitnahe und rechtssichere Umsetzung
Seite 45Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Gegenargumente E.ON`s Position
Gefährdung der nationalen Zielerreichung“
„Unterminierung der nationalen Fördersysteme“
„Ausschluss neuer Technologien“
„Erzeugung von Wind Fall Profits in Höhe von 30 Mrd. €“
Schutzklauseln zur Steuerung des GoO-Handels geben ausreichende Kontrolle
Bestandsanlagen nicht einbezogen Zusätzliche Technologieförderung
möglich Nationale Fördersysteme kein
Selbstzweck Neue Technologien nicht gefährdet Teilnahme am GoO- Handel und
zusätzliche Förderung möglich Falsche Annahmen: Angaben zu 30
Mrd. € beruhen darauf, dass zu teure Technologien den Preis im GoO-Handel bestimmen
Zu hohe Windfall Profits gefährden EE-Förderung
Gegenargumente gegen GoO-Handel tragen nicht
Seite 46Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Argumente für GoO-Handel E.ON`s Position
Flexiblere Zielerfüllung führt zu erheblichen Kostenersparnissen
Studien belegen handfeste Kostenvorteile
„Ausschluss neuer Technologien“
„Erzeugung von Wind Fall Profits von 30 Mrd. €“
Folgekostenabschätzung KOM: GoO-Handel bewirkt Ersparnis von 8 Mrd. €
Pöyry-Studie für UK-Regierung: 7 Mrd. €
Schutzklauseln zur Steuerung des GoO-Handels geben ausreichende Kontrolle
Bestandsanlagen nicht einbezogen Zusätzliche Technologieförderung
möglich Nationale Fördersysteme kein
Selbstzweck Neue Technologien können am
GoO- Handel teilnehmen und zusätzliche Förderung erhalten
Falsche Annahmen: die angegebenen 30 Mrd € Windfall Profits beruhen darauf, dass zu teure Technologien den Preis im GoO-Handel bestimmen
GoO-Handel erzeugt Wettbewerbsdruck: Kosten für erneuerbare Energien sinken
Wichtige Argumente für einen GoO-Handel
Seite 47Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Gegenargumente tragen nicht
„Erzeugung von Wind Fall Profits von 30 Mrd. €“ Folgekostenabschätzung KOM: GoO-Handel bewirkt Ersparnis
von 8 Mrd. € Falsche Annahmen: die angegebenen 30 Mrd € Windfall
Profits beruhen darauf, dass zu teure Technologien den Preis im GoO-Handel bestimmen
GoO-Handel erzeugt Wettbewerbsdruck: Kosten für erneuerbare Energien sinken
„Ausschluss neuer Technologien“ Neue Technologien könnten am Handelssystem teilhaben und
sollten zusätzlich gezielte strukturpolitische Förderung erhalten
Seite 48
Warum ein GoO-Handel erforderlich ist
EU-weiter GoO-Handel bewirkt Wettbewerb und damit Kostenreduzierung
Nutzung der besten Potenziale
Schaffung von Wettbewerb im EE-Erzeugungsmarkt
Stärkeres Vorantreiben der technologischen Entwicklung
Ziel sollte die Ausschöpfung aller Effizienzpotenziale und die Heranführung der erneuerbaren Energien an eigenständige Marktexistenz sein.
Seite 49Wind Power Integration Christian Schneller, E.ON Netz GmbH
Fazit Die ambitionierten EU-Ziele für den Ausbau der
erneuerbaren Energien in der EU erfordern einen effizienten Förderrahmen.
Der europäische Handel mit Herkunftsnachweisen stellt hierfür eine ausbaufähige Grundlage dar.
Industrie- und Strukturpolitik müssen mit anderen Instrumenten umgesetzt werden. Ein europäischer Handel wird langfristig Kostenvorteile für den Endverbraucher generieren.
In diesem Rahmen kann E.ON mit den umfangreichen Aktivitäten der E.ON Climate&Renewables einen wichtigen Beitrag zum Ausbau der erneuerbaren Energien leisten.
KOM-Vorschlag für GoO-Handel gegenwärtig bester Lösungsansatz für diese Zielsetzungen