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13.11.2014 1
Windkraft
Wirtschaftlichkeitsrechnung -
eine systemdynamische Analyse
Vortrag zur Masterthesis im Rahmen der CIB 2014
im Studiengang: Industrial Management
bearbeitet von: Simon Redlinger
Betreuung durch: 1. Prof. Dr.-Ing. Axel Löffler
2. Prof. Dr. oec. Robert Rieg
CIB – Simon Redlinger
13.11.2014 2
1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
Inhalt
13.11.2014 3
1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
13.11.2014 4
Motivation / Problemstellung
● Entscheidungsprozess im Konflikt unterschiedlicher Zielvorstellungen der
beteiligten Parteien.
CIB – Simon Redlinger
Kommunen
z. B.
Kommunalpolitische Ziele
Bürger
z. B.
Landschaftsbildliche
Ziele
Politik
z. B.
Energiepolitische Ziele
Investoren
z. B.
Monetäre Ziele
Abschnitt 1 – Motivation / Problemstellung
● Bewertung der Investitionsentscheidung anhand monetärer Ziele.
● Möglichkeiten der Investitionsentscheidung für Windkraftprojekt:
Ja/Nein-Entscheidung
Auswahlentscheidung
● Kapitalwert als entscheidungsrelevante Zielgröße.
● Ziel: Zahlungsströme dynamisch abbilden.
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Ja / Nein
Entscheidung
Standort A Standort B Auswahl-
entscheidung
Standort A Standort B
WKA Typ 1 Ja / Nein Ja / Nein WKA Typ 1
WKA Typ 2 Ja / Nein Ja / Nein WKA Typ 2
Motivation / Problemstellung – Zielgröße
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 1 – Motivation / Problemstellung
13.11.2014 6
1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
Gewinnziel
Gewinndifferenz
Verkaufsanstrengung
RealisierterGewinn
+
+
+
-
B
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Methodik
● Abbildung und Analyse von komplexen Systemen aus Wirtschaft, Technik,
Umwelt und Gesellschaft mit Hilfe der System Dynamics (SD).
● Qualitative Beschreibung der Wirkungsstrukturen (mit Rückkopplungen)
durch Wirkungsgraphen erklärendes Modell vs. beschreibendes Modell.
Quelle: Sterman, John D.: Business Modeling, 2000, S. 52
Quelle: eigene Darstellung nach: Homepage HTW Aalen
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 2 – System Dynamics – Methodik
● Übergang zu quantitativer Modellbeschreibung (graphisch und mathematisch)
mit Hilfe von Systemgrößen.
● allgemein:
● Beispiel:
13.11.2014 8
Quantitative Modelle
Quelle: Sterman, John D.: Business Modeling, 2000, S. 52
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 2 – System Dynamics – Methodik
Systemgrößen zur quantitativen Modellbeschreibung:
1. Vorgabegrößen:
• konstant oder zeitabhängig, jedoch ohne Reaktion auf Systementwicklung.
2. Zwischengrößen:
• Verbindunggrößen zwischen Zustandsgrößen, Vorgabegrößen und anderen
Zwischengrößen. Beschreibung durch algebraische oder logische Funktionen.
3. Zustandsgrößen:
• Speichergrößen, die die Geschichte des Systems beschreiben. Werden durch
Differentialgleichung repräsentiert:
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Systemgrößen
Quelle: eigene Darstellung nach Bossel, Hartmut: Systeme, Dynamik, Simulation, 2004, S.89
BevölkerungGeburten Sterbefälle
+ +R B
GEBURTENRATE STERBERATE
+ +
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 2 – System Dynamics – Methodik
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1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
Kapitalwertdiskontierte
Einzahlungendiskontierte
Auszahlungen
konformerunterjähriger Zinssatz
KALKULATIONSZINSSATZ
+
- -<Time>
<TIME STEP>
Einspeiseerlöse Betriebskosten
+ +
Qualitatives Teilmodell zur Berechnung des Kapitalwerts:
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Zustandsgröße Kapitalwert
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 3 – Einfaches NPV-Modell
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Matrix der Zahlungskomponenten
Quelle: eigene Darstellung nach Stefan, Tobias: Investitionsrechnung von Projekten in Windkraftanlagen, 2007, S. 36
Zeitlicher Wiederholungscharakter
einmalig periodisch
Zah
lun
gskate
go
rie
Au
szah
lun
g Anschaffungsauszahlung:
- Kaufpreis der Anlage
- Kosten f. Netzanbindung & Verkabelung
- Kosten für Baumaßnahmen
- Kosten der Projektentwicklung
- Sonstige Kosten
Zahlungswirksame Betriebskosten:
- Instandhaltungskosten
- Versicherungskosten
- Grundstückskosten
- Steuern
- Nebenkosten
Ein
zah
lun
g
--- Einspeiseerlöse
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 3 – Einfaches NPV-Modell
Ausgewählte wichtige Modellannahmen:
Anlage wird schlüsselfertig gekauft. Alle davor anfallenden Kosten werden
zur Anschaffungsauszahlung zusammengefasst.
Betriebsbeginn am 01. Januar eines Jahres.
Steuerliche Wirkungen bleiben unberücksichtigt.
Keine Preissteigerungen.
Kein Resterlös nach Betriebsende.
Erhalt der Einspeiseerlöse erfolgt kontinuierlich.
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Modellannahmen
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 3 – Einfaches NPV-Modell
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Zwischengrößen / Vorgabegrößen
Schnittstelle
Einzahlungen (Folie 11)
Einspeiseerlöse
EEG Grundvergütung
+
+
PachtkostenBetriebskosten
Versicherungs
kosten
+
+
+
+
PACHTQUOTE
+
Theoretischer
Energieertrag
Instandhaltungskosten
TECHNISCHE
VERFÜGBARKEIT
tatsächlicher
Energieertrag
++
<Time>
+
+
+
EEG-REFERENZERTRAG
verlängerte
Laufzeit
-+
+
EEG-Anfangsvergütung
+
SPEZIFISCHEINSTANDHALTUNGS
KOSTEN
+
<ANSCHAFFUNGSAUSZAHLUNG>
SDL-BONUS
+
Maschinenversicherung
Betriebsunterbrechungsversicherung
HAFTPFLICHTVERSICHERUNG
+
+
+
++
Sonstige Kosten
+
+
VERSICHERUNGS
QUOTE
QUOTE SONSTIGE
KOSTEN
+
+
+
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 3 – Einfaches NPV-Modell
Schnittstelle
Auszahlungen (Folie 11)
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Zwischenfazit – Basismodell NPV
● Zusammenhänge größtenteils aus gesetzlichen Regelungen und pauschalen
Literaturwerten und Zusammenhängen.
● Keine Rückkopplungen.
● Zahlungsströme sind statisch Rentenbarwertformel (bei gleichbleibender
Vergütung).
● Instandhaltungskosten und somit zentraler Teil der Betriebskosten ergeben
sich nicht aus Systemstruktur „black box“.
● Ziel: Zahlungsströme dynamisch implementieren/ zeitliche Struktur abbilden.
R
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 3 – Einfaches NPV-Modell
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1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
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Modellerweiterung – dynamische Zahlungsströme
● Struktur größtenteils vorgegeben, d.h. zum Beispiel durch gesetzliche
Regelungen.
● Dynamik auf Ein- und Auszahlungsseite vor allem durch Energieertrag und
Instandhaltungskosten.
Energieertrag unterliegt stochastischen Prozessen, d.h. Wetter bzw.
Klimavorgängen und der technischen Verfügbarkeit.
Instandhaltungskosten sind abhängig vom Instandhaltungskonzept, Alter
der Anlage etc.
● Zusammenhänge der technischen Verfügbarkeit und der
Instandhaltungskosten erkennen und strukturell abbilden (erweitertes NPV-
Modell).
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
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Modellerweiterung – Literatur (Stand der Technik)
Ansatz zur beschreibenden Modellierung der Betriebskosten:
0 5 10 15 200
5
10
15
20
25
30
Betriebsjahr [Jahr]
spez
ifis
che
Bet
rieb
sko
sten
[€
/MW
h/J
ahr]
Stufenfunktion nach BWE 2002 Studie
Exponentialfunktionsansatz, C1(t)
Quelle: eigene Darstellung nach Albers, Axel: O&M Cost Modelling, Technical Losses and Associated Uncertainties, 2009, S. 2
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
CIB – Simon Redlinger
13.11.2014 19
Modellerweiterung – SD-Ansatz
jährlicheVerfügbarkeitszeit
Einspeiseerlöse
Betriebskosten
THEORETISCHERENERGIEERTRAG
Abnutzung undDefekte
Instandhaltung
Notwendigkeit fürInstandhaltung
JAHRESSTUNDENZAHL
-
+
Instandhaltungsaufwand
technischeVerfügbarkeit
-
+
VERSCHLEIßRATE
spezifischeInstandhaltungskosten
Instandhaltungsbudget <Time>
MIN SPEZIFISCHEINSTANDHALTUNGSKOSTEN
B1
+
+
B2
R1
+
+tatsächlicherEnergieertrag
+
-
+
+
BUDGETQUOTE
+
+
+
+
+
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
Ansatz zur erklärenden Modellierung der Betriebskosten (eNPV-Modell):
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Simulationsergebnis – technische Verfügbarkeit
technische Verfügbarkeit
1
0.975
0.95
0.925
0.9
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Betriebsjahr [Jahr]
Dm
nl
technische Verfügbarkeit: eNPV-Referenzszenario
technische Verfügbarkeit: Kapitel 4.3.1
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
Betriebskosten
30,000
22,500
15,000
7,500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Betriebsjahr [Jahr]
€/Y
ear
Instandhaltungsbudget : eNPV-Referenzszenario
Versicherungskosten : eNPV-Referenzszenario
Pachtkosten : eNPV-Referenzszenario
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Simulationsergebnis – Betriebskosten
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
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Simulationsergebnis – Kapitalwert
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
Kapitalwert
0
-750,000
-1.5 M
-2.25 M
-3 M
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time (Year)
€
Kapitalwert : eNPV-Referenzszenario
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Kurzzusammenfassung
● Im einfachen Kapitalwertmodell werden Zusammenhänge aus den Grundlagen
und den Zahlungsströmen eines Windkraftprojekts dargestellt.
● Da Kapitalwertmethode Betrachtung der zeitlichen Struktur benötigt, werden
Instandhaltungskosten und technische Verfügbarkeit dynamisch
betrachtet.
● Im Gegensatz zum Literaturansatz wird Verhalten erklärt und nicht nur
beschrieben.
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 4 – Dynamisches NPV-Modell
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1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
13.11.2014 25
Risikoanalyse – Einführung
Unsicherheiten der zukünftigen Zahlungsströme:
Anschaffungsauszahlung: Risiko durch Modellannahme eliminiert.
Absatzpreis und -menge: durch EEG-Regelung kein Risiko.
Verlauf der Versicherungs- und Pachtkosten an Anschaffungsauszahlung
bzw. Einspeiseerlöse gekoppelt. Instandhaltungskosten durch Modellstruktur
determiniert.
Einspeiseerlöse: hohes Risiko, da an Windaufkommen gekoppelt.
Anwendung der Risikoanalyse am Referenzszenario:
Normalverteilte Unsicherheit beim berechneten Energieertrag von +/- 10 %.
Damit kann Erwartungswert und Standardabweichung festgelegt werden.
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 5 – Risikoanalyse
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Risikoanalyse – Ergebnis
Risikoanalyse eNPV-Modell
50% 75% 95% 100%
Kapitalwert
0
-750,000
-1.5 M
-2.25 M
-3 M0 5.000 10.00 15.00 20.00
Time (Jahr)
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 5 – Risikoanalyse
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1. Motivation / Problemstellung
2. System Dynamics – Methodik
3. Einfaches NPV-Modell
4. Dynamisches NPV-Modell
5. Risikoanalyse
6. Zusammenfassung / Ausblick
CIB – Simon Redlinger
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Zusammenfassung – Modellerweiterung
● Bewertung eines Windkraftprojekts erfolgt auf Basis des Kapitalwertes.
● Dazu notwendig ist Betrachtung des Cashflows. Dynamik wird v.a. bestimmt
durch Windaufkommen und Instandhaltungskosten.
● System Dynamics - Methodik zur Modellierung der Instandhaltungskosten, da
Wind durch stochastische Verhalten nicht durch Wirkungsbeziehungen zu
beschreiben ist.
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 6 – Zusammenfassung / Ausblick
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● Integration der Zielvorstellung einer Kommune. Zusammenhang über Pacht-
und Steuerzahlungen und evtl. freiwilligen Leistungen des Inverstors.
● Verknüpfung mit Modellen die die Verbreitung der Windkraft beschreiben.
● Detailliertere Beschreibung des Instandhaltungsprozesses um daraus
Instandhaltungsstrategien abzuleiten Einsparpotential.
● Generell große Anwendungsmöglichkeiten der System Dynamics für das
Controlling Prof. Dr. Robert Rieg, HTW Aalen.
Ausblick – Möglichkeiten
CIB – Simon Redlinger
Abschnitt 6 – Zusammenfassung / Ausblick
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Vielen Dank !
AufmerksamkeitInteresse
+
Verständnis+
+
R
CIB – Simon Redlinger
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● Albers, Axel: O&M Cost Modelling, Technical Loses and Associated
Uncertainties, 2009.
● Bossel, Hartmut: Systeme, Dynamik, Simulation; Norderstedt: Books on
Demand, 2004a.
● HTW Aalen: Flyer Studiengang Applied System Dynamics; URL:
http://www.htw-aalen.de/dynamic/img/content/studium/asd/asd_flyer.pdf, 2014.
● Sterman, John: Business dynamics; Boston: Irwin/McGraw-Hill, 2000.
● Tobias, Stefan: Investitionsrechnung von Projekten in Windkraftanlage;
Hamburg; Diplomica, 2007.
Literaturverzeichnis
CIB – Simon Redlinger
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