Erweiterung eines Modells zur Kraftwerkseinsatzoptimierung um die Berücksichtigung von Prognosefehlern

Diploma Thesis , 2014 , 111 Pages , Grade: 1,7

Engineering - Power Engineering

Für die kommenden Jahre wird aufgrund der klimatischen Rahmenbedingungen ein Wandel von einer konventionellen Stromerzeugung auf Basis fossiler Kraftwerke hin zu weitgehend aus erneuerbaren Energien gewonnenem Strom erwartet. Die höchsten Potentiale liegen hierbei in der Photovoltaik und der Windkraft, deren Ausbau in Europa derzeit politisch gefördert wird. Deren vorrangige Einspeisung unterliegt aufgrund der Dargebotsabhängigkeit einer hohen Volatilität und weist Prognoseunsicherheiten auf. Die Prognosefehler werden durch konventionelle Erzeugungsanlagen, Speichersysteme sowie Reservedienstleistungen ausgeglichen, deren Einsatz bereits heute hohe Kosten verursacht. Der kosteneffiziente Einsatz an Erzeugungskapazitäten erfordert somit eine detaillierte Erfassung von Prognoseunsicherheiten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Modellerweiterung eines bestehenden Verfahrens zur Kraftwerkseinsatzoptimierung, welches am Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IEAW) der RWTH Aachen entwickelt wurde.
Bereits heute sind die Prognosen im Kraftwerkseinsatz von essentieller Bedeutung. Mit dem Ausbau von weiteren dargebotsabhängigen Energiequellen steigt die Abbildung von Prognoseunsicherheiten auf der Erzeuger- sowie der Verbraucherseite deutlich an. In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl an Verfahren zur Prognose der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien entwickelt, die in Form von Prognosedienstleistungen zur Verfügung gestellt werden. Zur Abbildung der Prognoseunsicherheiten wurde im Rahmen dieser Arbeit ein deterministischer Ansatz gewählt. Dieser stellt ein Entscheidungsmodell unter Unsicherheit dar, in dem die zukünftigen Ausprägungen der entscheidungsrelevanten Daten als bekannt angenommen werden.
Im Rahmen der Arbeit wurde ein Verfahren zur Abbildung von Prognoseunsicherheiten in der Kraftwerkseinsatzplanung entwickelt, in ein bereits am IAEW bestehendes Verfahren implementiert und anschließend plausibilisiert. Dabei wurden unterschiedliche Optimierungstufen: Monatsrechnung und Rollierung eingeführt und an die Rechnungsvorschriften der Marktsimulation geknüpft. Die Ergebnisse der Modellerweiterung wurden anhand mehrerer Rechnungen im Detail plausibilisiert und auf Funktionalität überprüft.

Inhaltsverzeichnis

• Kurzfassung
• Abstract
• Inhaltsverzeichnis
• Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen
• 1 Einleitung
• 1.1 Hintergrund und Motivation
• 1.2 Ziele und Aufbau der Arbeit
• 2 Analyse
• 2.1 Überblick über die europäische Stromversorgung
• 2.1.1 Fortschritte in der Stromerzeugung der EU
• 2.1.2 Entwicklung des EE-Ausbaus in Europa
• 2.1.3 Europäischer Energiebinnenmarkt
• 2.1.4 Marktplätze im Stromgroßhandel
• 2.1.4.1 Terminmarkt für Strom
• 2.1.4.2 Stromhandel am Spotmarkt
• 2.1.4.2.1 Der Day-ahead-Handel für Strom
• 2.1.4.2.2 Kopplung der Spotmärkte
• 2.1.4.2.3 Der Intraday-Markt für Strom
• 2.1.4.3 Der Regelenergiemarkt
• 2.1.4.3.1 Primärregelleistung
• 2.1.4.3.2 Sekundärregelleistung
• 2.1.4.3.3 Minutenreserveleistung
• 2.1.5 Vermarktung von Strom aus dargebotsabhängigen Energiequellen
• 2.1.6 Marktaktivitäten im Rahmen des Bilanzkreismanagements
• 2.1.7 Ursachen für Bilanzungleichgewichte
• 2.1.7.1 Unsicherheiten auf der Verbraucherseite
• 2.1.7.2 Unsicherheiten auf der Erzeugerseite
• 2.1.7.2.1 Ausfälle konventioneller Kraftwerkseinspeisung
• 2.1.7.2.2 Einspeisung dargebotsabhängiger Erzeugung
• 2.2 Prognose der Stromerzeugung aus dargebotsabhängigen Energiequellen
• 2.2.1 Verfahren der Leistungsprognose
• 2.2.1.1 Eingangsdaten der Vorhersage
• 2.2.1.2 Fundamental-physikalische Verfahren
• 2.2.1.3 Statistische Verfahren
• 2.2.2 Prognosehorizont und zeitliche Auflösung
• 2.2.3 Analyse der Prognosequalität
• 2.2.4 Großräumige Prognose
• 2.2.5 Extreme Wetterereignisse in der Prognose
• 3 Modellbildung
• 3.1 Kraftwerkseinsatzplanung
• 3.2 Planungshorizonte und Modellierungsgenauigkeit
• 3.3 Systembereich
• 3.4 Thermisches System
• 3.5 Hydraulisches System
• 3.6 Dargebotsabhängige Einspeisung
• 3.7 Resultierende Optimierungsaufgabe
• 4 Verfahren
• 4.1 Marktsimulation
• 4.2 Lagrange-Relaxation
• 4.3 Verfahrenserweiterung um die Abbildung von Prognosefehlern in der Kraftwerkseinsatzoptimierung
• 4.3.1 Überblick über das Verfahren
• 4.3.2 Eingangsdaten und Parametrierung der Prognosewerte
• 4.3.3 Verfahrensablauf
• 4.3.4 Verfahren der Monatsrechnung
• 4.3.5 Verfahren der rollierenden Rechnung
• 4.3.6 Modellvereinfachung zur Reduktion des Rechenaufwands
• Exemplarische Untersuchungen

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Diplomarbeit widmet sich der Erweiterung eines Modells zur Kraftwerkseinsatzoptimierung, welches am Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IEAW) der RWTH Aachen entwickelt wurde. Die Zielsetzung ist die detaillierte Erfassung von Prognoseunsicherheiten in der Kraftwerkseinsatzplanung, um einen kosteneffizienten Einsatz von Erzeugungskapazitäten zu ermöglichen.

• Die zunehmende Bedeutung von erneuerbaren Energien, insbesondere Photovoltaik und Windkraft, führt zu einer erhöhten Volatilität und Prognoseunsicherheit in der Stromversorgung.
• Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Abbildung dieser Prognoseunsicherheiten.
• Die Implementierung und Plausibilisierung des Verfahrens in einem bestehenden Optimierungsmodell stehen im Vordergrund.
• Die Arbeit untersucht verschiedene Optimierungsstufen und deren Auswirkungen auf die Kraftwerkseinsatzplanung.
• Der Fokus liegt auf der Analyse und Bewertung der Ergebnisse der Modellerweiterung.

Zusammenfassung der Kapitel

Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die den Hintergrund und die Motivation der Arbeit erläutert sowie die Ziele und den Aufbau der Arbeit beschreibt. Im zweiten Kapitel wird ein Überblick über die europäische Stromversorgung gegeben, wobei die Fortschritte in der Stromerzeugung der EU, die Entwicklung des EE-Ausbaus in Europa und der europäische Energiebinnenmarkt beleuchtet werden. Des Weiteren werden die Marktplätze im Stromgroßhandel, die Ursachen für Bilanzungleichgewichte und die Prognose der Stromerzeugung aus dargebotsabhängigen Energiequellen behandelt.

Das dritte Kapitel befasst sich mit der Modellbildung, wobei die Kraftwerkseinsatzplanung, die Planungshorizonte und Modellierungsgenauigkeit sowie die verschiedenen Systembereiche und deren Eigenschaften erläutert werden.

Kapitel 4 präsentiert die verwendeten Verfahren, darunter die Marktsimulation, die Lagrange-Relaxation und die Verfahrenserweiterung um die Abbildung von Prognosefehlern in der Kraftwerkseinsatzoptimierung. Die Arbeit endet mit exemplarischen Untersuchungen, die die Funktionsweise und die Ergebnisse der Modellerweiterung illustrieren.

Schlüsselwörter

Die Arbeit beschäftigt sich mit den Themen der Kraftwerkseinsatzoptimierung, Prognoseunsicherheiten, erneuerbare Energien, Stromversorgung, Marktsimulation, Lagrange-Relaxation, Monatsrechnung, rollierende Rechnung, Modellierung, Optimierung, und Bilanzkreismanagement. Die Arbeit bezieht sich auf den Ausbau von erneuerbaren Energien, die damit verbundenen Herausforderungen in der Stromversorgung und die Notwendigkeit, Prognoseunsicherheiten in der Kraftwerkseinsatzplanung zu berücksichtigen.

• College: RWTH Aachen University (Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW))
• Grade: 1,7
• Author: Victor Lotz (Author)
• Publication Year: 2014
• Pages: 111
• Catalog Number: V279476
• ISBN (eBook): 9783656724742
• ISBN (Book): 9783656724735
• Language: German
• Tags: erweiterung, modells, kraftwerkseinsatzoptimierung, berücksichtigung, prognosefehlern