Erweiterung eines Modells zur Kraftwerkseinsatzoptimierung um die Berücksichtigung von Prognosefehlern

Inhaltsverzeichnis

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

5 Exemplarische Untersuchungen

5.1 Vorstellung des Modells

5.2 Plausibilisierung der Modellerweiterung

5.2.1 Monatsrechnung

5.2.2 Rollierende Rechnung

6 Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Erweiterung eines fundamentalen Simulationsmodells zur Kraftwerkseinsatzplanung, um die Unsicherheiten bei der Stromerzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Photovoltaik präziser abzubilden. Das primäre Ziel ist es, ein deterministisches Entscheidungsmodell unter Unsicherheit zu entwickeln, das eine effiziente Einsatzplanung der Erzeugungsanlagen ermöglicht und die Auswirkungen von Prognosefehlern auf die Betriebsoptimierung quantifizierbar macht.

• Grundlagen der europäischen Stromversorgung und des Stromhandels
• Prognoseverfahren für erneuerbare Energien und deren Unsicherheiten
• Methodische Modellbildung der Kraftwerkseinsatzplanung
• Implementierung eines mehrstufigen Optimierungsverfahrens (Monatsrechnung und rollierende Rechnung)
• Plausibilisierung der Modellerweiterung anhand praktischer Untersuchungsszenarien

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Die Arbeit motiviert die Modellerweiterung vor dem Hintergrund der Energiewende und definiert das Ziel, Prognosefehler volatiler erneuerbarer Energien in der Kraftwerkseinsatzplanung zu berücksichtigen.

2 Analyse: Dieses Kapitel gibt einen detaillierten Überblick über den europäischen Strommarkt, die Bedeutung von Prognosen, die Funktionsweise von Spot- und Regelenergiemärkten sowie die Ursachen für Prognosefehler und Bilanzungleichgewichte.

3 Modellbildung: Hier werden die Grundlagen des Simulationsmodells für die Kraftwerkseinsatzplanung sowie die Systembereiche (thermisches und hydraulisches System) und die Modellierung der dargebotsabhängigen Einspeisung erläutert.

4 Verfahren: In diesem zentralen Kapitel wird die Erweiterung der Marktsimulation um die Prognoserechnung mittels Monatsrechnung und rollierender Rechnung detailliert beschrieben, einschließlich der technischen Hilfsroutinen zur Datenübergabe.

5 Exemplarische Untersuchungen: Anhand von Szenarien wird die Funktionalität und Plausibilität der Modellerweiterung demonstriert, wobei der Fokus auf dem Datentransfer zwischen den verschiedenen Optimierungsstufen liegt.

6 Zusammenfassung und Ausblick: Die Arbeit schließt mit einer Bilanz der erreichten Ziele und diskutiert Möglichkeiten für zukünftige Modellausdehnungen, etwa durch probabilistische Prognosen.

Schlüsselwörter

Kraftwerkseinsatzplanung, Prognosefehler, Erneuerbare Energien, Marktsimulation, Regelenergie, Spotmarkt, Bilanzkreismanagement, Windenergie, Photovoltaik, Optimierungsmodell, Lagrange-Relaxation, Prognoseunsicherheit, Energiewirtschaft, Strommarkt, Rollierende Rechnung.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung des Kraftwerkseinsatzes unter Berücksichtigung von Prognoseunsicherheiten, die durch den zunehmenden Anteil volatiler erneuerbarer Energien entstehen.

Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?

Zu den zentralen Themen gehören die europäische Stromversorgung, der Handel an Großhandelsmärkten, die physikalisch-technische Modellierung von Kraftwerken sowie die Integration von Prognosen in Optimierungssysteme.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Das Ziel ist die Erweiterung eines bestehenden Simulationsmodells, um die Auswirkungen von Prognosefehlern bei der Einspeisung aus Wind und Sonne auf die optimale Einsatzplanung von Kraftwerken detailliert zu erfassen und zu quantifizieren.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Die Arbeit nutzt einen deterministischen Ansatz und eine mehrstufige Optimierung, bestehend aus einer Jahresrechnung, einer Monatsrechnung und einer rollierenden Planung auf Basis von Lagrange-Relaxation.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil analysiert die Marktdynamik, erläutert die Modellbildung der verschiedenen Kraftwerkstypen und stellt das entwickelte Verfahren zur Modellerweiterung sowie dessen Plausibilisierung durch Testrechnungen dar.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die Arbeit wird durch Begriffe wie Kraftwerkseinsatzplanung, Prognosefehler, erneuerbare Energien, Marktsimulation und Regelenergie charakterisiert.

Wie unterscheidet sich die rollierende Rechnung von der Jahresrechnung?

Während die Jahresrechnung einen langfristigen Überblick bietet, ermöglicht die rollierende Rechnung eine kurzfristige, sukzessive Aktualisierung der Einsatzpläne auf Basis neuer Prognosedaten, um flexibler auf Prognosefehler reagieren zu können.

Welche Rolle spielen die hydraulischen Systeme in diesem Modell?

Hydraulische Systeme wie Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke dienen als flexible Ausgleichsoptionen, um Schwankungen der Residuallast auszugleichen, weshalb ihre exakte Modellierung für das Modell von großer Bedeutung ist.