BOYSEN-TU Dresden-Graduiertenkolleg
Graz, 13. Februar, 2014
Mark Erndt
Innehalten und Ausblick: Optimierung/Flexibilisierung der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 2 13.02.2014
Gliederung
1. Innehalten/Einführung
2. Mathematisches Model
3. Erste Ergebnisse
4. Ausblick
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§ Sukzessive Abschaltung der Kernkraftwerke bis 2023
§ Weiterer Ausbau der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien
§ Vorrangige Einspeisung der volatilen Kraftwerke (PV/Wind)
Vorraussetzung für den gesamten Betrachtungszeitraum
Laut Energiewende- Konzept
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 4 13.02.2014
§ Die Stromerzeugung der konventionellen Kraftwerke (fossil, nuklear)
hängt von der Einspeisung Erneuerbarer Energien ab
• Der weitere Ausbau von PV/Windkraftanlagen wird zunehmend zum
wichtigsten Parameter der Stromerzeugungsstruktur
• Die gesellschaftliche Akzeptanz ist Grundvoraussetzung für die Umsetzung der Energiewende
Abgeleitete Bedingungen
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Durchzuführende Aufgaben auf dem Weg zum Ziel
Ø Prüfung, ob der Kraftwerkspark zukunftstauglich ist Zeithorizont 2011 – 2022 (Detailanalysen möglich)
Ø Besteht ein Bedarf an neuen Kraftwerken? Welche? Wieviele?
Ø Wo liegt die Grenze in der Stromerzeugung aus volatilen Kraftwerken?
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§ Identifikation von benötigten Kraftwerkstypen/-kapazitäten im Hinblick auf
- kurze An-/Abfahrzeiten
- hohe zulässige Lastgradienten
§ Erkennen von Lücken, die Stromimporte erfordern oder einen Blackout verursachen können
Wissenschaftliche Herausforderungen
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Wissenschaftliche Frage die beantwortet werden soll:
§ Was muss ein kurzfristiges Kraftwerkseinsatzplanungsmodell berücksichtigen, damit Aussagen über die Ausbauziele der Bundesregierung im Hinblick auf
- versorgungstechnische Eignung - gesellschaftliche Akzeptanz
getroffen werden können?
Versorgungssicherheit
Wettbewerbs- fähigkeit
Geringe CO2- Emissionen
Soziale Akzeptanz
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Verwendete Methoden
• Mathematische Modellierung der Wechselwirkungen einzelner Komponenten innerhalb des Kraftwerkssystems
• Ganzheitliche Optimierung
Verwendetes Werkzeug: • Regelkreis • GAMS (General Algebraic Modeling System)
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Gliederung
1. Innehalten/Einführung
2. Mathematisches Model 3. Erste Ergebnisse 4. Ausblick
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 10 13.02.2014
Planungsstufen der Kra/werkseinsatzplanung:
Vgl. Slomski et al.
• Langfrist Optimierung • Zeitraster 1 Tag – 1 Monat
• Kurzfrist Optimierung • Zeitraster ¼ h – 2 h
• Momentan Optimierung • Zeitraster 5 min – 15 min
Einteilung des Modells in die Kraftwerkseinsatzplanung
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Ø Mit jeder neuen Information der volatilen Stromeinspeisung und veränderter Nachfrage (Steuervariable) werden die Kontrollvariablen durch den Regler aktualisiert, damit Soll- und Istwert übereinstimmen
Modellbeschreibung (1/2)
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Modellbeschreibung (2/2)
1. Input- Tabellen
2. Optimierungs- Algorithmus
KW-/ Speicher-tabellen
Last
PV-/Wind-/ Biomasse-einspeisung
Import-/ Export-
kapazitäten
Parameter
Modellierung in GAMS à Lineare Programmierung (1 Optimierungsfunktion, 3 Zielfunktionen, 12 Funktionen für
Variablen und Parameter) à CPLEX-Solver à Kostenminimierung
3. Ergebnisse in Tabellenform
Leistung/ Auslastung
der KW
An-/Abfahr-/ Stillstandszeit
der KW
CO2-Emissionen/
Kosten der KW
Importe/ Exporte
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Mathematische Formulierung (1/2) Zielfunktion Kostenminimierung
𝐂𝐨𝐬𝐭↓𝐭 ≤𝟏−(∑𝐤↑▒█■𝐜↓𝐤 /𝟒 ∗𝐏↓𝐤,𝐭 + 𝐬𝐜𝐨𝐬𝐭↓𝐤,𝐭 + 𝐂𝐎𝟐↓𝐤 /𝟒 ∗𝐏𝐧𝐞 𝐭↓𝐤,𝐭 ∗𝐂𝐎𝟐↓𝐏𝐫𝐢𝐜𝐞 + 𝐛↓𝐤 /𝟒 ∗𝐏𝐧𝐞 𝐭↓𝐤,𝐭 +𝐔𝐄 𝐂↓𝐤,𝐭 + 𝐯𝐜𝐨𝐬𝐭↓𝐤,𝐭 −𝐄𝐱𝐩𝐨𝐫 𝐭↓𝐏𝐫𝐢𝐜𝐞 ∗𝐄𝐱𝐩𝐨𝐫 𝐭↓𝐭 )/ 𝐂↓𝐌𝐚𝐱
Brennstoffkosten in KW k
Thermische Verbrennungs- leistung in Zeitpunkt t des KW k
Start-Up-Kosten in Zeitpunkt t (des Anfahrens) des KW k
Aktueller CO2-Preis
Zusätzliche Lebenszykluskosten während des Betriebs in KW k
Überlastungskosten in Zeitpunkt t des KW k
Verschleißkosten (bei Laständerungen der KW) in Zeitpunkt t des KW k
Maximale Kosten
(1)
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Gliederung
1. Innehalten/Einführung
2. Mathematisches Model
3. Erste Ergebnisse
4. Ausblick
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 15 13.02.2014
Bei Erreichen der PV/Wind Ausbauziele in 2020 kann die Residuallast zu bestimmten Zeitpunkten auf wenige GW absinken
5.2.2011 34 GW Residuallast bei 20 GW EE-Einspeisung
Eigene Berechnungen in Anlehnung an die Einspeisewerte von Wind/PV
Zwischenergebnisse (1/3)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
31.01. 01.02. 02.02. 03.02. 04.02. 05.02. 06.02.
DruckluftS
PumpS
Export
EE
Öl
Gas
SKW
BKW
KKW
Leistung in MW
Zeit in Tage
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 16 13.02.2014
Zwischenergebnisse (2/3) Extrapolation auf 5.2.2020 17 GW Residuallast bei 40 GW EE-Einspeisung)
Eigene Berechnungen in Anlehnung an die Einspeisewerte von Wind/PV
Leistung in MW
Zeit in Tage 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
31.01. 01.02. 02.02. 03.02. 04.02. 05.02. 06.02.
DruckluftS
PumpS
Export
EE
Öl
Gas
SKW
BKW
KKW
Absenkung der Residuallast Erhöhung der
Residuallast
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 17 13.02.2014
Zwischenergebnisse (3/3) Der weitere Ausbau der Erneuerbaren Energien über das Jahr 2020 wird voraussichtlich zu negativen Residuallasten führen Folge für den Kraftwerkspark: - Konventionelle Kraftwerke müssen auf Mindestlast abgesenkt bzw.
abgeschaltet werden
Risiko für den Kraftwerkspark: - Kann der verbleibende Kraftwerkspark bei minimaler Residuallast einen
Leistungsanstieg bewältigen?
Eigene Berechnungen in Anlehnung an die Einspeisewerte von Wind/PV
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 18 13.02.2014
Gliederung
1. Innehalten/Einführung
2. Mathematisches Model
3. Erste Ergebnisse
4. Ausblick
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 19 13.02.2014
Deutschlandweite Bevölkerungsumfrage
1. Quartal 2014 Befragung der deutschen Bevölkerung zu: - Kosten - Emissionen - Versorgungssicherheit - Akzeptanz
Sept. 23rd to 28th, 2013
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 20 13.02.2014
Mathematische Formulierung der Randbedingung zur Implementierung von Akzeptanzfaktoren: Ø Die Begrenzung der Kosten setzt sich wie folgt zusammen:
𝐂_𝐀𝐢𝐦≥∑𝐤↑▒█■𝐜↓𝐤 /𝟒 ∗𝐏↓𝐤,𝐭 + 𝐬𝐜𝐨𝐬𝐭↓𝐤,𝐭 + 𝐂𝐎𝟐↓𝐤 /𝟒 ∗𝐏𝐧𝐞 𝐭↓𝐤,𝐭 ∗𝐂𝐎𝟐↓𝐏𝐫𝐢𝐜𝐞 + 𝐛↓𝐤 /𝟒 ∗𝐏𝐧𝐞 𝐭↓𝐤,𝐭 +𝐔𝐄 𝐂↓𝐤,𝐭 + 𝐯𝐜𝐨𝐬𝐭↓𝐤,𝐭 −𝐄𝐱𝐩𝐨𝐫 𝐭↓𝐏𝐫𝐢𝐜𝐞 ∗𝐄𝐱𝐩𝐨𝐫 𝐭↓𝐭
C_Aim: Maximalwert der Gesamtkosten
Mathematische Formulierung (2/2)
(2)
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 21 13.02.2014
Weitere Arbeiten
In welcher Form können weitere Parameter in das mathematische Modell aufgenommen werden? • Analyse der deutschen Kraftwerke
• Modellverbesserung
• Integration von Akzeptanzfaktoren als zusätzliche Parameter
• Risikobewertung
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 22 13.02.2014
Innehalten und Ausblick: Optimierung/Flexibilisierung der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 23 13.02.2014
Amprion (2014). Photovolatikeinspeisung.
Verfügbar unter: http://www.amprion.de/photovoltaikeinspeisung [21.01.2014]
Amprion (2014). Windenergieeinspeisung.
Verfügbar unter: http://www.amprion.de/windenergieeinspeisung [21.01.2014]
Beckmann, M., Hurtado, A. M. (2012). Sichere und nachhaltige Energieversorgung. In:
M. Beckmann & A.M. Hurtado (Hrsg.). 44. Kraftwerkstechnisches Kolloquium 2012. Dresden: TK Verlag.
Schubert, D., Selasinsky, A., Meyer, T., Schmidt, A., Thuß, S., Erdmann, N., Erndt, M., Möst,
D. (2013). Gefährden Stromausfälle die Energiewende? Einfluss auf Akzeptanz und Zahlungsbereitschaft. Energiewirtschaftliche Tageszeitung, 63(10), 35-39.
Spliethoff, H., Wauschkuhn, A., Schuhbauer, C. (2011). Anforderungen an zukünftige
Kraftwerke. Chemie Ingenieur Technik, 83(11),1792-1804.
Steck, M., Mauch, W., (2008). Technische Anforderungen an neue Kraftwerke im Umfeld
dezentraler Stromerzeugung. 10. Symposium Energieinnovation Graz, 1-13.
Tennet (2014). Tatsächliche und prognostizierte Solarenergieeinspeisung.
Verfügbar unter: http://www.tennettso.de/site/Transparenz/veroeffentlichungen/
netzkennzahlen/tatsaechliche-und-prognostizierte-solarenergieeinspeisung [21.01.2014]
Literatur (1/2)
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 24 13.02.2014
Tennet (2014). Tatsächliche und prognostizierte Solarenergieeinspeisung.
Verfügbar unter: http://www.tennettso.de/site/Transparenz/veroeffentlichungen/
netzkennzahlen/tatsaechliche-und-prognostizierte-solarenergieeinspeisung [21.01.2014]
Tennet (2014). Tatsächliche und prognostizierte Windenergieeinspeisung.
Verfügbar unter: http://www.tennettso.de/site/Transparenz/veroeffentlichungen/
netzkennzahlen/tatsaechliche-und-prognostizierte-windenergieeinspeisung
[21.01.2014]
TRANSNET BW (2014). Fotovoltaik.
Verfügbar unter: http://www.transnetbw.de/de/kennzahlen/erneuerbare-energien/
fotovoltaik [21.01.2014]
TRANSNET BW (2014). Windenergie.
Verfügbar unter: http://www.transnetbw.de/de/kennzahlen/erneuerbare-energien/
windenergie [21.01.2014]
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Verfügbar unter: http://www.50hertz.com/en/PV.htm [21.01.2014]
50hertz (2014). Wind power.
Verfügbar unter: http://www.50hertz.com/en/151.htm [21.01.2014]
Literatur (2/2)
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 25 13.02.2014 Sept. 23rd to 28th, 2013
Backup
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 26 13.02.2014
Wissenschaftlicher Mehrwert/Nutzen (1/2)
Ø Überschaubares Werkzeug mit der Möglichkeit
Eingabewerte zu ändern
Ø Klares, verständliches mathematisches Modell mit dem Kraftwerksparkvarianten berechnet und gesellschaftlich/politisch optimierte Szenarien entwickelt werden können
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 27 13.02.2014
Wissenschaftlicher Mehrwert/Nutzen (2/2)
• Das mathematische Modell kann umgehend Ergebnisse
zu folgenden Punkten liefern:
- Kosten - Versorgungssicherheit - CO2 Emissionen - Zusätzlich benötigte installierte Leistung - Überkapazitäten des Kraftwerksparks
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 28 13.02.2014
Der Regelkreis wird zur Beschreibung des Problems verwendet um: - das Zusammenspiel der wichtigsten Komponenten und Akteure des
Energiemarktes in Deutschland abzubilden
- eine übersichtliche/technisch korrekte Beschreibung der einzelnen Phänomene/Funktionen/Aufgaben des Kraftwerkssystems zu erstellen
- das Problem und die allgemeine Vorgehensweise anhand eines Grundgerüsts zu veranschaulichen
Modellbeschreibung (1/2)
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 29 13.02.2014
General Algebraic Modeling System – GAMS
• Erprobtes System, das als „high level system“ zur Optimierung von energiewirtschaftlichen Fragestellungen eingesetzt wird
• Die erzielten Ergebnisse können algebraisch gelesen werden
• Große Datenmengen mit nichtlinearen Zusammenhängen können durch Linearisierung der Gleichungen in GAMS unter Berücksichtigung entsprechender Charakteristika verringert werden:
- 410 Stromkraftwerke - 2 Energiespeichertechnologien
Modellbeschreibung (2/2)
Optimierung/Flexibilisierng der konventionellen Kraftwerkseinsatzplanung mit Hilfe von gesellschaftlicher Akzeptanz Folie Nr. 30 13.02.2014
Beispiel der verfügbaren Steuergröße (Kohlekraftwerke) im Gesamtsystem Ø Alle Kohlekraftwerke können bei einer Mindestleistung von 22.000
MW im Jahr 2011 betrieben werden (zum Vergleich: 55 GW installierte Leistung)
Grenzen der Kohlekraftwerksleistung: • Maximale Heißreserve (2011: 33.000 MW) • Minimale Leistung 40 % (für das bestehende Erzeugungssystem)
Risiken der Kohlekraftwerksleistung: • Abschaltung führt zu veränderten Korrosionsmechanismen/Ausfällen Eigene Berechnungen in Anlehnung an die Wirkungsgradkurve des Kohlekraftwerks “Schwarze Pumpe” von Vattenfall
Zwischenergebnisse