Zeitschrift für Energiewirtschaft

, Volume 33, Issue 1, pp 14–22

Neue Anforderungen an optimierende Energiesystemmodelle für die Kraftwerkseinsatz- und Zubauplanung bei begrenzten Netzkapazitäten

  • Marco Groschke
  • Anke Eßer
  • Dominik Möst
  • Wolf Fichtner
Erzeugung

Zusammenfassung

Veränderte energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen führen zu neuen Anforderungen an optimierende Energiesystemmodelle. Für Deutschland zeigt sich, dass aufgrund der Liberalisierung, mit der unternehmensrechtlichen Trennung von Erzeugung und Netz, sowie aufgrund von ambitionierten Zielen zum Ausbau der Windenergie eine starke räumliche und strukturelle Verschiebung von Erzeugungskapazitäten stattfindet. Das hat zur Folge, dass die bisher gängige Modellierung der Regionen als Kupferplatten, d. h. ohne die Berücksichtigung von Netzrestriktionen, zu suboptimalen Ergebnissen führen kann.

In den meisten Energiesystemmodellen besteht die Möglichkeit Energieaustauschkapazitäten über Flussobergrenzen zwischen den Regionen zu beschränken. Diese Art der Modellierung vernachlässigt jedoch den tatsächlichen elektrischen Lastfluss. Für die Berücksichtigung weiterer technischer Eigenschaften der Elektrizitätsübertragung bieten sich verschiedene Verfahren an. Ausgehend von der bisher weit verbreiteten Modellierung über Flussobergrenzen werden verschiedene — aus technischen Modellen stammende — Ansätze vorgestellt und ihre Anwendungsmöglichkeiten in Energiesystemmodellen diskutiert. Insbesondere wird auf die Verwendung des AC-(Alternating Current), des DC- (Direct Current) und des PTDF- (Power Transfer Distribution Factors) Ansatzes eingegan-gen und erste praktische Erfahrungen vorgestellt.

Abstract

Recent changes in energy economic frameworks conditions lead to new requirements for energy systems models. Particularly in Germany, structural and locational changes in the power plant sector can be observed. Above all, this is due to the liberalisation process entailing the legal unbundling of system operators and generation companies as well as to the ambitious aims for the extension of wind energy. Consequently, modelling energy systems as single node systems, in which network constraints are neglected, can lead to suboptimal results.

Most energy systems models offer the possibility to limit interregional energy exchange capacities. However, these so-called transhipment models normally neglect the actual load flows. Yet, there are several possibilities to adequately consider the characteristics of power transmission. In this paper, the most popular approaches, which are used in particular technical applications, such as the AC- (Alternating Current), the DC- (Direct Current) and the PTDF- (Power Transfer Distribution Factors) approach are introduced and discussed with respect to their application in energy systems models. In addition, first experiences with their implementations are presented.

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Literaturverzeichnis

  1. 1.
    Agnew, M.; Schrattenholzer, L. and Voß, A. (1979): A Model for Energy Supply System Alternatives and their General Environmental Impact, WP-79-9 ed., IIASA, Laxenburg, 1979.Google Scholar
  2. 2.
    Apfelbeck, J. et al. (2005): EMELIE-NET, A game theoretic approach including PTDF, in: 4th Conference on Applied Infrastructure Research, Berlin, Oktober 2005.Google Scholar
  3. 3.
    Arrillaga, J. and Watson, N. R. (2001): Computer Modelling of Electrical Power Systems, Second Edition, John Wiley & Sons, LTD, 2001, New York et al., 2001.Google Scholar
  4. 4.
    Barth, R. (2008): Stochastische Optimierung des Kraftwerks- und Netzbetriebs der verteilten Erzeugung, in: Optimierung in der Energiewirtschaft, VDI-Berichte Band 2018, verfügbar unter: www.netmod.org/download/Barth_VDI-Beitrag_Optimierung_Energiewirtschaft_2007.pdf (Abruf: 30.12.2008).
  5. 5.
    Bialek, J. and Zhou, Q. (2005): Approximate Model of European Interconnected System as a Benchmark System to Study Effects of Cross-Border Trades, in: IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 20, No. 2, S. 782–788, 2005.CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    BMU (2000): Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Vereinbarung zwischen der Bundesregierung und den Energieversorgungsunternehmen vom 14. Juni 2000, Berlin: BMU Referat für Öffentlichkeitsarbeit, 2000.Google Scholar
  7. 7.
    BNetzA (2006): BNetzA, Bericht für die Bundesnetzagentur, Ökonomische Bewertung verschiedener Engpassmanagementmethoden, durchgeführt von: frontier economics, consentec und IAEW, London, 2006.Google Scholar
  8. 8.
    CAISO (2005): Transmission Economic Assessment Methodology (TEAM), verfügbar unter: http://www.caiso.com (Abruf 19.12.2008).
  9. 9.
    Cheng, X. and Overbye, T. J. (2005): PTDF-Based Power System Equivalents, in: IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 20, No. 4, November 2005.Google Scholar
  10. 10.
    Dena (2005): Deutsche Energie-Agentur, Energiewirtschaftliche Planung für die Netzintegration von Windenergie in Deutschland an Land und Offshore bis 2020, Endbericht, verfügbar unter: www.dena.de (Abruf 20.03.2008).
  11. 11.
    Dewi (2008): Deutsches Windenergieinstitut, Windenergie in Deutschland Aufstellungszahlen für das erste Halbjahr 2008, verfügbar unter: www.dewi.de (Abruf: 21.11.2008).
  12. 12.
    Dietrich et al. (2005): Nodal Pricing in the German Electricity Sector — A Welfare Economic Analysis with Particular Reference to Implementing Offshore Wind Capacities (Forschungsbericht), Lehrstuhl für Energiewirtschaft, Dresden, 2005.Google Scholar
  13. 13.
    Duthaler, C. L. (2007): Power Transfer Distribution Factors, Analyse der Anwendung im UCTE-Netz, Masterarbeit an der Eidgenössischen Hochschule Zürich in Zusammenarbeit mit swissgrid, 2007.Google Scholar
  14. 14.
    EEG (2009): Erneuerbare Energiengesetz, Gesetz zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich und zur Änderung damit zusammenhängender Vorschriften, Fassung vom 25.10.2008.Google Scholar
  15. 15.
    Eßer, A.; Möst, D. and Rentz, O. (2008): Long-term power plant investment planning in Baden-Württemberg using a GIS-based nodal pricing approach, in: Proceedings of the 31st IAEE International Conference, Istanbul, 2008.Google Scholar
  16. 16.
    ETSO (2001): European Transmission System Operators: Definitions of Transfer Capacities in Liberalised energy markets, 2001.Google Scholar
  17. 17.
    ETSO (2007): European Transmission System Operators: Regional Flow-based allocations, State-of-play, verfügbar unter: www.etso-net.org (Abruf 22.11.2008).
  18. 18.
    Fichtner, W. (1999): Strategische Optionen der Energieversorger zur CO2-Minderung: ein Energie-und Stoffflussmodell zur Entscheidungsunterstützung, Erich Schmidt, Berlin, 1999.Google Scholar
  19. 19.
    Finon, D. (1974): Optimization Model for the Energy Sector, Energy Policy, No. 6, 1974, pp. 136–151.Google Scholar
  20. 20.
    Fishbone, L. G. and Abilock, H. (1981): MARKAL: A linear programming model for energy systems analysis, Technical Description of the BNL version, International Journal of Energy Research — 5/4, 1981, pp. 353–375.CrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Green, R. (2004): Electricity Transmission Pricing: How much does it cost to get it wrong?, Cambridge Working Papers in Economics from Faculty of Economics, University of Cambridge, verfügbar unter: http://tisiphone.mit.edu (Abruf 19.12.2008).
  22. 22.
    Happoldt, H. und Oeding, D. (1978): Elektrische Kraftwerke und Netze, Fünfte Auflage, Springer, Berlin et al., 1978.Google Scholar
  23. 23.
    Haubrich, H.-J. (2006): Technische Fragen beim Open Market Coupling (OMC), Studie im Auftrag der European Federation of Energy Traders und des Verbands der Elektrizitätswirtschaft e. V., Berlin; durchgeführt von: Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft; Forschungsgesellschaft Energie e. V., RWTH Aachen, 2006.Google Scholar
  24. 24.
    Hogan, W. W. (2006): Path Dependent Transmission Access, Revisiting the Open Access Transmission Tariff, in: Infocast Conference, Washington DC, Mai 2006.Google Scholar
  25. 25.
    Infrastruktur-Planungsbeschleunigungsgesetz (2006): Gesetz zur Beschleunigung von Planungsverfahren für Infrastrukturvorhaben, Fassung vom 09.12.2006.Google Scholar
  26. 26.
    Kumar, A.; Srivastava, S. C. and Singh, S. N. (2004): A zonal congestion management approach using AC congestion distribution factors, in: Electric Power System Research, Vol. 72, 2004, S. 85–93, 2004.CrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    Messner, S. (1984): User’s Guide for the Matrix Generator of Message II: Model description and implementation guide, IASA WP 84-71a, Laxenburg, 1984.Google Scholar
  28. 28.
    Messner, S. and Strubegger, M. (1999): Model-based decision support in energy plannning, International Journal of Global Energy Issues, Vol. 12, No. 1–6, 1999, pp. 196–207.Google Scholar
  29. 29.
    Möst, D. (2005): Zur Wettbewerbsfähigkeit der Wasserkraft in liberalisierten Elektrizitätsmärkten — Eine modellgestützte Analyse dargestellt am Beispiel des schweizerischen Energieversorgungssystems, Peter Lang, Karlsruhe, 2005.Google Scholar
  30. 30.
    Oeding, D. und Oswald, B. R. (2004): Elektrische Kraftwerke und Netze, 6. Auflage, Springer Verlag, Berlin et al., 2004.Google Scholar
  31. 31.
    Overbye, T. J.; Cheng, X. and Sun, D. (2004): A comparison of the AC and DC power flow models for LMP calculation, in: Proceedings of the 37th Hawai International Conference on System Science, 2004.Google Scholar
  32. 32.
    Powell, L. (2004): Power System Load Flow Analysis, McGraw-Hill, New York, 2004.Google Scholar
  33. 33.
    Purchala, K.; Meeus, L.; v. Dommelen, D. and Belmans, R. (2005): Usefulness for DC power flow for active power flow analysis, in: Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Annual Meeting, San Francisco, 2005.Google Scholar
  34. 34.
    Remme, U. (2006): Zukünftige Rolle erneuerbarer Energien in Deutschland: Sensitivitätsanalysen mit einem linearen Optimierungsmodell, IER-Forschungsbericht Band 99, 2006.Google Scholar
  35. 35.
    Schweppe, F.; Caraminis, M.; Tabor, R. and Bohn, R. (1988): Spot Pricing of Electricity, Kluver Academic Publishers, New York, 1988.Google Scholar
  36. 36.
    Spring, E. (2003): Elektrische Energienetze, VDE Verlag, Berlin, 2003.Google Scholar
  37. 37.
    Stamtsis, G. (2004): Power Transmission Cost Calculation in Deregulated Electricity Market, Logos, Berlin, 2004.Google Scholar
  38. 38.
    Starrmann, F. (2001): Entwicklung der Kraft-Wärme-Kopplung in liberalisierten Elektrizitätsmärkten, Schriften des Energiewirtschaftlichen Instituts, Bd. 56, Oldenbourg Industrieverlag, München, 2001.Google Scholar
  39. 39.
    Stigler, H. and Todem, C. (2004): Optimization of the Austrian Electricity Sector (Control Zone of VERBUND AG) under the Constraint of Network Capacities by Nodal Pricing, in: Central European Journal of Operations Research, 2004/13, S. 105–125.Google Scholar
  40. 40.
    StromNEV (2005): Verordnung über die Entgelte für den Zugang zu Elektrizitätsversorgungsnetzen (Stromnetzentgeltverordnung-StromNEV) vom 25.07.2005, in: Bundesgesetzblatt I, S. 2225.Google Scholar
  41. 41.
    ÜNB (2008): Erläuterung zum Regionenmodell „Stromtransport 2012“ der Übertragungsnetzbetreiber EnBW Transportnetze AG, E.ON Netz GmbH, RWE Transportnetz Strom GmbH, Vattenfall Europe Transmission GmbH, eine gemeinsame Analyse der Übertragungsnetzbetreiber, verfügbar unter: www.enbw.com (Abruf 21.11.2008).
  42. 42.
    Van der Voort, E.; Donni, E.; Thonet, C.; Bois D’Enghien, E.; Dechamps, C. and Guilmot, J. F. (1984): Energy Supply Modelling Package, EFOM-12C Mark I, Mathematical Description, Louvain-La-Neuve, 1984.Google Scholar
  43. 43.
    Weigt, H. (2006): A time-variant welfare economic analysis of a nodal pricing mechanism in Germany, in: Proceedings of the 5th Conference on Applied Infrastructure Research, Berlin, 2006.Google Scholar
  44. 44.
    Wolak, F.; Barber, B.; Bushnell, J. and Hobbs, B. (2004): Comments on the California ISO’s Transmission Expansion Assessment Methodology (TEAM), verfügbar unter: http://www.energy.ca.gov (Abruf 19.12.2008).
  45. 45.
    Zhou, Q. and Bialek, J. W. (2005): Approximate Model of European Interconnected System as a Benchmark System to Study Effects of Cross Border Trades, in: IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 20, No. 2, Mai 2005.Google Scholar

Copyright information

© Vieweg + Teubner | GWV Fachverlage GmbH 2009

Authors and Affiliations

  • Marco Groschke
  • Anke Eßer
    • 1
  • Dominik Möst
  • Wolf Fichtner
  1. 1.Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle ProduktionUniversität KarlsruheKarlsruheGermany

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