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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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DISSERTATIONEN Für den

DISSERTATIONEN Für den betrachteten Zeithorizont sind nicht alle Eingangsdaten deterministisch. Bild 1 zeigt neben dem betrachteten System die Unsicherheiten, die im Rahmen der Optimierung berücksichtigt werden müssen. 2.2 Thermische Kraftwerke In im Praxiseinsatz befindliche Verfahren zur Kraftwerkseinsatzplanung, die zumeist ein stündliches Zeitraster verwenden, werden thermische Kraftwerke nach dem Stand der Technik, d. h. Abbildung der Mindestzeiten, quadratischer Wärmeverbrauch etc., modelliert [5]. Bei einer untertäglichen Planung im Viertelstundenraster müssen zusätzlich zu diesen Modellierungsaspekten weitere Eigenschaften berücksichtigt werden. Darunter fällt die Berücksichtigung der maximalen Leistungsgradienten ΔP max , da nicht alle thermischen Kraftwerke ihren Leistungsbereich innerhalb von 15 Minuten durchfahren können [4]. Weiterhin muss in einem untertäglichen Planungsverfahren eine möglichst exakte Abbildung des Anfahrvorgangs modelliert werden, da die Erzeugung während der Anfahrt nicht vernachlässigt werden kann [4]. Zudem kann die Abbildung von Kraftwerksausfällen, wie in mittelfristigen Planungsverfahren üblich, nicht über eine Leistungsreduktion erfolgen, sondern muss für nicht disponible Ausfälle möglichst realistisch und somit leistungsgenau abgebildet werden [4]. 2.3 Hydraulische Kraftwerke Durch das im Rahmen der untertäglichen Planung verwendete Viertelstundenraster muss die Laufzeit des Wassers zwischen zwei Speicherbecken berücksichtigt werden. Während diese Laufzeit bei Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken irrelevant ist, liegen die Laufzeiten von Laufwasserkraftwerken teilweise im Stundenbereich. Da in kurzfristigen Planungsverfahren eine leistungsgenaue Betrachtung notwendig ist, müssen bei Pumpspeicherkraftwerken diskrete Betriebszustände berücksichtigt werden, da nicht alle Anlagen einen regelfähigen Pumpbetrieb zulassen. Hydraulische Kraftwerke haben hohe Leistungsgradienten, kurze Aktivierungszeiten und eine hohe Verlässlichkeit, so dass hydraulische Kraftwerke in dem hier zu entwickelnden Planungsverfahren nach dem Stand der Technik zzgl. der Berücksichtigung von Laufzeiten bei Laufwasserkraftwerken sowie diskreten Pumpwerten modelliert werden können. 2.4 Planungsunsicherheiten Während die Preisunsicherheiten am Spot-, Intraday- und Minutenreservemarkt sowie die Anforderung der Reservearbeit durch das Verfahren der Szenarienanalyse [6] abgebildet werden können, würde die Abbildung der Ausfälle thermischer Kraftwerke einen starken Anstieg der Szenarienanzahl in der Szenarienanalyse zur Folge haben, wodurch die für den operativen Einsatz notwendige kurze Rechenzeit eines Verfahrens zur untertäglichen Planung des Kraftwerksbetriebs nicht gewährleistet werden kann. Um die Rechenzeit nicht stark zu verlängern und trotzdem eine leistungsrichtige Betrachtung von Kraftwerksausfällen zu ermöglichen, ist eine nachgeschaltete Bilanzierung möglich. Hierbei wird nach Abschluss der Bilanzierung für jedes Kraftwerk entsprechend der zugehörigen Ausfallhäufigkeit und Ausdauer eine Ausfallziehung durchgeführt. In der ersten Stunde eines Ausfalls wird die fehlende Energie über einen Reservevertrag gedeckt, während für die weiteren Stunden die ausgefallene Leistung über den Intradaymarkt gedeckt wird. 3 Verfahren Zur Lösung des der untertäglichen Optimierung zu Grunde liegenden Optimierungsproblems stehen prinzipiell zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung: Eine geschlossene Lösung oder ein Zerlegungsansatz. Verschiedene Literaturaussagen sowie eigene Voruntersuchungen lassen den Zerlegungsansatz als den hinsichtlich der Rechenzeit besten Lösungsansatz erscheinen. Aus diesem Grund wurde der Zerlegungsansatz nach Lagrange zur Lösung der untertäglichen Planungsaufgabe gewählt. Bild 2 zeigt den Überblick des verwendeten Verfahrens. therm. KW Einlesen und Aufbereitung der Eingangsdaten 1. Optimierungsstufe: Lagrange Relaxation hydr. KW Koordinationsstufe Spotmarkt Ganzzahligkeits- entscheidungen 2. Optimierungsstufe: Energieaufteilung Bilanzierung und Ausgabe Bild 2: Verfahrensüberblick Intradaymarkt Markt für MR 32 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

Nach dem Einlesen und Aufbereiten der Eingangsdaten werden in der 1. Optimierungsstufe, der Lagrange Relaxation, die Ganzzahligkeiten ermittelt. Die Zerlegung erfolgt hierbei im Systembereich, wobei die Einhaltung der systemkoppelnden Nebenbedingungen, der Bilanzen für Fahrplanenergie, Reserveleistung und -arbeit, iterativ über Lagrange Multiplikatoren koordiniert wird. Zur Optimierung des Einsatzes der einzelnen Systemkomponenten können die bestgeeigneten Algorithmen verwendet werden. Hierzu zählen die Genetischen Algorithmen zur Bestimmung des Einsatzes thermischer Erzeugungsanlagen [7] sowie die Gemischt-Ganzzahlig Lineare Programmierung zur Ermittlung der Betriebsweise hydraulischer Kraftwerksgruppen. Nach Abschluss dieser Optimierungsstufe werden die getroffenen Ganzzahligkeiten in die 2. Optimierungsstufe, die Energieaufteilung, übernommen und das verbleibende kontinuierliche Gesamtproblem wird in geschlossener Form gelöst, so dass die Einhaltung der systemkoppelnden Nebenbedingungen gewährleistet ist. 4 Betriebsplanung vs. Vortagesplanung 4.1 Modellsystem Das den Untersuchungen zu Grunde liegende Modellsystem ist an deutsche Erzeugungsunternehmen angelehnt, um durch die realitätsnahe Abbildung praxisrelevante Aussagen zu ermöglichen. Es umfasst etwa 5 % der in Deutschland installierten Kraftwerksleistung und entspricht der deutschlandweiten Kraftwerksstruktur. Das hydrothermische Erzeugungssystem besteht aus 10 thermischen Kraftwerken unterschiedlicher Erzeugungstechnologien mit jeweils typischen charakteristischen Kenngrößen sowie einem Pumpspeicherkraftwerk und einer vernetzten hydraulischen Kraftwerksgruppe. Dieses System kann am Spot- und Intradaymarkt für Fahrplanenergie sowie am Markt für Minutenreserve vermarktet werden. Die Spotmarktpreise sowie die Preise am Markt für Minutenreserve entstammen öffentlichen Quellen, während die Preise am Intradaymarkt aufgrund der hohen Korrelation zwischen Spot- und Intradaymarktpreisen [4] basierend auf den Spotmarktpreisen generiert wurden. Die Untersuchungen werden für einen exemplarischen Arbeitstag im Sommer durchgeführt. 4.2 Methodik DISSERTATIONEN Um den Einfluss von Modellierungsrestriktionen und Freiheitsgraden in der Betriebsplanung bewerten zu können, wird das in Bild 3 skizzierte methodische Vorgehen verwendet. Zunächst wird der Kraftwerkspark in einer typischen Vortagesplanung am Spotmarkt und an den Märkten für Minutenreserve vermarktet. Da für diese Planung das übliche Stundenraster gewählt wird, haben die Leistungsgradienten der thermischen Kraftwerke keine einschränkende Auswirkung auf den Betrieb der Kraftwerke. Anfahrkurven thermischer Kraftwerke sowie diskrete Pumpwerte hydraulischer Kraftwerksgruppen werden nicht betrachtet. Vortagesplanung Betriebsplanung ohne Intradayhandel Vergleich der Einsatzpläne Betriebsplanung mit Intradayhandel Vergleich der Einsatzpläne Vergleich der Deckungsbeiträge Bild 3: Methodisches Vorgehen Die so ermittelten Handelsempfehlungen an den Day- Ahead Märkten stellen für die nachfolgenden Betriebsplanungen Vorgaben dar, die erfüllt werden müssen. Da die Betriebsplanungen im Viertelstundenraster durchgeführt werden, müssen hierbei die Leistungsgradienten thermischer Kraftwerke berücksichtigt werden. Weiterhin werden aufgrund der genaueren Modellierung Anfahrkurven thermischer und diskrete Pumpwerte hydraulischer Kraftwerke abgebildet. In der ersten Untersuchung zur Betriebsplanung besteht keine Handelsmöglichkeit an einem Intradaymarkt, so dass die abgeschlossenen Handelsgeschäfte allein durch die einsatzfähigen Kraftwerke erfüllt werden müssen. Der Einfluss der untertäglichen Restriktionen kann durch Vergleich der Einsatzpläne beider Planungen bewertet werden. In der zweiten Untersuchung besteht zusätzlich die Möglichkeit, freie Erzeugungskapazitäten an einem Intradaymarkt zu vermarkten sowie an diesem Markt Energie zu beschaffen. Ein Vergleich der Einsatzpläne der beiden Betriebsplanungen ermöglicht eine Aussage über die Auswirkungen des zusätzlichen Freiheitsgrades. IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 33

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