Mathematische Modellierung der Kostenund Wirkungszusammenhänge eines regionalen Energieverbundes

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1 Mathematische Modellierung der Kostenund Wirkungszusammenhänge eines regionalen Energieverbundes Bestimmung des ökonomischen Nutzens von Energiespeichern Michael Hassler

2 eines regionalen Energieverbundes Folie 2 Agenda Einführung Projekt ENREKON (wirtschaftswiss. Teil) Optimaler Betrieb eines Energieverbunds mit Energiespeichern Nächste Schritte

3 eines regionalen Energieverbundes Folie 3 Kosten- und Wirkungszusammenhänge eines regionalen Energieverbundes Energiespeicher Erneuerbare Energieträger Spotmarkt vertraglich vereinbarte Lieferung Strafzahlung bei Nichterfüllung

4 Fragestellungen im Rahmen des Projekts Auf operativer Ebene: Optimale Steuerung des Energieverbundes Verwendung des vorhandenen Speichers Zugesicherte Lieferung Ziel ist die Maximierung des erwarteten Erlöses/Gewinns Auf strategischer Ebene: Welche Speicherkapazität sollte vorhanden sein? eines regionalen Energieverbundes Folie 4 Wie sollten verschiedene Speichertypen kombiniert werden? Wie sieht die optimale Zusammenstellung erneuerbarer Energieträger aus?

5 Problemstellung der operativen Planung Betrachtung im Rahmen einer rollierenden Planung Planungshorizont und Struktur des Verbundes zunächst vorgegeben Energieverbund tritt als virtuelles Kraftwerk auf Unsichere eigene Erzeugung (Wind, Sonne) Unsicherer Preis auf dem Spotmarkt Annahmen: Energieverbund klein genug, so dass kein Einfluss auf die Preise des Spot- bzw. Regelenergiemarktes besteht stets das gesamte Angebot im Markt aufgenommen werden kann Wahrscheinlichkeitsverteilung der Stromerzeugung in der nächsten Periode bekannt zu treffende Entscheidung in jeder Periode: zugesicherte Lieferung für die nächste Periode Ziel: Maximierung des erwarteten Erlöses/Gewinns eines regionalen Energieverbundes Folie 5

6 Mathematische Modellierung - Parameter Betrachtung des Systems im Zeitablauf: Unterteilung des Planungshorizonts in diskrete Zeitpunkte 1,, Systemparameter bezüglich: des Energiespeichers: maximale Speicherkapazität: max gespeicherte Energie: Wirkungsgrad: des Marktes: stochastischer Preis am Spotmarkt im Zeitintervall 1, : der Energieerzeugung: stochastische Erzeugung im Zeitintervall 1, : Entscheidung im Zeitpunkt : zugesicherte Lieferung im Zeitintervall, 1 : eines regionalen Energieverbundes Folie 6 stochastisches, dynamisches Optimierungsproblem

7 Mathematische Modellierung - dynamisches Optimierungsproblem 1/2 Periode Periode 1 eines regionalen Energieverbundes Folie 7 Stochastische Entscheidung Stromerzeugung

8 Mathematische Modellierung - dynamisches Optimierungsproblem 2/2 Stochastische Zustandsübergänge und Erlöse abhängig von Erzeugung und Entscheidung,,,,, falls, falls, 1, falls 0, falls, falls, falls eines regionalen Energieverbundes Folie 8,, sup,

9 Nächste Schritte Erste Implementierung in MATLAB Zunächst Beschränkung der Energiequellen auf Photovoltaik und Windkraft und Sammeln von Daten zu Sonneneinstrahlung und Windstärke Schätzung der zugehörigen Wahrscheinlichkeitsverteilungen Übernahme eines geeigneten Modells für die zeitliche Entwicklung des Strompreises aus der Literatur und Kalibrierung des Modells auf Realdaten Optimaler Aufbau des Verbundes auf Basis einer Simulation Tests der Lösungsgüte und Rechenzeit Aufzeigen des Nutzens verschiedener Speichertypen obere Schranke für Kosten des Speichers eines regionalen Energieverbundes Folie 9

10 Literatur Kim, J. H. und W. B. Powell (2011): Optimal Energy Commitments with Storage and Intermittent Supply. Operations Research, Band 59, Nr. 6, S Puterman, M. L. (2005): Markov Decision Processes. 2. Aufl., Wiley, Hoboken. eines regionalen Energieverbundes Folie 10

11 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit