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Tobias Findeisen
Gurobi Anwendertage 2017
Frankfurt a. M., 06. Februar 2017
Simulation des europäischen Strommarktes als Baustein der Netzentwicklungsplanung
Themenübersicht
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Bundesnetzagentur
Hintergrund
Optimierungsmodell
Performance
Tobias Findeisen | Gurobi Anwendertage 2017 | © Bundesnetzagentur 06.02.17
Die Bundesnetzagentur (BNetzA)
Bundesbehörde im BMWi-Geschäftsbereich
Durch Regulierung in den „Netzmärkten“ Wettbewerb fördern und einen diskriminierungsfreien Netzzugang gewährleisten
Telekommunikation & Post (seit 1998) | RegTP
Strom und Gas (seit 2005) | BNetzA
Eisenbahnen (seit 2006)
Ausbau des dt. Höchstspannungsnetzes
seit 2011: „Netzausbaubeschleunigungsgesetz“
z.B.: prüft & bestätigt die Netzentwicklungspläne
Mitarbeiter
ca. 2700
Energie-Abteilung: 200
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Hintergrund: Erzeugungsstruktur, Pfad 2030
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Installierte Leistung 2015: 41,2 GW 2030: 58,5 GW Zubau: 17,3 GW
Onshore Wind
Installierte Leistung 2015: 3,4 GW 2030: 15,0 GW Zubau: 11,6 GW
Offshore Wind
Installierte Leistung 2015: 39,3 GW 2030: 66,3 GW Zubau: 27,0 GW
Photovoltaik
2021
2022 2021
2017 2021
2022 2022
2019 bereits stillgelegt
geplante Stilllegung
Kernkraftausstieg (bis 2022)
Quelle Zubauraten: Ausbaupfad gem. § 3 EEG und Genehmigung der Bundesnetzagentur zum Szenariorahmen für die Netzentwicklungspläne Strom 2017-2030, Szenario B 2030
10,8 GW
Stilllegung von Braunkohle-kraftwerken: 2,7 GW (2023)
Stilllegungsanzeigen
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Hintergrund: EE-Ausbau
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Referenzjahr 2013 Szenario B 2035 Szenario B 2025
Quelle: Netzentwicklungsplan Strom 2025, Version 2015, 2. Entwurf
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Hintergrund: Das Jahr 2025 mit Netzausbau
Die Abbildungen zeigen schematisch, wie oft und welche Teile eines (realisierten) Netzes überlastet wären (gemäß Szenario B2 2025):
Die Herausforderungen:
Ausbau EE-Anlagen
Abschaltung Kern- kraftwerke
Stilllegung konventio- neller Kraftwerke
Europäischer Strom- binnenmarkt
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Netz gem. EnLAG Netz gem. EnLAG und BBPlG
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Modell
Prüfungsprozess des Netzentwicklungsplans (d.h. Netzausbaubedarf) vollständig selbst erledigen
Marktlicher Kraftwerkseinsatz notwendig, um Netzberechnungen durchführen zu können
Netzauslastung
Redispatch
Lieferung des marktlichen Kraftwerkseinsatzes mittels Simulation des europäischen Strommarktes
Lösung des entsprechenden Optimierungsmodells
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Modell
Was wird berechnet?
Der europäische, blockscharfe und kostenminimale Kraftwerkseinsatz
Wie erfolgt die Berechnung?
Je Gebotszone gemäß Merit-Order-Prinzip
Day-Ahead Markt = „Taktgeber“ des Stromgroßhandels
Gebotszonen sind miteinander verbunden
Market-Coupling
Welches Werkzeug wird genutzt?
Gemischt-ganzzahlige lineare Optimierung („GGLP“ bzw. „MILP“)
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Modell
Wie sieht das MILP-Modell aus?
Grundstruktur = Market-Coupling
Knoten = Gebotszone
Kante = Übertragungs-kapazität
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Modell: Die Formulierungen
• Wie sieht das MILP-Modell aus?
• Zielfunktion
• Market-Coupling
• NTC
• Kraftwerke
• Commitment
• Pmin, Pmax
• Rampen
• Mindestbetriebs- und Stillstandszeiten
• Startkosten
• „Nichtverfügbarkeit“
• Must-Run
• Speicher
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𝑝 𝑔,𝑡
𝑔∈𝒢𝑏𝑧 𝑄1 𝐸𝑟𝑧𝑒𝑢𝑔𝑢𝑛𝑔
+ 𝑝𝑡 ,𝑛𝑏𝑧 →𝑏𝑧
𝑛𝑏𝑧 𝑄2 𝐼𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡
+ 𝑝𝑐 ,𝜏𝑎𝑢𝑠
𝑡
𝜏=1𝑐∈𝐶𝑏𝑧 𝑄3 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑖𝑒𝑟𝑒𝑛
+ 𝑠𝑡 ,𝑏𝑧𝑃𝑟𝑜𝑑
𝑄4 𝑀𝑎𝑛𝑔𝑒𝑙 −𝐸𝑟𝑧𝑒𝑢𝑔𝑢𝑛𝑔
= 𝑃𝑡 ,𝑏𝑧𝑅𝑒𝑠
𝑆1 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 −𝑙𝑎𝑠𝑡
+ 𝑝𝑡 ,𝑏𝑧→𝑛𝑏𝑧
𝑛𝑏𝑧 𝑆2 𝐸𝑥𝑝𝑜𝑟𝑡
+ 𝑝𝑐 ,𝜏𝑒𝑖𝑛
𝑡
𝜏=1𝑐∈𝐶𝑏𝑧 𝑆3 𝑃𝑢𝑚𝑝𝑒𝑛
+ 𝑠𝑡,𝑏𝑧𝐿𝑜𝑎𝑑
𝑆4 𝑀𝑎𝑛𝑔𝑒𝑙 −𝐿𝑎𝑠𝑡
∀𝑡, 𝑏𝑧
𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑔𝑃 ∙ 𝑃 𝑔 ∙ 𝑢𝑔,𝑡 + 𝑝𝑔 ,𝑡
𝑖 𝐺𝑟𝑒𝑛𝑧𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛
+ 𝐶𝑔𝑆𝑈 ∙ 𝑣𝑔,𝑡
𝑖𝑖 𝑆𝑡𝑎𝑟𝑡 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛
+
𝑔∈𝒢
+ 𝐾𝑠𝑙𝑎𝑐𝑘𝑃𝑟𝑜𝑑 |𝐿𝑜𝑎𝑑
∙ 𝑠𝑡 ,𝑏𝑧𝑃𝑟𝑜𝑑 + 𝑠𝑡 ,𝑏𝑧
𝐿𝑜𝑎𝑑
𝑏𝑧∈ℬ𝒵 𝑖𝑖𝑖 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑓𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑓ü𝑟 𝑆𝑙𝑎𝑐𝑘𝑒𝑖𝑛𝑠𝑎𝑡𝑧
𝑡∈𝒯
𝑢𝑡 − 𝑢𝑡−1 = 𝑣𝑡 −𝑤𝑡
𝑝𝑔 ,𝑡 ≤ 𝑃 𝑔 − 𝑃𝑔 ∙ 𝑢𝑔,𝑡
𝑣𝑖
𝑡
𝑖=𝑡−𝑇𝑈+1
≤ 𝑢𝑡 & 𝑤𝑖
𝑡
𝑖=𝑡−𝑇𝐷+1
≤ 1− 𝑢𝑡
𝑝𝑔,𝑡 − 𝑝𝑔 ,𝑡−1 ≤ 𝑅𝑅𝑔 & −𝑝𝑔,𝑡 + 𝑝𝑔 ,𝑡−1 ≤ 𝑅𝑅𝑔
0 ≤ 𝑊𝑐 ,0 +Η𝑐𝑒𝑖𝑛 ∙ 𝑝𝑐 ,𝜏
𝑒𝑖𝑛
𝑡
𝜏=1
−1
𝛨𝑐𝑎𝑢𝑠 ∙ 𝑝𝑐 ,𝜏
𝑎𝑢𝑠
𝑡
𝜏=1
≤ 𝑊𝑐 ,𝑚𝑎𝑥
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Modell: Der ROH
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Ziel Reichweite
(Frühes Modell) Herausforderung:
Zeitraum
Zeitpunkte ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
● ○ ○ ○
● ○ ○ ○
● ○ ○ ○ ○ Vorausblick
… ● Aktueller Zeitpunkt
Rollierende
Optimierung
Lösung: Der Rollierende Optimierungshorizont (ROH)
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Performance: Beispielhafte Jahresrechnung
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Kraftwerke
Blockscharf, ca. 6000
Market-Coupling (Graph)
37 Knoten bzw. Gebotszonen
132 Kanten (NTCs)
Speicher
Aggregat pro Knoten
ROH
Basis = 7 Tage
Vorausblick = 3 Tage
Gurobi 7.0.1
MIPGap = 0,01%
Angepasstes Parameterset
Modell-Statistik des ersten 10 Tage Ausschnitts
Nonzeros ≈ 15,8 Mio.
Nebenbedingungen ≈ 3,1 Mio.
Variablen ≈ 3,6 Mio.
kontinuierliche ≈ 1,5 Mio.
binäre ≈ 2,1 Mio.
Rechner
Xeon E5-2690 v3 @ 2,6GHz
64 GB DDR4-2133
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Performance: Beispielhafte Jahresrechnung
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Performance eines Jahreslaufes: Performance eines Jahreslaufes
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Tobias Findeisen
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