Strommarktmodell: Kombiniertes Ausbau und Unit-Commitment-Modell

Untersuchungsschwerpunkte

• Zukünftige, strukturelle Entwicklungen des Elektrizitätssystems
  
• Identifikation der Marktentwicklung von Kraftwerken
• Langfristiger Betrieb und Interaktion von Kraftwerken bis 2030 oder 2050
• Rolle der erneuerbaren Energien in unterschiedlichen Strommärkten
• Wechselwirkungen zwischen Kraftwerken, Netz und Übertragung sowie Energiespeicherung

Hintergrund der Modellanwendung

Die weltweiten Elektrizitätssysteme befinden sich in einem großen Transformationsprozess. In den kommenden Jahren wird die zunehmende Integration von Strommengen aus erneuerbaren Energien in die bestehende Versorgungsstruktur zu großen Veränderungen der Anlagenportfolios in den Systemen führen. Bis 2050 wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen die dominierende Rolle in der Stromversorgung einnehmen. Aufgrund dieser Veränderung, wird die Energieerzeugung mehr dezentralisiert und auf verschiedene Quellen und Technologien verteilt werden, wobei auch die Einspeisung sehr schwankend sein wird. Die nationalen Elektrizitätssysteme werden den Trend zu höherer Internationalisierung und Kopplung beibehalten. Das ENTIGRIS Modell des Fraunhofer ISE deckt genau diese Entwicklung ab, indem es die Analyse der sich verändernde Energiesystems ermöglicht und somit Empfehlungen für unsere Kunden gegeben werden können.

Eigenschaften und Vorteile des Modells

Das Strommodell ENTIGRIS ist ein Expansionsplanungsmodell für die  europäischen und nordafrikanischen Stromsysteme. Es wurde im Fraunhofer-internen Projekt »Supergrid« entwickelt und in dem vom BMBF geförderten öffentlichen Forschungsprojekt RES-DEGREE erweitert. Die Modellergebnisse können zur Analyse des langfristigen Kraftwerkportfolios, des regionalspezifischen Ausbaus erneuerbarer und konventioneller Kraftwerke, der benötigten Netzkapazitäten und der Entwicklung der Gesamtsystemkosten herangezogen werden. Die Szenarien für die langfristige Entwicklung werden unter Berücksichtigung von Kostenprojektionen und der langfristigen Klimapolitik wie z.B. die Rahmenbedingungen begrenzter CO₂-Emissionen oder definiertem Anteil erneuerbarer Energien im Elektrizitätssystem berechnet. Die detaillierte Einbeziehung der Erzeugung aus erneuerbaren Energien in Kombination mit einer Optimierung konventioneller Kraftwerke und anderer relevanter Systemkomponenten (Hochspannungsübertragungsnetze, Speicher etc.) ermöglicht die Quantifizierung der Auswirkungen im zukünftigen Stromsystem in Deutschland, Europa oder Nordafrika. Das Modell kann leicht an andere Länder angepasst werden (es gibt spezifische Referenzen für Südafrika, Jordanien und Tunesien, zusätzlich zu einer breiteren Verwendung in Europa und Nordafrika).

Das Optimierungsmodell ENTIGRIS wurde in GAMS entwickelt und weist folgende Schlüsselelemente und Stärken auf:

• Integrierte Ausbauplanung über nächsten 20 bis 40 Jahre
• Der Betrieb von Kraftwerken wird mit einem reduzierten und vorläufigen Ansatz in die Ausbauplanung miteinbezogen
• Integration von Potenzialen erneuerbarer Energiequellen in allen abgedeckten europäischen Ländern unter Verwendung eines GIS basierten Ansatzes
• Der »Kostenminimierungsansatz« berücksichtigt die Kosten für den Bau und Betrieb erneuerbarer Energien, konventioneller Kraftwerke, Übertragungskapazitäten innerhalb und zwischen Ländern, Speichersysteme sowie weitere Flexibilisierungsoptionen
• Regionalspezifische Erweiterung von erneuerbaren und konventionellen Kraftwerken
• Verwendung einer subnationalen Netzstruktur für das Übertragungsnetz einschließlich der Übertragungsverluste
• Programmiersprache: General Algebraic Modeling System (GAMS), Solver: IBM ILOG CPLEX optimizer

Die geografische Abdeckung ist momentan möglich in bis zu 400 Regionen in Deutschland, 23 Regionen in West/Zentral/Süd/Nordeuropa und 20 Regionen in Nordafrika, unter Berücksichtigung eines detaillierten EE-Potenzials, von konventionellen Kraftwerken und Netzkapazitäten. Folgende Länder wurden darüber hinaus bereits analysiert: Tunesien, Ägypten, Jordanien, Südafrika und Kuwait.

Kunden

• Versorgungsunternehmen
• Netzbetreiber
• Politische Entscheidungsträger

Quellen

• Kost, Christoph (2015). Renewable energy in North Africa: Modeling of future electricity scenarios and the impact on manufacturing and employment. Dissertation, Universität Dresden. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-176538
• RES-DEGREE project: Towards an Energy System in Europe Based on Renewables, Duration: 01.01.2014-30.11.2015, German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi.
• SuperGrid, Components and Systems for HVDC Transmission from Generators and Storages to Suppliers in the European-Nort African Electrical Network, Energy- economic Analysis of a Future Super Grid between North Africa and Europe, Duration 2011-2014
• Kost, Christoph; Junne, Tobias; Senkpiel, Charlotte; Hartmann, Niklas; Schlegl, Thomas; Zampara, Marilena; Capros, Pantelis (2015): Renewable Energy Expansion and Interaction in Europe: High Resolution Modeling of Germany and Greece. 12th International Conference of the European Energy Market 2015 20.05.2015-22.05.2015 in Lisboa.
• Kost, Christoph; Hartmann, Niklas; Senkpiel, Charlotte; Eikenberg, Lukas; Junne, Tobias; Schlegl, Thomas (2014): Modeling concept for renewable energy expansion and interaction in Europe: The case of Germany and Greece. Rome, Italy, 10/28/2014.