Diplomarbeit

Wintersemester 2007 / 2008

am

Lehrstuhl für Energiewirtschaft

am

Institut für Energietechnik

Fakultät 3

Brandenburgische Technische Universität in Cottbus

Zur Kopplung eines Energiesystemmodells mit

einem Modell zur Lastflussberechnung

Eingereicht von:

Name: Groschke, Marco

Studiengang: Wirtschaftsingenieurwesen

Bearbeitungszeitraum: 01.01.2008 bis 31.03.2008

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Aufgabenstellung:

Im Rahmen der Diplomarbeit soll analysiert werden, wie optimierende Modelle zur Energie-

systemplanung mit Modellen zur Lastflussberechnung gekoppelt werden können. Hierzu ist

aufzubereiten, wie Elektrizitätsnetze bislang in optimierenden Energiesystemmodellen typi-

scherweise nachgebildet werden. Darauf aufbauend sollen verschiedene Möglichkeiten zur

Berücksichtigung detaillierter Informationen zu Elektrizitätsnetzen in Optimiermodellen erar-

beitet werden. Eine erste Möglichkeit hierfür liegt in der geographisch detaillierteren Abbil-

dung der existierenden Netzstrukturen; darauf aufbauend könnte die Integration weiterer Ne-

benbedingungen in das Optimiermodell zur Berücksichtigung von DC-Modellen oder aber die

Kopplung eines Optimiermodells mit einem Modell zur Lastflussberechnung realisiert wer-

den. Der Kandidat soll die verschiedenen Konzepte einander vergleichend gegenüber stellen

und abschließend ein Konzept erarbeiten, wie eine solche Modellkopplung ausgestaltet sein

könnte.

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i

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis iii

Tabellenverzeichnis iv

Abkürzungsverzeichnis v

1.

Einleitung 1

1.1. Problemstellung 1

1.2. Zielstellung 1

1.3. Aufbau der Arbeit 2

2.

Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 3

2.1. Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit, Umweltverträglichkeit 3

2.2. Entwicklung der Erzeugungs- und Verbrauchsstruktur in Deutschland 7

2.2.1. Erneuerbare

Energien 7

2.2.2.

Der konventionelle Kraftwerkspark 10

2.2.3. Die

Laststruktur 17

2.3. Konsequenzen 19

3.

Das Spot Pricing 23

4.

Die Modellierung von Energieübertragungsnetzen 29

4.1. Aufbau und Eigenschaften von Energieübertragungsnetzen 29

4.2. Elektrotechnische Grundlagen der Leistungsflussberechnung 32

4.2.1.

Ursache und Darstellung von Wechselspannungen 32

4.2.2.

Wirk- und Blindleistungen im Wechselstromsystem 34

4.2.3.

Der Blindleistungsbedarf von Netzbetriebsmitteln 36

4.2.4. Blindleistungsbereitstellung (Kompensationsmittel) 39

4.3. Planung und Abbildung von Energieübertragungsnetzen mit Modellen 40

4.3.1.

Alternating Current-Modelle (AC-Modell) 40

4.3.2. Direct

Current-Modelle

(DC-Modelle) 43

4.3.3. Erweiterte

Direct

Current-Modelle 44

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ii

4.3.4.

Vergleich und Anwendung von DC- und AC-Modellen 46

5.

Energiesystemmodelle und Netzabbildungen 56

5.1. Optimierende Energiesystemmodelle 56

5.2. Modellierung von Leistungsflüssen in Energiesystemmodellen 57

5.3. Technische und ökonomische Implikationen der Modellierung 59

6.

Kapazitätsbestimmung mit NTC und PTDF 61

6.1. Die Bestimmung von Net Transfer Capacities 62

6.2. Die Bestimmung von Power Transfer Distribution Factors 64

6.3. Vergleich von NTC und PTDF 68

7.

Modellkonzepte für verbesserte Netzabbildungen in PERSEUS 68

7.1. Vorgehensweise 68

7.2. Die geografisch detaillierte Abbildung der Netzstrukturen 69

7.3. Der PTDF-Ansatz 72

7.4. Integration von DC-Lastfluss-Restriktionen 79

7.5. Kopplung eines Energiesystemmodells mit einem Lastflussmodell 82

7.6. Vergleich der Ansätze 85

7.7. Aktuelle Ansätze anderer Forschungseinrichtungen 87

8.

Zusammenfassung 91

Danksagung 93

Quellenverzeichnis 94

Verzeichnis der Anhänge I

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iii

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1: Erzeugungskapazitäten in Deutschland nach Unternehmen 4

Abbildung 2-2: Entwicklung der installierten WEA-Leistung 7

Abbildung 2-3: Räumliche Verteilung der WEA-Onshore-Leistung [MW] 9

Abbildung 2-4: Installierte Kraftwerksleistung nach Primärenergieträgern 11

Abbildung 2-5: Geografische Darstellung des konventionellen Kraftwerksparks 13

Abbildung 2-6: Potentielle Zubaukraftwerke bis zum Jahr 2020 + stillgelegte AKW 16

Abbildung 2-7: Zusammenhang Bevölkerung, Elektrizitätsverbrauch, Kraftwerksleistung ... 18

Abbildung 2-8: Bevölkerungsdichte in Deutschland als Indikator für Lastzentren 19

Abbildung 2-9: Leistungsflüsse und Grenzkosten des europäischen Elektrizitätsmarkts 21

Abbildung 2-10: Entwicklung der jährlichen Ausgaben für die Netzinfrastruktur der ÜNB .. 22

Abbildung 3-1: Übersicht über Engpassmanagementsysteme 24

Abbildung 3-2: LMP ohne Engpass 26

Abbildung 3-3: LMP mit Engpass 27

Abbildung 4-1: Aufbau des Energieversorgungsnetzes in Deutschland 31

Abbildung 4-2: Spannungen im Dreiphasensystem 33

Abbildung 4-3: Mögliche Zeitverläufe von Strom und Spannung 35

Abbildung 4-4: -Ersatzschaltbild einer Leitung 37

Abbildung 4-5: T-Ersatzschaltbild eines einphasigen Zweiwicklungstransformators 39

Abbildung 4-6: Leistungsfluss über eine Leitung 40

Abbildung 4-7: 3-Knotennetz 47

Abbildung 4-8: Berechnete Leistungsflüsse (DC-Modell) 50

Abbildung 4-9: Spannungsprofil im WECC-System 54

Abbildung 5-1: Ablauf einer modellbasierten Szenarioanalyse 59

Abbildung 5-2: Kraftwerkszubauergebnisse eines Projekts für die Region Deutschland 60

Abbildung 5-3: Stromaustausch Jahressalden 2015 61

Abbildung 6-1: Bestimmung von NTC 63

Abbildung 6-2: Physikalischer Fluss in einem 2-Knotennetz 65

Abbildung 6-3: Wirtschaftliche Transaktion vs. physikalischer Fluss 66

Abbildung 6-4: Übertragungskapazitätsbestimmung mit NTC und PTDF 68

Abbildung 7-1: Vereinfachte georeferenzierte Netzstrukturen am Beispiel Brandenburgs 71

Abbildung 7-2: Zonenmodell des europäischen Elektrizitätssystems 73

Abbildung 7-3: Flussbasierte Allokation mit PTDF zwischen Deutschland und Frankreich .. 73

Abbildung 7-4: Die lastabhängige Bestimmung von Grenzkapazitäten 77

Abbildung 7-5: Kopplung von PERSEUS mit einem reduzierten Netzmodell 83

Abbildung 7-6: SWOT-Analyse 86

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iv

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1: Mittlere CO2-Emissionen von verschiedenen Energieträgern 6

Tabelle 2-2: Installierte WEA-Leistung nach Bundesländern 8

Tabelle 2-3: Legende der konventionellen Erzeugungsanlagen Deutschland 12

Tabelle 2-4: Regional gegensätzliche Entwicklung von Last und Erzeugung 20

Tabelle 4-1: Übliche Spannungsebenen in Deutschland 30

Tabelle 4-2: Darstellung elektrotechnischer Größen 34

Tabelle 4-3: Leistungsgrößen und deren Zusammenhänge 36

Tabelle 4-4: Symbole und Eigenschaften von Grundschaltelementen der Elektrotechnik 36

Tabelle 4-5: Spezifische Leitungsgrößen von Drehstromfreileitungen 38

Tabelle 4-6: Einteilung der Knotenpunkte und gegebene / gesuchte Größen 42

Tabelle 4-7: Netzparameter 48

Tabelle 4-8: Lastvarianten 49

Tabelle 4-9: Ergebnisvergleich 1 zwischen einem AC/DC Modell 50

Tabelle 4-10: Ergebnisvergleich 2 zwischen einem AC-/DC-Modell 51

Tabelle 4-11: Wirkleistungsverluste und Blindleistungsbedarfe 52

Tabelle 4-12: Relativer Fehler des Lastflusses in einem Netzknoten 55

Tabelle 4-13: Zusammenfassender Vergleich verschiedener Modelle zur Lastflussbestimmung

56

Tabelle 6-1: PTDF- Matrix 67

Tabelle 6-2: Die vollständige PTDF-Matrix eines 3-Knotennetzes 67

Tabelle 7-1: Inzidenzmatrix von Abbildung 6-3 79

Tabelle 7-2: Kriterien für die SWOT-Analyse 85

Tabelle 7-3: Berücksichtigung von Lastflüssen in (deutschen) Energiesystemmodellen 90

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v

Abkürzungsverzeichnis

Hier aufgeführte Abkürzungen, Formelzeichen und Größen gelten global in dieser Arbeit. In

einigen Abschnitten werden weitere hier nicht aufgeführte Abkürzungen verwendet, die lokal

bezeichnet sind.

A Österreich

AC Alternating

Current

AKW Atomkraftwerk

ARegV Anreizregulierungsverordnung

BDEW

Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V.

BE Belgien

BHKW Blockheizkraftwerk

BMU Bundesministerium

für

Umwelt,

Naturschutz und Reaktorsicherheit

bne

Bundesverband Neuer Energieanbieter

BNetzA Bundesnetzagentur

c. p.

ceteribus paribus (unter sonst gleichen Bedingungen)

CH Schweiz

CZ Tschechien

DC Direct

Current

DE Deutschland

DEBRIV Bundesverband

Braunkohle

DESTATIS Statistisches

Bundesamt

Deutschland

DEWI Deutsches

Windenergie-Institut

DIN

Deutsches Institut für Normung e. V.

DIW

Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung

DK Dänemark

EE2

Lehrstuhl für Energiewirtschaft (Technische Universität Dresden)

EEG

Gesetz über die Einspeisung von Strom aus Erneuerbaren Energien

EEV

Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme

(Bergische Universität Wuppertal)

EEX

European Energy Exchange

---

vi

EN Europäische

Normung

EnWG Energiewirtschaftsgesetz

ETSO

European Transmission System Operators

EU Europäische

Union

EWI

Energiewirtschaftliches Institut (Universität Köln)

EWL

Lehrstuhl für Energiewirtschaft Essen (Universität Duisburg Essen)

FDLF

Fast decoupled load flow

FR Frankreich

GIS Geografisches

Informationssystem

GUD

Gas- und Dampf- (Kraftwerk)

GW Gigawatt

IAEW

Institut für elektrische Anlagen und Energiewirtschaft

(Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen)

IEA

International Energy Agency

IEE

Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation

(Technische Universität Graz)

IER

Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (U-

niversität Stuttgart)

IfE

Lehrstuhl für Energiewirtschaft and Anwendungstechnik

(Technische Universität München)

IIP Institut

für

Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change

IT Italien

KraftNAV Kraftwerks-Netzanschlussverordnung

kV Kilovolt

kW Kilowatt

KW Kraftwerk

kWh Kilowattstunde

KWK Kraft-Wärme-Kopplung

LEE

Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft

(Universität Dortmund)

---

vii

LMP Locational

Marginal

Pricing

LSEW

Lehrstuhl für Energiewirtschaft

(Brandenburgische Technische Universität Cottbus)

MA Mitarbeiter

MJ Megajoule

MVA Megavolt

ampere

MVar

Megavolt ampere reactive

MW

Megawatt

MWh Megawattstunde

NL Niederlande

NP Nodal

Pricing

NTC

Net Transfer Capacity

ODBC

Open Database Connectivity

OTC

Over the Counter

PERSEUS

Program Package for Emission Reduction Strategies in Energy Use

and Supply

PFC

Power Flow controlling devices

PFlow Wirkleistungsfluss

PL Polen

PTDF

Power Transfer Distribution Factor

S Schweden

SCQP Strictly

convex

quadratic programming

STATCOM Static

Compensators

SteinkohleFinG

Gesetz zur Finanzierung der Beendigung des subventionierten Stein-

kohlenbergbaus zum Jahr 2018

StrEG Stromeinspeisegesetz

StromNEV Stromnetzentgeltverordnung

SVC

Static Var Compensator

t Tonne

TCDF Transmission

congestion distribution factors

TCSC

Thyristor Controlled Series Compensator

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viii

TEHG Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz

TRM Transfer

Reliability

Margin

TSO

Transmission System Operator (= Übertragungsnetzbetreiber)

TTC

Total Transfer Capacity

UCTE

Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity

UN United

Nations

ÜNB Übertragungsnetzbetreiber

UPFC

Unified Power Flow Controller

VGB

Verband der Großkessel-Besitzer

VWEW Verlags-

und

Wirtschaftsgesellschaft der Energiewirtschaft

WEA Windenergieanlage

Elektrotechnische Formelzeichen und Größen

Phasenwinkel der Spannung in einem Knoten

u

Phasenwinkel des Stromes in einem Knoten

i

U Spannungsabfall

B Blindleitwert

(Suszeptanz)

C

Kapazität eines Kondensators

Differenz zwischen Strom- und Spannungswinkel

E Eisenkern

f Frequenz

F Leistungsfluss

G Wirkleitwert

(Konduktanz)

HOS

Hauptfeldreaktanz (der Oberspannung)

î

Amplitudenwert der Stromstärke

I komplexer

Strom

I

Stromstärke (im Wechselstromsystem als Effektivwert)

i(t) zeitabhängige

Stromstärke

Ib Blindstrom

Iw Wirkstrom

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