Projekt: Flexibilitätswende - Einbindung industrieller Energiesysteme in regionale Strommärkte zur Stabilisierung des Stromnetzes
Hintergrund und Motivation
Im Rahmen der Energiewende nimmt der Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energieträgern - insbesondere Strom aus Wind und Solarenergie - in Deutschland stetig zu.
Da Wind- und Solarenergie starken fluktuationen unterworfen sind, wird viel Strom ungeregelt und ohne gute Vorhersagbarkeit in das Stromnetz eingespeist. Da Strom auzs erneuerbaren Energien Vorrang bei der Einspeisung in das Stromnetz hat, sinkt die Wirtschaftlichkeit von Großkraftwerken und diese werden teilweseine von den Betreibern stillgelegt. Großkraftwerke erbringen jedoch im heutigen Stromnetz einen wichtigen Beitrag zur Systemstabilität und Versorgungssicherheit. Zusätzlich führt die teilwese starke räumliche Trennung von regenerativer Stromerzeugung und Stromverbrauch, beispielsweise bei Windstrom, zu weiteren Herausforderungen für das Übertragungsnetz.
Der liberalisierte deutsche Strommarkt sieht per Gesetz vor, dass keine Einschränkungen durch Engpässe des Stromnetzes im Stromhandel berücksichtigt werden dürfen. Das bedeutet, dass beispielsweise Strom aus einem Windpark auf der Nordsee an die Automobilindustrie in München verkauft werden kann, auch wenn das Stromnetz dies physisch nicht hergibt. Solche Situation erfordern kostspieliges eingreifen der Netzbetreiber. Die Kosten für Wahrung der Systemstabilität stiegen von 2011 auf 2015 von rund 180 Mio.€ auf rund 955 Mio.€ an.
Die heutige Struktur der zentralen Strommärkte ist deshalb dahingehend zu hinterfragen, ob es zentrale Märkte für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende ein Hindernis darstellen. Deshalb sollen im Projekt Flexibilitätswende regionale Strommärkte sowie deren Einfluss auf die Bereitstellung von Flexibilität durch die Marktteilnehmer untersucht werden.
Projektziele
Das Gesamtziel des Projekts Flexibilitätswende ist es, Methoden zu entwickeln, mit deren Hilfe regionale STrommärkte entwickelt, modelliert und bewertet werden können. Damit die neu entwickelten Strommärkte den gewünschten Effekt erreichen, soll das Verhalten der Marktteilnehmer untersicht werden, damit eben diese Teilnehmer ihr Flexibilität zur Stabiliserung des Stromnetztes verfügbar machen und anbieten. Daher werden Regularien und Marktdesigns identifiziert, die eine Systemsicherheit innerhalb regionaler Stromnetze zu geringen Kosten ermöglichen. Mathematisch interessant wird es sein, die regionalen Märkte als hierarschiche, mehrstufige Optimierungsprobleme zu modellieren und diese zu lösen. Wesentliches Merkmal solcher Optimierungsmodelle ist die Existenz von Nebenbedingungen, welche fordern, dass eine Teilmenge der Variablen eine optimale Lösung eines weiteren Optimierungsproblems darstellt, welches wiederum durch eine weitere Teilmenge der Variablen parametrisiert ist. Anschaulich bedeutet dies, dass es mehrere Spieler in diesem Optimierungsproblem gibt, z.b. einen ersten und zweiten Spieler. Der erste Spieler trifft zuerst eine Entscheidung. Daraufhin trifft der zweite Spieler, mit vollem Wissen über die Entscheidung des ersten Spielers, seine Entscheidung. Der erste Spieler muss seine Entscheidung also so treffen, dass, nach der darauf basierenden Entscheidung des zweiten Spielers, der seine eigene Zielfunktion optimiert, die Zielfunktion des ersten Spielers maximiert/minimiert wird.
Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts Flexwende wurde zunächst mit allen Projektpartnern eine detaillierte Anforderungsanalyse durchgeführt. Daraus resultierte die Betrachtung des Problems aus drei Perspektiven. Die Analyse und Bewertung von langfristiger Investition in die Flexibilisierung eines exemplarischen industriellen Marktteilnehmers, die kurzfristige Optimierung der Vermarktung von vorhandener Flexibilität eines exemplarischen industriellen Marktteilnehmers an bestehenden Strom- und Regelmärkten und die Modellierung neuer regionaler Märkte und Marktmechanismen, die darauf abzielen die Vermarktung der Flexibilität der Marktteilnehmer zur Wahrung der Systemsicherheit und Systemstabilität einzusetzen.
Das Arbeitspaket des LFDO beschäftigte sich mit dem letzten Punkt, der modellierung von regionalen Märkten. Ziel war es vor allem die Marktteilnehmer und ihre Flexibilität in den Optimierungsmodellen explizit abzubilden, da untersucht werden soll, ob/wie Märkte und Marktsituationen geschaffen werden können, in denen der Einsatz der Flexibilität der Marktteilnehmer im wirtschaftlichen Eigeninteresse zur Sicherung der Systemsicherheit und Systemstabilität beitragen kann.
Das Ergebnis waren bilevel Optimierungsprobleme mit bilinearen Zielfunktionen, wobei die untergeordneten Probleme, die die einzelnen Marktteilnehmer abbilden, lineare Probleme sind, die in den Variablen des Hauptlevels parametrisiert sind. Dies erlaubt das Modell als ein Single-Level-Problem zu reformulieren, welches eine quadratische Zielfunktion und quadratische Nebenbedingungen beinhaltet. Eine Interpretation der untergeordneten Probleme als Minimum Cost Flow Problems erlaubte dann eine Diskretisierung der bilinearen Terme ohne verlust der Optimaliät der Lösungen. Das Resultat ist ein binäres lineares Problem, welches mit herkömmlichen Solvern gelöst werden kann. Das hinzufügen einer Klasse von gültigen Ungleichungen beschleunigte die Lösung der Instanzen wesentlich.
Projektpartner
Das Projekt Flexibilitätswende wurde vom
LTT,
der GFaI
und dem LFDO bearbeitet.
Weitere Projektpartner waren
BET
und Currenta.
math2.rwth-aachen.de