04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Optimierung eines Portfolios mit hydro-thermischem Kraftwerkspark im börslichen Strom- und Gasterminmarkt(2003) Bagemihl, Joachim; Voß, Alfred (Prof.-Dr.)Terminbörsen für Strom und Gas sind von grundlegender Bedeutung für die Planungsprozesse der durch das Unbundling geschaffenen Unternehmenszweige Erzeugung und Handel. Für die Kraftwerkseinsatzplanung bedeutet dies, daß nicht mehr primär die langfristige Lastprognose, sondern in zunehmendem Maße die Terminpreise der Futureskontrakte den Kraftwerkseinsatz bestimmen. Dem Stromhandel müssen zur Bewertung der Börsenprodukte hingegen die Kosten der Erzeugung im konzerneigenen Kraftwerkspark bekannt sein. Da sich aber beide Akteure wechselseitig beeinflussen, muss der Kraftwerkseinsatz gemeinsam mit dem Stromhandel ko-ordiniert werden, um zu einem gesamtwirtschaftlichen Optimum im Konzern zu gelangen. Die vorgestellte Methode zur Optimierung eines Portfolios mit hydro-thermischem Kraftwerksparks erlaubt dem Konzern die Identifizierung eines optimalen Geschäftsportfolios, in dem mit Ausnahme nicht ausgelasteter Kraftwerkskapazitäten keine offenen Positionen zu-gelassen werden. Ausgehend von einem hydro-thermischen Kraftwerkspark mit Jahresspei-cherkapazitäten für Wasser und Gas kann unter Berücksichtigung von Restriktionen, wie begrenzten Gas-/Strom-Durchleitungskapazitäten und Limits auf Handelsmengen, bei signifi-kanten Änderungen der Terminpreise die jeweils gewinnoptimale Veränderung im Portfolio identifiziert werden. Aufgrund der vielfältigen Freiheitsgrade, die ein solches hydro-thermi-sches System aufweist, ist es auf Basis des vorgestellten Verfahrens möglich, allein durch die Marktpreisbewegungen der unterschiedlichen börslich gehandelten Produkte im täglichen Handelsgeschäft, zusätzliche Margen zu erwirtschaften. Die langen Planungshorizonte, vorgegeben durch die Laufzeiten der Produkte an Termin-börsen (EEX bis 18 Monate), bedingen bei der Optimierung hohe Rechenzeiten und erfordern daher oft problemangepaßte Algorithmen wie etwa die Langrange Relaxation. Durch das Auf-treten neuer Handelsprodukte und die häufige Veränderung der Vertragsformen kann mit die-sen Algorithmen nur schwer entsprechend flexibel reagiert werden, da die Anpassung meist mit hohem Aufwand verbunden ist. Das Standardverfahren der Gemischt-Ganzzahlig-Linearen Programmierung (GGLP) bietet hier entscheidende Vorteile, da der dabei verwendete Lösungs-algorithmus Branch & Bound unabhängig von der Problemstellung angewendet werden kann. Die vorgestellte Methode basiert auf einem Dekompositionsansatz im Zeitbereich, so daß die für schnelle Reaktionszeiten nötigen Rechenzeiten von wenigen Minuten erreicht werden kön-nen. Das System zur Optimierung des Portfolios wurde mit dem Energiemanagementsystem MESAP/PROFAKO realisiert.Item Open Access Wege zur Ermittlung von Energieeffizienzpotenzialen von Informations- und Kommunikationstechnologien(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2020) Miller, Michael; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Modelling of endogenous technological learning of energy technologies - an analysis with a global multi-regional energy system model(2007) Rout, Ullash Kumar; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)The modelling of energy systems, which coevolved from socio-technological interactions and their interplay with the economy, plays a key role in the development of national and international policies to solve the problem of energy poverty. The other important issues addressed by energy system modelling are change in energy infrastructure, develop energy strategies, paving pathways towards technological sustainability and predicting future energy demand. Almost all energy system models are based on optimization of the lowest energy production cost, where the total cost is contributed jointly by the energy carrier's price and the cost of the associated technology subject to technical parameters. Minimizing the investment cost associated with a given technology is extremely important to sustain the surge in energy demand of the global market. Therefore, how the model applies endogenous investment costs to forecast the future benefit associated with the current knowledge subject to uncertainty in learning rates is an important aspect of energy system modelling and analysis. The influence of uncertainties in learning rates on global learning concepts without and with a technology gap (knowledge gap and time lag) is of concern in order to identify the road map of the technologies across regions. In this modelling study, five regional global models based on TIMES have been developed (TIMES is a model generator and stands for "The Integrated MARKAL EFOM System"). The regions are defined as 25 European nations (EU25), Rest of OECD (R_OECD), Rest of Non-OECD (R_NOECD), India and China, according to the nations included inside each region and also on their economic categorisation. It is a demand driven, bottom-up and technology abundant model, where GDP, population, and traffic demands are the main drivers for the development of energy demand in the past, present and future. It is a long-term model (1990-2100) consisting of 19 periods with unequal period lengths (5, 8 and 10 years). Each year is divided into three seasons and each season is further divided into day and night, as the smallest time resolution. The entire Reference Energy System (RES) is represented in the Global TIMES G5 model by extraction; inter-regional exchange; refineries; hydrogen (H2) production; synthetic fuel production; bio-fuel production; electricity and heat production; Carbon Capture and Storage (CCS); and sector-wise energy demands of industry, commerce, residential and transport, non-energy use and finally an integrated climate module. In the extraction sector, hard coal, lignite, crude oil and natural gas are modelled in four steps with the help of default cost-potential curves. Inter-regional exchanges of ten commodities are modeled for each region inside the TIMES G5 model. The final energy demand of end-use sectors such as industry, commerce and residential are modelled by different end use technologies to satisfy the users' energy demand. Natural and artificial carbon pools are included in the modelling aspect for the abatement of CO2 or carbon concentrations in the atmosphere to reduce climate warming. Two climate stabilization scenarios of CO2emissions of 500-ppmv and 550-ppmv have been used in order to estimate the sectoral restructuring of the energy system across different regions as well as its effect on atmospheric and deep ocean layer temperature rise. The phaseout of polluting fuels and the integration of non-polluting or less polluting fuels and renewable energy sources inside the sectoral energy system predominate across all regions. Sectoral energy demand and total final energy demand decreases in individual regions. Technologies such as fuel cells, fusion technology, Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) with CO2 sequestration, Combined Cycle Gas Turbine (CCGT) with CO2 sequestration and hydrogen production with CO2 sequestration are selected in the stabilization scenarios. The CO2 emission by fossil fuels, by sectors and by regions decreases. The atmospheric temperature rises by a maximum of 2.41oC and the ocean bed temperature rises by a maximum of 0.33oC up to the year 2100. The TIMES G5 global model has been developed to test global learning processes for the effect of uncertainties on learning rates of innovative technologies, i.e., technology diffusion across world regions subject to uncertainty in LRs for three PRs has been considered on implementation of floor cost approach The global learning process considering technology gap methodologies (knowledge gap and time lag) has been developed and tested for three different progress ratios of each technology for uncertainty of the technological return. Knowledge gap represents higher specific cost of the technology for developing regions and time lag approach presents a time lag in capacity transfer to developing regions compared to developed regions. This study shows the penetration and integration of new technologies such as IGCC, CCGT, solar photovoltaic (PV), wind onshore, wind offshore and geothermal heat pumps inside the energy system of different regions. Variations result observed by the inclusion of global learning without and with technology gaps in the form of higher specific cost (knowledge gap) and time lag. IGCC technology reaches its maximum potential in all scenarios across the globe. IGCC technology is preferred in the case of global learning without knowledge gap and time lag across developing regions compared to global learning with knowledge gap. CCGT technology development in manufacturing region decreases in global learning with technology knowledge gap compared to without knowledge gap concept. Wind onshore penetrates more in EU25 and R_OECD regions and in energy systems in a global learning concept without knowledge gap. Developed regions use more learning technology in the global learning with time lag concept because of the advantage of early investment cost reduction of learning technologies contributed by developing regions. Geothermal Heat Pump (geothermal HP) penetrates more across all regions and in all scenarios as the technology is modeled for global learning without knowledge gap and time lag. Bio-gasification, solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells do not enter any energy system under any scenario. It is observed that learning technology diffuses more in higher learning rates and less in lower learning rates across the regions and the globe. The development of specific costs of innovative technologies is observed differently by period for developing and developed regions in global learning with technology gap in the form of higher specific cost approach.Item Open Access A model-based framework for the assessment of energy-efficiency and CO2-mitigation measures in multi-cylinder paper drying(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2022) Godin, Hélène; Radgen, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Thesis on the effect of energy-efficiency and CO2-mitigation measures in multi-cylinder paper drying.Item Open Access Ein Verfahren zur graphentheoretischen Dekomposition und algebraischen Reduktion von komplexen Energiesystemmodellen(2002) Stuible, Achim; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Aufgrund der Endlichkeit fossiler Rohstoffe und den momentanen CO2-Minderungszielen ist ein grundlegender Wandel in der Energiewirtschaft zu erwarten. Zur Unterstützung der notwendigen langfristigen, strategischen Energieplanung werden Energiesystemmodelle eingesetzt, die es erlauben, mit den Unsicherheiten der ökologischen und ökonomischen Entwicklung von Energiesystemen umzugehen. Simulationsmodelle verwenden dazu Verfahren, die eine Vielfachberechnung des Systems erfordern, und damit zu Rechenzeitproblemen führen. Die wichtigsten auf dem Modellbildungsschema des Referenzenergiesystems (RES) basierenden generischen Energiesystemmodelle, so auch das dieser Arbeit zugrunde gelegte Simulationsmodell PlaNet, verfügen meist über eingeschränkte Modellierungsmöglichkeiten. Aufgrund der inhärenten Komplexität großer Energiesystemmodelle ist zudem häufig eine mangelnde Transparenz der Modelle festzustellen. Zur Behebung der bisherigen Probleme wurde das Simulationsmodell PlaNet zuerst methodisch erweitert. Anschließend erfolgte die Beschleunigung der zeitreihenorientierten, quasi-dynamischen Simulation. Dazu wird in einem ersten Schritt das mathematische Modell dekomponiert. Unter Berücksichtigung der Modellstruktur wird mit Hilfe eines graphentheoretischen Verfahrens ein Lösungsreihenfolge (LRF)-Graph erzeugt, welcher die Lösungsreihenfolge der Teilgleichungssysteme vorgibt. In einem zweiten Schritt erfolgt die einmalige symbolische Lösung des Problems, was bei den üblichen Mehrfachberechnungen von Vorteil ist. Ein wesentlicher Beitrag zur Reduzierung der Rechenzeit ist das im dritten Schritt eingeführte Verfahren zur algebraischen Reduktion des mathematischen Modells durch die zielgerichtete Eliminierung von Gleichungen. Grundlage dafür ist die Information, welche Zielvariablen in Abhängigkeit welcher Variationsparameter berechnet werden sollen. Das reduzierte mathematische Modell hat nur noch einen Bruchteil der Größe des Originalmodells und kann damit wesentlich schneller berechnet werden, wodurch umfangreiche Variationsrechnungen selbst für sehr komplexe Energiesystemmodelle ermöglicht werden. Nach der Reduzierung der Rechenzeit erfolgt in einem vierten Schritt die Beseitigung des Flaschenhalses Datenbankzugriff durch die Umstellung des Energiesystemmodells auf eine Client/Server-Architektur, was selbst zeitkritische online-Anwendungen möglich macht. Zur Erhöhung der Transparenz bietet der LRF-Graph die Möglichkeit, Verfahren zur strukturellen und mathematischen Analyse von Energiesystemmodellen anzuwenden. Dabei erfolgt die strukturelle Analyse mit graphischer Unterstützung des in dieser Arbeit eingeführten hierarchischen RES, wogegen die mathematische Analyse die Abhängigkeit einer Variablen von verschiedenen Parametern verdeutlicht.Item Open Access Operational impacts of large-scale wind power generation in the German power system and effects of integration measures : analyses with a stochastic electricity market model(2012) Hasche, Bernhard; Voß, Alfred (Prof.)A strong increase of onshore and offshore wind power capacities is an official political target in Germany and other countries. The wind energy shares therefore rise in many power systems. Wind power generation has other characteristics than the power generation by conventional power plants. The wind is a natural resource that is fluctuating. The meteorological dependency leads to a limited predictability of the available power. A third aspect is the concentration of wind farms at locations with high wind yields as in the North of Germany. From a methodological point of view, the thesis focuses on the analysis of the three aspects with regard to the power system operation and the development of related modelling approaches. This especially refers to the application of a stochastic optimization model for the system analysis and to the simulation of wind power generation and wind power forecasts. The application orientated focus is on a scenario analysis of the German power system in 2020. The analysis aims at the identification of promising system adaptations that lead to an improved wind power integration and a more efficient power system operation. Before the model presentation, the importance of the three aspects above is discussed giving the basics for the latter modelling. It is shown that the residual load fluctuations are increased by the wind power generation, especially if they are related to the residual load levels. The flexibility of thermal power plants is also regarded here. An analysis of operational uncertainties shows the importance of wind power forecast errors in relation to load forecast errors. The DC load flow model and characteristics of the transmission grid are explained. A stochastic market model is presented that allows an integrative analysis of the wind power integration. One characteristic of the optimization model is the application of a rolling planning so that forecast errors can be specifically considered. A main modification of the model compared to earlier model versions is given by the representation of grid constraints. A grid reduction approach is developed that reduces the transmission grid to a simplified structure that is applied in the market model. The grid reduction approach is based on a comparison of DC load flow solutions in the reduced and unreduced grid. Additionally, an approach for the calculation of tertiary reserves is given. The approach considers the wind forecast quality and combines probabilistic elements with an optimization. The simulation of wind power generation and forecasts combines different analyses and methods. General quantitative relations between the variability of wind power generation and the geographical region size are derived. The equations are applied in the simulation of wind power generation that is based on adapted wind power curves. The adapted power curves consider regional smoothing effects in the transformation of wind speed to wind power. The simulation results reflect the high variability of the concentrated offshore wind power. For the simulation of the wind power forecasts, a scenario generation method based on moment matching is presented that allows simulating non Gaussian distributed forecast errors and their correlations. The results of a statistical analysis of measured forecast errors are used in the simulation. An empirical relation between error correlation and geographical distance is for example given. The German forecast quality that is simulated for 2020 assuming an improvement of forecasting by 20% is, related to the installed capacity, similar to the one of today due to the high spatial concentration of the offshore capacities. For the scenario analysis of the power system in 2020, the power plant portfolios of twelve German regions and other parameters are derived based on different sources. This includes reserve requirement values and reduced grid parameters that are calculated by the methods mentioned above. The results show that, in the regarded scenario, 3% of the yearly wind energy cannot be integrated into the system. They are curtailed nearly exclusively due to transmission constraints. The network congestions also lead to high differences between the regional electricity prices. The yearly costs of wind forecast errors amount to circa 180 million Euros or 1% of the operational system costs. The model results thereby indicate a large cost saving potential by risk management methods. Based on scenario modifications, integration measures related to CAES capacities, demand side management and more flexible power plants as well as infrastructural changes by grid expansions and an adapted geographical allocation of power plants are analysed. The importance of a stochastic modelling approach for the evaluation of flexibility related scenarios is shown. The comparison of the integration measures identifies infrastructural changes as most efficient system improvements whereas the benefits of CAES capacities are small. Assuming a grid without any transmission constraints, the yearly system costs are reduced by one billion Euros. A limited grid upgrade leads to 10% of this cost reduction. Similar cost savings are achieved by adapting the geographical locations of the power plants. Adjusting the generation to the grid is therefore a promising alternative to grid expansions especially considering the long processes that are involved with new transmission lines. A market design with regional electricity prices would give related incentives.Item Open Access Analyse der Einsatzpotenziale von Wärmeerzeugungstechniken in industriellen Anwendungen(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Ohl, Michael; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Techno-economic analysis of an instrument mix to decarbonize the electricity sector(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2024) Gillich, Annika; Hufendiek, Kai (Prof. Dr.-Ing.)Die Politiklandschaft zur Bekämpfung des Klimawandels wird zunehmend komplexer und damit auch ihre Analyse. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Bewältigung dieser Aufgabe, indem drei Kerninstrumente zur Dekarbonisierung des Stromsektors, nämlich CO2-Bepreisung, Förderung von erneuerbaren Energien und Kohleausstieg, systematisch bewertet werden. Dabei werden in drei Einzelanalysen ökonomische, technologische und Verteilungseffekte auf der Erzeugungsseite betrachtet, sowie Wechselwirkungen zwischen den Instrumenten. Die erste der Analysen beschäftigt sich mit ökonomischen Effekten eines Kohleausstiegs, der parallel zum EU ETS wirkt (sogenannte „overlapping policies“). Die zweite Analyse zeigt die kurzfristigen Effekte der drei Instrumente auf Marktpreise und Deckungsbeiträge einzelner Technologien auf. In der dritten Analyse wird die langfristige Rentabilität der Technologien in einem iterativen Ansatz untersucht, unter der Annahme von unzureichenden Knappheitspreisen im realen Markt. In allen drei Analysen kommt das lineare, systemkostenoptimierende Strommarktmodell E2M2 zum Einsatz, das für die jeweilige Fragestellung geeignet adaptiert wird. Die aus diesen Analysen abgeleiteten zentralen Empfehlungen für die Gestaltung eines Politikmixes im Stromsektor sind: Erstens sollte die Anzahl an Politikinstrumenten so gering wie möglich gehalten werden. Und zweitens sollte sich die Gestaltung und die Bewertung eines Instrumentenmix an dessen theoretisch optimalem Ergebnis orientieren. Die Berücksichtigung dieser Empfehlungen kann dazu beitragen, dass der Politikmix zur Dekarbonisierung des Stromsektors in Zukunft besser geeignet ist, die Klimaziele so effizient wie möglich zu erreichen.Item Open Access Unsicherheiten bei der rechnerischen Ermittlung von Schadstoffemissionen des Straßenverkehrs und Anforderungen an zukünftige Modelle(2004) Kühlwein, Jörg; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Die Komplexität der Modelle zur Berechnung von Schadstoffemissionen aus dem Straßenverkehr hat in den letzten Jahren aufgrund der Verfügbarkeit wesentlich detaillierterer Eingangsdaten erheblich zugenommen. Über die Qualität der modellierten Emissionsdaten lagen bislang jedoch nur unzureichende Kenntnisse vor. Mit der vorliegenden Arbeit werden die Unsicherheiten der Modellierungen von gasförmigen Emissionen des Straßenver-kehrs für den deutschsprachigen Raum eingehend untersucht und quantifiziert. Grundlage der hier durchgeführten Fehlerbetrachtungen ist ein Emissionsmodell, wie es zur Erstellung von zeit-lich und räumlich hoch aufgelösten Emissionskatastern verwendet wird. Um Aussagen über Fehlerbandbreiten von modellierten Emissionsdaten treffen zu können, wurden durch geeignete Methoden statistische Vertrauensbe-reiche der Eingangsdaten ermittelt und diese über Sensitivitätsuntersuchungen und statistische Fehlerrechnung zu einem Gesamtfehler verknüpft. Aus den Ergebnissen der Unsicherheitsberechnungen wurden diejenigen Ein-gangsdaten ermittelt, deren Fehler am stärksten zum Fehler der Gesamtemissionen beitragen und deren Genauig-keit im Rahmen einer zukünftigen Modifizierung des Berechnungsmodells vorrangig verbessert werden sollten. Neben den statistischen Fehlerbetrachtungen wurden experimentelle Messungen von Emissionen unter realen Bedingungen aus der Literatur und unter eigener Beteiligung herangezogen, um durch Vergleiche mit modellier-ten Emissionsdaten Rückschlüsse auf die tatsächlichen Fehler - also die Differenzen zwischen den wahren und den modellierten Emissionen - zu ziehen. Die statistischen Betrachtungen des komplexen Emissionsmodells und die Auswertungen von verfügbaren expe-rimentellen Studien haben ergeben, dass bei Anwendung derzeit verfügbarer Verkehrsdaten und Emissionsfakto-ren selbst bei Modellierungen mit höchstem Differenzierungsgrad mit teilweise erheblichen statistischen und systematischen Fehlern zu rechnen ist. Bei der Ermittlung großräumiger Emissionsdaten des Straßenverkehrs (z.B. Jahresemissionen von Bundesländern) stellen die Emissionsfaktoren in allen Quellbereichen den größten Unsicherheitsfaktor dar. Mit zunehmender räumlicher und zeitlicher Disaggregierung der Emissionsdaten gewin-nen die Fehler von verkehrs- und straßenbezogenen Parametern (Aktivitäten) an Bedeutung.Item Open Access The future role of alternative powertrains and fuels in the German transport sector : a model based scenario analysis with respect to technical, economic and environmental aspects with a focus on road transport(2012) Özdemir, Enver Doruk; Voß, A. (Prof. Dr.-Ing.)The transport sector is facing the challenges of satisfying the ever increasing transport demand on the one hand and achieving greenhouse gas (GHG) emission reduction targets without compromising economic development on the other hand. There are various alternative fuels and powertrains which might play a role in the future of the German transport sector. Amongst these options, biofuels are considered to help lower GHG emissions. However, they are severely criticized to create an additional strain for the energy system and particularly for the transport sector with land area requirement for energy crop production, which may imply a competition with food production. This study aims to assess the future role of alternative fuels and powertrains in the German transport sector in terms of their costs, efficiencies, GHG emissions and land area requirement for energy crops. To fulfill this aim, a techno-economic analysis of all relevant fuels and powertrain options was performed and a model based approach was employed. The utilized model belongs to the TIMES (The Integrated MARKAL EFOM System) family and is a bottom-up linear cost optimization energy system model. A scenario analysis was employed in order to assess the effect of different technological, economic, environmental and political conditions on the overall system. The results of the scenario analysis indicated that the transport system will still be dominated by conventional powertrains in 2030. Alternative powertrains are projected to play only a secondary role until 2030. It is not expected that fuel cell or battery electric passenger cars will be introduced into the market until 2030 in Germany. Nevertheless, hybrid electric powertrains have to be used in the German passenger car sector under ambitious GHG emission reduction targets and high oil prices. The introduction of alternative powertrains (such as hybrid electric and fuel cell powertrain) is much more likely in the bus sector (especially for public buses) than in passenger cars or in the road freight sector. Furthermore conventional fuels are expected to remain an important part of the German transport system until 2030. However, not only conventional fuels will be utilized in the future, but also biofuels and hydrogen are required. It is concluded that the transport sector should not be the first sector to reduce GHG emissions within an overall GHG emission mitigation strategy. However, with the ambitious GHG emission reduction targets (such as self-commitment of the German government) some contributions should also come from the transport sector.