Universität Stuttgart
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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 Aktuelle Situation und Trends im Europäischen und Deutschen Kraftwerksmarkt(2002) Voß, AlfredMit der Liberalisierung der Strommärkte in Europa im Jahr 1998 wurde ein Prozess des Wandels und der strukturellen Veränderungen eingeleitet, der in seiner Dynamik und Reichweite nur von wenigen vorausgesehen worden ist. Der mit der Aufhebung der rechtlich geschützten Versorgungsgebiete einsetzende Preis- und Veränderungswettbewerb hat zu Strompreiseinbrüchen sowohl bei den Großhandelspreisen wie auch bei den Endkundenpreisen geführt. Nachdem der Wholesale-Strompreis mit unter 18 Euro/MWh im Jahr 1999 sein tiefstes Niveau erreicht hatte, kam es in der Folgezeit zu einem Preisanstieg, der jedoch im Wesentlichen durch das Anziehen der Preise für Steinkohle, Erdgas und Öl bedingt war. Dem auch durch neue Marktteilnehmer härter gewordenen Wettbewerb sowie dem drohenden Margenverfall und Umsatzeinbußen begegnen die traditionellen Stromanbieter durch radikale Kostensenkungsprogramme, Umorganisationen, neue Produkte und Dienstleistungen, eine neue Kundenorientierung aber auch durch Fusionen, Übernahmen und Allianzen. Mit dem angestrebten europäischen Binnenmarkt für Energie verlieren die Grenzen zu unseren Nachbarn an Bedeutung. Dies erfordert EU-weite Kategorien und Handlungsstrategien. Diese werden derzeit noch dadurch erschwert, dass die Bedingungen für die Stromerzeugung in den einzelnen Mitgliedsstaaten der EU durchaus noch unterschiedlich sind. Angefangen von den Umweltanforderungen, der steuerlichen Belastung der Unternehmen, über direkte und indirekte staatliche Interventionen zugunsten einzelner Stromerzeugungstechnologien bis hin zu der Tatsache, dass es staatliche Unternehmen gibt, die von der ungleichgewichtigen Marktöffnung profitieren. Es ist offenkundig, dass der größte Druck der Liberalisierung und Deregulierung auf der Stromerzeugung lastet, denn die Wettbewerber kommen nicht nur aus Deutschland, sondern aus ganz Europa, d.h. die eigenen Erzeugungsanlagen stehen aus Unternehmenssicht in Konkurrenz mit denen der Wettbewerber. Kostensenkungsprogramme, Kapazitätsanpassungen aber auch neue operative Prozesse wie bilateraler und börslicher Stromhandel, Risikomanagement und Beschaffungsoptimierung sollen die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der bestehenden Kraftwerke sicherstellen. Nach der Konzentration auf die mehr kurzfristigen operativen Herausforderungen in den letzten Jahren, müssen sich die verbleibenden Akteure nun mit den längerfristigen Perspektiven, d.h. auch mit dem Zubau von Kraftwerksleistung beschäftigen, um den dauerhaften gewinnbringenden Fortbestand ihrer Unternehmen zu sichern. Auch aus dem Bereich der Elektrizitätswirtschaft häufen sich die Stimmen, die vor einem Mangel an Kraftwerksleistung und Versorgungsengpässen in Deutschland und Europa nach 2010 warnen, wenn nicht rechtzeitig ein Neubauprogramm in Angriff genommen wird.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 Entwicklung und Anwendung eines Integrated Assessment Modellinstrumentariums für die Analyse nachhaltiger Entwicklungen der Energieversorgung in Deutschland : Schlussbericht(2004) Fahl, Ulrich; Bickel, Peter; Blesl, Markus; Droste-Franke, Bert; Ellersdorfer, Ingo; Rehrl, Tobias; Remme, Uwe; Rout, Ullash Kumar; Voß, AlfredZiel des Forschungsvorhabens ist es, ein Integrated Assessment Modellinstrumentarium zu entwickeln und für die Analyse nachhaltiger Entwicklungen der Energieversorgung in Deutschland im globalen und europäischen Kontext anzuwenden. Das Modellinstrumentarium setzt sich aus vier Bausteinen zusammen. Zur Beurteilung der ressourcenbezogenen Effekte der globalen wie regionalen Nachfrage nach Primärenergieträgern ist das neu entwickelte Ressourcenmodell LOPEX an das Allgemeine Gleichgewichtsmodell NEWAGE-World gekoppelt worden. Auf der Basis der mit NEWAGE ermittelten weltweiten regionalisierten Nachfragen nach Energieträgern werden mit LOPEX Produktions- und Abbaupfade sowie Preispfade für die Energieträger Erdöl, Erdgas und Steinkohle abgeschätzt. Zum anderen wird durch die Anbindung des Umwelt Wirkungsmodells EcoSense an das europäische Energiesystemmodell TIMES-ES, das Deutschland und seine Nachbarstaaten hinsichtlich der gesamten Energieflüsse von den Energiedienstleistungen bis zur Primärenergiebereitstellung und die dabei entstehenden Emissionen erfasst, eine effiziente und zuverlässige Bewertung von Emissionsminderungsstrategien unter Berücksichtigung externer Effekte und Nachhaltigkeitsindikatoren auf europäischer Ebene ermöglicht.Item Open Access Energie und Klima: ist eine klimaverträgliche Energieversorgung erreichbar?(1991) Voß, AlfredUnter den Wissenschaftlern besteht weltweit Übereinstimmung, daß durch menschliche Tätigkeit freigesetzte Spurengase das Klima verändern. Unter diesen Spurengasen nimmt CO2 eine herausragende Rolle ein. Es gilt also, den CO2-Ausstoß zu verringern. Der Autor stellt die durch Energieumwandlungen entstehenden CO2-Emissionen vor und beschreibt mehrere Möglichkeiten einer CO2-Minderung. Hierbei geht er insbesondere auf die CO2-Reduktionsstrategien ein, wie sie für die Bundesrepublik Deutschland im Rahmen der Enquete-Kommission "Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre" erarbeitet wurden.Item Open Access Rationelle Stromanwendung in den Haushalten(1994) Baur, Jürgen F.; Bonhoff, Claudia; Fahl, Ulrich; Voß, AlfredDas Projekt "Klimaverträgliche Energieversorgung in Baden-Württemberg" soll in zwei Phasen durchgeführt werden. Ziel der ersten Phase des Projektes ist es, - vorwiegend technologisch orientierte - Gutachten zu erstellen, die die Basis für die in der zweiten Phase zu erarbeitenden Szenarien bilden sollen. Das Projekt gliedert sich in insgesamt 16 Einzelgutachten, in denen Energieträger, Energieumwandlung und Endnutzung der Energie näher untersucht werden. Im Einzelgutachten "Rationelle Stromanwendung im Haushalt" werden Technikanalysen für Haushaltsgeräte erstellt, die nicht der Raumwärme- oder Brauchwasserbereitstellung dienen. Die Analysen werden für sechs unterschiedliche Energiedienstleistungen (EDL) durchgeführt: Kühlen und Gefrieren (EDL "Kühlen und Gefrieren", vgl. Kapitel 4), Kochen (EDL "Warme Mahlzeit", vgl. Kap. 5), Waschen und Trocknen (EDL "Gewaschene Wäsche", "Getrocknete Wäsche", vgl. Kap. 6), Spülen (EDL "Gespültes Geschirr", vgl. Kap 7), Beleuchtung (EDL "Beleuchtete Wohnung", vgl. Kap 8), Betrieb von Kleingeräten (vgl. Kap. 9).Item Open Access Strategien und Technologien einer pluralistischen Fern- und Nahwärmeversorgung in einem liberalisierten Energiemarkt unter besonderer Berücksichtigung der Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbarer Energien : Kurzfassung der Studie(2000) Besch, H.; Neuffer, Hans; Witterhold, Franz-Georg; Schönberg, Ingo; Jochem, Eberhard; Radgen, Peter; Schmid, Christiane; Mannsbart, Wilhelm; Pfaffenberger, Wolfgang; Schulz, Wolfgang; Voß, Alfred; Blesl, Markus; Fahl, Ulrich; Zschernig, Joachim; Sager, Jörg; Fahlenkamp, Hans; Hölder, Daniel; Dötsch, Christian; AGFW - Arbeitsgemeinschaft Fernwärme e.V. bei der Vereinigung Deutscher ElektrizitätswerkeDie Zusammenfassung dient zwei Zielen: Zunächst werden die wesentlichen Ergebnisse der Langfassung der o.g. Studie referiert; auf dieser Basis werden dann mögliche Maßnahmen und Strategien diskutiert, die kurzfristig (2000-2001) ergriffen werden könnten. Als Akteure kommen hierbei nicht nur die Bundesregierung, die wichtige Rahmenbedingungen zum Marktgeschehen wird setzen müssen, in den Fokus, sondern auch die Betreiber von Heizkraftwerken und KWK-Anlagen und deren Verbände, aber auch andere Akteure wie z. B. Contracting-Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Da die Übergangsphase der Liberalisierung der europäischen Stromwirtschaft in den Jahren 2000-2005 eine besondere Herausforderung für die KWK-Entwicklung darstellt, wird auch ein kurzfristig wirksames Maßnahmenbündel zur Diskussion gestellt. Dem Leser sei zum Verständnis in Erinnerung gerufen, dass diese vorgelegte Analyse im Rahmen einer Vorstudie durchgeführt wurde und langfristig abgesicherte Aussagen auch Analysen mit einschließen müssten, die bis 2010 und 2020 reichen. Weiterführende Arbeiten sollen in einer geplanten Hauptstudie erfolgen.Item Open Access Strategien zur Reduktion der energiebedingten CO2-Emissionen(1992) Voß, AlfredEine robuste und flexible Politik zur Minderung der energiebedingten Treibhausgase sollte entsprechend dem Effizienzgebot zunächst die CO2-Minderungsmöglichkeiten, deren ökonomischer Nutzen allein schon größer ist als ihre Kosten, ausschöpfen. Die Ausnutzung der hier vorhandenen Treibhausgasminderungspotentiale erlaubt es der Bundesrepublik Deutschland und den anderen Industrieländern auch, eine Schrittmacherrolle zu übernehmen, ohne die Volkswirtschaft einseitigen Belastungen auszusetzen. Schritte und Maßnahmen in dieser Richtung tragen dabei gleichzeitig zur Realisierung mehrer Ziele, wie der Reduzierung der sonstigen Schadstoffbelastungen der Luft, der Preiswürdigkeit der Energie und der Ressourcenschonung bei. Eine effizienzorientierte Treibhausgasminderungspolitik wird dabei auf keine der vorhandenen Optionen, die einen spürbaren Beitrag zur CO2-Reduktion leisten können, verzichten können.Item Open Access Integrierte Ressourcenplanung und Least Cost Planning - neue Anwendungsbereiche für die Optimierung(1994) Voß, Alfred; Hoecker, HildegardIRP ist ein Planungsprozeß, in dem alle Möglichkeiten der Strombereitstellung sowie der Beeinflussung der Nachfrage (Nachfragemanagement) nach gleichen Kriterien gegeneinander abgewogen werden. Das heißt: Wenn es kostengünstiger ist, Energie einzusparen, sollen vorrangig Investitionen in die Verringerung des Energieverbrauchs getätigt werden, statt Strom zu produzieren bzw. neue Kraftwerke zu bauen. Ziel des Planungsprozesses ist die kostenminimale Bereitstellung der Energiedienstleistung durch eine optimale Kombination von strombereitstellenden und nachfragebeeinflussenden Maßnahmen. Der zu deckende Energie- bzw. Strombedarf wird demnach nicht als gegeben hingenommen, sondern als direkt beeinflussbar angesehen.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.