Der Simulator für 100% Erneuerbare Energien für Deutschland

Inhalt

Das Projekt

Mit der Ausbreitung der Erneuerbaren Energien in Deutschland wird diskutiert, ob die derzeitige Struktur des Stromnetzes angemessen ist oder in welcher Form es angepasst werden muss. Öffentlich wird der Ausbau des Übertragungsnetzes mit weiteren Hochspannungsfreileitungen gefordert, während andere Stimmen mit einer zellularen Netzstruktur eher einen dezentralen Ansatz mit lokalen Speichern verfolgen. Detaillierte und ausführliche Studien lassen sich nur schwer unabhängig nachvollziehen und an andere Annahmen anpassen, da die Datengrundlagen nicht öffentlich verfügbar sind.

Um eine breitere öffentliche Diskussion auch Fachleuten zu ermöglichen, die nicht einen Zugang zu den häufig vertraulichen Daten von etablierten Institutionen bekommen können oder möchten, wurde hier im Rahmen von mehreren Studierendenprojekten zeitlich und räumlich aufgelöste Einspeise- und Bedarfsdaten aus öffentlich verfügbaren Quellen gesammelt und aufbereitet. Es wurden nur Daten zu Erneuerbaren Einspeisen vorgesehen, denn Ziel ist eine Untersuchung der elektrischen Versorgung mit 100% Erneuerbaren Energien.

Zur Auswertung wurde ein Simulationstool mit Benutzeroberfläche in der Programmierumgebung MatLab entworfen, mit dessen Hilfe Leistungsflüsse zwischen Regionen berechnet und visualisiert werden können. Ein einfaches Modell für Speicher ist ebenfalls implementiert.


Bild 1: Benutzerinterface zur Anzeige der Ergebnisse.

Die Benutzeroberfläche stellt zum einen eine Landkarte von Deutschland dar (Bild 1). Die Farbe der einzelnen Regionen korrespondiert mit dem Überschuss oder Mangel an elektrischer Energie für den jeweiligen Zeitraum. Leistungsflüsse sind als Pfeile zwischen den Regionen dargestellt. Ein Schieberegler ermöglicht die Wahl des Zeitpunktes. Eine X-Y-Grafik stellt den Zeitverlauf ausgewählter Größen dar. Bild 2 zeigt die Eingabemöglichkeiten: Mit Hilfe der Schieberegler lassen sich für die jeweils angewählten Regionen Skalierungsfaktoren für die einzelnen Energieträger und den Bedarf sowie Speicherkapazität und -Leistung schrittweise einstellen.


Bild 2: Benutzerinterface zur Eingabe der Skalierungsfaktoren für die einzelnen Regionen.

Die Datenbasis besteht aus Jahres-Profilen für die jeweils 32 Regierungsbezirke in Deutschland, zeitlich in 15 min aufgelöst. Die Daten beziehen sich auf das Referenzjahr 2011. Sie sind als relative Daten, bezogen auf die jeweils installierte Leistung verfügbar, damit sie einfach für ein beliebiges Szenario skaliert werden können. Vorhanden sind Daten für die Einspeisung von Photovoltaik (PV), Wind (on-shore), Laufwasser und Biomasse sowie Daten für den Bedarf. Details zu den Quellen und der Herleitung werden im ausführlichen Konferenzbeitrag beschrieben.

Wesentlicher Schwerpunkt ist die Berechnung des Leistungsausgleichs zwischen den einzelnen Regionen. Dieser wird hier ohne Berücksichtigung eines Stromnetzes ermittelt, um den notwendigen Ausgleich in einem optimalen Stromnetz zu ermitteln. Als Annahme sind dazu alle Regionen mit ihren Nachbarregionen "ideal" verknüpft, und jede einzelne dieser Verbindungen wird als gleichwertig angenommen. Die Übertragung über eine dieser Verbindungen wird mit einer "Straf-Funktion" beaufschlagt. Dazu wurde das Quadrat der übertragenen Leistung gewählt. Dies ermöglicht eine sehr einfache Optimierung der "Straf-Verluste" mit Hilfe eines angepassten Knoten-Potential-Verfahrens (siehe auch Illustration in Bild 3). Details dazu werden ebenfalls im Konferenzbeitrag beschrieben und diskutiert.


Bild 3: Exemplarisches Netzwerk zur Illustration des Knotenpotentialverfahrens.

Jeder Region ist ein einfaches Speichermodell zugeordnet. Kapazität und maximale Leistung können für jede Region einzeln festgelegt werden. Es werden unterschiedliche Betriebsstrategien untersucht, welche - als erste Erkenntnisse - einen entscheidenden Einfluss auf die Verteilung der Leistungsflüsse haben. Diese Details werden als Ergebnisse im Konferenzbeitrag ausführlicher beschrieben.

Weitere Information finden Sie in den Dokumenten zum Herunterladen.

Die Installation

Sie möchten gerne die Berechnungen selber durchführen? Hier die Beschreibeung:

Das Tool wurde mit der Programmierumgebung MatLab erstellt. Aus dem Source-Code wurde dann ein ausführbares Programm (Simulation_100Pro_EE.exe) kompiliert. Diese Datei, sowie weitere benötigtigte, können Sie in der Datei 100Pro_EE-Simu-V1_0.zip unter Downloads herunterladen. Sie müssen dann das .EXE als Programm laufen lassen um die Simulationen durchzuführen. Es ist keine Online-Berechnung vorgesehen.

Das Programm funktioniert mit Windows 7 und Windows 8. Unter Windows 10 oder älteren Versionen wie XP habe ich es noch nicht getestet. Über Hinweise würde ich mich freuen.

Inhalt des Downloads

Die Zip-Datei enthält folgende wesentliche Elemente:

Datei "Simulation_100Pro_EE.exe"
Das ausführbare Programm, das die Simulation berechnet

Verzeichnis "Daten für Matlab"
Enthält die Daten zu Wind, PV, Verbrauch usw. als MatLab-Variablen sowie weitere Hilfsvariablen. Außerdem enthält es die Bilder für die Hilfe-Funktionen. Dieses Unter-Verzeichnis muss im selben Verzeichnis wie Simulation_100Pro_EE.exe vorhanden sein, damit die Simulation die Daten findet.

Datei "MyAppInstaller_web.exe"
Wird benötigt, wenn auf Ihrem Rechner kein Matlab installiert ist. Enthält die Installationsdateien für die MatLab-Runtime-Umgebung. Beim Ausführen holt sich die Installationsroutine die notwendigen Daten aus dem Internet und installiert dann die MatLab Runtime-Umgebung, welche für die Simulatuion notwendig sind.

Default_icon.ico
Enthält eine kleine Grafik für Icons im Dateimanager.

splash.png
Enthält die Grafik, die beim Start der Simulation gezeigt wird.

Installations-Prozedur

1. Laden Sie die Datei "100Pro_EE-Simu-V1_0.zip" bei Downloads auf Ihren Rechner.
2. Haben Sie auf Ihrem Rechner MatLab installiert? Dann können Sie sich diesen Schritt sparen.
Ansonsten sorgen Sie für eine funktionierende Internetverbindung auf Ihrem Rechner. Dann extrahieren Sie die Datei "MyAppInstaller_web.exe" aus der ZIP-Datei und führen Sie sie aus. Die Prozedur lädt eine MatLab-Runtime-Umgebung aus dem Internet und installiert sie auf Ihrem Rechner. Außerdem extrahiert sie eine ältere Version der Simulationsdatei Simulation_100Pro_EE.exe im Programmverzeichnis von Windows. Merken Sie sich das Verzeichnis, in dem diese Vorläuferversion installiert wird. Das können sie dann löschen, denn diese Version funktioniert nicht.
3. Erstellen Sie ein beliebiges Verzeichnis, das Sie für die Simulation nutzen wollen.
4. Extrahieren den Inhalt der ZIP-Datei in dieses Verzeichnis. Die Datei "MyAppInstaller_web.exe" können Sie nun löschen oder gar nicht erst extrahieren.
5. Starten Sie die Datei "Simulation_100Pro_EE.exe" um mit der Simulation zu beginnen.

Die Hilfe-Funktionen beschreiben die Funktionen des Simulations-Tools.

Downloads

ZIP-File,
enthät ausführbares Programm und Daten im MatLab-Format sowie MatLab-Runtime-Umgebung:
100Pro_EE-Simu-V1_0.zip
(26.7MB)

Veröffentlichung:
Eberhard Waffenschmidt, Momoko Kristuf, Daniel Korber,
"Zeitlich und räumlich aufgelöste Leistungsflüsse zwischen Regionen bei einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien in Deutschland",
4. Otti-Konferenz "Zukünftige Stromnetze für Erneuerbare Energien", Berlin, 31.1 -1.2.2017.

Kurzbericht des Studentenprojektes:
Daniel Korber (B.Eng.), Momoko Kristuf (B.Eng.),
"Spatial and temporal power flows between regions with a power supply of 100% renewable energies in Germany",
Report of Masterproject, TH-Köln (Technical University Cologne), Oct. 2016.
PDF-Dokument (1.2MB)

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Übertragungsnetz

100% Erneuerbare Energien

Zellulare Netze 


E.Waffenschmidt, 20.Feb.2017