Talsperre und Fließgewässer

Wie wird das theoretisch vorhandene energiewirtschaftliche Potenzial von Talsperren ermittelt?

Die Bestimmung des energiewirtschaftlichen Potenzials von Talsperren erfolgt auf Basis einer Modellierung aller Wasserentnahmen, Zuflüsse und Restriktionen. Anschließend wird der Einsatz aller Komponenten so optimiert, dass zu möglichst hohen Strompreisen Strom erzeugt wird und zu möglichst geringen Preisen Strom verbraucht wird. Dabei muss innerhalb der Dynamisierungsperiode von bspw. 24 Stunden die Summe der jeweiligen Zuflüsse und Entnahmen konstant bleiben.

Wiehl Talsperre, Foto FiW 2014

Abbildung 1: Wiehltalsperre, Foto FiW 2014

Untersuchungsmethoden und Tools

Das energiewirtschaftliche Potenzial ergibt sich aus der dynamisierten Bewirtschaftung einer Talsperre anhand variabler Strompreise. Als dynamisierte Bewirtschaftung bezeichnet man die mengenmäßig zeitlich variable Entnahme des Rohwassers aus dem Talsperrenkörper, beispielsweise zur Anpassung der energetischen Nutzung des Wasserpotenzials zu Zeiten hoher Nachfrage und hoher Strompreise.

Basis des Optimierungsverfahrens zur Talsperren-Dynamisierung ist die Modellierung des Systems mit allen betrieblichen und technischen Restriktionen. Abbildung 2 stellt die im Modell berücksichtigten Komponenten sowie den Datenbedarf dar.

Das modellierte System wird beschrieben durch das Volumen der Talsperre, welches durch eine zeitvariante Füllstandskennlinie eingeschränkt wird. Es werden sowohl minimale als auch maximale Beckenfüllstände berücksichtigt.

Je nach Optimierungsvariante können die zeitvarianten Abflüsse als Variable fest vorgegeben werden (z. B. m3/h oder m3/d). Eine Vorgabe je Zeitintervall stellt dabei keinen Freiheitsgrad der Optimierung mehr dar. Wird die Vorgabe über einen längeren Zeitraum (bspw. einen Tag) vorgegeben, so verbleibt der Optimierung der Freiheitsgrad die Menge auf die Zeitintervalle innerhalb des Tages aufzuteilen.

Grundsätzlich werden die Zu- und Abflüsse über Zeitreihen mit stündlichen Mittelwerten abgebildet. Je nach Optimierungsvariante werden die Wassermengen der Abflüsse (Unterlauf und Aufbereitung) eingeschränkt bzw. freigegeben und somit abhängig der Variante auf unterschiedlichem Niveau dynamisiert. Technische und wasserwirtschaftliche Restriktionen sind in jeder Variante im selben Maße zu berücksichtigen.

Beschreibung eines exemplarischen Talsperrensystems in der Dynamisierung, Grafik FiW 2017

Abbildung 2:  Beschreibung eines exemplarischen Talsperrensystems in der Dynamisierung, FiW 2017

In der kostenoptimierten Variante wird die Abgabe an Rohwassermengen je Zeitintervall pro Stunde an die Aufbereitung und den Unterlauf der Talsperre dynamisiert. Ziel ist die Maximierung des arbeitsabhängigen Deckungsbeitrages als Differenz von Erlösen und Kosten. Die arbeitsabhängigen, stündlichen Vermarktungserlöse ergeben sich durch die bereitgestellte elektrische Leistung über die Dauer einer Stunde multipliziert mit dem zugehörigen Day-Ahead Spotmarktpreis der jeweiligen Stunde. Die Kosten ergeben sich aus der benötigten Leistung sowie dem Strompreis zuzüglich Steuern und Abgaben.

Dabei ist abhängig vom Netzanschluss, den Eigentumsverhältnissen und der Größe von Erzeugung und Verbrauch, inwieweit Abgaben auch für den Verbrauch eigener Erzeugung anfallen. Als Freiheitsgrad wird in der Optimierung die nutzbare Wassermenge je Zeitperiode für alle Rohwasser-Abgabestellen abgebildet. Abbildung 3 verdeutlicht die Quantifizierung der Freiheitsgrade.

Grundlage der Bestimmung der Wassermengen je Zeitperiode bildet das historische Abgaberegime, welches in konstante Zeitperioden unterteilt wird. Ergebnis sind die abgeleiteten Abgabevolumina je Zeitperiode, die in der Dynamisierung als bindende Nebenbedingung berücksichtigt werden.

Grafik zur Bestimmung der Dynamisierungsperiode in der kostenoptimierten Variante, FiW 2017

Abbildung 3:  Bestimmung der Dynamisierungsperiode in der kostenoptimierten Variante, FiW 2017

Beispiele und Potenziale

Im Folgenden wird das energiewirtschaftliche Optimierungspotenzial verschiedener Dynamisierungsperioden für das System Trinkwassertalsperre Wiehl, Trinkwasseraufbereitung Auchel und Flussunterlauf Wiehl betrachtet. Die beispielhaften Ergebnisse beziehen sich auf die Strommarktsituation im Jahr 2014. Der Simulation werden konsistente Eingangsdaten zu Grunde gelegt.

So werden passend zum Betrachtungsjahr die Abgabemengen der Trinkwassertalsperre an die Trinkwasseraufbereitung und das Fließgewässer Wiehl unterhalb der Talsperre sowie die Strompreise des Jahres verwendet. Diese wurden über verschiedene Dynamisierungszeiträume und respektive verschiedene, für die Stromerzeugung verfügbare Wassermengen berechnet. Grundsätzlich dient die Simulation der Dynamisierung der Abschätzung von Erlöspotenzialen.

Grafik zur kostenoptimierten Dynamisierung im Jahr 2014, FiW 2017

Abbildung 4:  Kostenoptimierte Dynamisierung im Jahr 2014, FiW 2017

Grafik zur lastoptimierten Dynamisierung im Jahr 2014, FiW 2017

Abbildung 5:  Lastoptimierte Dynamisierung im Jahr 2014, FiW 2017

Dabei standen zum einen die Dynamisierung der Rohwasserabgabe an den Unterlauf und zum anderen die Dynamisierung der Abgabe an die Trinkwasseraufbereitung im Fokus der Untersuchung. In der Abbildung 4 werden die jährlichen Erlöspotenziale aus der Dynamisierung des Wiehl-Unterlaufs dem Referenzfall gegenübergestellt, welcher einer strompreisunsensitiven Bewirtschaftung entspricht. Im ersten Teil wird dazu zunächst von einer vorgegebenen Abgabezeitreihe an die Trinkwasseraufbereitung ausgegangen.

Gegenüber dem Referenzfall ist zu erkennen, dass die Erlössteigerung bei kurzen Dynamisierungsperioden am größten ist (4,2 %/a von einer auf drei Stunden).

Mit zunehmender Verlängerung der Dynamisierungsperiode nimmt der Grenznutzen der Dynamisierung ab. Gegenüber dem Referenzfall lassen sich die jährlichen Verkaufserlöse um maximal 17,1 %/a bei einer Dynamisierungsperiode von 168 Stunden bzw. einer Woche erhöhen. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um Potenziale, die aufgrund der langen Dynamisierungsperioden mit weiteren Aufwendungen für bspw. die Speicherung verbunden sind. Neben den abnehmenden Grenzerlösen pro Jahr geht mit einer Verlängerung der Dynamisierungsperiode ein

planerischer Anstieg des Aufwands für Vermarktungsprognosen sowie Aufwendungen für Speicherung von Volumina an der Abnahmestelle der Trinkwasseraufbereitung einher, um die Rohwasserbereitstellung stets gewährleisten zu können.

Neben einer Dynamisierung der Abgabe an den Unterlauf wurde ebenfalls eine Dynamisierung der Abgabe an die Trinkwasseraufbereitung untersucht. Um die jeweiligen Effekte getrennt quantifizieren zu können, wurde dabei von einer vorgegebenen Rohwasserabgabe an den Unterlauf ausgegangen. Somit ist eine isolierte Betrachtung der lastoptimierten Dynamisierung ohne Rückwirkung möglich. Als Referenz wird die nicht lastoptimierte Dynamisierung (1h) verwendet. Die Abbildungen oben zeigen die Entwicklung der jährlichen Erlöse abhängig von der Dynamisierungsperiode in der Trinkwasseraufbereitung.

Mit der Veränderung der Dynamisierungsperiode der Rohwasserabgabe an die Trinkwasseraufbereitung geht eine Rohwasserspeicherung in der Aufbereitung einher. Da die Speicherung nur begrenzt möglich ist, wird als maximale Dynamisierungsperiode ein Zeitraum von 24 Stunden gewählt. Die Ergebnisse zeigen eine ähnliche Entwicklung wie die Simulationen des Unterlaufs. Somit lassen sich bei einer Dynamisierungsperiode von 24 Stunden die Stromerlöse um 11,2 %/a steigern.

Webdienst Talsperre

Das ENERWA-Webtool

Dynamisierung des Talsperrenbetriebs
– Beispiel Wiehltalsperre

hilft dem Anwender die wesentlichen Überlegungen und Arbeitsschritte der Dynamisierung nachzuvollziehen.

Ferner bietet der Webdienst die Möglichkeit dynamisierte Betriebsweisen der Talsperre für verschiedene Zeitintervalle und Dynamisierungsgrade zu analysieren und zu vergleichen. Die Werte hinter den verschiedenen Optimierungsszenarien entstammen den Optimierungsrechnungen des Instituts für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW) der RWTH Aachen University. Diese basieren auf realen Datensätzen zur Wiehltalsperre.

Grafik zur Dynamisierung des Talsperrenbetriebs, ENERWA-Tools, IWW 2017

Abbildung 6:  Schematische Darstellung am Beispiel Wiehltalsperre,
Ausschnitt aus ENERWA-Webtool, IWW 2017

Vertiefende Literatur

  • ENERWA Abschlussbericht