łączne bilansowanie energii i rezerw w aukcjach wymiany

łączne bilansowanie energii i rezerw w aukcjach wymiany

ŁĄCZNE BILANSOWANIE ENERGII I REZERW W AUKCJACH WYMIANY
TRANSGRANICZNEJ
Autorzy: Przemysław Kacprzak, Eugeniusz Toczyłowski
(„Rynek Energii” – nr 4/2010)
Słowa kluczowe: aukcje transgraniczne, energia i rezerwy mocy, zdolności przesyłowe
Streszczenie. W pracy porównujemy dwa podejścia do bilansowania systemu wieloobszarowego. W pierwszym podejściu
planowe bilansowanie dotyczy niezależnego bilansowania planowanego popytu i podaży energii w całym systemie oraz
zachowania wymaganego ogólnego poziomu rezerw mocy na kompensowanie zmian zapotrzebowania. W drugiej metodzie
planowe bilansowanie dotyczy łącznego bilansowania energii oraz rezerw zlokalizowanych i wymaga wykorzystania odpowiednich wielotowarowych mechanizmów bilansowania łącznego energii planowanej, rezerw mocy w obszarach oraz zdolności przesyłowych.
1. WPROWADZENIE
Liberalizacja europejskiego rynku energii powoduje, że połączenia transgraniczne są w coraz większym
stopniu udostępniane przez operatorów systemów przesyłowych na potrzeby handlu energią elektryczną
wymienianą między połączonymi systemami. Obecnie udostępnianie zdolności przesyłowych jest dokonywane następująco: najpierw są określane dostępne zdolności przesyłowe, są one obniżane o ustalony
margines bezpieczeństwa (TRM), a następnie są one przydzielane konkurującym podmiotom
rynkowym na potrzeby handlowej wymiany energii (poprzez aukcje jawne lub niejawne)[7]. Planowane
rezerwy mocy są zapewniane w poszczególnych połączonych systemach, przy czym na etapie
planowania nie jest uwzględniana możliwość pozyskiwania rezerw mocy z sąsiednich systemów
przesyłowych.
Wraz z rosnącymi wymaganiami na udział energii z odnawialnych źródeł energii, rośnie potrzeba
uwzględnienia generacji ze źródeł niesterowalnych. Zbyt duży jej udział w ramach pojedynczego
systemu utrudnia (lub nawet wręcz uniemożliwia) poprawną pracę systemu – przykładem może być
niedawny komunikat czeskiego OSP ČEPS [1], [2]. Generacje ze źródeł niesterowalnych będą w pracy
modelowane jako odbiory niesterowalne (ujemne). Niesterowalne generacje i odbiory tworzą
wymagania na planowane rezerwy mocy ze źródeł sterowalnych potrzebne do pozyskiwania w czasie
rzeczywistym tzw. energii bilansującej.
Rozważmy ilustracyjny model sieci przedstawiony na rys. 1 złożony z 5 węzłów reprezentujących
zagregowane obszary systemowe (zarazem rynki lokalne). W przedstawionym modelu sieci znane są
dostępne zdolności wytwórcze w poszczególnych obszarach. Na etapie planowania nie są znane
dokładne prognozy zapotrzebowania w obszarach, znane są jedynie granice, w których mogą się one
zmieniać w czasie rzeczywistym.
Rys. 1. Przykładowa sieć z zapotrzebowaniami
Zaplanowanie bezpiecznej pracy połączonego systemu wymaga wyznaczenia planowanej generacji
w obszarach oraz wymaganych rezerw mocy spełniających wymagania bezpieczeństwa. Dla ustalenia
uwagi przyjmujemy w uproszczeniu, że celem bilansowania jest takie zaplanowanie pracy systemu
połączonego, aby przy jak najniższym (planowanym) koszcie zapewnić bilans planowanego (przez
podmioty rynkowe) popytu i podaży energii elektrycznej oraz dostawy w czasie rzeczywistym
wymaganej energii bilansującej umożliwiającej realizację każdego scenariusza zapotrzebowań, przy
spełnieniu ograniczeń przesyłowych. Przyjmujemy stałoprądowy bezstratny model rozpływów z
ograniczonymi przepustowościami poszczególnych połączeń.
W dalszej części pracy porównujemy dwa możliwe podejścia do bilansowania systemu:
− Rezerwy mocy nie są zlokalizowane, tzn. energia bilansująca jest tzw. energią miedzianej płyty;
− Rezerwy mocy są zlokalizowane w węzłach, tzn. energia bilansująca jest energią obszarową.
Jeżeli rezerwy mocy nie są zlokalizowane, to planowe bilansowanie dotyczy niezależnego bilansowania
planowego popytu i podaży energii w całym systemie oraz zachowania wymaganego ogólnego poziomu
rezerw mocy na kompensowanie zmian zapotrzebowania w połączonym systemie. Na przykład, w podsystemie dwuobszarowym DE reprezentowanym przez węzły DEN i DES zmiany zapotrzebowania oraz
rezerwy mocy mogą znajdować się w różnych węzłach, co w czasie rzeczywistym spowoduje odpowiednie przepływy mocy (obejmujące inne węzły). Zdolności przesyłowe dostępne dla przesyłu mocy
planowanych powinny być w wysokim stopniu planowo ograniczone, aby zapewnić rezerwy zdolności
przesyłowych wymagane na przepływy energii bilansującej (pochodzącej z rezerw mocy z innych
obszarów). Zdolności przesyłowe mogą być udostępniane za pomocą aukcji niejawnej (implicit
auction).
Jeżeli planowane rezerwy mocy są zlokalizowane w węzłach, to planowe bilansowanie wymaga wykorzystania odpowiednich wielotowarowych mechanizmów bilansowania [6] dotyczących łącznego
bilansu energii planowanej, rezerw mocy w obszarach oraz zdolności przesyłowych wymaganych do
przesyłu. Model aukcyjny opracowany przez Kacprzaka i Toczyłowskiego w [4] wykorzystuje technikę
generacji kolumn do efektywnej alokacji zdolności przesyłowych w celu uzyskania najlepszego
dopuszczalnego łącznego przepływu energii planowanej oraz energii bilansującej pochodzącej z rezerw
mocy. Przedstawione metody są rozszerzeniem metod udostępniania zdolności przesyłowych opartych
na fizycznych przepływach [5].
2. BILANSOWANIE PLANOWE
Na etapie bilansowania planowego pozyskiwana jest energia elektryczna na potrzeby planowanego
zapotrzebowania oraz odpowiednie ilości rezerw dolnych i górnych na potrzeby zmian
zapotrzebowania. Dla uproszczenia rozważań w przykładzie ograniczymy się do rezerwy górnej. W
każdym obszarze planowana ilość energii odpowiada dolnej granicy przedziału zmienności
zapotrzebowania oraz rezerwa górna odpowiada różnicy między górną a dolną granicą przedziału
zmienności zapotrzebowania. Na rys. 1 zostały przedstawione dostępne zasoby wytwórcze oraz
zapotrzebowania na energię. W każdej strefie są określone zdolności wytwórcze oraz przedziały zapotrzebowania.
W przypadku rezerw obszarowych bilansowanie odbywa się z uwzględnieniem lokalizacji rezerw, przy
czym możliwości udostępniania rezerw były wyznaczane z wykorzystaniem metod opisanych w [3].
W przypadku rezerw miedzianej płyty wymagania dotyczą sumarycznej ilości rezerw mocy w systemie,
bez uwzględniania ich lokalizacji. W celu zapewnienia możliwości dostawy energii z tak pozyskanych
rezerw zostały obniżone zdolności przesyłowe udostępnione na potrzeby przesyłu energii. Zdolności
przesyłowe zostały ograniczone o 40%, gdyż w większości stref taki był zakres zmienności
zapotrzebowania.
Oferty są przedstawione na rys. 2. Usługa świadczenia rezerwy nie jest darmowa. Przyjęto, że w
strefach z niskimi kosztami wytwarzania cena świadczenia usługi rezerw jest wysoka, a w strefach z
wysokimi kosztami wytwarzania cena świadczenia usługi rezerwy jest niska (elektrownie węglowe i
atomowe mają niższe koszty paliwa niż gazowe, natomiast charakteryzują się mniejszą elastycznością i
wyższymi kosztami stałymi), należy też uwzględnić niższe koszty energii pozyskiwanej z tych rezerw.
Dodatkowo przyjęto, że do świadczenia rezerwy może zostać powołanych tylko połowa zdolności
wytwórczych w danym obszarze.
Rys. 2. Oferty składane na etapie bilansowania planowego
Tabela 1
Przepustowości dostępne na poszczególnych granicach
Granica
A
B
C
D
E
F
G
Przep.,
GW
6
5
8
1,5
1,5
5
5
Tabela 2
Wartości współczynników PTDF w przykładowej sieci
DENPL DENSK DENCZ
DENDE
S
A
0,5
0,47
0,36
0,3
B
0,3
0,34
0,5
-0,2
C
-0,29
0,31
0,49
0,19
D
-0,01
-0,65
0,01
0,01
E
-0,01
0,35
0,01
0,01
F
0,5
0,53
0,64
0,7
G
-0.2
-0,19
-0,14
0,1
Ilościowe wyniki bilansowania planowego dla rezerw obszarowych są przedstawione na rys. 3, a dla
rezerw miedzianej płyty są przedstawione na rys. 4
Rys. 3. Wynik bilansowania dla rezerw obszarowych
Rys. 4. Wynik bilansowania dla rezerw miedzianej płyty
Koszty bilansowania planowego wynoszą 1 344 tys. EUR dla rezerw obszarowych oraz 1 503 tys. EUR
w przypadku rezerw miedzianej płyty.
Porównując wyniki ilościowe można przede wszystkim zauważyć większe zróżnicowanie przyjętych
ofert w przypadku rezerw miedzianej płyty. W przypadku bilansowania rezerw obszarowych w strefie
PL występuje wyłącznie wytwarzanie energii, natomiast w strefach CZ i DEN występuje wyłącznie
świadczenie usługi rezerw. W przypadku rezerw miedzianej płyty w strefie PL w dalszym ciągu
występuje tylko wytwarzanie energii, jednak dużo mniejszych ilości - ze względu na wprowadzone
ograniczenia zdolności przesyłowych, część produkcji trzeba było przenieść do droższych wytwórców.
Nie zmieniły się wyniki ilościowe w odniesieniu do strefy CZ. W strefie DEN oprócz świadczenia
usług rezerwy, pojawia się produkcja energii.
3. BILANSOWANIE W CHWILI DOSTAWY
Oceny mechanizmu bilansowania nie można dokonać wyłącznie na podstawie wyników etapu
planowego bilansowania. Aby dobrze porównać mechanizmy bilansowania należy też rozważyć, jak
przedstawiane mechanizmy zachowują się w warunkach konkretnych realizacji zapotrzebowań. Należy
zbadać, jak wygląda możliwość pokrycia zapotrzebowania oraz jak wyglądają koszty dostaw energii z
rezerw w różnych scenariuszach realizacji zapotrzebowania.
W tej części zajmiemy się dostawą energii bilansującej z zaplanowanych rezerw mocy. Na tym etapie
zapotrzebowanie na energię jest już znane. Uprzednio zawarte umowy na dostawy energii planowanej
są realizowane, a dodatkową energię bilansującą można pozyskać z uprzednio pozyskanych rezerw.
Taką sytuację można zamodelować w następujący sposób: w modelu bilansowania występuje sztywne
zapotrzebowanie, przyjęte oferty sprzedaży stają się ofertami sztywnymi (w ich ramach zostanie
dostarczone tyle energii, jaki był przyjęty wolumen oferty), natomiast na podstawie przyjętych ofert na
rezerwę
górną
oferowana
jest
sprzedaż
energii
bilansującej
(oferty
elastyczne).
Rozważamy 5 charakterystycznych scenariuszy realizacji zapotrzebowania. W scenariuszu nominalnym
zapotrzebowanie jest równe przyjętemu zapotrzebowaniu na etapie bilansowania planowego. W scenariuszu PL-DES maksymalnie rośnie zapotrzebowanie w obszarach PL i DES, w pozostałych jest równe
nominalnemu. W scenariuszu DEN-CZ-SL zapotrzebowanie rośnie maksymalnie w obszarach DEN,
CZ i SL, w obszarach PL i DES jest równe nominalnemu. W scenariuszu połowicznym
zapotrzebowanie w każdym obszarze wzrosło o połowę maksymalnego wzrostu. W scenariuszu
maksymalnym zapotrzebowanie na energię wzrasta maksymalnie w każdej ze stref.
Porównanie całkowitych kosztów bilansowania dla rozważanych scenariuszy zapotrzebowania jest
przedstawione w tabeli 3.
Tabela 3
Całkowite koszty bilansowania w tys. EUR,
dla różnych metod i scenariuszy
Scenariusz
zapotrzebowania
Rezerwy
obszarowe
Rezerwy
miedzianej
płyty
Nominalny
1 344
1 503
PL-DES
2 100
2 158
DEN-CZ-SL
2 281
2 420
Połowiczny
2 084
2 213
Maksymalny
2 944
∞
Jak widać, w przypadku bilansowania uwzględniającego rezerwy obszarowe całkowite koszty
bilansowania są na ogół mniejsze, a żadnym scenariuszu nie były większe od przypadku rezerw
miedzianej płyty. Warto zauważyć, że w przypadku rezerw miedzianej płyty same koszty pozyskania
dodatkowej energii były na ogół niższe – wynika to z tego, że przy bilansowaniu rezerw obszarowych
zasoby przesyłowe były przydzielane tam, gdzie mogły być efektywniej użyte. W przypadku rezerw
miedzianej płyty zasoby przesyłowe są przydzielone na potrzeby udostępniania rezerw i przesyłu
energii w sposób nie do końca uwzględniający rzeczywiste potrzeby. W ten sposób mogą występować
sytuacje, że brakuje zasobów przesyłowych do przesłania energii na etapie bilansowania planowego,
natomiast stają się one nadmiarowo dostępne na potrzeby przesyłu energii z rezerw (przy czym nie musi
występować potrzeba przesłania dodatkowej energii z tych rezerw).
Dokładniej zostaną dalej omówione dwa scenariusze: scenariusz, w którym maksymalnie rośnie
zapotrzebowanie w strefach PL i DES oraz scenariusz maksymalny, w którym zapotrzebowanie na
energię wzrasta maksymalnie w każdej ze stref.
Na początek zajmiemy się scenariuszem wzrostu zapotrzebowania w strefach PL i DES. Oferty, które
można wykorzystać do bilansowania systemu są przedstawione na rys. 5 w przypadku mechanizmu
z rezerwami obszarowymi i na rys. 7 w przypadku mechanizmu z rezerwami miedzianej płyty.
W przypadku mechanizmu z rezerwami obszarowymi koszty pozyskania dodatkowej ilości rezerw
wynoszą 937 tys. EUR. Wyniki ilościowe są przedstawione na rys. 6. Maksymalnie jest podnoszona
produkcja w obszarze SL i DES, również jest podnoszona produkcja w obszarach DEN i CZ.
W przypadku mechanizmu z rezerwami miedzianej płyty koszt pozyskania dodatkowej energii jest
nieco niższy i wynosi 917 tys. EUR. Wyniki ilościowe są przedstawione na rys. 8.
Drugim rozważanym scenariuszem zapotrzebowania jest maksymalny wzrost zapotrzebowania w
systemie.
W przypadku mechanizmu rezerw obszarowych koszt pozyskania dodatkowej energii wynosi 1 600 tys.
EUR. Wyniki ilościowe są przedstawione na rys. 9.
Inaczej wygląda sytuacja w przypadku rezerw miedzianej płyty, w tym przypadku w ramach pozyskanych rezerw nie da się zaspokoić zapotrzebowania.
Rys. 5. Możliwości zbilansowania zapotrzebowania
w chwili dostawy przy bilansowaniu rezerw obszarowych
Rys. 6. Wyniki bilansowania w momencie dostawy –
rezerwy obszarowe
Rys. 7. Możliwości bilansowania zapotrzebowania
w chwili dostawy za pomocą rezerw miedzianej płyty
Rys. 8. Wyniki bilansowania zapotrzebowania
w chwili dostawy za pomocą rezerw miedzianej płyty
Rys. 9. Wyniki bilansowania w chwili dostawy
w scenariuszu maksymalnego możliwego zapotrzebowania
Przyczyną problemów są ograniczone zdolności wyprowadzenia energii ze SL. W przypadku mechanizmu wykorzystującego rezerwy obszarowe odpowiednio została zredukowana ilość energii przesyłanej
ze strefy SL. W przypadku rezerw miedzianej płyty w obszarze SL występował eksport energii ze strefy
SL, a ograniczenie zdolności przesyłowych nie było wystarczające. Można nadmienić, że obniżenie
kosztów wytwarzania w strefie CZ mocno obniża eksport ze strefy SL w trakcie bilansowania planowego, dzięki czemu byłoby możliwe byłoby udostępnienie tych rezerw.
4. PODSUMOWANIE
Łączne bilansowanie energii i rezerw mocy wymaga wielotowarowych mechanizmów bilansowania,
bardziej wyrafinowanych niż niezależne bilansowanie energii oraz rezerw miedzianej płyty. Z
przedstawionej analizy wynika jednak, że łączne bilansowanie energii i rezerw może dać lepsze wyniki
niż oddzielne bilansowanie energii planowanej oraz rezerw miedzianej płyty.
Oddzielne bilansowanie energii i rezerw miedzianej płyty prowadzi do wyższych kosztów oraz nie każdym przypadku pozwala na dostarczanie pożądanej ilości energii bilansującej z rezerw. Ponadto
konieczność zapewnienia warunków bezpieczeństwa systemu powiększa wymagania na poziom rezerw
przesyłowych, co dodatkowo zmniejsza efektywność bilansowania.
LITERATURA
[1] ČEPS View of Photovoltaics: Frequently asked questions, ČEPS, 23. lutego 2010,
http://www.ceps.cz/doc/soubory/20100301/CEPS_FAQ_photovoltaics.pdf (pobrane 14 marca
2010)
[2] Czeski OSP alarmuje: za dużo energii z OZE, CIRE, pobrane 16 lutego 2010,
http://www.cire.pl/item,45225,1,0,0,0,0,0,czeski-osp-alarmuje-za-duzo-energii-z-oze.html
[3] Kacprzak P., Toczyłowski E.: Evaluation of joint balancing of electric energy, options for energy
and transmission rights, EURO 2009 - 23rd European Conference on Operational Research, Bonn,
5-8 VII 2009.
[4] Kacprzak P., Toczyłowski E.: Joint trade of energy with options and transmission rights on
electricity, W: 5th Conference on Applied Infrastructure Research, Berlin, 6-7 X 2006,
http://preview.tinyurl.com/cireJointBal
[5] Detkiewicz A., Rodo P.: Metodologia alokacji zdolności przesyłowych w regionie CEE na
podstawie rozpływów mocy, XXI Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w
Elektroenergetyce, Jurata, 13-15 VI 2007.
[6] Toczyłowski E.: Optymalizacja procesów rynkowych przy ograniczeniach, Akademicka Oficyna
Wydawnicza EXIT, wyd. II rozszerzone. Warszawa 2003.\
[7] Overview of current cross-border congestion management methods in Europe, ETSO, 2004.
Praca naukowa częściowo finansowana ze środków na naukę w ramach projektu badawczego nr N
N514 044438
JOINT BALANCING OF ENERGY AND RESERVES IN CROSSBORDER AUCTIONS
Key words: crossborder auctions, balancing energy and power reserves, transmission capacities
Summary. Two approaches to power balancing in the multi-area power systems are compared. The first, conventional
approach, is based on independent balancing of the planned load and power generation together with providing a required
level of power reserves in the whole system for compensation of the demand uncertainty in real time. The second approach
is our original contribution that provides joint balancing of energy and power reserves locallized in the system`s zones. This
approach is based on modelling the power balancing problem as a multicommodity auction model [6] and solving an
appropriate optimisation problem of joint balancing of energy and power reserves under transmission capacity constraints
[4].
Przemysław Kacprzak, asystent w IAiIS PW, specjalność: badania operacyjne, rynki wielotowarowe.
E-mail: [email protected]
Eugeniusz Toczyłowski, profesor zw., Kierownik Zakładu Badań Operacyjnych i Systemowych w
IAiIS PW, specjalność: badania operacyjne i systemowe, metody strukturalne optymalizacji,
informatyczne systemy zarządzania, projektowanie konkurencyjnych i efektywnych mechanizmów
rynkowych.
E-mail: [email protected]