łączne bilansowanie energii i rezerw w aukcjach wymiany
Transkrypt
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 DENPL DENSK DENCZ DENDE 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]