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Main Title: Open-source modeling of flow based market coupling
Subtitle: methods, parametrization, and analysis for sustainable power systems
Translated Title: Open-Source-Modellierung von flussbasierter Marktkopplung
Translated Subtitle: Methoden, Parametrisierung, und Analysen für nachhaltige Energiesysteme
Author(s): Weinhold, Richard
Advisor(s): Hirschhausen, Christian von
Referee(s): Hirschhausen, Christian von
Dvorkin, Yury
Weigt, Hannes
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/14004
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12777
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: In modern electricity systems the provision of electricity goes far beyond the mandatory electrical engineering, but instead means providing equivalent reliability and affordability while making the electricity system sustainable. The pathway to a fully decarbonized electricity system requires continuous improvement in market design to accommodate this transformation. Within the European internal energy market for electricity, methods for capacity allocation and congestion management coordinate transmission system operators, power exchanges, generators and consumers for efficient use of transmission infrastructure. As part of the transformation, these methods have to meet high standards defined by the large system size and increasing complexity and dynamic of the generation infrastructure. Flow-based market coupling represents a more dynamic and accurate method for capacity allocation, that is based on network models and forecasted market data, and promises to satisfy the requirements for future electricity markets. This thesis provides a comprehensive analysis of flow-based market coupling and proposes an open-source electricity market model to facilitate numerical experiments on market design effectiveness. Part I covers the origin of the European internal market for electricity and highlights the main drivers and considerations that lead to the inauguration of flow-based market coupling and the current market structure. The methods used in this thesis and the academic context are introduced and discussed. Part II describes the methods that are developed as part of this thesis to model flow-based market coupling. The proposed open-source power market tool (POMATO) is based on fundamental methods of Operations Research and electrical engineering and provide a transparent and accessible tool for research on electricity markets and flow-based market coupling. Part III includes three applications that enhance the understanding of flow-based market coupling, by evaluating parameter choices and methods, and investigate its efficiency with high shares of intermittent renewable generation. Particularly, the ability of flow-based market coupling to accommodate policy relevant consideration in order to better integrate renewable energy sources in the system are discussed. Flow-based market coupling represents an improvement over static methods for capacity allocation in different ways. The process's ability to implicitly consider all transactions simultaneously based on detailed network and generation forecasts provides measurable improvements to the market design. While the process is inherently more transparent it is also more complex and therefore requires careful parametrization. The applications in this thesis follow a proposed nominal parametrization that in combination with the open-data principles can provide a sustainable basis for future research.
In modernen Stromsystemen gehen die Herausforderungen beim Bereitstellen von Strom weit über elektrotechnische Fertigkeiten hinaus – vielmehr müssen höhere Nachhaltigkeitsstandards bei gleicher Preisgünstigkeit und Versorgungssicherheit erreicht werden. Der Weg zu einem vollständig dekarbonisierten Stromsystem erfordert eine kontinuierliche Weiterentwicklung des Marktdesigns, das diese Transformation abbilden muss. Kern des europäischen Energiebinnenmarkts für Elektrizität sind Methoden für Kapazitätsvergabe und Engpassmanagement. Diese haben den Zweck, Übertragungsnetzbetreiber, Strombörsen, Erzeuger und Verbraucher im Hinblick auf eine effiziente Nutzung der Übertragungsinfrastruktur zu koordinieren. Als Teil der Energiewende müssen diese Methoden hohen Standards genügen, die vor allem durch die Größe des Systems und die zunehmende Komplexität und Dynamik der Erzeugungsinfrastruktur definiert sind. Die flow-based market coupling (zu deutsch (last-)flussbasierte Marktkopplung) stellt gegenüber bestehenden Methoden eine dynamischere und genauere Methode für die Kapazitätszuweisung dar, da sie auf Netzmodellen und prognostizierten Marktdaten basiert und dadurch den stetig steigenden Anforderungen entspricht. Diese Arbeit bietet eine umfassende Behandlung von flow-based market coupling und stellt ein Open-Source-Strommarktmodell vor, das die Komplexität des Prozesses adäquat abbildet und quantitative Forschung zur Effektivität des Marktdesigns gemäß Open-Source-Grundsätzen ermöglicht. Teil I gibt einen Überblick über die Entstehung des europäischen Energiebinnenmarkts für Elektrizität. Die Umstände und die Motivation werden dargestellt, die zur Einführung von flow-based market coupling und der aktuellen Marktstruktur geführt haben. Außerdem beinhaltet dieser Teil eine Einführung und Beschreibung der in dieser Arbeit verwendeten Methoden und der akademische Zusammenhang mit weiteren Publikationen im Rahmen des Forschungsbereichs werden dargestellt und diskutiert. Teil II beschreibt die Methoden, die im Rahmen dieser Arbeit zur Modellierung der flow-based market coupling entwickelt werden. Hierbei handelt es sich um Methoden zur Berücksichtigung von Stromflüssen unter ungeplanten Leitungsausfällen und der Modellierung von Strommärkten. Diese – auf Basis der Forschungsbereiche Operations Research und Elektrotechnik entwickelten – Methoden sind Teil des unter Open-Source-Lizenz veröffentlichten Strommarktmodells "POMATO". POMATO stellt ein transparentes und zugängliches Werkzeug für die Forschung und die Evaluierung von Strommärkten dar und erlaubt eine detaillierte Abbildung von flow-based market coupling. Teil III enthält drei Anwendungen, die zum Verständnis der flow-based market coupling beitragen. In den drei Publikationen dieses Teils wird die Wahl von Parametern und Methoden im Hinblick auf die Effizienz von flow-based market coupling bewertet und die Kompatibilität des Prozesses mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien überprüft. Insbesondere die Aspekte in der Parametrisierung von flow-based market coupling, die die Berücksichtigung von regulatorischen Überlegungen zur Integration von erneuerbaren Energien erlauben, werden dargelegt und diskutiert. Flow-based market coupling stellt in verschiedener Hinsicht eine Verbesserung gegenüber statischen Methoden der Kapazitätszuweisung dar. Die Fähigkeit des Prozesses, implizit alle Transaktionen gleichzeitig auf der Grundlage detaillierter Netz- und Erzeugungsprognosen zu berücksichtigen, stellt quantifizierbare Verbesserungen für das Marktdesign dar. Obwohl der Prozess inhärent transparent ist, erfordert jedoch die erhöhte Komplexität eine sorgfältige Parametrisierung. Die Anwendungen in dieser Arbeit bieten neben den entwickelten Methoden eine nominale Parametrisierung, die als Grundlage für folgende Arbeiten dienen kann und die Vergleichbarkeit gewährleistet. In Kombination mit der Veröffentlichung sowohl der Methoden als auch der Daten nach Open-Source-Grundsätzen kann diese Arbeit eine nachhaltige Basis für zukünftige Forschung bieten.
Subject(s): flow-based market coupling
European electricity market design
renewable energy sources
SCOPF
open source
flussbasierte Marktkopplung
europäisches Strommarktdesign
erneuerbare Energien
Open Source
Issue Date: 2022
Date Available: 14-Jan-2022
Exam Date: 3-Dec-2021
Language Code: en
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
330 Wirtschaft
333 Boden- und Energiewirtschaft
Sponsor/Funder: BMWi, 03ET4028A, Verbundvorhaben: Langfristige Planung des Übertragungsnetzes in Deutschland unter Berücksichtigung der Interpendenzen zur Erzeugungsplanung, sowie zum Wärme- und Gassektor
BMWi, 03EI1019B, Verbund: MODEZEEN - Modellierung (De-)Zentraler Energiewenden: Wechselwirkungen, Koordination und Lösungsansätze aus systemorientierter Perspektive; Teilvorhaben: Abbildung der Interdependenzen zwischen internationaler Marktkopplung durch Flow-based Market Coupling und der Konzeption regionaler Erzeugungsmuster
TU Affiliation(s): Fak. 7 Wirtschaft und Management » Inst. Volkswirtschaftslehre und Wirtschaftsrecht (IVWR) » FG Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP)
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