TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Ökonomische Optimierung der Ladestrategie für Elektrobusflotten unter Teilnahme am Strommarkt

Blat Belmonte, Benjamin (2024)
Ökonomische Optimierung der Ladestrategie für Elektrobusflotten unter Teilnahme am Strommarkt.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

Dies ist die neueste Version dieses Eintrags.

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit werden ökonomisch und ökologisch optimale Ladestrategien für Elektrobusflotten identifiziert. Mit einem gemischt-ganzzahligen Modellierungsansatz wird eine Problemstruktur geschaffen, mit der unterschiedliche Szenarien hinsichtlich technischer Freiheitsgrade, der Anbindung an den kurzfristigen Strommarkt und den Regelenergiemarkt optimiert werden. Die ökonomisch optimierten Ladestrategien werden ergänzend anhand ihres Treibhausgaspotenzials bewertet. Eine ökologisch optimierte Ladestrategie dient hierfür als Referenz. Basierend auf historischen Preisdaten des kurzfristigen Strommarkts, des Regelenergiemarkts und den zeitabhängigen spezifischen Treibhausgasemissionen des deutschen Strommixes der Jahre 2021, 2022 und 2023 werden Optimierungen mit perfekter Vorhersage durchgeführt. Die Degradationseffekte in Batterien werden über einen Kostenfaktor berücksichtigt, der mit dem Energiedurchsatz multipliziert wird. Die identifizierte ökonomisch optimale Ladestrategie zeichnet sich durch die bidirektionale Ladefähigkeit der Busse und die Rückspeisefähigkeit des Busdepots ins Stromnetz aus. Des Weiteren wird am Vortagesmarkt, an den Tagesauktionen und am kontinuierlichen Tageshandel des Strommarkts teilgenommen sowie Primärregelleistung und negative Sekundärregelenergie geboten. Zusammengenommen führen die Kosten am Strommarkt und die Erlöse am Regelenergiemarkt zu einer positiven Bilanz nach Steuern, Abgaben und Umlagen. Mit dieser Ladestrategie wird über den Optimierungszeitraum ca. die Hälfte der elektrischen Energie für die Flotte als negative Regelenergie aufgenommen. Etwas weniger als die Hälfte der insgesamt aufgenommenen Energie wird für den Fahrbetrieb verwendet und die restliche Energie am Tageshandel verkauft. Für den Fall, dass nur unidirektionales Laden möglich ist, werden ca. zwei Drittel des Strombedarfs als negative Regelenergie aufgenommen. Im Jahr 2023 wird dadurch im Vergleich zu den durchschnittlichen Industriestrompreisen eine Ersparnis von 74 % realisiert. Generell zeigen optimale Ladestrategien Saison-, Wochen-, Tages- und Viertelstunden-Charakteristiken. Bei einer Teilnahme am Regelenergiemarkt werden die Charakteristiken teilweise überstimmt. Nahezu alle ökonomisch optimierten Ladestrategien erzielen Treibhausgas-Emissionseinsparungen. Im Vergleich zur ungesteuerten Ladestrategie, bei der die Elektrobusse sofort nach ihrer Ankunft im Busdepot aufgeladen werden, kann durch die ökologisch optimierte Ladestrategie eine Reduktion der Treibhausgas-Emissionen um 31 % erreicht werden. Durch den optimalen Stromeinkauf am Vortagesmarkt werden bereits 23,5 % eingespart. Auf Basis einer optimalen Ladestrategie für den Vortagesmarkt und Primärregelleistung wird eine regelbasierte Ladestrategie abgeleitet, die durchschnittliche Saison-, Wochen- und Tages-Charakteristiken berücksichtigt. Mit ihr lässt sich für das Jahr 2023 – ohne perfekte Vorhersage – eine Reduktion der Strombezugskosten um 41,6 % realisieren.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Blat Belmonte, Benjamin
Art des Eintrags: Bibliographie
Titel: Ökonomische Optimierung der Ladestrategie für Elektrobusflotten unter Teilnahme am Strommarkt
Sprache: Deutsch
Referenten: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan ; Kock, Prof. Dr. Alexander
Publikationsjahr: September 2024
Ort: Düren
Verlag: Shaker Verlag
Reihe: Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau
Kollation: xxxiii, 181 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 2 Juli 2024
Zugehörige Links:
Kurzbeschreibung (Abstract):

In dieser Arbeit werden ökonomisch und ökologisch optimale Ladestrategien für Elektrobusflotten identifiziert. Mit einem gemischt-ganzzahligen Modellierungsansatz wird eine Problemstruktur geschaffen, mit der unterschiedliche Szenarien hinsichtlich technischer Freiheitsgrade, der Anbindung an den kurzfristigen Strommarkt und den Regelenergiemarkt optimiert werden. Die ökonomisch optimierten Ladestrategien werden ergänzend anhand ihres Treibhausgaspotenzials bewertet. Eine ökologisch optimierte Ladestrategie dient hierfür als Referenz. Basierend auf historischen Preisdaten des kurzfristigen Strommarkts, des Regelenergiemarkts und den zeitabhängigen spezifischen Treibhausgasemissionen des deutschen Strommixes der Jahre 2021, 2022 und 2023 werden Optimierungen mit perfekter Vorhersage durchgeführt. Die Degradationseffekte in Batterien werden über einen Kostenfaktor berücksichtigt, der mit dem Energiedurchsatz multipliziert wird. Die identifizierte ökonomisch optimale Ladestrategie zeichnet sich durch die bidirektionale Ladefähigkeit der Busse und die Rückspeisefähigkeit des Busdepots ins Stromnetz aus. Des Weiteren wird am Vortagesmarkt, an den Tagesauktionen und am kontinuierlichen Tageshandel des Strommarkts teilgenommen sowie Primärregelleistung und negative Sekundärregelenergie geboten. Zusammengenommen führen die Kosten am Strommarkt und die Erlöse am Regelenergiemarkt zu einer positiven Bilanz nach Steuern, Abgaben und Umlagen. Mit dieser Ladestrategie wird über den Optimierungszeitraum ca. die Hälfte der elektrischen Energie für die Flotte als negative Regelenergie aufgenommen. Etwas weniger als die Hälfte der insgesamt aufgenommenen Energie wird für den Fahrbetrieb verwendet und die restliche Energie am Tageshandel verkauft. Für den Fall, dass nur unidirektionales Laden möglich ist, werden ca. zwei Drittel des Strombedarfs als negative Regelenergie aufgenommen. Im Jahr 2023 wird dadurch im Vergleich zu den durchschnittlichen Industriestrompreisen eine Ersparnis von 74 % realisiert. Generell zeigen optimale Ladestrategien Saison-, Wochen-, Tages- und Viertelstunden-Charakteristiken. Bei einer Teilnahme am Regelenergiemarkt werden die Charakteristiken teilweise überstimmt. Nahezu alle ökonomisch optimierten Ladestrategien erzielen Treibhausgas-Emissionseinsparungen. Im Vergleich zur ungesteuerten Ladestrategie, bei der die Elektrobusse sofort nach ihrer Ankunft im Busdepot aufgeladen werden, kann durch die ökologisch optimierte Ladestrategie eine Reduktion der Treibhausgas-Emissionen um 31 % erreicht werden. Durch den optimalen Stromeinkauf am Vortagesmarkt werden bereits 23,5 % eingespart. Auf Basis einer optimalen Ladestrategie für den Vortagesmarkt und Primärregelleistung wird eine regelbasierte Ladestrategie abgeleitet, die durchschnittliche Saison-, Wochen- und Tages-Charakteristiken berücksichtigt. Mit ihr lässt sich für das Jahr 2023 – ohne perfekte Vorhersage – eine Reduktion der Strombezugskosten um 41,6 % realisieren.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

This work identifies optimal economic and ecologic charging strategies for electric bus fleets. A mixedinteger problem structure is modeled for the optimization of different scenarios regarding technical degrees of freedom, the short-term electricity market, and the balancing services market. Optimal economic charging strategies are evaluated based on their global warming potential. An optimal ecologic charging strategy serves as reference. Using historical price data from the short-term electricity market, the balancing services market, and time-dependent specific greenhouse gas emissions from the German electricity mix for 2021, 2022, and 2023, optimizations with perfect forecast are conducted. Battery degradation is considered through a cost factor multiplied by energy throughput. The optimal economic charging strategy is characterized by the bidirectional charging capability of the buses and the ability of the bus depot to feed electricity back to the grid. Further, participation in the day-ahead market, intraday auctions, and continuous intraday trading is possible. In addition, bidding for frequency containment reserve and negative automated frequency restoration reserve complements the optimal strategy. In total, the costs and revenues from the electricity market and the balancing services market result in a positive net balance after taxes, fees, and levies. Over the optimization period, nearly half of the electric energy for the fleet is sourced from negative automated frequency restoration reserve. A little less than half of the total energy taken in is used for bus operation, while the remaining energy is sold on the intraday market. With unidirectional charging only, about two-thirds of electric energy demand is sourced from negative automated frequency restoration reserve. In 2023, this charging strategy saves 74 % of costs compared to average electricity prices for the industry. Optimal charging strategies generally exhibit seasonal, weekly, daily, and 15-minute characteristics. Participation in the balancing services market leads to occasional deviations of the optimal charging strategy from the general patterns. Almost all optimal economic charging strategies achieve reductions in greenhouse gas emissions. Compared to the uncontrolled charging strategy, where electric buses are charged immediately upon arrival at the bus depot, the optimal ecologic charging strategy achieves a reduction in greenhouse gas emissions of 31 %. Optimal day-ahead electricity procurement leads to a reduction in greenhouse gas emissions of 23,5 %. A rule-based charging strategy is derived from an optimal charging strategy for day-ahead electricity procurement and frequency containment reserve. The rule-based charging strategy accounts for seasonal, weekly, and daily characteristics. Using this strategy for 2023—without perfect forecast—a reduction in electricity procurement costs of 41,6 % can be achieved.

Englisch
Freie Schlagworte: Elektrobusflotten, Ladestrategien, marktübergreifende Optimierung, MILP
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS) > Energiespeicher und allgemeine Anwendung
Hinterlegungsdatum: 19 Nov 2024 06:00
Letzte Änderung: 20 Nov 2024 10:54
PPN: 523676336
Referenten: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan ; Kock, Prof. Dr. Alexander
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2 Juli 2024
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google

Verfügbare Versionen dieses Eintrags

Frage zum Eintrag Frage zum Eintrag

Optionen (nur für Redakteure)
Redaktionelle Details anzeigen Redaktionelle Details anzeigen
OAI 2.0-Basis-URL: https://tubiblio.ulb.tu-darmstadt.de/cgi/oai2 TUbiblio verwendet EPrints 3.
Drucken | Impressum | Datenschutzerklärung