Войти
Моделирование энергии или моделирование энергосистемы - это процесс построения компьютерных моделей энергии системы для их анализа. В таких моделях часто используется анализ сценариев для исследования различных предположений о действующих технических и экономических условиях. Результаты могут включать в себя осуществимость системы, выбросы парниковых газов, совокупные финансовые затраты, использование природных ресурсов и энергоэффективность системы в соответствии с расследование. Используется широкий спектр методов, от экономичных до инженерных. Математическая оптимизация часто используется для определения наименьших затрат в некотором смысле. Модели могут быть международными, региональными, национальными, муниципальными или автономными. Правительства поддерживают национальные энергетические модели для развития энергетической политики.
Энергетические модели обычно предназначены для того, чтобы вносить различный вклад в работу системы, инженерное проектирование или разработку энергетической политики. Эта страница посвящена моделям политики. Индивидуальные моделирование энергии зданий явно исключены, хотя их тоже иногда называют энергетическими моделями. -стиль IPCC, который также содержит представление о мировой энергетической системе и используется для изучения путей глобальной трансформации до 2050 или 2100 года, здесь подробно не рассматривается.
Энергетическое моделирование приобретает все большее значение, поскольку необходимость смягчения последствий изменения климата становится все более важной. Сектор энергоснабжения вносит наибольший вклад в глобальные выбросы парниковых газов. МГЭИК сообщает, что смягчение последствий изменения климата потребует фундаментальной трансформации системы энергоснабжения, включая замену неослабевающей (не отраженной в CCS ) преобразования ископаемого топлива технологий с помощью альтернатив с низким уровнем парниковых газов.
Разнообразие типов моделей уже используются. В этом разделе делается попытка классифицировать типы ключей и их использование. Предлагаемые подразделения не являются жесткими и быстрыми, и существуют модели смешанной парадигмы. Кроме того, результаты более общих моделей могут использоваться для информирования спецификации более подробных моделей и наоборот, тем самым создавая иерархию моделей. В целом в моделях может потребоваться отразить "сложную динамику, такую как:
Модели могут быть ограничены по охвату сектором электроэнергетики или они могут пытаться покрывают энергетическую систему целиком (см. ниже).
Большинство энергетических моделей используются для сценарного анализа. Сценарий - это последовательный набор предположений о возможной системе. Новые сценарии сравниваются с базовым сценарием - обычно обычная работа (BAU) - и отмечаются различия в результатах.
временной горизонт модели является важным фактором. Одногодичные модели - установленные либо в настоящем, либо в будущем (скажем, 2050 г.) - предполагают, что структура капитала не эволюционирует, и вместо этого фокусируются на операционной динамике системы. Одногодичные модели обычно включают значительные временные (обычно почасовое разрешение) и технические детали (например, отдельные генерирующие установки и линии передачи). Модели дальнего действия, рассчитанные на одно или несколько десятилетий (с настоящего момента до, скажем, 2050 г.), пытаются описать структурную эволюцию системы и используются для исследования вопросов расширения мощности и перехода энергосистемы.
В моделях часто используется математическая оптимизация для решения проблемы избыточности в спецификации системы. Некоторые из используемых методов основаны на исследовании операций. Большинство полагается на линейное программирование (включая смешанно-целочисленное программирование ), хотя некоторые используют нелинейное программирование. Решатели могут использовать классическую или генетическую оптимизацию, например, CMA-ES. Модели могут быть рекурсивно-динамическими, решать последовательно для каждого временного интервала и, таким образом, эволюционировать во времени. Или они могут быть сформулированы как единая дальновидная межвременная проблема и, таким образом, предполагать совершенное предвидение. Одногодичные инженерные модели обычно пытаются минимизировать краткосрочные финансовые затраты, в то время как однолетние рыночные модели используют оптимизацию для определения клиринга рынка. Долгосрочные модели, обычно охватывающие десятилетия, пытаются минимизировать как краткосрочные, так и долгосрочные издержки как единую межвременную проблему.
Сторона спроса (или область конечного пользователя) исторически привлекала относительно мало внимания, часто моделируемая простой кривой спроса. Кривые энергопотребления конечных потребителей, по крайней мере в краткосрочной перспективе, обычно оказываются очень неэластичными.
, поскольку прерывистые источники энергии и управление потреблением энергии растут в Важно, что модели должны были принимать почасовое временное разрешение, чтобы лучше фиксировать их динамику в реальном времени. Долгосрочные модели часто ограничиваются расчетами с годичными интервалами, основанными на типичных дневных профилях, и, следовательно, менее подходят для систем со значительными переменными возобновляемыми источниками энергии. Оптимизация диспетчеризации на сутки вперед используется для помощи в планировании систем со значительной частью периодического производства энергии, в которых неопределенность в отношении будущих прогнозов энергии учитывается с помощью стохастической оптимизации.
Реализация языков включают GAMS, MathProg, MATLAB, Mathematica, Python, Pyomo, R, Fortran, Java, C, C ++ и Vensim. Иногда используются электронные таблицы.
Как уже отмечалось, стиль IPCC (также известный как модели комплексной оценки или IAM) здесь подробно не рассматривается. Интегрированные модели объединяют упрощенные подмодели мировой экономики, сельского хозяйства и землепользования, а также глобальной системы климата в дополнение к мировой энергетической системе. Примеры включают GCAM, MESSAGE и REMIND.
Опубликованные обзоры по моделированию энергетических систем были сосредоточены на методах, общей классификации, обзоре, децентрализованном планировании, методах моделирования, интеграции возобновляемых источников энергии, политике энергоэффективности, интеграции электромобилей, международное развитие и использование многоуровневых моделей для поддержки политики защиты климата. Проект «Пути глубокой декарбонизации» также проанализировали типологии моделей. В документе 2014 года описываются задачи моделирования, которые предстоит решить по мере того, как энергетические системы становятся более сложными, а человеческие и социальные факторы становятся все более актуальными.
Модели электроэнергетического сектора используются для моделирования электрических систем. Объем может быть национальным или региональным, в зависимости от обстоятельств. Например, с учетом наличия национальных межсетевых соединений, западноевропейская электроэнергетическая система может быть смоделирована полностью.
Инженерные модели обычно содержат хорошую характеристику задействованных технологий, включая высоковольтную AC сеть передачи, где это необходимо. Некоторые модели (например, модели для Германии) могут использовать одну общую шину или «медную пластину», где сеть сильная. Сторона спроса в моделях электроэнергетического сектора обычно представлена фиксированным профилем нагрузки.
Рыночные модели, кроме того, представляют преобладающий рынок электроэнергии, который может включать узловое ценообразование..
Теория игр и агентные модели используются для выявления и изучения стратегического поведения на рынках электроэнергии.
Помимо электроэнергетического сектора, модели энергосистем включают тепло, газ, мобильность и другие секторы, в зависимости от ситуации. Модели энергосистем часто бывают национальными по своему охвату, но могут быть муниципальными или международными.
Так называемые нисходящие модели носят в целом экономический характер и основаны либо на частичном равновесии, либо на общем равновесии. Модели общего равновесия представляют собой специализированный вид деятельности и требуют специальных алгоритмов . Чаще встречаются модели частичного равновесия.
Так называемые восходящие модели хорошо отражают технические характеристики и часто основываются на методах из исследования операций. Отдельные заводы характеризуются кривыми эффективности (также известными как отношения затрат / выпуска), паспортной мощностью, инвестиционными затратами (капитальные затраты ) и эксплуатационными затратами (операционные затраты ). Некоторые модели позволяют этим параметрам зависеть от внешних условий, таких как температура окружающей среды.
Создание гибридных нисходящих / восходящих моделей, отражающих как экономические, так и инженерные аспекты, оказалось сложной задачей.
В этом разделе перечислены некоторые из основных используемых моделей. Обычно они находятся в ведении национальных правительств. В рамках усилий сообщества большое количество существующих моделей энергетических систем было собрано в информационных бюллетенях на Open Energy Platform.
LEAP (Система планирования альтернативных источников энергии на большие расстояния) - это программный инструмент. для анализа энергетической политики и оценки смягчения последствий изменения климата. LEAP был разработан в Центре США Стокгольмского института окружающей среды (SEI). LEAP можно использовать для исследования энергетических систем города, штата, страны и региона. LEAP обычно используется для прогнозных исследований на период от 20 до 50 лет. Большинство его вычислений происходит с интервалами в год. LEAP позволяет аналитикам политики создавать и оценивать альтернативные сценарии и сравнивать свои потребности в энергии, социальные затраты и выгоды и воздействие на окружающую среду.
MAPS (Multi-Area Production Simulation) General Electric - это имитационная модель добычи, используемая различными Региональными передающими организациями и Независимыми системами. Операторы в Соединенных Штатах должны спланировать экономическое влияние предлагаемых объектов передачи и генерации электроэнергии на регулируемых FERC оптовых рынках электроэнергии. Части модели могут также использоваться для фазы принятия и отправки (обновляется с 5-минутными интервалами) при работе оптовых рынков электроэнергии для регионов RTO и ISO. PROMOD компании ABB представляет собой аналогичный программный пакет. В этих регионах ISO и RTO также используется программный пакет GE под названием MARS (Multi-Area Reliability Simulation), чтобы обеспечить соответствие энергосистемы критериям надежности (ожидаемая потеря нагрузки (LOLE) не более 0,1 дня в году). Кроме того, программный пакет GE под названием PSLF (Positive Sequence Load Flow) и программный пакет Siemens под названием PSSE (Power System Simulation for Engineering) анализируют поток нагрузки в энергосистеме на предмет коротких замыканий и стабильности во время предварительного планирования. исследования, проведенные RTO и ISO.
MARKAL (Market ALlocation) - это интегрированная платформа моделирования энергетических систем, используемая для анализа энергетических, экономических и экологических проблем на глобальном, национальном, и на муниципальном уровне за период до нескольких десятилетий. MARKAL можно использовать для количественной оценки воздействия вариантов политики на развитие технологий и истощение природных ресурсов. Программное обеспечение было разработано Программой анализа систем энергетических технологий (ETSAP) Международного энергетического агентства (МЭА) в течение почти двух десятилетий.
TIMES (интегрированная система МАРКАЛ-ЭФОМ) - это эволюция МАРКАЛ - обе энергетические модели имеют много общего. В 2008 году компания TIMES пришла на смену MARKAL. Обе модели представляют собой явные технологические, динамические модели частичного равновесия энергетических рынков. В обоих случаях равновесие определяется максимизацией общего излишка потребителя и производителя с помощью линейного программирования. И MARKAL, и TIMES записаны в GAMS.
Генератор модели TIMES также был разработан в рамках Программы анализа систем энергетических технологий (ETSAP). TIMES сочетает в себе два разных, но дополняющих друг друга, систематических подхода к моделированию энергии - технический и экономический. TIMES - это высокотехнологичный восходящий генератор моделей, который использует линейное программирование для создания энергосистемы с наименьшими затратами, оптимизированной в соответствии с рядом ограничений, заданных пользователем, в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Он используется для «исследования возможных энергетических фьючерсов на основе противоположных сценариев».
По состоянию на 2015 год генераторы моделей MARKAL и TIMES используются в 177 организациях в 70 странах.
NEMS (Национальная система моделирования энергетики) - это давняя модель политики правительства США, реализуемая Министерством энергетики (DOE). NEMS вычисляет равновесные цены и количество топлива для энергетического сектора США. Для этого программа итеративно решает последовательность линейных программ и нелинейных уравнений. NEMS использовалась для явного моделирования со стороны спроса, в частности, для определения выбора потребительских технологий в секторах жилых и коммерческих зданий.
NEMS используется для подготовки Ежегодного энергетического прогноза каждый год - например, в 2015 году.
Энергетические модели государственной политики подвергались критике за недостаточную прозрачность. исходный код и наборы данных должны быть по крайней мере доступны для экспертной оценки, если не опубликованы явно. Чтобы повысить прозрачность и общественное признание, некоторые модели реализуются как проекты с открытым исходным кодом, часто по мере развития которых развивается разнообразное сообщество. OSeMOSYS - один из таких примеров.
Общие
Модели
