Dalane Kraft AS ist ein norwegischer mittelgroßer Wasserkraftproduzent mit 100 Jahren Erfahrung und einem Wasserkraftportfolio von rund 45 MW installierter Leistung. Derzeit besitzt und betreibt das Unternehmen neun Kraftwerke in der Provinz Rogaland in Norwegen. Es verfügt über mehrere Kaskaden im Bereich von bis zu 10 MW.
Haukland ist eine seiner Kaskaden, ein Kleinwasserkraftwerk (SHP) mit einer Leistung von 4,9 MW im Südwesten Norwegens, im Zentrum von Moi, Gemeinde Lund. The power plant uses water from the Hauklandsbekken and Brekkebekken Rivers.
Das heutige Kraftwerk ist das dritte Kraftwerk auf dem Gelände. Das erste Kraftwerk in Haukland ging 1913 in Betrieb. Später erfolgten diverse Um- und Ausbauten, bis das Kraftwerk Haukland 1943 in öffentliches Eigentum überging. Später wurde das erste Kraftwerk ersetzt und 1949 das zweite Kraftwerk in Betrieb genommen, das bis 2013 in Betrieb blieb. Dann wurde das alte Kraftwerk mit zwei Turbinen und einer Rohrleitung durch das heutige Kraftwerk mit einer unterirdischen Wasserstraße ersetzt.
Trotz der geringen Kapazität war es eine Herausforderung, diese Anlage zu betreiben. Der Standort weist eine komplexe Topologie auf (Abbildung 3) und Dalane Kraft AS sah sich mit technischen, ökologischen und anderen Einschränkungen konfrontiert.
Springen Sie zu:
- Die wichtigsten Herausforderungen
- Globaler Kontext der Wasserkraftindustrie: ein Trend der Digitalisierung
- Technische Eigenschaften
- Datenkommunikation zwischen dem Leitsystem der Anlage und der Optimierungslösung
- Globaler Kontext der Wasserkraftindustrie: ein Trend der Digitalisierung
- Optimierungsmethodik von HYDROGRID insight
- Praxisbeispiel Hydrogrid Insight: Echtzeit-Optimierung und -Steuerung des Haukland SHP
- Lösungen
- Lessons Learned und Fazit
Die wichtigsten Herausforderungen
- Mehrere miteinander verbundene Reservoirs
- Mehrere Tore zur Durchflusskontrolle
- Unterschiedliche Einzugsgebiete mit unterschiedlichen Zuflussbedingungen und Planungshorizonten
- Eine genaue kurzfristige Planung für die kleinen Becken, insbesondere für den Skårstemmevatn, ist eine große Herausforderung, da ein Überlauf nicht nur zu Verschüttungen führt, sondern auch zur Überflutung einer Brücke in der näheren Umgebung führen kann
- Die Flexibilität von vorgelagerten Lagerstätten ist nur kurzfristig und nur für eine begrenzte Anzahl von Stunden nutzbar, wenn dies hydrologisch möglich ist
Für Dalane Kraft AS war es wichtig, eine Optimierungslösung zu finden, die dazu beitragen kann, die Parameter aller Lagerstätten zu kontrollieren und eine effiziente Energieerzeugung zu erreichen. In den letzten Jahren hat das Unternehmen seine Bemühungen um die Implementierung eines automatisierten Produktionssystems intensiviert und versucht, zwei Hauptziele zu erreichen:
- Automatisierung in Echtzeit: Die Koordination eines Systems aus mehreren Reservoirs, Toren und Turbinen in Echtzeit ist der Schlüssel, um Kosten für Verschüttungen und Ungleichgewichte zu vermeiden.
- Preisgesteuerter Versand: Nutzung der Umsatzchancen, die sich aus der Marktvolatilität ergeben, bei gleichzeitiger Sicherstellung, dass alle technischen und ökologischen Auflagen eingehalten werden.
Um die Fähigkeit zu erreichen, sofort auf kurzfristige Änderungen der Markt- und hydrologischen Parameter reagieren zu können, sind die wichtigsten Erfolgsfaktoren:
- Zuverlässige Verfügbarkeit der Daten
- Robuste und sichere Datenkommunikation
- Kurze Reaktionszeit des Optimierungsmodells selbst.
Als Voraussetzung für eine zuverlässige und robuste Datenkommunikation ist der Automatisierungsgrad der Anlagensteuerung entscheidend. In den letzten Jahren hat Dalane Kraft erhebliche Anstrengungen unternommen, um seine betrieblichen Prozesse zu digitalisieren und zu automatisieren. Um ein vollautomatisches Produktionssystem zu erreichen, hat das Unternehmen KraftSCADA, eine SCADA-Fernsteuerungslösung, entwickelt (2018). Die KraftSCADA-Lösung ist mit dem Optimierungssystem HYDROGRID Insight gekoppelt, das die Übertragung von Telemetriedaten zur Kalibrierung des Zuflusses unterstützt. HYDROGRID Insight bietet einen innovativen und dynamischen, datengesteuerten Ansatz, der dabei hilft, Wasserkraftwerke mit unterschiedlicher Kapazität automatisiert zu optimieren.
HYDROGRID Insight modelliert das komplexe Kaskadensystem von Haukland als digitale Kopie, die die zahlreichen Stauseen, Tore und Turbinen von Haukland umfasst und dabei die unterschiedlichen Durchflusszeiten sowie die technischen und ökologischen Einschränkungen berücksichtigt. Die eigentlichen Telemetriedaten von Haukland werden stündlich über einen standardisierten und sicheren RESTful-API-Endpunkt übertragen (eine REST-API ist ein Medium, über das zwei Computer über HTTP kommunizieren können [Hypertext Transfer Protocol]B. auf die gleiche Weise, wie Clients und Server kommunizieren), nutzt HYDROGRID Insight die Telemetriedaten, um sein Optimierungs- und Zuflussmodell zu kalibrieren und auf Stundenbasis optimale Pläne für die Erzeugung und Toröffnung zu berechnen. Der Einsatzplan und die Gate-Anweisung werden in das KraftSCADA von Dalane Kraft eingelesen – um die Steuerung des Kraftwerks vollständig zu automatisieren. Darüber hinaus berechnet HYDROGRID Insight Limit-Order-Bid-Dateien für den Day-Ahead-Markt, die es Dalane Kraft ermöglichen, die Chancen, die sich aus der Volatilität des Strommarktes ergeben, voll auszuschöpfen und so die Erträge des Haukland-Kaskadensystems zu maximieren.
Im Jahr 2016 beschloss Dalane Kraft, sein Know-how aus dem eigenen SCADA-System zu nutzen, indem es Betriebsdienstleistungen für KWK-Anlagen sowohl in Norwegen als auch im Ausland anbietet.
In dieser Fallstudie wird detailliert dargestellt, wie HYDROGRID Insight funktioniert und welche Vorteile es für die SHP-Betreibergesellschaft bietet.
Globaler Kontext der Wasserkraftindustrie: ein Trend der Digitalisierung
Die zunehmende Volatilität der Wetter- und Marktbedingungen hat zu einer erhöhten Nachfrage nach automatisierten und Echtzeit-Optimierungslösungen geführt. Abhängig von der Art des Inputs – wie z. B. Niederschlag, Stromnachfrage oder Marktpreisdaten – stehen Optimierungslösungen vor einer komplexen Reihe nichtlinearer Probleme. Darüber hinaus erfordern verschiedene Umwelt- und Betriebsbeschränkungen einen komplexen Planungsprozess, was zu einem Bedarf an mehr Ressourcen führt, sowohl in Bezug auf Zeit als auch auf Personal. Folglich ist die Fähigkeit, in Echtzeit zu reagieren, für die meisten Wasserkraftproduzenten eine große Herausforderung. Bestehende Lösungen zur Planung und Optimierung erfordern jedoch hohe Investitionen und manuelle Ressourcen.
Daher sind sie für viele Betreiber von kleinen und mittleren Wasserkraftwerken in der Regel nicht rentabel, was sie von der Möglichkeit einer optimierten Kraftwerkssteuerung ausschließt. Das Fehlen von Möglichkeiten zur optimalen Anlagensteuerung in Echtzeit führt dazu, dass SHP-Hersteller die verfügbare physikalische Erzeugungsflexibilität in ihrem Portfolio nicht voll ausschöpfen. Neue technische Lösungen sind erforderlich, um Klein- und Mittelwasserkraft als “grüne Batterie” (Speicherkraftwerke) nutzbar zu machen und weitere Investitionen in erneuerbare Energien durch höhere Rentabilität zu fördern.
Die internationale Wasserkraftbranche befindet sich derzeit in einem massiven Digitalisierungsprozess, und Technologien wie maschinelles Lernen mit seinen vielfältigen methodischen Lösungen (z. B. Deep Learning mit neuronalen Netzen) können eingesetzt werden, um den Betrieb der Wasserkraft für alle Marktteilnehmer zu optimieren. Das Potenzial für automatisierte und optimierte Prozesse erstreckt sich über die gesamte Wertschöpfungskette und reicht von der hydrologischen Prognose über den automatisierten Dispatch-Stromhandel bis hin zur vorausschauenden Wartung.
Eine optimierte Dispositionsstrategie, die zu Effizienz- und Gewinnsteigerungen führt, kann durch die Lösung des impliziten nichtlinearen Problems der Wasserkraftoptimierung unter Verwendung mathematischer Modelle in Kombination mit Optimierungs- und maschinellen Lernansätzen erreicht werden. Die Komplexität der Optimierung hängt von folgenden Parametern ab:
- Anzahl der Komponenten der Anlagentopologie (Tore/Luken, zusammenhängende Gewässer, Turbinen)
- Eigenschaften der Verbindungen zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten
- Durchlaufzeiten und Verzögerungen
- Umweltauflagen
- Technische Einschränkungen
- Eigenschaften der Einzugsgebiete (Größe, Topologie, etc.)
Die Anzahl der relevanten Parameter, kombiniert mit ihrem möglichen Umfang, führt zu einem hohen Grad an Komplexität für Optimierungslösungen, die nur schwer durch umständliche manuelle Prozesse oder individuelle statistische Modelle für jedes zugrunde liegende Problem zu lösen sind. Neue technologische Lösungen unterstützen die Prozesseffizienz, sparen Zeit und können den Betriebsteams helfen, sich auf andere wichtige Aufgaben zu konzentrieren.
Betreiber/Eigentümer der SHP-Anlage: Dalane Kraft – Technologieanbieter: HYDROGRID GmbH
Technische Eigenschaften
Technische Hauptmerkmale von Haukland Kraftverk
| Artikel | Wert |
|---|---|
| Turbinenleistung | 4.9 MW |
| Gesamtleistung | 4.9 MW |
| Stromerzeugung pro Jahr | 21 GWh |
| Standortzustand und Parameter der KWK-Anlage: | Wasserquelle: Kaskade von 250 Metern vom Stemmevatn-Stausee
Durchschnittlicher jährlicher Zufluss: 2.05 m3/s |
| Turbine | Eine horizontale Francis-Turbine |
2.1 Datenkommunikation zwischen dem Leitsystem der Anlage und der Optimierungslösung
Das KraftSCADA-Leitsystem der Anlage, das von Dalane Kraft entwickelt wurde, ist mit der externen Optimierungslösung HYDROGRID Insight gekoppelt.
Die KraftSCADA-Technologie bietet die folgenden Hauptmerkmale:
- Fernsteuerung und -überwachung (einschließlich Tore)
- Vollautomatisierter Betrieb eines Wasserkraftwerks (z.B. Versenden automatisierter Sollwerte)
- Externe IT-Schnittstellen bieten eine hohe Flexibilität und Integrationsfähigkeit mit externen IT-Systemen (z. B. HYDROGRID Insight)
Globaler Kontext der Wasserkraftindustrie: ein Trend der Digitalisierung
Um eine vollautomatische optimale Versandlösung zu etablieren, muss die Datenkommunikation zwischen dem Leitsystem der Anlage und der Optimierungslösung zuverlässig, robust und sicher sein. Um einen optimalen Einsatzplan zu erstellen, benötigt HYDROGRID Insight kontinuierlich die Telemetrie der tatsächlichen Anlage. Um optimal auf Veränderungen des Marktes und der Hydrologie reagieren zu können, sollte die Telemetrie der Anlage in hoher Granularität, idealerweise stündlich, zur Verfügung stehen. Darüber hinaus muss die gesamte Kommunikation zwischen der Leitwarte der Anlage und der Optimierungslösung sicher sein und eine automatisierte Rückmeldung in Echtzeit ermöglichen.
Das Plant Operation Center hat jederzeit die volle Kontrolle über alle Daten.
Diese fortlaufenden Telemetriedaten fließen in die virtuelle Kopie von Haukland ein, die in HYDROGRID Insight modelliert wurde. Die Modellierung der Anlage erfolgt zuvor in einem separaten Schritt und bezieht alle relevanten technischen Parameter der realen Anlage sowie Umweltrestriktionen mit ein. Die präzise Modellierung von Toren ist für die komplexe Haukland-Kaskade besonders relevant, da Tore eine wichtige Rolle beim Ausgleich des Wasserflusses im System spielen und so Verschüttungs- und Ungleichgewichtskosten vermeiden. Folglich ist ein genaues Gate-Mapping der Schlüssel, um das volle Potenzial der Optimierung von HYDROGRID Insight auszuschöpfen. Um Haukland zu optimieren, war ein wichtiger Aspekt die Fähigkeit von HYDROGRID Insight, niveauabhängige Toröffnungen zu modellieren, was zu einem 3D-Torkartierungsmodell führte. Darüber hinaus ermöglicht die 3D-Torkartierung von HYDROGRID Insight die Korrelation mit Wasserstand, Durchflussmenge und Toröffnung. Die Tore von Haukland können mit KraftSCADA von Dalane Kraft automatisch gesteuert werden.
Folglich erfasst KraftSCADA sowohl den optimalen Versandplan als auch die Toröffnungspläne über die API-Endpunkte von HYDROGRID Insight, um alle Komponenten der Haukland-Kaskade vollautomatisiert und dennoch optimal zu steuern.
Optimierungsmethodik von HYDROGRID insight
Moderne Ansätze zur Kaskadenoptimierung basieren auf stochastischen dynamischen Programmiermodellen. Diese berücksichtigen die Variationen aller Eingangsvariablen und liefern als Ergebnis Wahrscheinlichkeiten für alle Szenarien. Dies führt jedoch zu einem dramatischen Anstieg der benötigten Rechenressourcen, wenn die Komplexität der Topologie eines Assets zunimmt. Diese verlängerte Berechnungszeit macht die Echtzeitreaktion auf Veränderungen im Markt oder in der Hydrologie nahezu unmöglich.
Um diese Herausforderung zu meistern, löst HYDROGRID Insight das Problem der Kaskadenoptimierung mit einem eher heuristischen stochastischen Modellierungsansatz, der auf proprietären Algorithmen basiert. Die eigens entwickelte Technologie konzentriert sich auf die erfolgreiche Verkürzung der Berechnungszeit. So wurde beispielsweise die Rechenzeit von Haukland von 20 Minuten auf unter 3 Minuten reduziert. Darüber hinaus ist der Modellierungsansatz von HYDROGRID Insight vollständig datengesteuert. Das zugrunde liegende Anlagenmodell wird auf der Grundlage der tatsächlichen Anlagentelemetrie und anderer externer Eingabedaten kontinuierlich neu trainiert. In Kombination mit proprietären Lösungen für Zufluss- und Preisprognosen unter Verwendung von maschinellem Lernen bietet HYDROGRID Insight eine integrierte Optimierungslösung für die kurz-, mittel- und langfristige Planung. Dadurch ist HYDROGRID Insight in der Lage, Veränderungen in der Hydrologie oder den Marktbedingungen automatisch zu erkennen und den gesamten Planungshorizont automatisch anzupassen.
Infolgedessen ermöglicht der datengetriebene Ansatz von HYDROGRID Insight eine qualitativ hochwertige und dennoch effiziente Optimierung mehrerer Kraftwerke. Für Haukland konnte mit HYDROGRID Insight die Rechenzeit um 65 Prozent reduziert werden.
Stromhandel mit HYDROGRID insight
Neben dem automatisierten und optimalen Versand der Haukland-Kaskade bestand das andere Hauptziel von Dalane Kraft darin, die Flexibilität der inhärenten Kaskade zu nutzen, um die finanziellen Ergebnisse zu maximieren. Einer der vielen Vorteile von Echtzeit-Optimierungssystemen ist ihre Fähigkeit, Veränderungen im Strommarkt genau zu prognostizieren, darauf zu reagieren und die Wasserkrafterzeugung entsprechend anzupassen. Dadurch kann der Nominierungsprozess verkürzt werden und der Wechsel von Market-Order- zu Limit-Order-Geboten wird möglich.
Aktuell handelt Dalane Kraft Hauklands Generation am Nord Pool AS Day-Ahead-Market. Als Flaggschiff berechnet HYDROGRID Insight zu jedem Zeitpunkt eine optimale Spot-Marktposition. Diese Position wird je nach den Bedürfnissen des Kunden entweder als Markt- oder Limit-Order bereitgestellt. In der Vergangenheit wurde die Nominierung der Haukland-Produktion auf dem Spotmarkt auf der Grundlage einer Marktorder durchgeführt – einem stündlichen Erzeugungsplan, der unabhängig vom tatsächlichen Preis auf dem Markt sofort verkauft wird. Um die Marktvolatilität besser auszunutzen und die Einnahmen von Haukland zu maximieren, entschied sich Dalane Kraft, von einer Market-Order-Strategie zu einer Limit-Order-Strategie überzugehen, die wiederum von HYDROGRID Insight als Limit-Order-Gebot bereitgestellt wird. Ein Limit-Order-Gebot ist eine Produktionsmatrix, die die prognostizierte Generierung stündlich zu verschiedenen Ausübungspreisen bereitstellt. Anschließend wird der tatsächliche Erzeugungsplan abgeleitet, indem das Gebot gegen die tatsächlich erzielten Preise im Day-Ahead-Markt ausgeführt wird.
Praxisbeispiel Hydrogrid Insight: Echtzeit-Optimierung und -Steuerung des Haukland SHP
Einer der Hauptvorteile des Einsatzes von HYDROGRID Insight durch Dalane Kraft war die Reduzierung des manuellen Aufwands innerhalb des Betriebsteams des Unternehmens, insbesondere für den kleinen Stausee Skårstemmevatn, der zuvor aufgrund seiner inhärenten Inflexibilität und betrieblichen Einschränkungen einen hohen manuellen Arbeitsaufwand verursachte.
In Abbildung 6 ist eine typische Lagerstättenentwicklungs- und Abfertigungssituation des Skårstemmevatn dargestellt. Mit HYDROGRID Insight wurde die Gefahr eines Überlaufs am 25. Oktober 2022 automatisch erkannt und durch Optimierung des Toröffnungsplans der Anlage umgangen. Dieser Plan wurde wiederum schnell von Dalane Krafts KraftSCADA aufgegriffen, um das Verschütten von Reservoirs und damit die Vermeidung von Ungleichgewichtskosten zu verhindern. Dadurch konnte die volle Flexibilität des Haukland-Kaskadensystems ausgeschöpft werden.
Ein zweites Hauptziel von Dalane Kraft bei der Nutzung von HYDROGRID Insight war die Maximierung des Umsatzes durch die Nutzung der inhärenten Flexibilität der Haukland-Kaskade. Mit HYDROGRID Insight kann eine preisgetriebene Disposition durchgeführt werden.
Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für die von HYDROGRID Insight berechnete automatische preisgesteuerte Disposition für die Haukland-Kaskade. Wann immer es die hydrologische Situation zulässt, wird die Produktion an die Strommarktpreise angepasst.
Lösungen
Im Folgenden werden die wichtigsten Vorteile des Einsatzes der HYDROGRID Insight-Technologie für den Betrieb der Haukland SHP-Anlage beschrieben.
Wirtschaftlicher Nutzen
Der datengetriebene Ansatz von HYDROGRID Insight ermöglicht eine qualitativ hochwertige und dennoch effiziente Optimierung mehrerer Kraftwerke mit geringem numerischem Aufwand und minimalem Personalaufwand. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Betriebskosten.
HYDROGRID Insight hilft dem Betreiber, jederzeit die volle Kontrolle über alle Daten zu haben. Dies ermöglicht es Dalane Kraft, extrem schnell auf externe Veränderungen zu reagieren und die Chancen zu nutzen, die sich aus der Volatilität des Strommarktes ergeben. Dank des HYDROGRID Insight kann Dalane Kraft die Limit-Order-Strategie umsetzen, die Risiken des Stromhandels minimieren und die Erträge des Haukland-Kaskadensystems maximieren. Abhängig von der hydrologischen Situation und der Marktpreisentwicklung liegt die finanzielle Outperformance zwischen 5 Prozent und 12 Prozent (entspricht 70.000–200.000 Euro).
HYDROGRID Insight ist eine kostengünstige Lösung auch für Kleinwasserkraftwerke unter 5 MW, die keine hohen Investitionen und manuellen Ressourcen erfordern. Durch die Implementierung dieser Optimierungslösung setzt Dalane Kraft seine Rentabilität nicht aufs Spiel.
Dieser Optimierungsansatz unterstützt die Marktstärken und die Wettbewerbsfähigkeit der Betreibergesellschaft: Dalane Kraft kann sich nicht nur auf dem norwegischen Markt, sondern auch auf internationaler Ebene als Top-Experte für den Betrieb von KWK-Anlagen positionieren und sein Portfolio um neue Kunden erweitern.
Sozialleistungen
HYDROGRID Insight trägt dazu bei, den manuellen Aufwand innerhalb des Betriebsteams des Unternehmens zu reduzieren und Ressourcen für andere wichtige Aufgaben freizusetzen.
Vorteile für die Umwelt
HYDROGRID Insight stellt automatisch sicher, dass alle Umweltauflagen des Projekts eingehalten werden.
Maximierung der Effizienz durch Optimierung der Wassernutzung (Vermeidung des Verschüttens von Stauseen) und Steigerung der Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen.
Lessons Learned und Fazit
Komplexe SHP-Kaskaden können von einem innovativen IT-datengetriebenen Optimierungsansatz erheblich profitieren. Technologien wie HYDROGRID Insight können dazu beitragen, eine Echtzeit-Automatisierung und eine preisgesteuerte Disposition zu erreichen.
Das Potenzial für automatisierte und optimierte Prozesse erstreckt sich über die gesamte Wertschöpfungskette. In der HYDROGRID-Fallstudie umfassten diese Prozesse hydrologische Vorhersagen, automatisierten Stromhandel und vorausschauende Wartung.
Neue technische Lösungen sind unerlässlich, um kleine und mittlere Wasserkraft als “grüne Batterie” nutzbar zu machen und weitere Investitionen in erneuerbare Energien durch höhere Rentabilität zu fördern.
Anerkennung
Die Autoren bedanken sich bei Dalane Kraft für ihr vorausschauendes Denken und ihre innovative Einstellung sowie für die fantastische Zusammenarbeit.
