Elektrizitätsversorgungsplanung für ländliche Gebiete in Entwicklungsländern: Ein Optimierungsmodell

254 Pages·1988·5.355 MB·German

by  Dipl.-Ing. Ulrich Lorenz (auth.)

Schriftenreihe
Energie- und Rohstoffwirtschaft
Technische Universitat Berlin
Herausgeber: Prof. Dr. Dietmar Winje
Band 1
U. Lorenz
Elektrizitatsversorgungsplanu ng
fOr landliche Gebiete
in Entwicklungslandern
Ein Optimierungsmodell
Mit 55 Abbildungen und 28 Tabellen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo 1988
Dipl.-Ing. Ulrich Lorenz
Fachgebiet Energie-und Rohstoffwirtschaft
Technische Universitat Berlin
Prof. Dr. Dietmar Winje
Fachgebiet Energie-und Rohstoffwirtschaft
Technische Universitat Berlin
083 (Diss. TU Berlin)
Entwicklung eines Optimierungsmodells zur Elektrizitatsversorgungsplanung fOr
landliche Gebiete in Entwicklungslandern
ISBN-13: 978-3-540-19424-8 e-ISBN-13: 978-3-642-83519-3
001: 10.1007/978-3-642-83519-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1988
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2068/3020-543210
Vorwort des Herausgebers
Die Versorgung mit Energietr~gern und Rohstoffen sowie de
ren effiziente Nutzung unter BerUcksichtigung der Um
weltbelastung hat fUr alle Volkswirtschaften herausragende
Bedeutung. Die ausreichende Bereitstellung von Energie
tr~gern und Rohstoffen ist wesentliche Voraussetzung fUr
den wirtschaftlichen Fortschritt sowie fUr die soziale
Entwicklung der Bev51kerung. Insbesondere die BerUck
sichtigung des Aspektes der Endlichkeit der Ressourcen, der
Abh~ngigkeit vieler Volkswirtschaften von diesen sowie der
zunehmend erkannten Umweltwirkungen bei der Verwendung ha
ben dazu gefUhrt, daB Probleme der Nutzung der natUrlichen
Ressourcen in der Bevolkerung einen hohen Stellenwert ge
wonnen haben.
An der Technischen Universit~t Berlin werden Forschungsvor
haben zur L5sung von Problemen im Bereich der Energie- und
Rohstoffwirtschaft durchgefUhrt. Die Vorhaben gehen davon
aus, daB Energie- und Rohstoffsysteme offene Systeme dar
stellen, die eine Vielzahl von interdependenten Beziehungen
zu ihrer Umwelt aufweisen. Entsprechend sind auch die Un
tersuchungsmethoden zu gestalten.
Das Ziel der vorliegenden Schriftenreihe besteht darin,
Uber aktuelle Forschungsergebnisse und L5sungsbeitr~ge des
Bereiches Energie- und Rohstoffwirtschaft zu berichten.
Der vorliegende Band der Schriftenreihe behandelt die Ent
wicklung und Anwendung eines Optimierungsmodells zur Elek
trizi t~tsversorgungsplanung fUr l~ndliche Gebiete in Ent
wicklungsl~ndern. Mit Hilfe eines auf einem Mikrocomputer
implementierten Algorithmus wird der kostenminimale Ausbau
von Stromerzeugungsanlagen fUr langfristige Planungs
zeitr~ume errechnet. Die Anwendung des Modells auf Regionen
in verschiedenen Entwicklungsl~ndern zeigt, daB neben der
VI
standortspezifischen Ausbaureihenfolge eine Ubergeordnete
wirtschaftliche Rangfolge im Ausbau der Kraftwerke exi
stiert.
Insbesondere durch die vergleichende Betrachtung dezentra
ler Anlagen mit einer zentralen Netzstromversorgung ver
sucht die vorliegende Arbeit, eine vorhandene LUcke bei den
Optimierungsmodellen zur Stromversorgung fUr Entwicklungs
lander zu schlieBen.
Mai 1988 Dietmar Winje
Inhaltsubersicht
Seite
1 Prob1emstellung, Zie1formulierung 1
2 Bisherige Arbeiten auf dem Gebiet der Planung
von Elektrizitatsversorgungssystemen 7
2.1 Struktur und Ablauf von existierenden Model
len zur Elektrizitatsversorgungsplanung 7
2.2 Darstellung der Rechenverfahren, die in den
existierenden Modellen verwandt wurden 16
3 Entwicklung eines Modells zur regionalen
Elektrizitatsversorgungsplanung in Entwick
lungslMndern 30
3.1 Obergeordnete Modellstruktur 30
3.2 Allgemeine Bestimmungsgleichungen des Modells 32
3.2.1 Regionaler Bedarf elektrischer Energie 32
3.2.1.1 Vorgehensweise zur Ermittlung der Verbrauchs
daten vor Ort 34
3.2.1.2 Ermitt1ung von Richtwerten fOr den Bedarf
elektrischer Energie 36
3.2.1.3 ZukOnftige Entwicklung des Stromverbrauchs 41
3.2.2 Auswahl der dezentralen Stromerzeugungs
anlagen 46
3.2.3 BetriebskenngrtiBen von Photovoltaik-Anlagen 49
3.2.3.1 Meteorologische Einf1uBgrtiBen 50
3.2.3.2 Anlagenkonzeption 56
3.2.3.3 Kostenfunktion photovoltaischer Anlagen 65
3.2.4 BetriebskenngrtiBen solarthermischer Anlagen 67
3.2.4.1 Anlagenkonzeption 67
3.2.4.2 Leistungskennzahlen von Turmkonzepten 69
3.2.4.3 Systemkomponenten von Turmkonzepten 72
3.2.4.4 Leistungskennzah1en von Farmkonzepten 77
3.2.4.5 Systemkomponenten von Farmkonzepten 77
3.2.4.6 Kostenfunktion solarthermischer Anlagen 81
3.2.5 BetriebskenngrtiBen von Windenergieanlagen 83
3.2.5.1 Regionales Windenergiepotential 83
3.2.5.2 Anlagenkonzeption 91
3.2.5.3 Leistungskennzahlen von Windenergieanlagen 95
3.2.5.4 Kostenfunktion von Windenergieanlagen 101
3.2.6 BetriebskenngrtiBen von Dieselgenerator
anlagen 104
3.2.6.1 Leistungskennzahlen von Dieselgenerator
anlagen 104
3.2.6.2 Kostenfunktion von Dieselgeneratoranlagen 105
VIII
Seite
3.2.7 Betriebskenngr5Ben von Wasserkraftan1agen 108
3.2.7.1 Regionales Wasserkraftpotential 109
3.2.7.2 Leistungskennzahlen von Wasserkraftanlagen 111
3.2.7.3 Kostenfunktion von Wasserkraftanlagen 114
3.3 Bestimmungsgleichungen des verwendeten
LP-Ansatzes 116
3.3.1 Zeitliche Unterteilung der Planungsperiode 117
3.3.2 Zugrundegelegtes Investitionsrechenverfahren 119
3.3.3 Zielfunktion 120
3.3.4 Restriktionen der Kraftwerkskapazit~t 123
3.3.5 Restriktionen der generierten Leistung 124
3.3.6 Restriktionen bei Energiespeicherung 126
4 Annahmen uber die Kosten der elektrischen
Energie 130
4.1 Kosten der Erzeugung elektrischer Energie 130
4.1.1 Kosten photovoltaischer Anlagen 130
4.1.2 Kosten solarthermischer Turmkonzepte 132
4.1.3 Kosten solarthermischer Farmkonzepte 134
4.1.4 Kosten von Windenergieanlagen 135
4.1. 5 Kosten von Dieselgeneratoranlagen 138
4.1. 6 Kosten von Wasserkraftanlagen 138
4.2 Kosten der Obertragung und Verteilung elek
trischer Energie 141
4.3 Kosten der Netzbetriebsfuhrung 145
5 Entwicklung eines Rechnerprogramms zur Mini
mierung der Gesamtkosten der Elektrizit~ts­
versorgung 149
5.1 Dateneingabe und Bedienerfuhrung 151
5.2 Struktur und Funktion des Matrixgenerators 154
5.3 Ablauf des LP-Algorithmus 155
5.4 Ausgabe der Ergebnisse 157
6 Anwendung des Modells zur regionalen Elektri
zit~tsversorgung 159
6.1 Fallbeispiel 1: Das Altiplano-Gebiet in Peru 161
6.1.1 Objektbeschreibung 161
6.1.2 Eingangsdaten der Berechnungen 163
6.1.3 Ergebnisse der Berechnungen 167
6.1.3.1 Basis1auf 167
6.1.3.2 Simulationsrechnungen 168
6.1.4 SchluBfolgerungen aus den Ergebnissen des
Fallbeispiels 1 181
6.2 Fallbeispiel 2: Die Region Terengganu
in Malaysia 182
6.2.1 Objektbeschreibung 182
6.2.2 Eingangsdaten der Berechnungen 184
6.2.3 Ergebnisse der Berechnungen 188
6.2.3.1 Basislauf 188
6.2.3.2 Simulationsrechnungen 188
6.2.4 SchluBfolgerungen aus den Ergebnissen des
Fallbeispiels 2 197
IX
Seite
6.3 Fa11beispie1 3: Die Ortschaft Mang1ara1to
in Ecuador 198
6.3.1 Objektbeschreibung 198
6.3.2 Eingangsdaten der Berechnungen 200
6.3.3 Ergebnisse der Berechnungen 203
6.3.3.1 Basis1auf 203
6.3.3.2 Simu1ationsrechnungen 204
6.3.4 Sch1uBfo1gerungen aus den Ergebnissen des
Fa11beispie1s 3 208
6.4 Sch1uBfo1gerungen aus der Mode11anwendung 210
7 Zusammenfassung 213
Verzeichnis der verwendeten Forme1zeichen
und Abkurzungen 216
Abbi1dungsverzeichnis 220
Tabe11enverzeichnis 224
Literaturverzeichnis 226
Anhang 238
Sachwortverzeichnis 242
1
1 Problemstellung, Zielformulierung
Nach einer Ver5ffent1ichung der We1tbank1 betr ug der Anteil
des Energieverbrauchs in Entwick1ungsHlndern am kommer
ziel1en We1tenergieverbrauch im Jahre 1970: 15,1% und 1980:
19,9%. Der fUr die Zukunft prognostizierte Anteil betragt
1995: 27,2%. 1m Zeitraum von 1970-1980 ergibt sich damit
eine jahrliche Steigerungsrate von 5,9% p.a. bzw. fUr 1980-
1995 eine erwartete Steigerungsrate von 4,5% p.a ••
Betrachtet man den Antei1 des Verbrauchs e1ektrischer Ener
gie am Gesamtenergieverbrauch2 der Entwick1ungs1ander, so
betr ug dieser Wert 1970: 7,5%, 1980: 10,1% und wird fUr
1995 auf 15,3% geschatzt. FUr den Energietrager Gas wird
ein ahnliches Wachs tum prognostiziert, wahrend bei 61 und
Koh1e jewei1s mit einem RUckgang des Anteils zu rechnen
ist. Die jahrliche Steigerungsrate des e1ektrischen Ener
gieverbrauchs betrug im Zei traum von 1970-1980: 8,8% und
wird von 1980-1995 auf 7,7% geschatzt. Damit wird fUr die
Entwick1ungs1ander auch in der Zukunft mit einem wesent1ich
h5heren Zuwachs des Verbrauchs e1ektrischer Energie a1s in
den 1ndustrienationen zu rechnen sein. Geht man von der
Richtigkeit dieser Prognose aus, so kommt der Planung von
e1ektrischen Versorgungssystemen in Entwick1ungslandern
eine erheb1iche Bedeutung zu. Gemessen an den 1ndustriena
tionen wird in den Entwicklungs1andern in der Zukunft ver
starkt eine Verbesserung der e1ektrischen Versorgung erfor
derlich sein. Die Verbesserung der Versorgungssituation
kann einerseits durch Erweiterungen des zentralen e1ektri
schen Obertragungs- und Vertei1ungsnetzes, andererseits
durch den Aufbau von 1nselnetzen mit dezentra1er Kraft
werksstruktur rea1isiert werden. Die Auswertung von Lander
papieren3, die anla~lich einer Konferenz der Vereinten Na
tionen Uber neue und erneuerbare Energieque11en vorge1egt
vgl. We1tbank (Hrsg.): The Energy Transition in
Developing Countries, Washington 1983, S.5
Gesamtenergieverbrauch konventione11er Energietrager, in
dem z.B. der Verbrauch von Biomasse nicht entha1ten ist
vgl. Bostel, Kleeman, et a1.: Die Nutzung neuer und
erneuerbarer Energieque11en in Entwicklungslandern
KFA/STE JU1.Spez-177 Bd. 1, JUlich 1982, S.25ff
2
wurde, ergab hinsichtlich des Energietr~gereinsatzes zur
Stromversorgung folgendes Bild:
Es besteht ein Bedarf nach verst~rkter Nutzung der
Wasserkraft zur Energieerzeugung. In der uberwiegenden
Anzahl der Entwicklungsl~nder betr~gt das genutzte Was
serkraftpotential weniger als 20%. Wegen der technolo
gischen Problematik beim Bau groJ3er Einhei ten besteht
die Forderung nach Errichtung kleiner und kleinster
Wasserkraftanlagen.
Auf dem Gebiet "neuer" Energietechnologien besteht ein
Bedarf an photovoltaischen Anlagen zum Betrieb von Was
serf6rderungseinrichtungen und zur Verbesserung der
Kommunikationstechnik. Windenergieanlagen sollen ver
st~rkt zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum me
chanische Antrieb von Pumpen eingesetzt werden.
Unabh~ngig von der gew~hlten Technologie besteht in nahezu
allen Entwicklungsl~ndern die Forderung nach einer
verminderten Importabh~ngigkeit, nicht nur in bezug auf die
Prim~renergien, sondern auch bei technischen Einrichtungen.
In den meisten Entwicklungsl~ndern wird nur ein kleiner
Teil der Bev61kerung im l~ndlichen Bereich mit elektrischer
Energie versorgt (Tab.l).
Region Anteil der Bev61kerung Anteil der mit elektr.
in l~ndlichen Gebieten Energie versorgten
an der Gesamtbev61kerung Bev61kerung an der
Gesamtbev61kerung
Afrika 91 % 4 %
Asien 75 % 15 %
Sudamerika 50 % 23 %
Ausgew~hlte
L~nder in
Europa" 61 % 15 %
Tab.1 Grad der l~ndlichen Elektrifizierung in aus
~ew~hlten Regionen
Algerien, Zypern, Agypten, Iran, Marokko,
Saudi-Arabien, Tunesien, Turkei
Quelle: Weltbank (Hrsg.): Rural Electrification,
Washington 1975, S.17