Illustrating the Benefits of Openness: A Large-Scale Spatial Economic Dispatch Model Using the Julia Language

In this paper we introduce a five-fold approach to open science comprised of open data, open-source software (that is, programming and modeling tools, model code, and numerical solvers), as well as open-access dissemination. The advantages of open energy models are being discussed. A fully open-source bottom-up electricity sector model with high spatial resolution using the Julia programming environment is then being developed, describing source code and a data set for Germany. This large-scale model of the electricity market includes both generation dispatch from thermal and renewable sources in the spot market as well as the physical transmission network, minimizing total system costs in a linear approach. It calculates the economic dispatch on an hourly basis for a full year, taking into account demand, infeed from renewables, storage, and exchanges with neighboring countries. Following the open approach, the model code and used data set are fully publicly accessible and we use open-source solvers like ECOS and CLP. The model is then being benchmarked regarding runtime of building and solving against a representation in GAMS as a commercial algebraic modeling language and against Gurobi, CPLEX, and Mosek as commercial solvers. With this paper we demonstrate in a proof-of-concept the power and abilities, as well as the beauty of open-source modeling systems. This openness has the potential to increase the transparency of policy advice and to empower stakeholders with fewer financial possibilities.BMWi, 03ET4028A, Verbundvorhaben: Langfristige Planung und kurzfristige Optimierung des Elektrizitätssystems in Deutschland im europäischen Kontext, Teilvorhaben: Langfristige Planung des Übertragungsnetzes in Deutschland unter Berücksichtigung der Interpendenzen zur Erzeugungsplanung, sowie zum Wärme- und Gassektor

Studienführer für den Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen

Gedruckte Version im Universitätsverlag der TU Berlin (www.univerlag.tu-berlin.de) erschienen unter der ISBN 978-3-7983-2453-4.Studienführer für den Bachelor- und Masterstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen6., überarb. Aufl

Electricity, Heat, and Gas Sector Data for Modeling the German System

Diese Dokumentation beschreibt Daten zum deutschen Strom- Wärme- und Gassektor und ermöglicht eine modellgestützte Abbildung dieser Energiesysteme. Die Aufbereitung der Daten erfolgte im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojekts LKD-EU (Langfristige Planung und kurzfristige Optimierung des Elektrizitätssystems in Deutschland im europäischen Kontext, FKZ 03ET4028C). In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), der Arbeitsgruppe Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP) der Technischen Universität Berlin (TUB), dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft (EE2), der Technischen Universität Dresden (TUD) und dem House of Energy Markets & Finance der Universität Duisburg-Essen (UDE). Ziel des Dokumentes ist es, Referenzdaten zur Verfügung zu stellen, die den aktuellen Zustand des deutschen Energiesystems repräsentieren. Das Bezugsjahr ist 2015. Diese Dokumentation trägt dazu bei, die Transparenz in der Verfügbarkeit von Daten zum deutschen Energiesystem zu erhöhen.This data documentation describes a data set of the German electricity, heat, and natural gas sectors compiled within the research project ‘LKD-EU’ (Long-term planning and short-term optimization of the German electricity system within the European framework: Further development of methods and models to analyze the electricity system including the heat and gas sector). The project is a joined effort by the German Institute for Economic Research (DIW Berlin), the Workgroup for Infrastructure Policy (WIP) at Technische Universität Berlin (TUB), the Chair of Energy Economics (EE2) at Technische Universität Dresden (TUD), and the House of Energy Markets & Finance at University of Duisburg-Essen. The project was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy through the grant ‘LKD-EU’, FKZ 03ET4028A. The objective of this paper is to document a reference data set representing the status quo of the German energy sector. We also update and extend parts of the previous DIW Data Documentation 75 (Egerer et al. 2014). While the focus is on the electricity sector, the heat and natural gas sectors are covered as well. With this reference data set, we aim to increase the transparency of energy infrastructure data in Germany. On the one hand, this documentation presents sources of original data and information used for the data set. On the other hand, it elaborates on the methodologies which have been applied to derive the data from respective sources in order to make it useful for modeling purposes and to promote a discussion about the underlying assumptions. Furthermore, we briefly discuss the underlying regulations with regard to data transparency in the energy sector. Where not otherwise stated, the data included in this report is given with reference to the year 2015 for Germany

Modellierung einer integrierten Energiewende des Elektrizitätssektors : eine Open-Source Analyse für Deutschland

This thesis addresses research questions and implications in the context of the German and European energy transformation and is comprised of three parts: Part I starts with a chapter providing an introduction to the topic. Chapter 2 then focuses on the topic of "sector coupling" and the technical and economic challenges of coupling electricity, heat, and transportation, in order to further transform towards a system relying on renewables instead of fossil and fissil fuels as a primary source of energy. For Germany some practical quantitative scenarios for sector coupling until 2030 and 2050 are being discussed. Part II deals with economic dispatch modeling. In Chapter 3 a five-fold approach to open science is introduced and the advantages of open energy models are being discussed. A fully open-source bottom-up electricity sector model with high spatial resolution using the Julia programming environment is then developed describing source code and a data set for Germany. Following the open approach, the entire model code and used data set are publicly available and open-source solvers like ECOS and CLP are used. The model is then benchmarked regarding runtime of building and solving against a representation in GAMS as a commercial algebraic modeling language and against Gurobi, CPLEX, and Mosek as commercial solvers. Chapter 4 examines the ongoing discussion about potential effects of introducing bidding zones in Germany. An electricity sector model with network representation is applied to analyze the system implications and the distributional effects of two bidding zones in the German electricity system in 2012 and 2015. Results show a modest decrease in cross-zonal re-dispatch levels, particularly in 2015. However, overall network congestion and re-dispatch levels increase in 2015 and also remain on a high level in case of two bidding zones. Results are very sensitive to more than two bidding zones and additional line investments, illustrating the challenge to define stable price zones in a dynamic setting. Chapter 5 investigates the impact of uncertain photovoltaic generation on unit commitment decisions. This is done for a market following the rolling planning procedure employing a large-scale stochastic electricity market model (stELMOD). A novel approach to simulate a time-adaptive intra-day photovoltaic forecast, solely based on an exponential smoothing of deviations between realized and forecast values, is presented. Generation uncertainty is then incorporated by numerous multi-stage scenario trees that account for a decreasing forecast error over time. Results show that total system costs significantly increase when uncertainty of both wind and photovoltaic generation is included by a single forecast, with more frequent starting processes of flexible plants and rather inflexible power plants mainly deployed at part-load. Including the improvement of both wind and photovoltaic forecasts, the scheduling costs can be significantly reduced. Part III shifts the focus to issues of the decentral energy transformation. In Chapter 6 the interdependencies between transmission line infrastructure and the electricity mix are being assessed. In particular, it is tested how an energy system based on 100 % renewable sources operates under different transmission regimes, for example, copper plate or more constrained network topologies. A stylized model of optimal generation and storage investment and operation for the German electricity system is being developed. The few cases of transmission congestion in the results suggest that a high share of renewables can be accommodated by modest grid expansions and a large amount of short-term and long-term storage capacities. Chapter 7 deals with local electricity markets. Implications of recently proposed market designs under the current rules in the German market are tested using a simplistic equilibrium model representing heterogeneous market participants in an energy community with their respective objectives. We find that these proposed designs are financially unattractive to prosumers and consumers under the current regulatory framework and they even cause distributional effects within the community when local trade and self-consumption are exempt from taxes. Therefore, a novel market design is being introduced that allows for ownership and participation of renewable technologies for all community members. The analysis shows that this design has the potential to mitigate both distributional effects and the avoidance of system service charges, while simultaneously increasing end-user participation. The dissertation shows approaches and methodologies to overcome techno-economic challenges of the transformation towards renewable energy opening up even further research possibilities.Diese Arbeit befasst sich mit Forschungsfragen und Implikationen im Kontext der deutschen und europäischen Energiewende und besteht aus drei Teilen: Teil I beginnt mit einem einführenden Kapitel zur Anwendung mathematisch-quantitativer Methoden auf Strommärkte. Kapitel 2 konzentriert sich dann auf das Thema "Sektorenkopplung" und die technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen der Kopplung von Strom, Wärme und Verkehr, um die Transformation zu einem System voranzutreiben, das auf erneuerbare Energien statt auf fossile und fissile Brennstoffe setzt. Für Deutschland werden einige quantitative Szenarien für die Sektorenkopplung bis 2030 und 2050 diskutiert. Teil II befasst sich mit der ökonomischen Dispatch-Modellierung. In Kapitel 3 wird ein fünfdimensionaler Ansatz zur offenen Wissenschaft vorgestellt und die Vorteile offener Energiemodelle diskutiert. Anschließend wird ein Bottom-up-Stromsektormodell mit hoher räumlicher Auflösung unter Verwendung der Programmiersprache Julia entwickelt. Dem offenen Ansatz folgend, sind der gesamte Modellcode und der verwendete Datensatz öffentlich verfügbar, und es werden Open-Source-Solver wie ECOS und CLP verwendet. Das Modell wird dann hinsichtlich der Erstellungs- und Lösungslaufzeit mit einer Darstellung in GAMS als kommerzielle algebraische Modellierungssprache und mit Gurobi, CPLEX und Mosek als kommerzielle Solver verglichen. Kapitel 4 untersucht die Diskussion über mögliche Auswirkungen der Einführung von Preiszonen in Deutschland. Ein Stromsektormodell mit Netzdarstellung wird angewandt, um die Systemauswirkungen und Verteilungseffekte von zwei Preiszonen im deutschen Stromsystem in den Jahren 2012 und 2015 zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen einen kleinen Rückgang der zonenübergreifenden Redispatchmengen. Allerdings nehmen die Netzengpässe und Redispatchmengen insgesamt im Jahr 2015 zu und bleiben auch im Falle von zwei Preiszonen auf einem hohen Niveau. Die Ergebnisse reagieren sehr empfindlich auf mehr als zwei Preiszonen und zusätzliche Leitungsinvestitionen. Dies veranschaulicht die Herausforderung, stabile Preiszonen in einem dynamischen Umfeld zu definieren. Kapitel 5 untersucht die Auswirkungen einer unsicheren Photovoltaik-Erzeugung auf Unit-Commitment-Entscheidungen. Dies geschieht für einen Markt nach dem rollierenden Planungsverfahren unter Verwendung eines stochastischen Strommarktmodells (stELMOD). Ein neuartiger Ansatz zur Simulation einer zeitadaptiven untertägigen Photovoltaik-Prognose wird vorgestellt. Die Erzeugungsunsicherheit wird dann durch zahlreiche mehrstufige Szenariobäume berücksichtigt, die einen abnehmenden Prognosefehler im Laufe der Zeit simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Systemkosten erheblich steigen, wenn die Unsicherheit sowohl der Wind- als auch der Photovoltaik-Erzeugung in einer einzigen Prognose berücksichtigt wird. Werden die Verbesserung beider Prognosen berücksichtigt können die Kosten erheblich gesenkt werden. Teil III verlagert den Schwerpunkt auf Fragen der dezentralen Energiewende. In Kapitel 6 werden die Interdependenzen zwischen der Übertragungsleitungsinfrastruktur und dem Strommix bewertet. Insbesondere wird getestet, wie ein Energiesystem, das zu 100 % auf erneuerbaren Energien basiert, unter verschiedenen Übertragungsregimen funktioniert. Es wird ein Modell der optimalen Investition und des optimalen Betriebs von Erzeugung und Speicherung für das deutsche Elektrizitätssystem entwickelt. Die wenigen Fälle von Übertragungsengpässen in den Ergebnissen deuten darauf hin, dass ein hoher Anteil erneuerbarer Energien durch geringe Netzausbauten und eine große Menge an kurz- und langfristigen Speicherkapazitäten bewältigt werden kann. Kapitel 7 befasst sich mit lokalen Strommärkten. Es werden die Implikationen vorgeschlagener Marktgestaltungen unter dem derzeitigen deutschen Marktdesign getestet. Die Analyse wird durch ein vereinfachtes Gleichgewichtsmodell durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Designs für Prosumenten und Verbraucher unter dem gegenwärtigen Regulierungsrahmen finanziell unattraktiv sind und sogar Verteilungseffekte innerhalb der Gemeinschaft verursachen können. Daher wird ein neues Marktdesign eingeführt, das den Besitz und die Teilnahme an erneuerbaren Technologien für alle Gemeindemitglieder ermöglicht. Die Analyse zeigt, dass dieses Design das Potenzial hat, sowohl Verteilungseffekte als auch die Vermeidung von Systemdienstleistungsentgelten zu mildern und gleichzeitig die Beteiligung der Endnutzer zu erhöhen. Die Dissertation zeigt Ansätze und Methoden zur Bewältigung der techno-ökonomischen Herausforderungen der Transformation hin zu erneuerbaren Energien auf, die weitere Forschungsmöglichkeiten eröffnen.BMWi, 03ET4028A, Langfristige Planung des Übertragungsnetzes in Deutschland unter Berücksichtigung der Interpendenzen zur Erzeugungsplanung, sowie zum Wärme- und Gassekto

Student handbook industrial engineering and management

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2864-8Der Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen einer der renommiertesten und mit über 3.000 Studierenden größten Studiengänge der Technischen Universität Berlin. Bereits seit Wintersemester 1926/27 wird er – zu Beginn noch unter dem Namen "Wirtschaft und Technik" – zunächst an der damaligen Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg angeboten und ist damit auch das erste derartige Studienmodell in Deutschland. Der vorliegende Studienführer beschreibt das Studium und die Studienstruktur an der TU Berlin im Bachelor- wie Masterstudiengang, stellt die unterschiedlichen Optionen für ein integriertes Studium im Ausland dar und beleuchtet auch die Aspekte neben dem Studium sowie die Berufsaussichten und den Berufseinstieg.The study progam 'Industrial Engineering and Management' is one of the most prestigous and with more than 3,000 students one of the largest programs of Technische Universität Berlin. Based on the idea of 'economy and engineering' by Professor Willi Prion and dating back to the winter term of 1926/27 at Technische Hochschule Berlin-Charlottenburg, it is also the oldest program of its kind in Germany. This student handbook describes studies and structure of the Bachelor's and Master's program at TU Berlin, outlines different options for an integrated study abroad, but also depicts extra curricular activites as well as employment prospects and career options

Mit Hochgeschwindigkeit auf der Seidenstraße Ergebnisse einer Potenzialanalyse des Transportkorridors Shanghai-Duisburg

Der Schienengüterverkehr zwischen Asien und Europa gewinnt durch den rapiden Ausbau chinesischer Wirtschaftswege immer mehr an Relevanz. Der steigende Bedarf am Transport hochwertiger und eilbedürftiger Güter kann Potenzial für eine deutliche Erhöhung der Transportgeschwindigkeit auf dem Schienenweg bedeuten. Dieser Beitrag vergleicht konventionelle Verkehrsträger mit dem Hochgeschwindigkeits-Schienengüterverkehr auf dem Transportkorridor Shanghai-Duisburg und liefert eine Abschätzung des zu erwartenden Modal Splits unter gegebenen Rahmenbedingungen

On Distributional Effects in Local Electricity Market Designs—Evidence from a German Case Study

The European Commission’s call for energy communities has motivated academia to focus research on design and trading concepts of local electricity markets. The literature provides a wide range of conceptual ideas and analyses on the technical and economic framework of single market features such as peer-to-peer trading. The feasible, system-wide integration of energy communities into existing market structures requires, however, a set of legal adjustments to national regulation. In this paper, we test the implications of recently proposed market designs under the current rules in the context of the German market. The analysis is facilitated by a simplistic equilibrium model representing heterogeneous market participants in an energy community with their respective objectives. We find that, on the one hand, these proposed designs are financially unattractive to prosumers and consumers under the current regulatory framework. On the other hand, they even cause distributional effects within the community when local trade and self-consumption are exempt from taxes. To this end, we introduce a novel market design—Tech4all—that counterbalances these effects. With only few legal amendments, it allows for ownership and participation of renewable technologies for all community members independent of their property structure and affluence. Our presented analysis shows that this design has the potential to mitigate both distributional effects and the avoidance of system service charges, while simultaneously increasing end-user participation.DFG, 414044773, Open Access Publizieren 2019 - 2020 / Technische Universität Berli

Electricity, Heat, and Gas Sector Data for Modeling the German System

Diese Dokumentation beschreibt Daten zum deutschen Strom- Wärme- und Gassektor und ermöglicht eine modellgestützte Abbildung dieser Energiesysteme. Die Aufbereitung der Daten erfolgte im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojekts LKD-EU (Langfristige Planung und kurzfristige Optimierung des Elektrizitätssystems in Deutschland im europäischen Kontext, FKZ 03ET4028C). In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), der Arbeitsgruppe Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP) der Technischen Universität Berlin (TUB), dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft (EE2), der Technischen Universität Dresden (TUD) und dem House of Energy Markets & Finance der Universität Duisburg-Essen (UDE). Ziel des Dokumentes ist es, Referenzdaten zur Verfügung zu stellen, die den aktuellen Zustand des deutschen Energiesystems repräsentieren. Das Bezugsjahr ist 2015. Diese Dokumentation trägt dazu bei, die Transparenz in der Verfügbarkeit von Daten zum deutschen Energiesystem zu erhöhen.This data documentation describes a data set of the German electricity, heat, and natural gas sectors compiled within the research project ‘LKD-EU’ (Long-term planning and short-term optimization of the German electricity system within the European framework: Further development of methods and models to analyze the electricity system including the heat and gas sector). The project is a joined effort by the German Institute for Economic Research (DIW Berlin), the Workgroup for Infrastructure Policy (WIP) at Technische Universität Berlin (TUB), the Chair of Energy Economics (EE2) at Technische Universität Dresden (TUD), and the House of Energy Markets & Finance at University of Duisburg-Essen. The project was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy through the grant ‘LKD-EU’, FKZ 03ET4028A. The objective of this paper is to document a reference data set representing the status quo of the German energy sector. We also update and extend parts of the previous DIW Data Documentation 75 (Egerer et al. 2014). While the focus is on the electricity sector, the heat and natural gas sectors are covered as well. With this reference data set, we aim to increase the transparency of energy infrastructure data in Germany. On the one hand, this documentation presents sources of original data and information used for the data set. On the other hand, it elaborates on the methodologies which have been applied to derive the data from respective sources in order to make it useful for modeling purposes and to promote a discussion about the underlying assumptions. Furthermore, we briefly discuss the underlying regulations with regard to data transparency in the energy sector. Where not otherwise stated, the data included in this report is given with reference to the year 2015 for Germany