DEMO-Version

Optimierungsmodell
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(Forschungszentrum Jlich, Programmgruppe STE)

Das technik-orientierte Optimierungsmodell bildet den Energieflu der
Bundesrepublik Deutschland ab und arbeitet nach der Methode der
linearen Programmierung. Optimierungskriterium ist die Minimierung
der Gesamtsystemkosten unter vorgegebenen Randbedingungen
(z.B. CO2-Reduktionsvorgabe). Das Modell, in dem die Energieflsse von
Primrenergietrgeraufkommen bis zum Nutzenergie-
bzw. Energiedienstleistungsbedarf abgebildet werden, beinhaltet
ca. 2000 reprsentative Techniken. Das gesamte Gleichungssystem
umfat ca. 2600 Variable.

Mit Hilfe einer grafischen dialogorientierten Oberflche wird dem
Modellanwender ermglicht, das Optimierungsmodell zu betreiben. Alle
Inputdatenstze sowie Berechnungsergebnisse werden in einer
modellinternen Datenbank verwaltet. Das Eingangsmen besteht aus den
Elementen Datenanzeige, Rechnen sowie Ergebnisdarstellung.

Datenanzeige
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Dieser Menpunkt ist lediglich als Informationssystem gedacht: es ist
nicht mglich, Datenmanipulationen irgendwelcher Art vorzunehmen. Dem
Nutzer wird einerseits angeboten, Informationen zur Modellstruktur
abzurufen, und andererseits kann er sich die Daten (Technikdaten,
Begrenzungen etc.) der implementierten IKARUS-Szenarien anzeigen
lassen.  Der Menpunkt ist insofern von groer Bedeutung, da die
Kenntnis der Modellstruktur unbedingte Voraussetzung fr die Analyse
der Optimierungsergebnisse ist.

Informationen (Variable, Gleichungen, Verknpfungen) zur
Modellstruktur umfassen die Oberstruktur (Logistik) sowie die
detaillierte Verknpfung der Platzhalter. ber die grafische
Oberflche ist es mglich, Haupt- und Untersektoren zu whlen und
letztendlich Technologien oder Energietrger auflisten zu
lassen. Fragen wren z.B.: Welche Technologie eines betreffenden
Untersektors besitzen den Energietrger Steinkohle als Input? oder:
Frage nach den Inputenergietrgern eines bestimmten Untersektors. Alle
Informationen werden sowohl als Modellcodierungen als auch in Form
verstndlicher Kurzbezeichnungen angeboten.

Die zweite wesentliche Aufgabe des Menpunktes "Datenanzeige" besteht
in der Datenanzeige der implementierten IKARUS-Szenarien. Per
Oberflchenfhrung ist es z.B. mglich, Technologieattribute,
Begrenzungen, Nachfragen etc. auflisten zu lassen. Nach Auswahl des
Haupt- und Untersektors eines oder mehrerer Platzhalter sowie der
Jahr-Raum-Kombination kann der Modellanwender auswhlen, welcher Teil
der Technologiedaten (Kosten, Emissionen In-/Output, Kenndaten)
aufgelistet werden sollen.(z.B. ein Steinkohlekraftwerke im
Elektrizittssektor) Darber hinaus kann gewhlt werden, ob auch
Techniken oder lediglich die Default-Technik eines Platzhalters
gezeigt werden soll.

Rechnen
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Unter diesem Menpunkt kann ein Inputdatensatz verndert, die Matrix
erzeugt sowie der eigentliche Optimierungslauf gestartet werden.

Fallspezifikation
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Hierunter knnen vom Modellanwender eigene Berechnungsflle angelegt
werden. Die Grundidee ist wie folgt: Der Modellanwender whlt einen
der implementierten IKARUS-Szenariendatenstze, von dem in einem
ersten Schritt ein Duplikat erzeugt wird. Die vom Anwender gewnschten
nderungen werden an diesem Duplikat vorgenommen, so da der
ursprngliche Basisdatensatz nicht verndert wird. Ein gendertes
IKARUS-Szenario wird als Fall, das IKARUS-Szenario selber als
Basisfall bezeichnet. Basisflle werden momentan fr die Jahre 1989,
2005 (jeweils differenziert nach alten und neuen Bundeslndern) sowie
2020 (Deutschland gesamt) angeboten. Eine Modifikation eines
Basisfalles kann sein:

  - nderung von Platzhalterdaten (z.B. nderung der Investitionskosten
    eines Steinkohlekraftwerkes, wie in der DEMO-Version gezeigt) 
  - Austausch von Platzhaltertechniken 
  - Vorgabe bzw. ndern von Begrenzungen (=Bounds)

Alle vom Modellanwender gegenber dem Basisfall vorgenommenen
nderungen werden in einem Protokoll festgehalten, so da es jederzeit
mglich ist, den vernderten Dateninputsatz sowie den Rechenlauf zu
reproduzieren.

Matrixgenerierung
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Unter Matrixgenerierung ist die Erstellung des Input-Datensatzes fr
die eigentliche Optimierungsrechnung zu verstehen. Zum einen werden
die Koeffizienten der Matrix berechnet und zum anderen wird auf das
international standardisierte MPS-Format umgerechnet. Basis fr die
Erstellung des MPS-Files ist das Vorliegen aller notwendigen Daten in
Form von relationalen Datenbanktabellen, was unter dem vorherigen
Menpunkt sichergestellt wird. Mit Hilfe von einfach geschachtelten
SQL-Befehlen werden Vorlufertabellen des MPS-Files generiert, die
aus der Datenbank exportiert und mit Hilfe eines FORTRAN-Programms zu
einem formatgerechten MPS-File aufbereitet werden. Der Modellanwender
besitzt unter diesem Menpunkt kaum Eingriffsmglichkeiten und
bentigt keinerlei Detailkenntnisse: er hat lediglich dafr zu sorgen,
da ein MPS-File erzeugt wird, der Voraussetzung fr den
Optimierungslauf ist.

Optimierung
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Unter diesem Menpunkt startet der Modellanwender die eigentliche
Optimierung. Wie zuvor erwhnt, mu sichergestellt sein, da der zu
optimierende Datensatz im MPS-Format vorliegt.  Mit Hilfe des
Fallnamens ist dies vom Modellnutzer sehr einfach festzustellen. Die
Optimierungsrechnungen werden mit Hilfe des Optimizer-Softwarepaketes
MOPS durchgefhrt. Der Optimizer wird mit Hilfe eines
FORTRAN-Programms gesteuert. Der Modellanwender kann bestimmte
Optimierungsparameter (z.B. Anzahl der Iterationen)
oberflchengesteuert vornehmen, falls er dies wnscht. Besteht kein
nderungswunsch, wird mit einer Defaultbelegung optimiert. D.h. es
sind keine Optimizerkenntnisse erforderlich.  Nach Beendigung des
Rechenlaufes kann der Anwender entscheiden, ob er die Optimallsung in
Form eines DOS-Files sehen und/oder in die Datenbank importieren
mchte. Der Import in die Datenbank ist allerdings erforderlich, falls
die Optimallsung unter dem Menpunkt Ergebnisaufbereitung
benutzerfreundlich angezeigt werden soll. Die Analyse einer
Optimallsung in Form eines DOS-Files (in der Optimierungsterminologie
auch oftmals als Solution-File bnezeichnet) ist eher fr den mit
Optimierungsrechnungen vertrauten Modell-Insider gedacht.

Nicht immer wird eine Optimallsung gefunden. So knnen beispielsweise
sich widersprechende Randbedingungen dazu fhren, da fr ein
Optimierungsproblem keine zulssige Lsung (= "infeasible")
existiert. In diesem Fall wird der Anwender aufgefordert, seine zuvor
durchgefhrten nderungen zu berprfen. Als zustzliches Hilfsmittel
zur Lokalisierung des Fehlers stehen die vom Optimizer produzierten
Fehlermeldungen zur Verfgung.


Ergebnisaufbereitung
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Die Optimierungsergebnisse liegen nach dem Optimierungslauf in Form
eines sogenannten Solution-File vor, in dem u.a. Aktivitten
bzw. Dualaktivitten fr die Platzhalter (Columns) und Energietrger
(Rows) enthalten sind. Mit Hilfe von Programmen werden Inhalte des
Solution-File aufbereitet bzw. umgerechnet und in die modelleigene
Datenbank importiert.  Dort werden sie dem Modellanwender in
"vertrauten" Einheiten in Form von Spread-sheets angeboten. Innerhalb
dieser zum Teil groen Spread-sheets ist es z.B. mglich, Ausschnitte
zu definieren, Umrechnungen von Einheiten vorzunehmen oder auch
Vergleiche verschiedener Rechenlufe durchzufhren. Des weiteren ist
auch der Export aus der Datenbank zu kommerziellen Softwarepaketen
(z.B. Excel) mglich.  Eine weitere Mglichkeit der
Ergebnisdarstellung ist die grafische Anzeige von Spread-sheet-
Inhalten.  Alle Mglichkeiten der Ergebnisdarstellung werden ber eine
grafische Oberflche gesteuert.  Die gesamte Ergebnisaufbereitung ist
inhaltlich nach folgenden Punkten gegliedert: 
  - Energiebilanz, 
  - Intersektorielle Energiestrme, 
  - Aktivitten, Dualaktiviten, 
  - Sektorspezifische Darstellung.

Energiebilanz
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Dem Anwender werden Energiebilanzen mit unterschiedlichen Auflsungen
(fein, grob) angeboten. Die detaillierte bzw. feine Energiebilanz
orientiert sich an dem Schema der Energiebilanz, die von der
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen erstellt wird. Allerdings wurden
Modifikationen vorgenommen, um zuknftigen energiewirtschaftlichen
Entwicklungen Rechnung tragen zu knnen. So wurden beispielsweise
die regenerativen Energietrger aufgenommen, der Verkehrssektor nach
Personen- und Gterverkehr unterteilt usw.

Die grobe Energiebilanz besteht lediglich aus 15 Zeilen sowie 11
Spalten und stellt eine Aggregierung des ersten Typs dar. Im Gegensatz
zur feinaufgelsten, umfangreichen Bilanz hat sie die Aufgabe, dem
Modellanwender einen Schnellberblick zu vermitteln.

Intersektorielle Energiestrme
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Unter diesem Menpunkt werden die In- sowie Outpunktstrme der
jeweiligen Hauptsektoren aufgelistet sowie die Emissionen und
Kosten. Darber hinaus besteht die Mglichkeit nach Vorgabe eines
Energietrgers fr diesen alle mglichen Lieferbeziehungen zwischen
dem Hauptsektoren auflisten zu lassen.

Aktivitten, Dualaktivitten
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Nach der Optimierung liegt ein Solution-File vor, der u.a. die
Aktivitten bzw. Dualaktivitten fr die "in Lsung gegangenen"
Variablen enthlt. Dieser Teil des Solution-File wird ebenfalls in der
modelleigenen Datenbank abgelegt, so da der Modellanwender die
Mglichkeit besitzt, Optimierungsergebnisse zu einzelnen Variablen
abrufen zu knnen. Der Modellanwender wird ber die grafische
Oberflche zu den einzelnen Platzhaltern bzw.  Variablen gefhrt.

Sektorspezifische Darstellung
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Neben den zuvor dargestellten Mglichkeiten der Ergebnisdarstellung
werden dem Modellanwender darber hinaus detaillierte Ergebnistabellen
fr einige sektorspezifische Bereiche angeboten, die eine eingehende
Analyse ermglichen. Sektorspezifische Detailtabellen werden fr die
Sektoren Haushalte, Kleinverbraucher, Industrie, Verkehr,
Wrmeerzeugung und Stromerzeugung angeboten.



