Modell zur Ableitung von Typregionen der Energieversorgung

Präsentation meiner Bachelorarbeit am Fachgebeit Energie - & Ressourcenmanagement der TU Berlin

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1. Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung Julian Endres | FG Energie- & Ressourcenmanagement
2. Gliederung 1. Motivation 2. Typregionen 3. K-Means 4. Modell & Methoden 5. Fazit Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung| Julian Endres Seite 2
3. Motivation Energiewende wird durch komplexe Modelle in der Forschung begleitet. Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 3
4. Motivation Energiewende wird durch komplexe Modelle in der Forschung begleitet. Diese sind oft: • schwer verständlich • intransparent Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 4
5. Motivation Energiewende wird durch komplexe Modelle in der Forschung begleitet. Diese sind oft: • schwer verständlich • intransparent Ziel: Komplexität von Modellen in räumlicher Auflösung reduzieren Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 5
6. Motivation Energiewende wird durch komplexe Modelle in der Forschung begleitet. Diese sind oft: • schwer verständlich • intransparent Ziel: Komplexität von Modellen in räumlicher Auflösung reduzieren Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 6 Ableitung von Typregionen, die repräsentativ für eine Gruppe von Regionen mit ähnlichen strukturellen Merkmalen steht
7. Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 7 • Daten auf NUTS3 - Ebene
8. Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 8 • Daten auf NUTS3 - Ebene • Clustern der Raumtypen mit K-Means
9. Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 9 • Daten auf NUTS3 - Ebene • Clustern der Raumtypen mit K-Means • Ableiten der Typregionen anhand der Medianwerte
10. Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 10 • Daten auf NUTS3 - Ebene • Clustern der Raumtypen mit K-Means • Ableiten der Typregionen anhand der Medianwerte möglichst homogene Cluster
11. K-Means K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 11
12. K-Means Eingangsdaten + # Cluster K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 12
13. K-Means Eingangsdaten + # Cluster K-Means Cluster Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 13
14. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 14 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
15. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 15 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
16. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 16 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl [2] Incheol, CC BY-SA 4.0 Clusteranzahl muss bestimmt werden
17. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 17 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten Zuordnen Neuberechnen durch Mittelwerte
18. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 18 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
19. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 19 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
20. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 20 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
21. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 21 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
22. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 22 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
23. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 23 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
24. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 24 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
25. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 25 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
26. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 26 • Partitionierender Algorithmus • Unter Vorgabe der Clusteranzahl • Iteratives Verfahren • mit 2 Schritten • Zielfunktion: • Intra-Cluster-Varianz [2] Incheol, CC BY-SA 4.0
27. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 27 • Partitionierendes Verfahren
28. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 28 • Partitionierendes Verfahren • Einfluss der Abweichung ist quadratisch
29. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 29 Ausreißer sollten entfernt werden • Partitionierendes Verfahren • Einfluss der Abweichung ist quadratisch
30. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 30 [3] gung – reinstate Monica (2018), CC BY-SA 4.0
31. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 31
32. K-Means Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 32 weitere Kriterien zur Güteprüfung
33. Anforderungen an das Modell Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 33 • Homogene Cluster • Anzahl der Cluster bestimmen • Ausreißer identifizieren • Weitere Kriterien zur Güteprüfung
34. Modell - Übersicht Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 34 Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen
35. Modell - Übersicht Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 35 Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen
36. Modell - Übersicht Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 36 Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen
37. Methodik - Datenaufbereitung Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 37 vorläufiger Datensatz des Projekts AIRE: • 401 Landkreise / Samples • Prüfroutinen • 18 Kennzahlen / Features • Z-Transformation
38. Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen Modell Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 38
39. Methode - Korrelationsanalyse Seite 39 Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres
40. Methode - Korrelationsanalyse Seite 40 Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres
41. Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen Modell - Übersicht Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 41
42. Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 42 Methode – Identifikation der Ausreißer
43. Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 43 Methode – Identifikation der Ausreißer
44. Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 44 Methode – Identifikation der Ausreißer
45. Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen Modell - Übersicht Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 45 Parameter optimieren
46. Methode – Bestimmung der Clusteranzahl Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 46
47. Methode - Clustermapping Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 47
48. Methode – Clustergrößen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 48
49. Methode – Clustergrößen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 49
50. Methode - Silhouetten Koeffizient Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 50
51. Modell - Übersicht Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 51 Daten- aufbereitung Korrelations- analyse Identifikation der Ausreißer Clustering Validierungs -indizes Typ- regionen
52. Methode – Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 52
53. Methode – Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 53
54. Fazit & Ausblick - Trade off zwischen homogenen Clustern und großem Ergebnisraum - Ergebnisse müssen aufwändig inhaltliche plausibilisiert werden - Fluch der Dimensionalität - Feinere Auflösung - Dimensionsreduktion mit PCA möglich - Andere Clustermethoden sinnvolle Ergänzung (DBSCAN, Ward) Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 54
55. Quellen [1] Keles, D. u.a. (2017). „Meeting the Modeling Needs of Future Energy Systems“. In: Energy Technology 5.7, S. 1007–1025. doi: 10.1002/ente.201600607 [2] Incheol, CC BY-SA 4.0 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kmeans_animation.gif [3] gung – reinstate Monica (2018), CC BY-SA 4.0 URL: https://stats.stackexchange.com/questions/133656/how-to-understand-the-drawbacks-of-k- means [4] Chire (2011), CC BY-SA 3.0 URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:KMeans-density- data.svg Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 55
56. Danke! - Fragen? Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 56 https://github.com/nailend/ModITy
57. Methode – Typregionen Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 57
58. Methode – Auswertung Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 58
59. Methode – Auswertung Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 59
60. Methode – Auswertung Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 60
61. Methode – Bestimmung der Clusteranzahl Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 61
62. Methode – Clusterspringer Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 62
63. Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 63
64. Clustering mit PCA Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 64 • 18 Features • 10 Components • 6 Cluster • Bestimmte Kennzahlen stark überbewertet
65. Silhouetten Koeffizient – PCA - normal Modellentwicklung für die Ableitung von Typregionen der Energieversorgung | Julian Endres Seite 65