Multiskalare Modellierung integrierter Energie- und Elektrizitätssysteme

• Multiscale modelling of integrated energy and electricity systems

Pesch, Thiemo Christian; Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor); Müller, Dirk (Thesis advisor)

Jülich : Verlag des Forschungszentrums Jülich (2019, 2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Energie & Umwelt / Energy & Environment 485
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XXV, 384 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Die Transformation des europäischen Energiesystems geht mit tiefgreifenden Veränderungen in nahezu allen Systembereichen einher. Das Ziel eines sicheren, wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Energiesystems sowie massiv reduzierter Treibhausgasemissionen soll vor allem durch den Ausbau der erneuerbaren Energien und die Erhöhung der Energieeffizienz erreicht werden. Die steigenden Anteile fluktuierender erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung führen dabei zu einer erhöhten Volatilität der Einspeisungen sowie stark veränderten Einspeisungsverteilungen. Hierdurch steigen die Anforderungen an die Systemflexibilität und die Transportkapazitäten der Übertragungsnetze. Hinzukommende Einsatzmöglichkeiten für Elektrizität in verschiedenen Energiesektoren wie dem Verkehrs- und Wärmesektor sowie sektorübergreifende Flexibilitätsoptionen wie Power-to-gas führen darüber hinaus zu steigenden intersektoralen Abhängigkeiten. Für die Energie- und Elektrizitätssystemmodellierung ergibt sich hieraus die Herausforderung, diese Entwicklungen in den verschiedenen Systembereichen angemessen zu erfassen. Dabei spielen sich die Einflüsse und Auswirkungen auf unterschiedlichen Ebenen z.B. zeitlicher, räumlicher, technologischer und ökonomischer Skalen ab, die simultan zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit wird daher ein Modellpaket zur multiskalaren Analyse des integrierten Energie- und Elektrizitätssystems entwickelt, in dem das etablierte Energiesystemmodell IKARUS-LP mit neu entwickelten Modellen zur zeitlichen und räumlichen Entfaltung der Residuallast, einem neu entwickelten Elektrizitätsmarktmodell für Europa und einem neu entwickelten Übertragungsnetzmodell für Deutschland gekoppelt wird. Bei dem Elektrizitätsmarktmodell handelt es sich um ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell, bei dem der Einsatz sämtlicher Kraftwerke, Speicher und Flexibilitätsoptionen unter Berücksichtigung der technischen Restriktionen auf stündlicher Basis ermittelt wird. Das Übertragungsnetzmodell basiert auf realen Netzdaten und erlaubt die Berechnung von AC- und DC-Lastflussberechnungen, wobei zusätzlich eine Optimierung des Betriebs der HGÜ-Leitungen auf Basis genetischer Algorithmen erfolgt. Die exemplarischen Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass die detaillierte Betrachtung des europäischen Elektrizitätssystems im Modellpaket verglichen zu dem isoliert eingesetzten Energiesystemmodell IKARUS-LP wesentlich genauere Aussagen zu Stromerzeugungen sowie Im- und Exporten ermöglicht. Dies hat weitreichende Rückwirkungen auf die Rechenergebnisse des rückgekoppelten Energiesystemmodells und führt beispielsweise zu insgesamt erhöhten Systemkosten. Die detaillierten Lastflussberechnungen zeigen auf, dass der im Netzentwicklungsplan der Übertragungsnetzbetreiber geforderte Netzausbau zwingend erforderlich ist, um die anvisierten hohen Windenergiekapazitäten in das System integrieren zu können. Neben dem bereits identifizierten Verstärkungsbedarf auf Nord-Süd-Trassen weisen die Berechnungen darauf hin, dass zusätzlicher Ausbaubedarf bei den Zubringerleitungen zu den HGÜ-Stationen auf Ost-West-Trassen in Norddeutschland besteht.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik [419510]