Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung durch Lastmanagement und thermische Energiespeicher

Balancing of intermittent renewable power generation from wind and solar energy is one of the central challenges within the energy system transformation towards a more sustainable supply. This work addresses the potential role of flexible electric loads and power-controlled operation of combined heat and power (CHP) plants in meeting increasing balancing needs in Germany. It conducts an enhancement of the cross-sectoral REMix model, which is designed for the preparation and assessment of energy supply scenarios based on a system representation in high spatial and temporal resolution. The analysis is composed of three fundamental parts. The first part is dedicated to the quantification of theoretical potentials for demand response (DR), district heating (DH) and industrial CHP in Europe. Special attention is given to the geographic distribution of potentials, as well as the derivation of hourly heat and electricity demand profiles. In the second part, the linear optimization model within REMix is extended by DR and the heating sector, enabling economic assessments of the balancing function of flexible electric loads and power-controlled heat supply. In the third part, REMix is applied to assess the future energy supply in Germany, making use of the model enhancements and identified potentials. In order to account for different renewable energy (RE) and grid capacity development paths, as well as transport and heat sector structures, nine scenarios are considered. For each scenario, least-cost dimensioning and operation of DR capacities, as well as heat supply systems are evaluated. According to the REMix results, the application of DR is mostly limited to short time peak shaving of the residual load. This implies that its focus is on the provision of power, not energy. As a consequence of different cost structures, the exploitation of available DR potentials is attributed almost exclusively to industrial and commercial sector loads, whereas those in the residential sector are hardly accessed. The model results indicate that the temporal availability of DR potentials, as well as their characteristic intervention and shift times are particularly suited for a combination with PV power generation. In the simulations, power-controlled heat supply has proven to be an effective measure to increase RE integration. It is achieved by a modified operation pattern of CHP and - to a lower extent - heat pumps (HP) enabled by thermal energy storage (TES) on the one hand, and an utilization of surplus power for heating purposes on the other. Due to the greater potential and thus longer storage times of TES, as well as the comparatively low investment costs of electric boilers, an enhanced coupling between power and heat sector is found to be especially favorable in combination with wind power utilization. Load shifting across all sectors provides substantial amounts of positive balancing power, which can substitute other firm generation capacity. The highest load reduction is achieved by controlled electric vehicle charging, lower contributions come from adjusted HP operation and other DR. As a consequence of higher RE integration, load shifting and power-controlled heat supply can contribute substantially to CO2 emission reductions in Germany. However, this is only the case if the additional balancing potentials are not applied as well for an economically motivated shift in power generation from low-emitting to high-emitting fuels. Furthermore, load flexibility and enhanced power-heat-coupling can enable energy supply cost reductions, arising from the substitution of back-up power plant capacity on the one hand, and a more cost-efficient power and heat supply on the other. The model application reveals that electric load shifting and power-controlled CHP operation are not competing but complementary measures in the realization of higher RE integration and lower back-up capacity demand. Negative interferences between both balancing options are found to be very small. On the contrary, they even promote each other, for example in the reduction of RE curtailments. Based on the REMix results it can be concluded that both DR and power-controlled heat supply enabled by TES are important elements in a future German energy system mainly relying on renewable sources.Der Ausgleich der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind- und Solarkraftwerken stellt eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende dar. In dieser Arbeit werden die möglichen Beiträge des Lastmanagements (LM) und des stromgeführten Betriebs von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) zur Deckung des zukünftigen Lastausgleichsbedarfs in Deutschland untersucht. Die Analyse basiert auf einer Erweiterung des sektorenübergreifenden Energiesystemmodells REMix, welches die Bewertung von Versorgungssystemen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht. Die Analyse erfolgt in drei wesentlichen Schritten. Der erste Teil der Arbeit ist der Bewertung der theoretischen Einsatzpotenziale des LM, sowie der netzgebundenen und industriellen KWK gewidmet. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der räumlichen Verteilung der Potenziale und der Ableitung stündlicher Wärme- und Strombedarfsprofile. Im zweiten Teil erfolgt eine Erweiterung des Optimierungsmodells in REMix um LM und den Wärmesektor. Diese ermöglicht eine ökonomische Bewertung der verschiedenen Lastausgleichsoptionen. Im dritten Teil wird das erweiterte REMix-Modell auf eine Untersuchung der zukünftigen Energieversorgung Deutschlands angewendet. Dabei werden neun Szenarien in Betracht gezogen, die sich im Ausbau von erneuerbaren Energien (EE), Speichern und Stromnetzen, sowie den Versorgungsstrukturen im Wärme- und Verkehrssektor unterscheiden. Für jedes Szenario erfolgt eine kostenminimierende Optimierung des Ausbaus und Einsatzes der verschiedenen Lastausgleichsoptionen. Die REMix-Ergebnisse zeigen, dass LM in erster Linie zur Senkung der residualen Spitzenlast eingesetzt wird; der Fokus liegt folglich auf der Bereitstellung von Leistung, nicht von Arbeit. Aus der angenommenen Kostenstruktur ergibt sich, dass sich die Ausschöpfung der Potenziale nahezu aus-schließlich auf die Industrie und den Gewerbesektor beschränkt, während jene in den Haushalten ungenutzt bleiben. Die Ergebnisse legen nahe, dass die zeitliche Verfügbarkeit flexibler Lasten und deren typische Verschiebedauern besonders für eine Kombination mit Photovoltaikstrom geeignet sind. Stromgeführte Wärmeerzeugung erweist sich als eine wirkungsvolle Maßnahme der EE-Integration. Diese wird einerseits durch einen dem EE-Dargebot angepassten Betrieb von KWK und Wärmepumpen mit thermischem Speicher, und andererseits durch die Nutzung von Überschussstrom zur Wärmeerzeugung bewirkt. Aufgrund der längeren Speicherdauern und größeren Einsatzpotenziale thermischer Speicher und der geringen Investitionskosten elektrischer Kessel erscheint eine verbesserte Kopplung zwischen Strom- und Wärmesektor vor allem in Regionen hoher Windenergienutzung zielführend. Über alle Sektoren hinweg kann Strombedarfsflexibilität für die Bereitstellung positiver Ausgleichsleistung genutzt werden und somit die Vorhaltung von Kraftwerken ersetzen. Die höchste Bedarfsreduktion ergibt sich dabei durch das gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen, bei geringeren Beiträgen durch einen angepassten Wärmepumpenbetrieb sowie weiteres LM. Durch die Vermeidung der Abregelung von EE-Anlagen können LM und stromgeführter KWK-Betrieb einen Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen leisten. Dies gilt jedoch nur wenn sie nicht vorwiegend für eine Steigerung der Stromerzeugung aus günstigeren, aber kohlenstoffintensiven Brennstoffen genutzt werden. Darüber hinaus können die zusätzlichen Lastausgleichstechnologien durch einen geringeren Bedarf an Reservekraftwerken, sowie günstigere Strom- und Wärmeerzeugung auch die Energieversorgungskosten senken. Die REMix-Fallstudie zeigt, dass sich LM und stromgeführte KWK in der Erwirkung einer höheren EE-Integration und der Reduktion des Kraftwerksbedarfs ergänzen. Gegenseitige Beeinträchtigungen zwischen beiden Lastausgleichsoptionen sind gering; vielmehr begünstigen sie einander sogar z.B. hinsichtlich der Vermeidung von EE-Abregelung. Auf Grundlage der Ergebnisse lässt sich schlussfolgern, dass LM und eine verbesserte Kopplung zwischen Strom- und Wärmesektor wichtige Elemente einer überwiegend auf erneuerbaren Quellen basierenden Energieversorgung Deutschlands sind