Hybride Simulation intelligenter Energiesysteme

The increasing integration of renewable energies into the power grid is a promising approach to ensure the power supply considering decreasing reserves of fossil fuels and increasing environmental pollution caused by CO2 and radioactive waste. However, because of the increasing decentralization of power production and because of the weather-dependent fluctuations in solar energy and wind energy, considerable problems for the security of energy supplies arise. The integration of new technologies can contribute to improving security of supply. Consequently, tools are needed that can support the rapid modeling and analysis of smart energy systems. In this work, we therefore develop an integral infrastructure design pattern, which makes the rapid modeling of smart energy systems much easier. Using this infrastructure design pattern, we extend an existing simulation tool to a rapid modeling framework. We show that the framework can be used for complex models. We determine the power cost and the CO2 emissions of a cement plant with and without renewable energy source, frequency restoration reserve power, and connection to an optimizer. Furthermore, we couple house models, containing photovoltaic systems and batteries, with an energy system model for Germany and analyze the potential of 200 000 houses for the provision of control power. Finally, we show that the in this study developed infrastructure design pattern, the realization of the pattern as concrete infrastructure, and also the rapid modeling framework have been used successfully by other scientists in their projects in collaboration with the industry.Die fortschreitende Einbindung erneuerbarer Energien in das Energieversorgungsnetz ist ein vielversprechender Ansatz zur Sicherung der Stromversorgung angesichts schwindender Reserven an fossilen Brennstoffen und steigender Umweltbelastung durch CO2 und radioaktiven Abfall. Allerdings führen die zunehmende Dezentralisierung der Erzeugung und die wetterabhängigen Schwankungen der Solar- und Windenergie zu erheblichen Problemen für die Versorgungssicherheit. Die Integration neuer Technologien kann jedoch zur Verbesserung der Versorgungssicherheit beitragen. Dazu werden Werkzeuge benötigt, welche die schnelle Modellierung und Analyse von intelligenten Energiesystemen unterstützen. In dieser Arbeit wird daher ein integrales Infrastruktur-Entwurfsmuster entwickelt, mit dem sich das Rapid Modeling intelligenter Energiesysteme wesentlich vereinfacht. Unter Anwendung des Infrastruktur-Entwurfsmusters wird ein bestehendes Simulationswerkzeug zu einem Rapid Modeling Framework erweitert. In das Framework lassen sich Energiesystemkomponenten leicht integrieren und auch komplexe Modelle analysieren. So werden die Stromkosten und der CO2-Ausstoß eines Zementwerks ohne und mit erneuerbaren Energien, Sekundärregelleistungserbringung und Anbindung an einen Optimierer ermittelt. Weiterhin werden Hausmodelle mit einem Energiesystemmodell für Deutschland gekoppelt und das Potential von 200 000 Haushalten zur Erbringung von Regelleistung analysiert. Zum Abschluss wird aufgezeigt, dass das in dieser Arbeit entwickelte Infrastruktur-Entwurfsmuster, die Realisierung des Musters als konkrete Infrastruktur und auch das Rapid Modeling Framework erfolgreich von anderen Wissenschaftlern in ihren Projekten in Zusammenarbeit mit der Industrie eingesetzt wurden