Modeling Energy Scenarios with Power-Flow constraints - Transparency, challenges and system adequacy

Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt der Energiesystemanalyse ist es zu verstehen wie heutige Energieversorgungssysteme funktionieren und darauf aufbauend eine Vorstellung davon zu entwickeln, wie eine sichere, bezahlbare und nachhaltige Energieversorgung unter sich ändernden Rahmenbedingungen auch in der Zukunft bewerkstelligt werden kann. Energieszenarien sind solche Vorstellungen von möglichen zukünftigen Energieversorgungssystemen, welche oft mit Hilfe von Modellen entworfen und analysiert werden. Ziel ist es, damit bereits heute die Weichen für eine Energieversorgung zu stellen, welche im Einklang mit den Bestrebungen zur Begrenzung der Erderwärmung stehen. Der Frage, welche Herausforderungen sich hinsichtlich der oft schwierigen Nachvollziehbarkeit entsprechender Szenario-Studien ergeben, widmet sich Publikation 1 dieser Dissertationsschrift. Eine bedeutende Rolle in solchen Energieszenarien spielt die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, welche allerdings nicht beliebig und ortsunabhängig stattfinden kann. Der Transport von Energie zum räumlichen Ausgleich von Endenergienachfrage und Stromerzeugung ist daher ein Schlüsselelement für die Transformation des heutigen Energiesystems. Insbesondere die häufig in der Energiesystemanalyse genutzten Optimierungsmodelle sind allerdings selten in der Lage diesen Energietransport hinreichend genau zu erfassen. Auf der anderen Seite existieren im Bereich der Stromnetzausbau- und -Betriebsplanung bereits Modellierungsinstrumente, die ebendies bewerkstelligen. Ein wesentlicher Beitrag der mit dieser Dissertation verbundenen Arbeiten ist daher die Zusammenführung dieser beiden Modellierungswelten mittels Ansätzen zur Modellkopplung und Modellintegration. Die hierfür erstellten und weiterentwickelten Instanzen des Energiesystem-Optimierungsmodells REMix nutzen lineare Restriktionen zur Berücksichtigung von Leistungsflüssen, womit die Rolle des Stromtransports und Netzausbaus zur Sicherstellung der zukünftigen Energieversorgung detailliert untersucht werden kann. Dies betrifft beispielsweise Fragestellungen inwiefern der Stromtransport ergänzend oder konkurrierend auf Technologien zur Energiespeicherung oder bei verstärkter Kopplung von Energiesektoren in Szenarien der europäischen Energieversorgung wirkt. Die entsprechenden Ergebnisse (Publikation 3) zeigen, dass ein Ausbau von länderübergreifenden Grenzkuppelkapazitäten für eine Vielzahl von Szenarien und Parametervariationen als robuste und kosteneffiziente Maßnahme angesehen werden kann. Allerdings gilt dies vor allem unter Anwendung etablierter, länderscharfer Modellauflösungen. Inwiefern die Vorteilhaftigkeit von Netzausbau auch bei einer expliziten Modellierung von Übertragungsnetzinfrastrukturen gilt, kann beispielsweise mit Hilfe höherer räumlicher Auflösungen beantwortet werden. Eine erste auf das deutsche Stromversorgungssystem beschränkte Szenario-Analyse unter Anwendung eines integrierten Energiesystem-Optimierungsmodells bestätigt diese Aussage zwar, zeigt aber auch, dass der Bedarf an Energiespeichern in makroökonomischen Betrachtungen durch unzureichende Modellauflösungen unterschätzt wird (Publikation 2). Um zukünftig umfassende und weitergehende Untersuchungen mittels integrierter Modellierung von Leistungsflüssen durchführen zu können, ist allerdings eine Erweiterung des geographischen Untersuchungsgebiets unter Einbeziehung der Sektorenkopplung und die Durchführung von Parametervariationen für eine Vielzahl an Szenarien empfehlenswert. Begrenzend wirkt sich hierbei allerdings die benötigte Rechenzeit zur Lösung der Optimierungsmodelle aus. Im Rahmen dieser Dissertation wird daher erstmalig eine systematische Analyse von Ansätzen zur Beschleunigung von Energiesystem-Optimierungsmodellen vorgelegt. Mit den hierfür evaluierten Heuristiken können unter Beibehaltung einer hinreichenden Modellgenauigkeit Reduktionen der Gesamtrechenzeit um bis zu Faktor zehn erreicht werden (Publikation 4)