{"id":{"repo_id":"tu-berlin","oai_identifier":"oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/22204"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/tu-berlin/oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/22204","repository":{"repo_id":"tu-berlin","name":"Technische Universität Berlin","base_url":"https://api-depositonce.tu-berlin.de/server/oai/request"},"display":{"title":"MILP-Modellierung optimaler Transitionspfade von industriellen und kommunalen Energiesystemen","abstract":"Der fortschreitende Klimawandel erfordert Maßnahmen, welche zu einer Reduktion freiwerdender CO2-Emissionen führen. Ein Ziel ist die Transformation von Energieversorgungsstrukturen in emissionsarme Systeme. Eine Umorientierung hin zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen gilt als Grundvoraussetzung zum Erreichen der notwendigen CO2-Einsparungen. Grundlage dafür bilden sowohl klimafreundliche Energieerzeugungs- und -umwandlungstechnologien als auch die Verfügbarkeit CO2-neutraler Energieträger. Ziel der Arbeit ist das Aufzeigen von Ausweichmöglichkeiten, um die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern schnellstmöglich zu reduzieren. Gestützt auf prognostizierte zukünftige Entwicklungen werden im Rahmen dieser Arbeit für zwei repräsentative Energiesystemmodelle (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und Kraft-Wärme-Kopplung) unterschiedliche Transitionspfade erstellt. Diese umfassen vom Startjahr 2022 aus einen Betrachtungszeitraum von 38 Jahren und dienen der Orientierung, wie Energiesystembetreiber auf geänderte Randbedingungen in Form von Preisen und Preisstrukturen reagieren können. Das Hierbei stehen ökonomische Aspekte gegenüber der zwangsweisen Einhaltung einer CO2-Emissionsobergrenze im Vordergrund. Die im Zuge der Transformation getätigten Umbaumaßnahmen gehen aus einer gemischtganzzahlig linearen Optimierung (MILP) der annualisierten Gesamtkosten hervor. Hierfür erfolgt eine Unterteilung des Betrachtungszeitraums in vier Perioden. Neben dem Startjahr 2022 werden drei Stützjahre 2030, 2040 und 2050 bestimmt, zu welchen ein Zu- und Umbau der Energieversorgungsstruktur möglich ist. Die Stützjahre sind charakterisiert durch unterschiedliche Randbedingungen. Diese umfassen Preise für Energieträger und emittiertes CO2, sowie ein zeitlich differenziertes Angebot an erneuerbaren Ressourcen und Energieumwandlungstechnologie unter Miteinbeziehung des technischen Fortschritts (Superstruktur). Die Erstellung der Transitionspfade basiert auf unterschiedlich kombinierten Randbedingungen, welche auf Grund von Unsicherheiten bezüglich der zukünftigen Entwicklung von den prognostizierten Werten abweichen. Zunächst wird eine unabhängige Optimierung der Stützjahre unter Vernachlässigung bestehender Infrastrukturen, die Grüne-Wiese-Planung, durchgeführt. Mittels einer Vielzahl an Sensitivitätsanalysen werden einflussreiche Parameter identifiziert, welche durch ihre Variation innerhalb der Simulation einen grundlegenden strukturellen Umbau der optimalen Energieversorgungsstruktur veranlassen. Anhand dieser Parameter erfolgt die Differenzierung innerhalb eines Stützjahres in unterschiedliche Entwicklungsrichtungen. Die einflussreichen Parameter gehen als Entscheidungskriterium für die Ausrichtung der Energieversorgungsstruktur in den Prozess der Pfaderstellung ein. Die Pfaderstellung erfolgt nach zwei unterschiedlichen Methoden. Die Transitionspfade resultieren jeweils aus einer Vorwärtsbetrachtung und einer Rückwärtsbetrachtung. Der Unterschied liegt in der Chronologie der Vorgehensweise. Im Gegensatz zur unabhängigen Optimierung der Stützjahre wird innerhalb der Pfaderstellung die bestehende Energieversogungsstruktur als fester Bestandteil in die Optimierung des nachfolgenden Stützjahres miteinbezogen. Als Ergebnis werden für jeden Anwendungsfall fünf repräsentative Pfade abgeleitet, welche jeweils eine mögliche zukünftige Entwicklung widerspiegeln. Zur Auswertung werden die Kosten und abgegebene CO2-Emissionen hinzugezogen und mit einem Referenzpfad verglichen. Aus der Analyse ergeben sich unter den hier getroffenen Annahmen und Bedingungen einige als Kernaussagen. 1. Die Ausrichtung der Energieversorgungsstruktur im Stützjahr wird maßgeblich durch die Energieträgerpreise beeinflusst. Folgende Parameter begünstigen unter den getroffenen Annahmen mit deren Änderung eine Reduktion der CO2-Emissionen: • ein hoher Erdgaspreis Im Stützjahr 2030 wird mittels eines hohen Erdgaspreises eine Elektrifizierung vorangetrieben, wodurch in Folge hoher Wirkungsgrade strombetriebener Anlagen der Primärenergiebezug und damit die CO2-Emissionen signifikant reduziert werden. • ein hoher CO2-Preis Im Stützjahr 2040 bedingt ein hoher CO2-Preis durch wachsende Unterschiede in den CO2-Faktoren von Strom und Erdgas eine flächendeckende Elektrifizierung. • ein niedriger Wasserstoffpreis Ab dem Stützjahr 2050 entscheidet die Höhe des Preises für CO2-neutraler Wasserstoff ob das Energiesystem wasserstofflastig ausgerichtet wird oder eine Elektrifizierung stattfindet. 2. Die angewandte Methodik der differenzierten Vorwärts- und Rückwärtsbetrachtung wird als nicht maßgeblich evaluiert. Die Vorwärts- und Rückwärtspfade weichen sowohl hinsichtlich der verwendeten Technologien als auch der Betriebskosten und CO2- Emissionen kaum voneinander ab. Grund dafür ist das geringe Verhältnis der Investitionskosten zu den Betriebskosten. Unter den getroffenen Annahmen lohnt sich ein struktureller Umbau gegenüber dem Weiterbetrieb eines suboptimalen Energiesystems. 3. Die ökonomische Auswertung ergibt, dass zu jeder Randbedingungskombination ein Transformationsprozess erfolgt, durch welchen ähnlich hohe Kosteneinsparungen gegenüber dem Referenzpfad erreicht werden. 4. Die ökologische Bewertung der Transitionspfade zeigt, dass sowohl hohe Emissionseinsparungen als auch ein Anstieg der CO2-Emissionen gegenüber dem Referenzpfad möglich sind. Die als Ergebnis dieser Bachelorarbeit herausgearbeiteten Kernaussagen nehmen die Funktion richtungsweisender Tendenzen ein, in welche Richtung eine Transformation hin zu weitgehender Klimaneutralität möglichst kostenoptimal erfolgen kann. Die Simulation zweier sektorgekoppelter Energiesysteme dient dem Zweck, einen breiten Anwendungsbereich abzudecken und ein Transferieren auf ähnliche reale Anwendungsfälle zu ermöglichen.","abstract_html":"Der fortschreitende Klimawandel erfordert Maßnahmen, welche zu einer Reduktion freiwerdender CO2-Emissionen führen. Ein Ziel ist die Transformation von Energieversorgungsstrukturen in emissionsarme Systeme. Eine Umorientierung hin zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen gilt als Grundvoraussetzung zum Erreichen der notwendigen CO2-Einsparungen. Grundlage dafür bilden sowohl klimafreundliche Energieerzeugungs- und -umwandlungstechnologien als auch die Verfügbarkeit CO2-neutraler Energieträger. Ziel der Arbeit ist das Aufzeigen von Ausweichmöglichkeiten, um die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern schnellstmöglich zu reduzieren. 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Das Hierbei stehen ökonomische Aspekte gegenüber der zwangsweisen Einhaltung einer CO2-Emissionsobergrenze im Vordergrund. Die im Zuge der Transformation getätigten Umbaumaßnahmen gehen aus einer gemischtganzzahlig linearen Optimierung (MILP) der annualisierten Gesamtkosten hervor. Hierfür erfolgt eine Unterteilung des Betrachtungszeitraums in vier Perioden. Neben dem Startjahr 2022 werden drei Stützjahre 2030, 2040 und 2050 bestimmt, zu welchen ein Zu- und Umbau der Energieversorgungsstruktur möglich ist. Die Stützjahre sind charakterisiert durch unterschiedliche Randbedingungen. Diese umfassen Preise für Energieträger und emittiertes CO2, sowie ein zeitlich differenziertes Angebot an erneuerbaren Ressourcen und Energieumwandlungstechnologie unter Miteinbeziehung des technischen Fortschritts (Superstruktur). 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Die Simulation zweier sektorgekoppelter Energiesysteme dient dem Zweck, einen breiten Anwendungsbereich abzudecken und ein Transferieren auf ähnliche reale Anwendungsfälle zu ermöglichen.","The advancing climate change requires measures that lead to a reduction of CO2 emissions. One goal is to transform energy systems into low-emission systems. This tranformation is based on climate-friendly energy generation and conversion technologies as well as the availa- bility of CO2 -neutral energy sources. A reorientation toward the use of renewable energy sources is considered by many as a basic prerequisite for achieving the necessary CO2 savings. The primary objective of this work is to identify alternative options for reducing depen- dence on fossil fuels as quickly as possible. In the context of this work, different transition paths are created for two representative energy system models, namely combined heat, power, and cooling, as well as combined heat and power, based on predicted future developments. These paths cover an observation period of 38 years and serve as a guide for energy system ope- rators on how to respond to changing boundary conditions, such as prices and price structures. The focus is on economic aspects rather than mandatory compliance with a CO2 emissions cap. The suggested transformation of the energy system results from a mixed integer linear optimi- zation (MILP) of the annualized total costs. For this purpose, the observation period is divided into four periods. In addition to the start year 2022, three support years 2030, 2040 and 2050 were determined, for which a modification of the energy system is possible. The support years are characterized by different boundary conditions. These include prices for energy sources and emitted CO2 , as well as a temporally differentiated supply of renewable resources and energy conversion technology with the inclusion of technical progress (superstructure). The generation of the transition paths is based on differently combined boundary condi- tions, which deviate from the predicted values due to uncertainties regarding the future development. First, an independent optimization of the support years is performed neglecting existing infrastructures, the greenfield planning. By means of a large number of sensitivity analyses, influential parameters are identified which, through their variation, are predicted to have the greatest influence on the optimally aligned structure of the energy system. A change in the value of the influential parameter causes a fundamental structural change of the optimal energy supply structure within the simulation. On the basis of these parameters, differentiation is made within a support year in different development directions. The influential parameters are included in the path creation process as decision criteria for the orientation of the energy system. Two different methods are used to create the paths. The transition paths result in each case from a forward view and a backward view. The difference lies in the chronology of the procedure. In contrast to the independent optimization of the support years, the existing energy supply structure is included as a fixed component in the optimization of the subsequent support year within the path creation. As a result, five representative paths are derived for each use case and each representative path reflects a possible future development. For evaluation, the costs and emitted CO2 emissions are compared with a reference path. Based on the assumptions and conditions made here, the analysis yields some core state- ments. 1. The orientation of the energy supply structure in the support year is significantly influenced by energy carrier prices.The following parameters favor a reduction in CO2 emissions under the assumptions made here with their change: • High natural gas price In the support year 2030, electrification will be accelerated by means of a high price of natural gas, which will significantly reduce the primary energy supply and thus the CO2 emissions as a result of the high efficiency of electricity-operated systems. • High CO2 price In the support year 2040, a high CO2 price will cause a comprehensive electrification due to growing differences in the CO2 factors of electricity and natural gas. • Low hydrogen price From the support year 2050, the level of the price for CO2 -neutral hydrogen will deci- de whether the energy system mainly includes hydrogen technologies or electricity- powered plants. 2. The applied methodology of the differentiated forward and backward view is evaluated as not relevant. There is little difference between the forward and backward paths in terms of technologies used as well as operating costs and CO2 emissions. The reason for this is the low ratio of investment costs to operating costs. Under the assumptions made, a structural modification is worthwhile compared to the continued operation of a suboptimal energy system. 3. The economic evaluation shows that for each combination of boundary conditions under the assumptions made, a transformation process takes place that achieves similarly high cost savings compared to the reference path. 4. The ecological evaluation of the transition paths shows that both high emission savings and an increase in CO2 emissions are possible compared to the reference path. The core statements elaborated as a result of this bachelor thesis take on the function of directional tendencies, in which direction a transformation towards further climate neutrality can take place in the most cost-optimal way. The simulation of two sector-coupled energy systems serves the purpose to cover a wide range of applications and to enable a transfer to similar real applications."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["MILP-Modellierung optimaler Transitionspfade von industriellen und kommunalen Energiesystemen"]}]}],"canonical_facts":{"dc:creator":["Eule, Laura"],"dc:date.accessioned":["2024-10-30T12:22:32Z"],"dc:date.available":["2024-10-30T12:22:32Z"],"dc:date.issued":["2024"],"dc:description.abstract":["Der fortschreitende Klimawandel erfordert Maßnahmen, welche zu einer Reduktion freiwerdender CO2-Emissionen führen. Ein Ziel ist die Transformation von Energieversorgungsstrukturen in emissionsarme Systeme. 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Das Hierbei stehen ökonomische Aspekte gegenüber der zwangsweisen Einhaltung einer CO2-Emissionsobergrenze im Vordergrund. Die im Zuge der Transformation getätigten Umbaumaßnahmen gehen aus einer gemischtganzzahlig linearen Optimierung (MILP) der annualisierten Gesamtkosten hervor. Hierfür erfolgt eine Unterteilung des Betrachtungszeitraums in vier Perioden. Neben dem Startjahr 2022 werden drei Stützjahre 2030, 2040 und 2050 bestimmt, zu welchen ein Zu- und Umbau der Energieversorgungsstruktur möglich ist. Die Stützjahre sind charakterisiert durch unterschiedliche Randbedingungen. Diese umfassen Preise für Energieträger und emittiertes CO2, sowie ein zeitlich differenziertes Angebot an erneuerbaren Ressourcen und Energieumwandlungstechnologie unter Miteinbeziehung des technischen Fortschritts (Superstruktur). Die Erstellung der Transitionspfade basiert auf unterschiedlich kombinierten Randbedingungen, welche auf Grund von Unsicherheiten bezüglich der zukünftigen Entwicklung von den prognostizierten Werten abweichen. Zunächst wird eine unabhängige Optimierung der Stützjahre unter Vernachlässigung bestehender Infrastrukturen, die Grüne-Wiese-Planung, durchgeführt. Mittels einer Vielzahl an Sensitivitätsanalysen werden einflussreiche Parameter identifiziert, welche durch ihre Variation innerhalb der Simulation einen grundlegenden strukturellen Umbau der optimalen Energieversorgungsstruktur veranlassen. Anhand dieser Parameter erfolgt die Differenzierung innerhalb eines Stützjahres in unterschiedliche Entwicklungsrichtungen. Die einflussreichen Parameter gehen als Entscheidungskriterium für die Ausrichtung der Energieversorgungsstruktur in den Prozess der Pfaderstellung ein. Die Pfaderstellung erfolgt nach zwei unterschiedlichen Methoden. Die Transitionspfade resultieren jeweils aus einer Vorwärtsbetrachtung und einer Rückwärtsbetrachtung. Der Unterschied liegt in der Chronologie der Vorgehensweise. Im Gegensatz zur unabhängigen Optimierung der Stützjahre wird innerhalb der Pfaderstellung die bestehende Energieversogungsstruktur als fester Bestandteil in die Optimierung des nachfolgenden Stützjahres miteinbezogen. Als Ergebnis werden für jeden Anwendungsfall fünf repräsentative Pfade abgeleitet, welche jeweils eine mögliche zukünftige Entwicklung widerspiegeln. Zur Auswertung werden die Kosten und abgegebene CO2-Emissionen hinzugezogen und mit einem Referenzpfad verglichen. Aus der Analyse ergeben sich unter den hier getroffenen Annahmen und Bedingungen einige als Kernaussagen. 1. Die Ausrichtung der Energieversorgungsstruktur im Stützjahr wird maßgeblich durch die Energieträgerpreise beeinflusst. Folgende Parameter begünstigen unter den getroffenen Annahmen mit deren Änderung eine Reduktion der CO2-Emissionen: • ein hoher Erdgaspreis Im Stützjahr 2030 wird mittels eines hohen Erdgaspreises eine Elektrifizierung vorangetrieben, wodurch in Folge hoher Wirkungsgrade strombetriebener Anlagen der Primärenergiebezug und damit die CO2-Emissionen signifikant reduziert werden. • ein hoher CO2-Preis Im Stützjahr 2040 bedingt ein hoher CO2-Preis durch wachsende Unterschiede in den CO2-Faktoren von Strom und Erdgas eine flächendeckende Elektrifizierung. • ein niedriger Wasserstoffpreis Ab dem Stützjahr 2050 entscheidet die Höhe des Preises für CO2-neutraler Wasserstoff ob das Energiesystem wasserstofflastig ausgerichtet wird oder eine Elektrifizierung stattfindet. 2. Die angewandte Methodik der differenzierten Vorwärts- und Rückwärtsbetrachtung wird als nicht maßgeblich evaluiert. 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In the context of this work, different transition paths are created for two representative energy system models, namely combined heat, power, and cooling, as well as combined heat and power, based on predicted future developments. These paths cover an observation period of 38 years and serve as a guide for energy system ope- rators on how to respond to changing boundary conditions, such as prices and price structures. The focus is on economic aspects rather than mandatory compliance with a CO2 emissions cap. The suggested transformation of the energy system results from a mixed integer linear optimi- zation (MILP) of the annualized total costs. For this purpose, the observation period is divided into four periods. In addition to the start year 2022, three support years 2030, 2040 and 2050 were determined, for which a modification of the energy system is possible. The support years are characterized by different boundary conditions. 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