MILP-Modellierung optimaler Transitionspfade von industriellen und kommunalen Energiesystemen

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.

Author dc:creator

• Eule, Laura

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

https://doi.org/10.14279/depositonce-21005

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/22204