Optimization and life-cycle assessment of low-carbon energy systems from industrial to international scale

  • Optimierung und Ökobilanzierung emissionsarmer Energiesysteme vom industriellen bis zum internationalen Maßstab

Reinert, Christiane; Bardow, André (Thesis advisor); von der Aßen, Niklas Vincenz (Thesis advisor); Brown, Tom (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Energiesystemmodelle können dabei unterstützen, kosteneffiziente Energiesysteme zu planen. Um kostenoptimale und zugleich emissionsarme Energiesysteme identifizieren zu können, müssen Modelle zeitlich und örtlich variable Stromerzeugungskapazitäten, Sektorenkopplung, und die ökologischen Auswirkungen von Energiewandlern über ihren gesamten Lebenszyklus berücksichtigen. Diese Aspekte erhöhen die Systemkomplexität, wodurch es aufwändig wird, emissionsarme Systeme zu modellieren. Um den Modellierungsaufwand zu reduzieren, entwickeln wir im ersten Teil der Arbeit das Softwareframework SecMOD, das die multisektorielle Optimierung und vollständig integrierte Ökobilanzierung von Energiesystemmodellen ermöglicht. Am Beispiel eines industriellen, eines nationalen und eines europäischen Energiesystemmodells demonstrieren wir die modulare und flexible Anwendbarkeit von SecMOD. Typische Komplexitätsreduktionen in Energiesystemmodellen vernachlässigen oftmals langfristige externe Einflüsse, räumliche Beschränkungen und Marktverhalten. Im zweiten Teil der Arbeit entwickeln wir drei Methoden, um die Modellierung dieser drei Aspekte zu ermöglichen und analysieren den Einfluss der Methodenwahl am Beispiel eines deutschen Energiesystemmodells. Die lebenszyklusbasierte Systemgrenze kann über die gewählte Grenze des modellierten Energiesystems hinaus gehen, daher wird zunächst der Einfluss sich langfristig verändernder, emissionsarmer Lieferketten auf das kostenoptimale Design und die ökologische Bewertung von Energiesystemmodellen analysiert. Um räumliche Beschränkungen auch bei großen Energiesystemen berücksichtigen zu können, entwickeln wir eine Dekompositionsmethode. Die Methode ermöglicht eine hohe räumliche Auflösung großskaliger Energiesysteme bei begrenzter Rechenkapazität, die in unserer Fallstudie zu einer Rechenzeitverkürzung um den Faktor 7,5 führt. Abschließend betrachten wir Markteffekte, die in großskaligen Energiesystemen typischerweise vernachlässigt werden. Mithilfe einer Bileveloptimierung modellieren wir das Marktverhalten von Ländern innerhalb des Europäischen Energiesystems. Wir vergleichen kooperatives und marktbasiertes Verhalten. Die Lösungsmethoden führen bei 11 von 21 Ländern zu einer um mehr als 40 % abweichenden Kapazitätsausbaustrategie. Diese Arbeit ermöglicht die Modellierung und Analyse komplexer Energiesysteme durch die Bereitstellung eines Softwareframeworks zur ökobilanz-basierten Energiesystemoptimierung und trägt zur Erhöhung der Modellkonsistenz bezüglich der Modellierung von langfristigen externen Einflüssen, räumlicher Auflösung und dezentralen Entscheidungen bei.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik [412110]

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