Klappentext: Im Rahmen der vorliegenden Studie wird, bei einer 100% regenerativen Stromversorgung der Modellregion Landkreis Harz, eine energiewirtschaftliche Potenzialanalyse für Strom-Speicher sowie für den Einsatz von flexiblen Energieanlagen durchgeführt. Hierbei wird, aufbauend auf definierten Szenarien und erweiterten Annahmen, die Wechselwirkung mit der thermischen Energieversorgung näher analysiert. Für diese Analyse werden Wärme- und Kühllastprofile eingesetzt, die dazu dienen, den Einfluss von Erzeugungs- und Lastverlagerung (Energiemanagement) auf den Stromspeicherbedarf zu quantifizieren. Das Energiemanagement wird hierbei durch die flexible Betriebsweise von KWK-Anlagen und elektrischen Wärmepumpen/Kältemaschinen simuliert, so dass der Stromspeicherbedarf durch die Simulation des Verlaufs der stündlichen Residuallast mit und ohne Energiemanagement ermittelt wird.

Textprobe: Kapitel 3, Simulationen zur Ermittlung des Stromspeicherbedarfs: Eine 100% regenerative Stromversorgung kann zum einen leistungsautark ohne die Möglichkeit zum Austausch mit anderen Regionen (Inselversorgung im Verteilnetz) und zum anderen energieautark mit der Möglichkeit zum Im- und Export von EE-Strom (Einbindung ins Übertragungsnetz) realisiert werden. Sowohl in Bezug auf die Versorgungssicherheit als auch in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit ist die energieautarke Versorgung mit einer Einbindung in das Übertragungsnetz und in überregionale Kurzfristmärkte für Strom sinnvoller als die leistungsautarke Versorgung, weil räumliche Ausgleichseffekte im Übertragungsnetz den Stromspeicherbedarf reduzieren. Damit die Vorteile der energieautarken Versorgung quantifiziert werden können, wird auch die leistungsautarke Versorgung durch Simulationen näher analysiert. Dieser Ansatz ist naheliegend, weil eine Region bzw. ein Verteilnetz zunächst einmal bestrebt ist, den Eigenbedarf bestmöglich selbst zu produzieren. Im Anschluss wird die Verbesserung untersucht, die sich durch die Einbindung in das Übertragungsnetz ergibt. Sowohl die leistungsautarke als auch die energieautarke Stromversorgung ist mit einem hohen Bedarf an Stromspeichern verbunden. Dieser Speicherbedarf soll im Rahmen dieser Arbeit für beide Teilszenarien quantifiziert werden. Der Speicherbedarf wird hierbei anhand von Simulationen ermittelt. Bevor auf die Simulationen für die beiden Teilszenarien näher eingegangen wird, soll zuerst die Simulationssoftware energyPRO vorgestellt werden. 3.1, Simulation in energyPRO: Bei der Simulationssoftware energyPRO handelt es sich um eine zeitreihenbasierte Simulationssoftware für Energieverbundsysteme, bei der sowohl elektrische und als auch thermische Energieversorgungseinheiten simuliert werden können. Hierbei wird, aufbauend auf vorgegebenen Randbedingungen und Prioritäten, die Erzeugung und der Bedarf elektrischer sowie thermischer Energie aufeinander abgestimmt und ein optimierter Einsatzplan für den Anlagenpool erstellt. Das zu untersuchende Energiesystem kann hierbei aus einer nicht limitierten Anzahl von Energieerzeugern, Verbrauchern und Speichern für elektrische und thermische Energie bestehen, wodurch in energyPRO das Zusammenspiel innerhalb eines virtuellen Kraftwerks simuliert werden kann. Die Simulation und Analyse von konkreten Szenarien für virtuelle Kraftwerke stellt eine wichtige Grundlage dar, um die diskutierten Marktmodelle bewerten und vergleichen zu können. Die Simulationssoftware energyPRO ist dafür geeignet, um Vermarktungsoptionen für Anlagenverbünde oder Einzelanlagen anwenderfreundlich zu analysieren. In den folgenden Abschnitten wird auf die Modellierung und Simulation in energyPRO eingegangen. Hierbei wird zuerst die Modellierung der Simulationsumgebung vorgestellt und anschließend die Optimierungsstrategie bei der Simulation näher beschrieben. 3.1.1, Modellierung der Simulationsumgebung: Grundsätzlich ist ein Modell immer dann sinnvoll, wenn es sich um ein großes, komplexes System handelt, bei dem man nicht wie in der Physik durch Experimente mit realen Systemen zu neuen Erkenntnissen gelangen kann. Bei der Modellierung muss hierbei die Problemstellung stets im Auge behalten werden, um nur die relevanten Sachverhalte zu berücksichtigen und unnötige Details zu vernachlässigen. Bei den Simulationen im Rahmen dieser Arbeit soll das Zusammenspiel zwischen Erzeugung, Speicherung und Verbrauch in einem zukünftigen Stromversorgungssystem für ein ganzes Jahr analysiert werden, was durch Experimente mit realen Systemen fast unmöglich ist. Die Simulation und Optimierung von einem Stromversorgungssystem mit einer Vielzahl unterschiedlicher Kraftwerke, Speicher und Verbraucher stellt ein mathematisch hochkomplexes Problem dar, da es eine Vielzahl nicht-linearer Nebenbedingungen enthält. Aus diesem Grund müssen Vereinfachungen getroffen oder heuristische Verfahren angewendet werden. Während eine geschlossene Optimierungen für kurzfristige Simulationen bis zu 7 Tagen bereits sehr niedrige Rechenzeiten aufweisen, benötigen Jahressimulationen jedoch noch recht lange. Um dennoch eine Jahressimulation durchführen zu können sind Softwaretools, die mit Vereinfachungen wie z.B. einem vollständigen Voraussehen (perfect foresight) simulieren, dafür geeignet, die wesentlichsten Erkenntnisse für ein zukünftiges Stromversorgungssystem zu generieren. Solche Vereinfachungen werden in energyPRO getroffen, um z.B. die optimale Bewirtschaftung von Speichern für einen Zeitraum von einem Jahr zu ermitteln. Für die Optimierung ist hierbei lediglich der Speicherfüllstand am Anfang und am Ende des Betrachtungszeitraums als Nebenbedingung einzugeben. Weitere Vereinfachungen, die im Rahmen der Simulation getroffen werden, sind z.B. die Zusammenfassung von einzelnen Erzeugern, Speichern und Verbrauchern zu einer spezifischen Gruppe. Somit wird z.B. die über die gesamte Modellregion verteilte Gesamtanzahl an dezentralen Erzeugungsanlagen mit Hilfe von typspezifischen Parametern charakterisiert und zu einer Erzeugergruppe zusammengefasst. Technische Restriktionen wie z.B. Teillastverhalten, Mindestlaufzeiten oder Laständerungsverhalten für KWK-Anlagen können durch die Eingabe von typischen Parametern berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird aber vereinfacht angenommen, dass aufgrund der Zusammenfassung von vielen kleinen zu einer großen KWK-Anlage ein wesentlich besseres Teillastverhalten erreicht wird, als bei einer einzigen KWK-Anlage. Somit wird für die Simulation eine idealisierte KWK-Anlage mit konstantem Wirkungsgrad über den gesamten Teillastbereich modelliert. Das gleiche gilt für die restlichen Erzeugergruppen. In Abbildung 3-1 ist das Zusammenspiel der Komponenten innerhalb der Simulationsumgebung schematisch dargestellt. 3.1.2, Optimierung in energyPRO: Bei der Simulation des Zusammenspiels innerhalb des Virtuellen Kraftwerks sind für die Akteure, Einsatzpläne in Form von Optimierungsstrategien festzulegen. Die Optimierung in energyPRO erfolgt nach einem iterativen Verfahren durch die Berechnung eines zuvor definierten und anhand von Kenngrößen abgebildeten Systems innerhalb eines festgelegten Zeitraumes in mehreren Durchgängen. Für die Optimierung in energyPRO ist vor allem das Eingabefeld ‘Betriebsstrategie’ von besonderer Bedeutung, so dass es bei der Beschreibung der Optimierungsstrategie näher beschrieben wird. Am Anfang der Simulation wird durch das Aktivieren der Funktion ‘Inselbetrieb’ die Versorgung in einem geschlossenen Versorgungsgebiet modelliert. Bei dieser Funktion kann zum einen die reine Inselversorgung ohne Austausch mit dem Strommarkt und zum anderen eine Inselversorgung mit der Möglichkeit zum Im- und Export modelliert werden (siehe Abbildung 3-2). Damit sowohl der Einfluss der fluktuierenden Stromerzeugung und des Energiemanagements als auch der Einfluss der verschiedenen Stromspeicher auf den Stromspeicherbedarf ermittelt werden kann, müssen bei beiden Teilszenarien Optimierungs- bzw. Betriebsstrategien für die unterschiedlichen Energieanlangen bzw. Komponenten innerhalb des Virtuellen Kraftwerks (VK) definiert werden. Für die Simulation wurde für beide Teilszenarien eine betriebswirtschaftliche Optimierung der einzelnen Komponenten des Virtuellen Kraftwerks angestrebt. Bei der betriebswirtschaftlichen Optimierung müssen Prioritäten berücksichtigt werden, die entweder durch eine manuelle Eingabe (‘Benutzerdefinierte Betriebsstrategie’) oder automatisch durch den energyPRO-Solver (‘Minimierung der Wärmegestehungskosten’) festgelegt werden. Durch die Betriebsstrategie können verschiedene Optimierungsziele verfolgt werden, die unterschiedliche Ergebnisse zum Speicherbedarf liefern. So könnte z.B. eine Optimierung einer Inselversorgung mit dem Ziel der Minimierung von Stromimporten einen wesentlich anderen Speicherbedarf hervorrufen als eine ökonomische Optimierung mit dem Ziel der Gewinnmaximierung bzw. Kostenminimierung am überregionalen Spotmarkt. Für eine betriebswirtschaftliche Optimierung bietet es sich an, eine Optimierung über den Strompreis durchzuführen. Hierbei kann sowohl der reine Inselbetrieb der Modellregion als auch der Inselbetrieb mit Austausch zu anderen Regionen anhand eines Strompreises optimiert werden. Der Unterschied zwischen den beiden Fällen liegt darin, dass bei dem reinen Inselbetrieb von einem regionalen Strompreis ausgegangen wird und die Akteure des VK sich nach diesem optimieren. Bei dem Inselbetrieb mit Austausch bzw. der Mitversorgung der BRD wird von einem überregionalen Strompreis, der dem Spotmarktpreis entspricht, ausgegangen. In energyPRO wird der Strompreis durch die Funktion ‘Stromvermarktung’ eingegeben. Bei dieser Funktion können drei verschiedene Vermarktungsarten ausgewählt werden, wobei für die Simulationen im Rahmen dieser Arbeit nur die Vermarktungsarten ‘Festvergütung’ und ‘Spotmarkt’ benötigt werden. ‘Die Definition der ‘Stromvermarktung’ ist fundamental wichtig für die Berechnung von energyPRO Projekten, nur auf Basis dieser Eingaben kann eine Optimierung vorgenommen werden’. Bei der Vermarktungsart ‘Festvergütung’ wird für jede Stunde des gesamten Jahres die gleiche Priorität vergeben. Bei der Vermarktungsart ‘Spotmarkt’ hingegen werden die einzelnen Stunden des gesamten Jahres in Gruppen mit unterschiedlichen Prioritäten in Abhängigkeit des Strompreises aufgeteilt. Aufgrund der Wichtigkeit für die Optimierungsstrategie in energyPRO wird im folgenden Abschnitt auf die Generierung von dynamischen Strompreisen für die Definition von verschiedenen Strommärkten eingegangen.

• Stromspeicher

• Energiemanagement

• Residuallast

• Flexibilisierungsoption

• Speicherbedarf

• KWK-Anlage

Autorenvita: Dipl. Wirtsch. Ing. Guluma Megersa, MSc, wurde 1985 in Debre Zeyit, Äthiopien geboren. Sein Erststudium im Facility Management an der FH Gießen-Friedberg schloss der Autor im Jahre 2009 mit dem akademischen Grad des Diplom Wirtschaftsingenieurs erfolgreich ab. Anschließend beschäftigte er sich während des Masterstudiums in Regenerative Energien und Energieeffizienz, sowie während der Mitarbeit im Forschungsprojekt ‘RegModHarz’, mit der zukünftigen Energiewirtschaft bei steigendem Zubau von Erneuerbaren Energien. Sein Masterstudium schloss der Autor daraufhin im Jahr 2013 mit dem akademischen Grad Master of Science erfolgreich ab.