TY - THES A1 - Kuprat, Mark Sebastian T1 - The potential of renewable energy sources and integrated energy in the ENTSO-E : a techno-economic potential analysis within an energy balance assessment T1 - Das Potential der erneuerbaren Energien und integrierter Energiesysteme im Verband der Europäischen Übertragungsnetzbetreiber - ENTSO-E : eine techno-ökonomische Potentialanalyse im Rahmen einer energiebilanziellen Bewertung N2 - This analysis aims at the investigation of the techno-economic RES potentials and to minimize GHG emissions in the ENTSO-E. The ENTSO-E represents one of the world’s largest economic regions with a GDP of 19,835 billion US dollar (23%) and a primary energy consumption of 29,705 TWh (18%). ENTSO-E is coined with high degrees of fossil energy dependencies (49.9%) from third-party countries and contributes 3,517 Mt CO2eq (9%) to global GHG emissions. The Primary Sources onshore wind, offshore wind, utility-scale PV, and CSP techno-economic potentials are assessed via GIS-based georeferenced spatial analysis. Solar rooftop potentials are calculated based on a per capita approach. The Secondary Sources bioenergy, hydropower, geothermal, and hydrokinetic energy potentials are approximated based on meta-analysis. Primary and Secondary Sources potentials are input into the IES linear optimization model to simulate an energy system with high shares of RES and PTX. It is found that RES-based primary energy production potentials account for 13,492 TWh and energy dependency could be reduced by 6,482 TWh to 20.5%. Compared to the base year 1990, the direct GHG emission reduction amounts to 3,246 Mt CO2eq (70.7%). This reduction does not correspond with the EU reduction target of 80–95%. Hence, RES-based fuel imports, such as synthetic fuels and hydrogen, from third-party countries become necessary, to substitute fossil fuels and reduce domestic emissions. Additional GHG reduction potentials are suspected in the indirect emission sectors agriculture and waste management. In reference to the Sankey methodology, the analysis entails comprehensive energy flow balances for the ENTSO-E 2016 and 2050 energy systems. The ENTSO-E member countries exhibit heterogeneous properties regarding RES potentials, GHG emissions, and energy dependencies, and, hence, must be assessed individually. Integrated energy systems with high shares of RES and PTX represent a promising means to decrease direct energy use and non-energy use emissions as well as energy dependencies significantly. N2 - Die vorliegende Arbeit zielt auf die Untersuchung der techno-ökonomischen Potentiale der erneuerbaren Energien und die Minimierung der Treibhausgasemissionen im Verband der Europäischen Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) ab. Mit einem BIP von 19.835 Milliarden US-Dollar (23%) und einem Primärenergieverbrauch von 29.705 TWh (18%) repräsentiert ENTSO-E eine der größten Wirtschaftsregionen der Welt. ENTSO-E ist dabei durch eine hohe Energieimportabhängigkeit von fossilen Energieträgern (49,9%) aus Drittländern geprägt und trägt 3.517 Mt CO2eq (9%) zu den globalen Treibhausgasemissionen bei. Die techno-ökonomischen Potentiale der Primärquellen Onshore-Wind, Offshore-Wind, PV und CSP wurden mittels GIS-basierter und georeferenzierter Analyse ermittelt. Die Potentiale von Solardächern wurden auf der Grundlage eines Pro-Kopf-Ansatzes berechnet. Die Potentiale der Sekundärquellen Bioenergie, Wasserkraft, Geothermie und Hydrokinetik wurden auf der Grundlage einer Meta-Analyse ermittelt. Die Potentiale der Primärquellen und Sekundärquellen wurden anschließend als Input für das lineare IES-Optimierungsmodell genutzt, um ein Energiesystem mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien und PTX zu simulieren. Es wurde festgestellt, dass sich das Potential der Primärquellen auf 13.492 TWh beläuft und die Energieimportabhängigkeit um 6.482 TWh auf 20,5% reduziert werden konnte. Im Vergleich zum Basisjahr 1990 umfasst die Reduzierung der Treibhausgasemissionen 3.246 Mt CO2eq (70,7%). Diese Verringerung entspricht nicht dem EU-Reduktionsziel von 80-95%. Daher werden auf erneuerbaren Energieträgern basierende Kraftstoffimporte, wie bspw. synthetische Kraftstoffe und Wasserstoff, aus Drittländern erforderlich, um die fossilen Kraftstoffimporte zu ersetzen und die inländischen Emissionen zu verringern. Zusätzliche Treibhausgasminderungspotentiale werden in den indirekten Emissionssektoren Landwirtschaft und Abfallwirtschaft vermutet. In Anlehnung an die Sankey-Methodik beinhaltet die Arbeit umfassende Energieflussbilanzen für die ENTSO-E Energiesysteme 2016 und 2050. Die ENTSO-E Mitgliedsländer weisen dabei heterogene Eigenschaften in Bezug auf die spezifischen EE-Potentiale, THG-Emissionen und Energieimportabhängigkeiten auf und müssen daher individuell bewertet werden. Als Ergebnis stellen integrierte Energiesysteme mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien und PTX ein vielversprechendes Mittel dar, um die energetischen und nichtenergetischen Emissionen sowie die Energieimportabhängigkeiten signifikant zu verringern. KW - ENTSO-E KW - RES KW - PTX KW - GIS KW - GAMS KW - EE-Potentiale KW - Sektorenkopplung KW - Europa KW - Energiebilanzen KW - Sankey KW - Europa KW - Energiebilanz KW - Erneuerbare Energien KW - Übertragungsnetz Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61397 ER - TY - THES A1 - Samborsky, Michael T1 - Conceptual aspects of future High Voltage Direct Current (HVDC) electrical power transmission networks T1 - Konzeptionelle Aspekte für ein kommendes Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetz (HGÜ) N2 - A continually growing demand for reliable energy supply makes existing power systems more heavily loaded and evokes engineers and experts to look for feasible immediate solutions in power energy transmission. One of these solutions might be a bulk power transmission network at extra high voltages based on direct current. Currently, high voltage direct current (HV DC) transmission has been only realized in point-to-point systems and back-to-back arrangements. Thus, the next logical step in this development would be an HV DC network. In principle, it might have certain advantages over a conventional high voltage AC system, as it could be less closely meshed covering larger areas and transmit higher electric power with lower losses. However, no well-grounded investigations concerning possible layout and operation of an HV DC network are publicly available. Experience from the HV DC lines does not allow to make substantial conclusions regarding the requirements for an HV DC network. Therefore, some basic questions on the operation of an HV DC network need to be answered mainly from systems simulations. N2 - Die ständig wachsende Nachfrage nach zuverlässiger Energieversorgung verursacht eine höhere Belastung vorhandener Energiesysteme und veranlasst Ingenieure und Experten, nach machbaren Lösungen in Energieübertragungssystemen zu suchen. Eine dieser Lösungen könnte ein leistungsstarkes Übertragungsnetz bei hohen Spannungen auf der Basis von Gleichstrom sein. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) werden bislang nur als Punkt-zu-Punkt-Systeme und als Kurzkupplungen ausgeführt. Prinzipiell würde jedoch ein HGÜ Netz wesentliche Vorteile gegenüber einem Hochspannungs-Drehstromnetz bieten, da es weiträumiger gespannt und für die Übertragung höherer elektrischer Leistungen geeignet sein könnte. Grundlegende Untersuchungen für die Gestaltung und den Betrieb eines HGÜ-Netzes liegen jedoch nicht vor. Erfahrungen aus dem Betrieb der HGÜ-Leitungsverbindungen ermöglichen keine wesentlichen Schlüsse auf die Erfordernisse eines Gleichspannungsnetzes. Daher sind im Rahmen einer Netzsimulation im HGÜ-Netzbetrieb voraussichtlich auftretende Fragestellungen zu klären. KW - HVDC KW - Power transmission KW - Transient process KW - Energy system KW - High voltage KW - HGÜ KW - Energieübertragung KW - Übergangsprozess KW - Energiesystem KW - Hochspannung KW - Elektrisches Energiesystem KW - Hochspannungsgleichstromübertragung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43658 ER - TY - THES A1 - Bendig, Martin T1 - Ein modellbasierter Beitrag zur räumlichen und zeitlichen Analyse von Sektorenkopplungspotenzialen im transformierten Energieversorgungssystem T1 - A model based contribution to spatial and temporal analysis of potentials for sector coupling in transformed energy supply systems N2 - Das deutsche Energieversorgungssystem soll bis zum Jahr 2050 umfassend transformiert werden. Auch wenn es auf dem Pfad zur vollständigen Dekarbonisierung der Energieversorgung noch eine Vielzahl technischer Herausforderungen gibt, ist davon auszugehen, dass an der politischen Ambition einer treibhausgasneutralen Energieversorgung bis spätestens zum Jahr 2045 festgehalten wird. Klimaschutz ist jedoch nur eine Dimension im Spannungsfeld Energiewende. Es gilt, Ökologie, Wirtschaftlichkeit, technische Realisierbarkeit und Versorgungssicherheit sowie gesellschaftliche Aspekte in Einklang zu bringen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen wissenschaftlichen Beitrag zur Untersuchung eines durch erneuerbare Energieanlagen dominierten Energieversorgungssystems im Jahr 2050 zu leisten. Die Einspeisung elektrischer Energie aus Wind- und Photovoltaikanlagen unterliegt jedoch hohen Fluktuationen. Aus diesem Grund sind im zukünftigen Energieversorgungssystem hohe temporäre Energieüberschüsse und -defizite zu erwarten. Eine mögliche Lösung könnte hierfür die Sektorenkopplung darstellen. Die vollständige Kopplung dieser Sektoren würde es ermöglichen, hohe Energieüberschüsse sinnvoll zu verwenden oder auftretende Energiedefizite auszugleichen. Bedingt durch die fluktuierende EE-Einspeisung sind die Potenziale zur Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie in anderen Energie- und Wirtschaftssektoren im Zeitverlauf jedoch nicht konstant. Aus diesem Grund erscheint es sinnvoll, die Diskussion über Sektorenkopplungspotenziale auf zeitlich und räumlich aufgelöste Untersuchungen zu stützen. Ohne die Prognose und Modellierung von zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Einspeise- und Lastzeitreihen ist es nicht möglich, zielführende Aussagen über Sektorenkopplungspotenziale und eine bedarfsgerechte Energiebereitstellung im zukünftigen Energieversorgungssystem zu treffen. Zur Quantifizierung und Prognose zukünftiger Sektorenkopplungspotenziale wurde im Rahmen dieser Dissertation ein vielseitig einsetzbares Energiemodell entwickelt und detailliert vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine modular aufgebaute, Microsoft Excel-basierte Lösung in Verbindung mit Visual Basic for Applications. So ist es möglich, das Modell auf jedem modernen Windowssystem ohne weitere Software zu verwenden. Das Energiemodell wurde anschließend auf eine geeignete Modellregion für das Jahr 2050 angewendet. Im Energiemodell werden elektrische Erzeugungs- und Lastzeitreihen in stündlicher Auflösung für bis zu 200 Modellknoten (räumliche Auflösung) ermittelt, miteinander verrechnet und auf mehreren Modellebenen aggregiert. Am Beispiel der gewählten Modellregion konnten so die Sektorenkopplungspotenziale im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse umfangreich diskutiert werden. Damit war es möglich, die Forschungsfragen dieser Dissertation detailliert zu beantworten. N2 - Until the year 2050, the German energy supply system shall be transformed comprehensively. Along the path to completely decarbonized energy and economic sectors lie many technical challenges. Nevertheless, it is to be expected, that the German government will continue to pursue its ambition to reach a greenhouse gas-neutral energy supply system by the year 2045 at the latest. However, climate protection is but one aspect of the German Energiewende. It is imperative to reconcile ecology, profitability, technical feasibility, security of supply as well as social aspects. This dissertation aims to provide a scientific contribution to analysing an energy supply system in 2050, that is dominated by renewable energy plants. However, power generation and therefore energy infeed from wind and solar energy systems is subject to high levels of fluctuation. For this reason, temporary energy deficits and surpluses are to be expected. Sector coupling could provide a possible solution to this problem. By energetically coupling the energy and economic sectors, energy surpluses in one sector can be used to supply the energy demand in other sectors. However, due to the fluctuating energy infeed from wind turbines and photovoltaic systems, these sector coupling potentials are also not temporally constant and subject to fluctuations. Therefore, it seems reasonable to analyse and discuss sector coupling potentials with high temporal and spatial resolution. Without modelling and forecasting spatially and temporally resolved time series for energy infeed and demand, it is not possible to make well-founded statements about future sector coupling potentials and a needs-based energy supply. As part of this dissertation, in order to quantify and forecast future sector coupling potentials, a versatile energy system model was developed and described in detail. The model was structured modularly and implemented in Microsoft Excel in conjunction with Visual Basic for Applications. Thereby, it is possible to run the model on any regular Windows operating system without the need for specialized hard or software. In addition, the energy model was used to analyse a suitable model region for the year 2050. The energy model was used to quantify and forecast energy infeed and demand with hourly resolution for up to 200 model nodes (spatial resolution). These time series were then offset against each other and aggregated at different model levels. Using the model region as an example, sector coupling potentials for the year 2050 could be discussed in detail as part of a sensitivity analysis. Thereby, it was possible to answer the research questions of this dissertation. KW - Sektorenkopplung KW - Energieversorgungssystem KW - Energiesystemmodellierung KW - Sector coupling KW - Energy supply system KW - Energy system modelling KW - Energieversorgung KW - Sektorkopplung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59749 ER -