TY - THES A1 - Li, Yang T1 - Implementation of a network cluster model for large-scale renewable power estimation and effective energy utilization T1 - Implementierung eines Netzcluster-Modells zur Schätzung der Leistung erneuerbarer Energien im großen Maßstab und zur effektiven Energienutzung N2 - With the large-scale expansion of decentralized power generation from renewable energy resources (RES) and reduction of fossil fuel-based power generation, this leads to fundamental structural changes in the power supply system. The transition is characterized by a shift from central to decentral, from directional to bi-directional. As the share of renewable power systems in the electricity grid increases, the inherent uncertainty of renewable energies poses challenges to the grid system’s stability. To achieve increased efficiency, decarbonisation, decentralization, and digitisation in energy sector, a flexible and resilient energy system is required. Electrical energy data and non-electrical energy data are generated from various sources, including the supervisory control and data acquisition system (SCADA), geographic information system (GIS), and weather information system. Based on these data, different spatial and temporal models of energy systems and their databases are created and connected. This thesis contributes to the analysis of regional power performance. To this end, an efficient simplified grid-oriented network cluster is presented to account for the regional allocation of RES power systems. The model clustering includes the grid topology, temporal and spatial resolution, and the structure of electrical and non-electrical data. This approach contributes to methodological aspects of energy system modelling and analysis. In addition, based on the proposed cluster model, this thesis presents the physical profile-based and data-driven methods to estimate the regional large-scale photovoltaic (PV) and wind power generations. In order to adapt to the spatial-temporal heterogeneity of the regional renewable power generations and to improve the local power utilization rate, this thesis conducts empirical analyses of the regional energy storage and combined PV and wind power systems using cable pooling with shared grid connection. In summary, this thesis presents a flexible modelling approach that takes into account the regional allocation of renewable power systems and enables a more accurate estimation of regional power generation. The proposed model and analytical methods can help the efficiency and resiliency of the energy system and support the transition towards renewable energies. N2 - Mit dem großflächigen Ausbau der dezentralen Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen (RES) und der Reduzierung der fossilbasierten Energieerzeugung kommt es zu grundlegenden strukturellen Veränderungen im Stromversorgungssystem. Der Übergang ist durch einen Wandel von zentral zu dezentral und von direktional zu bi-direktional gekennzeichnet. Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energiesysteme im Stromnetz stellen die inhärente Unsicherheit dieser Energien Herausforderungen für die Stabilität des Netzes dar. Um eine erhöhte Effizienz, Dekarbonisierung, Dezentralisierung und Digitalisierung im Energiesektor zu erreichen, ist ein flexibles und robustes Energiesystem erforderlich. Elektrische Energie- und Nichtelektrische Energiemessdaten werden aus verschiedenen Quellen generiert, einschließlich des Supervisory Control and Data Acquisition Systems (SCADA), des Geographic Information Systems (GIS) und des Wetterinformationssystems. Basierend auf diesen Daten werden verschiedene räumliche und zeitliche Modelle von Energiesystemen und deren Datenbanken erstellt und miteinander verbunden. Diese Arbeit trägt zur Analyse der regionalen Leistung bei. Zu diesem Zweck wird ein effizientes, vereinfachtes netzorientiertes Clustermodell vorgestellt, um die regionale Zuordnung von RES-Energiesystemen zu berücksichtigen. Das Modell-Clustering umfasst die Netztopologie, zeitliche und räumliche Auflösung sowie die Struktur der elektrischen und nichtelektrischen Daten. Dieser Ansatz trägt zu methodischen Aspekten der Energiemodellierung und -analyse bei. Darüber hinaus präsentiert diese Arbeit auf der Grundlage des vorgeschlagenen Clustermodells physikbasierte und datengetriebene Methoden zur Schätzung der regionalen großflächigen Photovoltaik- (PV) und Windstromerzeugung. Um sich an die räumlich-zeitliche Heterogenität der regionalen erneuerbaren Stromerzeugung anzupassen und die lokale Stromnutzungsgrade zu verbessern, führt diese Arbeit empirische Analyse der regionalen Energiespeicherung und kombinierte PV- und Windenergiesysteme unter Verwendung von Kabel-Pooling mit gemeinsam genutzten Netzverbindungen durch. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit einen flexiblen Modellierungsansatz, der die regionale Zuordnung von erneuerbaren Energiesystemen berücksichtigt und eine genauere Schätzung der regionalen Stromerzeugung ermöglicht. Das vorgeschlagene Modell und die Analysemethoden können die Effizienz und Robustheit des Energiesystems verbessern und den Übergang zu erneuerbaren Energien unterstützen. KW - Decentralized power generation KW - Energy system modelling and analysis KW - Regional power generation KW - Grid-oriented network cluster KW - Regional energy storage KW - Dezentrale Stromerzeugung KW - Erneuerbare Energien KW - Elektrisches Energiesystem KW - Elektrizitätsversorgungsnetz KW - Dezentrale Energieversorgung KW - Dezentrale Elektrizitätserzeugung KW - Energiesystemmodellierung und -analyse KW - Regionale Stromerzeugung KW - Netzorientiertes Netzcluster KW - Regionale Energiespeicherung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64562 ER - TY - THES A1 - Buckow, Benjamin T1 - Entwicklung von Modellen und Methoden zur Qualifizierung für die Netzbetriebsführung unter Einbeziehung eines neuartigen dynamischen Netzsimulators T1 - Development of models and methods for qualification of Dispatchers using a new dynamic power system simulator N2 - Das elektrische Energieversorgungssystem in Europa, insbesondere in Deutschland, unterliegt vor allem seit der Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes im Jahre 2000 enormen Veränderungen. Die über viele Jahre gewachsene Struktur einer zentralen Energieeinspeisung durch konventionelle Kraftwerke löst sich zunehmend auf, getrieben durch den Ausstieg aus der Atom- sowie der Kohleenergie und es bildet sich ein dezentrales Energieversorgungsnetz, welches durch die Energieerzeugung aus erneuerbare Energien, allen voran Windenergie- und Photovoltaikanlagen, geprägt ist. Wesentliche Gründe dieser Veränderungen sind politische und regulatorische Rahmenbedingungen sowie der technische Fortschritt im Bereich der Erzeugung, Verbrauch und Übertragung von Energie. Durch diese Wandlung des Energieversorgungssystems werden die Netzbetriebsführer zunehmend vor kritische Situationen gestellt, da die fluktuierende Einspeisung der erneuerbaren Energien nicht präzise vorhergesagt werden kann und somit Einspeisung und Verbrauch nicht mehr im Gleichgewicht sind. Dieses Defizit erreicht vermehrt eine Größenordnung, die durch Regelleistung nicht mehr ausgeregelt werden kann und ein Eingreifen der Netzbetriebsführer in das Energieübertragungsnetz nach sich zieht. Damit diese kritischen Situationen von den Netzbetriebsführern zu jeder Zeit beherrscht werden können, ist es nötig, das Personal für solche Szenarien zu qualifizieren. Dabei bedarf es Forschungsarbeit, um diese Qualifizierung an Simulator gestützten Schulungen mit geeigneten Netzmodellen und Szenarien sicherzustellen. Dabei muss die Interaktion und Kommunikation zwischen den Netzbetriebsführern zentraler Bestandteil einer solchen Schulung sein. Insbesondere bei Netzwiederaufbau Szenarien ist die Einhaltung einer präzisen Kommunikation unter Berücksichtigung von Meldeketten und Weisungsberechtigungen. In dieser Arbeit wird solche eine Schulung unter Anwendung didaktischer Methoden ausarbeitet sowie Netzmodelle entwickelt, welche die Grundlage sind, um an einem solchen dynamischen Netzsimulationssystem Netzbetriebsschulungen durchzuführen. Darüber hinaus werden verschiedene Szenarien erstellt, um die unterschiedlichsten Aspekte der Netzbetriebsführung unter Einbeziehung von Netzbetriebsführern, Studierenden und Meister zu schulen. N2 - The electrical energy supply system in Europe, especially in Germany, is subjected to enormous changes, especially after enactment of the Renewable Energy Sources Act in 2000. The structure of a central energy supply system through conventional power plants, which has grown over many years, is fading away, driven by the phase-out of nuclear and coal power plants. Furthermore, a decentralized energy supply structure is getting formed, which is characterized by generation from renewable energies, especially from wind and photovoltaic technologies. The main reasons for these changes are the political and regulatory framework as well as technical progress in the area of generation, consumption and transmission of energy. This change in the energy supply system means that dispatchers are faced with increasing critical situations, since the fluctuating feed-in of renewable energies cannot be predicted precisely and thus feed-in and consumption are no longer in balance. This deficit is increasingly reaching an order of magnitude that can no longer be compensated by balancing power and requires dispatchers’ interventions in electrical transmission grid. In order to overcome these critical situations at all times, it is necessary to qualify the dispatching staff for such scenarios. Research and development is also required to endorse the qualification of dispatching staffs on simulator-based training courses with suitable grid models and scenarios. The interaction and communication between the dispatchers must be a central component of such training programs. Particularly in grid restoration scenarios, compliance with precise communication, taking account of message chains and authorization to issue instructions play crucial roles. In this dissertation, such a training program is developed using didactic methods. Moreover, different network models are developed as building components of grid operation training on a dynamic power system simulator. In addition, various scenarios are created in order to train the most diverse aspects of grid operation management which contains training programs for dispatchers, students and certified electrical staffs. KW - Netzbetrieb KW - Trainingssimulator KW - Schulung KW - Grid operation KW - Training simulator KW - Training KW - Elektrizitätsversorgung KW - Management KW - Qualifikation KW - Simulation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52267 ER - TY - THES A1 - Nanewortor, Xoese Kobla T1 - A concept of renewable energy plant-storage capacity sizing for integration into electrical distribution network T1 - Ein Konzept zur Größenoptimierung der Speicherkapazität von erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen zur Integration in das elektrische Verteilnetz N2 - Energy demand of continents, countries, communities and individuals will continue to increase in the phase of increasing population and improvement in the living standards of people. The attempt to meet this ever increasing demand and at the same time protect the environment has resulted in the fast growth of power generation from renewable sources of energy especially from wind through wind power plants and solar through photovoltaic power plants. This growth has been facilitated by various support schemes such as feed-in-tariff scheme, feed-in-premium and quota scheme. Further growth is expected in the future. This is because of the existing support schemes and the expectation of the emergence of improved technologies for harvesting renewable energy. This development of power generation from renewable sources of energy although positive lead to some distinctive negative effects on the existing electrical network to which they are connected. These negative effects are known and well documented. The fluctuating nature of wind and solar radiation at any given location over a given period of observation is seen to translate into the power they feed into the power network. This fluctuating infeed requires more active management of the network by system operators so as to ensure continuous reliable power generation and delivery. Sometimes the management process lead to non-utilization of power produced by the renewables sources. Secondly, expansion and reinforcement of some existing networks are needed in other to accommodate renewable power generators. These come at a cost. Many studies and researches have been dedicated to finding solutions to these issues. This work agrees with the use of storage systems as means of solving these issues but the question that remains unanswered is what the optimal way is. There is also a further push given to the view of installing renewable energy plants together with storage systems as a unit in this work. The main task presented in this work, however, is a concept of sizing renewable energy plant and storage systems as a unit. The resulting renewable energy plant-storage unit has the objective of supporting the electrical network to which it will be connected. Firstly the support should be by reducing the fluctuating effect from renewable production. Secondly by helping improve the load hosting capacity of the electrical network. This will be by supplying the part of the load demand leading to the reduction of the overall power drawn by connected loads from the electrical power network. Historic data of renewable resource and also the load demand at the point or bus of connection are the drivers of this concept. With the earlier mentioned objectives and random or stochastic nature of data involved, particle swarm optimization method is employed in implementing the concept of sizing to arrive at an optimal solution of required sizes of the renewable energy plant-storage system. The concept of sizing is based on proposing an ideal load demand that can be supplied by a utility under normal operating condition at all time. It follows that any extra demand should be supplied by the optimally sized renewable energy plant-storage unit. In this work sizing results of three scenarios presented. A single node network with three different types of the load was used in testing the effect of optimally sized renewable energy plant-storage system on an electrical network. The outcome of this test showed that the optimally sized renewable energy storage-system improved the ability of the test electrical network to support additional load hence load hosting capacity of test network was improved. The process required modelling and simulation all of which were carried out using MATLAB Simulink software. N2 - Der Energiebedarf von Kontinenten, Ländern, Gemeinden und Einzelpersonen wird sich mit wachsender Bevölkerungszahl und steigendem Lebensstandard auch weiterhin erhöhen. Das Vorhaben, dieser ständig zunehmenden Nachfrage gerecht zu werden und zugleich die Umwelt zu schützen, hat zum schnellen Wachstum der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen geführt. Die Nutzung von Windenergie mit Hilfe von Windkraftanlagen und von Solarenergie durch Photovoltaikanlagen ist dabei von besonderer Bedeutung. Dieses Wachstum wurde unterstützt durch verschiedene Förderregelungen wie dem Feed-in tariffs scheme, dem Feed-in Premium und der Quotenregelungen. Für die Zukunft wird eine weitere Steigerung für diesen Bereich prognostiziert. Die bestehenden Förderregelungen und die zu erwartenden Verbesserungen in den Technologien zur Gewinnung erneuerbarer Energie legen dies nahe. Diese generell positive Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen führt jedoch auch zu einigen markanten negativen Auswirkungen auf das bestehende elektrische Netz. Diese negativen Effekte sind bekannt und gut dokumentiert. Durch die über einen bestimmten Beobachtungszeitraum durchgeführte Aufzeichnung der fluktuierenden Charakteristik von Windgeschwindigkeiten und Sonneneinstrahlung kann für einen beliebigen Ort die entsprechende in das Stromnetz eingespeiste Energiemenge bestimmt werden. Diese zeitlich variierende Einspeisung erfordert in höherem Maße eine aktive Überwachung bzw. Steuerung des Netzes durch die Netzbetreiber um die kontinuierliche zuverlässige Stromerzeugung und -lieferung zu gewährleisten. Der Steuerungsprozess führt in einigen Fällen zur Nichtnutzung des durch erneuerbare Energien erzeugten Stroms. Des Weiteren wird die Erweiterung und Verstärkung einiger bestehender Netze benötigt um weitere erneuerbare Energieerzeuger einzubinden. Dieser Ausbau verursacht Kosten. Viele Forschungsstudien arbeiten an den Lösungen für diese Herausforderungen. Das Ergebnis dieser Arbeit bestätigt die Verwendung von Speichersystemen als ein Mittel zur Lösung der aufgeführten Probleme, beantwortet jedoch nicht die Frage nach dem optimalen Weg. Die Installation von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energie und deren Kopplung mit Speichersystemen wird in der Arbeit aufgegriffen. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf einem Konzept zur Dimensionierung der Einheit aus erneuerbaren Energieanlagen und Speichersystemen. Die sich daraus ergebende erneuerbare Energieanlage-Speicher-Einheit hat das Ziel, das mit ihr verbundene Stromnetz zu unterstützen. Dies wird erstens durch die Reduzierung des fluktuierenden Effektes der erneuerbaren Energie-Produktion und zweitens durch die Verbesserung der Netzkapazität erreicht. Dieses geschieht indem ein Teil der benötigten Energiemenge durch angeschlossene Speicher bereitgestellt wird, wodurch der Leistungsbezug aus dem Stromnetz reduziert wird. Historische Daten der erneuerbaren Energiequellen und auch der Energienachfrage an Verbindungspunkten oder –leitungen sind grundlegend für dieses Konzept Mittels den zuvor genannten Angaben und dem Einsatz zufälliger oder stochastischer Daten, sowie der Anwendung der „particle swarm“-Optimierung, welches ein stochastisches Verfahren ist, kann ein Konzept zur Berechnung der optimalen Lösung der erforderlichen Größen des REP-S-System erlangt werden. Das Konzept der Optimierung basiert auf der Annahme eines idealisierten Energiebedarfs unter normalen Betriebsbedingungen. Diese Daten können vom Energieversorger bereitgestellt werden. Weiterer Energiebedarf soll durch die optimale Größe der REP-S-Einheit geliefert werden. In dieser Arbeit werden Sizing-Optimierungs-Ergebnisse von drei Szenarien dargestellt. Ein einzelnes Knotennetz mit drei verschiedenen Arten des Energiebedarfes wurde genutzt um die Wirkung der optimierten Größe des REP-S-System auf ein elektrisches Netz zu prüfen. Das Ergebnis dieses Tests zeigte, dass die optimale Größe des REP-S-Systems die Fähigkeit des Testnetzes zusätzlichen Bedarf zu auszugleichen steigert und somit die Kapazität des Testnetzes verbessert wurde. Unter Verwendung von MATLAB Simulink-Software wurden die für den Prozess notwendigen Simulationen und Modellierungen durchgeführt. KW - Storage sizing KW - Load hosting capacity KW - Particle swam optimization KW - Renewable energy KW - Lastaufnahmekapazität KW - Partikelschwarmoptimierung KW - Windkraftanlage KW - Erneuerbare Energie KW - MATLAB Simulink KW - Elektrizitätsversorgungsnetz KW - Erneuerbare Energien KW - Windkraftwerk KW - Partikel-Schwarm-Optimierung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39437 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 -