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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.
Zur Einhaltung der Dekarbonisierungsziele und Bewältigung der Herausforderungen bei der ganzheitlichen Transformation des Energiesystems im Kontext der politisch geforderten Energiewende, ist zunehmend der Begriff Sektorenkopplung zu verzeichnen. Eine wesentliche Rolle nimmt dabei die auf den Begriff Power-to-X (P2X) zusammengefasste Elektrifizierung der Sektoren Gas, Wärme, Kälte und Mobilität ein. P2X-Energiewandler und die damit einhergehende Nutzung Erneuerbarer Energien (EE), z.B. aus Photovoltaik (PV) und Wind, sind aufgrund der volatilen Stromerzeugung der EE-Anlagen als dargebotsabhängige Energiewandlung zu verstehen. Aus diesem Grund werden P2X-Energiewandler mit sektoralen Energiespeichern und flexiblen bedarfsgerechten Energiewandlern hin zu sektorenübergreifenden Energiespeichern aggregiert. Diese sind nicht nur in der Lage den Herausforderungen eines zunehmend aus EE bestehenden Energieversorgungssystems (EVS) entgegenzuwirken, sondern einen Beitrag zur sektorenübergreifenden Energiebedarfsdeckung und Dekarbonisierung zu leisten.
In diesem Zusammenhang ist in den vergangenen Jahren auf dem Campus der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) eine Forschungs- und Demonstrationsanlage entstanden, welche sektorale und sektorenübergreifende Energiespeicher topologisch lokal aggregiert und hinsichtlich der Netzbetriebsführung verknüpft. Dieser dezentrale Anlagenverbund bietet eine herausragende Möglichkeit, einen sektorenübergreifenden Betrieb der dezentralen EVS auf lokaler Ebene zu untersuchen.
Als Forschungsgegenstand und Teilsystem der Forschungs- und Demonstrationsanlage gilt im Folgenden der sektorenübergreifende Energiespeicher bestehend aus den Technologien der Kraft-Wärme-Kopplung, Power-to-Heat und einem thermischen Energiespeicher. Dieser Anlagenverbund wird innerhalb der Systemgrenzen eines Microgrid unter größtmöglicher Nutzung erneuerbarer Energien am Beispiel der PV untersucht. Ein Simulationsmodell erweitert diesen Forschungsgegenstand und zielt auf modellgestützte Untersuchungen zur Planung und zum Betrieb des sektorenübergreifenden Energiespeichers, insbesondere zur stromnetzdienlichen Systemintegration. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Folgenden dargestellt und gelten als Beitrag zur Systemintegration von sektorenübergreifenden Energiespeichern in die lokale dezentrale Energieversorgung.
Deutschland hat sich in den letzten Jahren beim Klimaschutz zu einer internationalen Führungsrolle bekannt und verfolgt zur Erreichung der eigenen Emissionsminderungsziele verschiedene Strategien im stationären Energiewandlungsbereich. Hierzu gehören - neben anderen Technologieoptionen - auch die verstärkte Nutzung regenerativer Energiequellen und wandlungseffizienter Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien. Während legislative Fördermaßnahmen im erneuerbaren Energienbereich in Deutschland zu einem sehr starken Zubau von Energieanlagen führten, bleibt die Nutzung von dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) hinter den Erwartungen zurück. Die Gründe hierfür sind sehr vielschichtig, können aber zum Großteil auf fehlende ökonomische Anreize zurückgeführt werden. Die Zielsetzung der Arbeit besteht in der Entwicklung eines methodischen Ansatzes, um Lösungsmöglichkeiten für eine technische, wirtschaftliche und anreizorientierte Integration kleiner dezentraler KWK-Anlagen im kommunalen Versorgungsbereich anzubieten. Als ein wissenschaftlicher Beitrag zur Energieforschung im dezentralen Energieversorgungsbereich, besteht ein Hauptanliegen in der Ableitung von Betriebsführungsmethodiken für kleine KWK-Anlagen, die sowohl den lokalen Versorgungszielen des jeweiligen Anlagenbetreibers gerecht werden, als auch bestehende Energieeffizienzpotenziale im kommunalen Versorgungsbereich erschließen können. Hierfür werden zunächst - abgeleitet aus den kommunalen Energieversorgungsaufgaben - die Zielstellungen eines ganzheitlichen Energieversorgungsansatzes mit hohem Anteil dezentraler KWK-Anlagen in ein übergeordnetes Betriebsführungskonzept überführt und die technischen und ökonomischen Notwendigkeiten zur praktischen Realisierung erörtert. Aufbauend auf den Ausführungen zum ganzheitlichen Integrationsansatz bilden die Beschreibung eines entwickelten Optimiermodellansatzes und dessen Anwendung im Rahmen von Szenariobetrachtungen den Kern der Arbeit. Mit verschiedenen Szenarien für ein kleines kommunales Versorgungsgebiet werden die ökonomischen Effekte kostenoptimierter Betriebsführungsvarianten vergleichend gegenübergestellt und der Beitrag zur Steigerung eines wirtschaftlichen Anlagenbetriebes eruiert.