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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.
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.
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.
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.
A contribution to the online monitoring of partial discharges in high-voltage grid components
(2024)
Increasing utilization of HV power cable lines, and particularly the advent of long HVDC underground links, results in the need to sensitively monitor their condition, such as by tracking the emergence and development of partial discharges. This study demonstrates that existing solutions are poorly suited to the case of HVDC lines, and that a new, more sophisticated monitoring system needs to address a wide array of diverse problems. First of all, the overview of the task and main functional blocks of the monitoring system is given. Following this, selected blocks are subject to detailed examination in subsequent chapters.
The first of these blocks, a high-frequency current transformer (HFCT), is responsible for capturing the signal in the power line and transferring it to the electronics. This component receives in-depth coverage: general design considerations, computation of leakage inductance, operation in presence of a power current, resonant behavior, balanced design. Particular attention is given to the application of Finite Element Analysis (FEA) in relation to the HFCT, however, the demonstrated techniques can also be applied to other magnetic devices. Last section of the chapter presents various stages of development, experimental setups, prototypes, and the final device which has been put into series production.
The next block addresses extraction of signals from noise. A literature analysis is conducted concerning noise suppression in partial discharge recordings, and the application of the signal separation approach based on Linear Predictive Coding is shown.
In the section on localization, examples illustrating problems encountered during the development of a partial discharge localization algorithm are presented.
In the chapter devoted to laboratory tests, various auxiliary experiments conducted during the system's development are compiled, where some of them are: Time Domain Reflectometry (TDR) TDR-based line characterization, estimation of monitoring sensitivity, measurement of the cable attenuation and reflection coefficients of the accessories.
In the final chapter – field tests – the installation of the system on a 110 kV line and the measured transfer function are demonstrated.
In dieser Arbeit wurde demonstriert, dass der Umstieg von konventionellen Methoden der Energieerzeugung auf modernere Konzepte möglich ist, die eine hohe Versorgungssicherheit und Zuverlässigkeit aufweisen, wirtschaftlich zu betreiben und dabei wesentlich umwelt- und klimafreundlicher sind. In diesem Konzept wurden verschiedene erneuerbare Technologien der Energieerzeugung einbezogen, um eine sichere und zuverlässige Energieeinspeisung zu gewährleisten, ohne dass die Notwendigkeit der Anbindung an ein Übertragungsnetz besteht. Zentraler Bestandteil des Konzepts ist es, elektrische Energie in chemisch gebundener Form (Wasserstoff) zu speichern und bei Bedarf jederzeit in elektrische und thermische Energie umzuwandeln. Dadurch kann in dieser Anlage eine effiziente Energieerzeugung erfolgen. Die Anwendung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger ist vielversprechend und erlaubt ein „Energie nach dem Bedarf“-Konzept anzuwenden, um die Energie effizient und wirtschaftlich zum Verbraucher liefern. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann mit ca. 60% elektrisch und 85% thermisch angesetzt werden (wobei der Wirkungsgrad bei Anlagen mit größeren installierten elektrischen Leistungen ab 10 MW weiter ansteigt). Damit ist es eine gute Alternative zu konventionellen Arten der Energieerzeugung. Der modulare Aufbau und der geringe Platzbedarf erlauben es, die autarke EE-Anlage in der Nähe der Verbraucher (Stadt, Siedlung) einzurichten. Selbstverständlich sind noch umfangreiche Forschungen notwendig, um das gesamte Energieversorgungssystem mit der Transport- und Verteilungstechnologie zu erfassen.
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.
Der stete Zuwachs des Erzeugungsleistungs- und Energieaufkommens aus erneuerbaren Energien (EE) wirkt sich immer deutlicher auf die elektrischen Energieversorgungsnetze aus. Die Folge: Hohe Leistungsgradienten der Erzeugung und kritische Auslastungsgrade der Übertragungs- und Verteilnetze. Räumlich verteilte Energiespeicher können helfen, die EE besser zu integrieren und resultierende negative Effekte zu egalisieren.
Der durch die Bundesregierung proklamierte Entwicklungsplan der sog. Energiewende fordert eine deutliche Zunahme des Anteils der EE und der Elektromobilität. Diese auch zukünftig gewünschte Entwicklung könnte die gegenwärtig betriebenen Energieversorgungsnetze weiter stärker belasten.
Die vorliegende Arbeit bietet einen möglichen Lösungsbeitrag der Elektrofahrzeuge als Speichertechnologie für die Bewältigung der Herausforderung der netzverträglichen Integration von EE und Elektromobilität. Hierzu wird ein Konzept zur Einbindung mobiler Speicher (Elektrofahrzeuge mit V2G-Fähigkeit) vorgestellt. Dieses Konzept wird in einem Reallabor an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg evaluiert. Insbesondere die Informations- und Kommunikationstechnologie zwischen Elektrofahrzeug, Ladesäule und einem Aggregator wird eingehend betrachtet, denn sie bildet einen Grundpfeiler der Nutzbarmachung mobiler Speicher.
Hinsichtlich der eingesetzten prozessualen Intelligenz zur Bewältigung nötiger Verfahren und Methoden werden ein Lademanagementsystem für die Ladesäulen und ein Energiemanagementsystem für den Aggregator eingeführt. Beide lassen die externe Verwaltung der Prozesse durch einen Betreiber zu. Es folgt eine Untersuchung der empirischen Verfügbarkeit der Elektrofahrzeugflotte während eines mehrmonatigen Betrachtungszeitraumes. Die Auswertung und Analyse dieser Verfügbarkeit liefert konkrete Ergebnisse hinsichtlich einer Abschätzung zukünftiger Nutzungspotentiale eines mobilen Speichers. Abschließend werden zu erwartende Auswirkungen der Nutzung der mobilen Speicher auf die kalendarische sowie zyklische Alterung der Traktionsbatterie diskutiert.
Hochspannungs-Leistungsschalter vermögen den Kurzschlussstrom nur in seinem Nulldurchgang zu unterbrechen. Es ist also der jeweilige Fall daraufhin zu untersuchen, ob es bei generatornahen Kurzschlüssen zu Stromnulldurchgängen kommt, oder ob dem Schalter durch externe Maßnahmen die Möglichkeit zur Stromunterbrechung gegeben werden muss. In dieser Arbeit wurde ein Rechenverfahren entwickelt, mit dem bei geringem Aufwand festgestellt werden kann, ob ein gegebener Hochspannungs-Leistungsschalter im vorgegebenen Kreis bei anzugebenden Betriebszuständen einen Kurzschluss mit ausbleibenden Stromnulldurchgängen beherrscht. Das Rechenverfahren wurde mit Hilfe des Netzberechnungsprogramms PowerFactory der Firma DIgSILENT GmbH entwickelt. Es beinhaltet ein neues dreiphasiges Leistungsschaltermodell, dass das Ein- und Ausschaltverhalten eines Leistungsschalters simuliert und alle wichtigen die ausbleibenden Stromnulldurchgänge verursachenden Faktoren berücksichtigt. Zudem werden sämtliche auftretenden Generatorbetriebszustände und die das Auftreten von ausbleibenden Stromnulldurchgängen verursachenden worst-case-Szenarien automatisch berechnet. In der Arbeit wurde untersucht, unter welchen Umständen im zeitlichen Verlauf des generatorseitigen Kurzschlussstromes ausbleibende Stromnulldurchgänge auftreten und welche Parameter den größten Einfluss auf den Kurzschlussstromverlauf haben. Zudem wurde die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von ausbleibenden Stromnulldurchgängen in Abhängigkeit der genannten Parameter in realen Anwendungen abgeschätzt. Die vorliegende Arbeit ist notwendig, da die zukünftige Entwicklung der Hochspannungs-Leistungsschalter dazu führt, dass die einzelnen Unterbrechereinheiten für eine höhere Bemessungsspannung ausgelegt werden als bisher. Damit sinkt bei höheren Nennspannungen (z.B. > 362 kV) die Zahl der Unterbrechereinheiten pro Schalterpol. Als Folge sinkt auch die Lichtbogenspannung je Schalterpol, und es verringert sich der die Gleichstromzeitkonstante verkürzende Einfluss, so dass gegebenenfalls konstruktive Maßnahmen erforderlich werden.
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.
