Modellanalytische Untersuchungen des Einsatzes dezentraler Energiesysteme durch einen intelligenten Steuerungsansatz

Abstract

Die Transformation des Energiesystems unter Zielsetzung der Klimaneutralität bis zum Jahr 2045 geht mit einer Dezentralisierung und Elektrifizierung der Erzeugungs- und Verbrauchsstruktur einher. Durch den Einsatz von PV-Anlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen wandeln sich bisherig reine Endnutzer elektrischer Energie hin zu leistungsstärkeren dezentralen Energiesystemen (DES), deren zukünftige Anzahl und Bedeutung im ganzheitlichen Energiesystem zunehmen wird. Durch die elektrischen Komponenten weisen DES ein hohes Flexibilitätspotenzial auf, welches im gegenwärtigen Einsatz nur unzureichend erschlossen ist. Bestehende Systeme fokussieren überwiegend die heuristische Eigenverbrauchsmaximierung von lokalem PV-Strom und vernachlässigen weitere Zielgrößen. Auch im wissenschaftlichen Kontext ist das Potenzial im Einsatz der DES noch unzureichend analysiert und nicht ausreichend hinsichtlich des realitätsnahen Einsatz der Systeme untersucht. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit einem intelligenten Steuerungsansatz für dezentrale Energiesysteme und untersucht resultierende Potenziale. In dieser Arbeit wird zunächst ein intelligenter Steuerungsansatz für DES entwickelt, um deren Potenziale zu erschließen und zu analysieren. Der Steuerungsansatz, basierend auf dem Optimierungsmodell E2M2_DES, umfasst unterschiedliche Zielgrößen im DES-Betrieb unter Berücksichtigung externer Anreize. Die Arbeit fokussiert drei zentrale Zielgrößen: einen kostenoptimalen Einsatz für den Endnutzer, einen Verteilnetzdienlichen DES-Einsatz sowie minimale Treibhausgasemission im DES-Betrieb. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz des entwickelten Steuerungsansatzes zu einer Einsparung der Energieversorgungskosten von 24 % im Vergleich zum heuristischen Ansatz führt. Unter Gültigkeit eines dynamischen Stromtarifs resultiert eine weitere Reduzierung um 18 %. Hinsichtlich des netzdienlichen DES-Betriebs empfiehlt die Arbeit den Einsatz der Maßnahme Spitzenglättung, um Netzbezugsspitzen effizient zu verhindern und kritische Verteilnetzsituationen zu vermeiden. Bezüglich der Reduktion von THG-Emissionen kommt die vorliegende Arbeit zu dem Schluss, dass THG-Reduktionen durch die Ausrichtung des Steuerungsansatzes ausgewiesen werden können, unter Gültigkeit der aktuellen Regulatorik, insbesondere des EU-ETS, real jedoch nicht erreicht werden. Abschließend wird die Umsetzbarkeit der Fahrpläne, die durch den intelligenten Steuerungsansatz berechnet wurden, in einem realitätsnahen Umfeld untersucht. Im Fallbeispiel zeigt sich, dass der rein modellbasierte Ansatz die jährlichen Energieversorgungskosten um 11 % im Vergleich zum intelligenten Steuerungsansatz unterschätzt. In der Folge wird verdeutlicht, Steuerungsansätze in diesem praxisnahen Forschungsfeld nicht nur anhand theoretisch ausgewiesener Vorteile, sondern auch anhand ihrer tatsächlichen Ergebnisse im Betrieb zu überprüfen und zu bewerten. Zusammenfassend weisen dezentrale Energiesysteme bereits heute eine hohe Durchdringung des ganzheitlichen Energiesystems durch die große Anzahl vorhandener Komponenten wie kleinerer PV-Anlagen, Wärmepumpensystemen sowie Elektrofahrzeuge mit jeweils über einer Million Anlagen auf. Die vorliegende Arbeit empfiehlt die Erschließung dieser dezentralen Energiesysteme durch einen intelligenten Steuerungsansatz, um das bisher ungenutzte Flexibilitätspotenzial zu heben und somit einen positiven Beitrag für den Endnutzer sowie für das ganzheitliche Energiesystem zu erzielen.