Mit der Integration erneuerbarer Energien steigt der Bedarf an flexibler Energie, um Angebot und Nachfrage stets ausgleichen zu können. Eine Quelle für saubere, flexible Energie könnte von den Endverbrauchern kommen, wenn die Systeme auf lokaler Ebene auf kohlenstoffarme Multi-Energie-Systeme umgestellt werden. Das Flexibilitätspotenzial von Multi-Energie-Systemen für Ausgleichsleistungen kann quantifiziert werden, indem die Regeln und Belohnungen für Flexibilität in Energiesystemmodelle integriert werden. Dies hilft den Endnutzern, ihren Energiebedarf wirtschaftlich zu decken, und den Übertragungsnetzbetreibern, die Regulierung so zu gestalten, dass die Flexibilität der Endnutzer maximiert werden kann.
Die Energiewende verändert die Art und Weise, wie die Endverbraucher ihren Energiebedarf decken.
Der zunehmende Einsatz von Photovoltaikanlagen auf Dächern und Batteriespeicherlösungen macht Endnutzer wie Haushalte und Unternehmen zu aktiven Teilnehmern bei der Erfüllung der Ziele für erneuerbare Energien und der Bekämpfung des Klimawandels. Nach einer Schätzung könnte die Hälfte der europäischen Bürger bis zu die Hälfte der erneuerbaren Energien in der EU bis 2050. Darüber hinaus wird Strom zu einem zentralen Faktor für unseren gesamten Energiebedarf, da ein größerer Teil des Wärme- und Mobilitätsbedarfs durch Wärmepumpen und Elektrofahrzeugerespektive. Mit anderen Worten: Die heutigen passiven Systeme wandeln sich zu sektorgekoppelten und aktiven "Multi-Energie-Systemen", wie in Abbildung 1 dargestellt.
Multi-Energie-Systeme bieten betriebliche Flexibilität, indem sie mehrere Energiepfade zur Deckung des Endverbraucherbedarfs bereitstellen. Flexibilität ist das Fähigkeit eines Energiesystems, Angebot und Nachfrage stets aufeinander abzustimmen und eine Dienstleistung, die in zukünftigen Energiesystemen sehr geschätzt wird: die Die IEA schätzt, dass sich der Bedarf an Flexibilität bis 2050 vervierfachen wird. Ohne angemessene Flexibilität könnte die Variabilität des Angebots an erneuerbaren Energien zu Frequenzinstabilität und folglich mögliche Stromausfälle.
Abbildung 1: Die Ziele der Energiewende verändern die Art und Weise, wie Endverbraucher ihren Energiebedarf decken - weg von passiven Systemen (oben) hin zu sektorgekoppelten und aktiven Multi-Energie-Systemen (unten). Multienergiesysteme bieten mit mehreren Energieflusswegen eine hohe betriebliche Flexibilität.
Die Berücksichtigung der Flexibilität bei der künftigen Systemplanung könnte den Endverbrauchern helfen, ihre Energierechnungen zu senken und das Potenzial des Angebots einer flexiblen Versorgung zu maximieren.
Die Sicherheit des Stromübertragungsnetzes kann erhöht werden, indem die Flexibilität künftiger Multi-Energiegemeinschaften durch das Angebot fester Reserven auf den Ausgleichsmärkten genutzt wird. Das Angebot einer solchen Flexibilität für das Übertragungsnetz birgt jedoch auch Nachteile. Erzeugungskapazitäten, die als feste Reserven für die Flexibilität angeboten werden, können nicht für andere Zwecke genutzt werden für eine bestimmte Lieferfrist. Flexibilität muss bei Ungleichgewicht im Netz sofort gegeben sein und daher müssen diese Reserven im Netz immer verfügbar sein, um bei Bedarf abgerufen werden zu können. Die Eigentümer der Reserven sind ebenso wie die Endverbraucher für die Verfügbarkeit von Reserven für einen bestimmten Lieferzeitraum entschädigt, wobei die Preise durch Marktauktionen bestimmt werdenns. Alternativ zu den Reservekapazitäten hätten die Systemkomponenten abgeschaltet werden können, um Brennstoffkosten zu sparen, oder die Reservekapazität hätte genutzt werden können, um überschüssigen Strom über einen Einspeiseschemae. Aus der Sicht der Systemauslegung könnten die Komponenten innerhalb des Systems ausreichend dimensioniert sein, um allein den täglichen Energiebedarf zu decken, so dass kein Raum für Flexibilitätsdienstleistungen bleibt. Die gleichzeitige Planung der Flexibilität mit anderen Entscheidungsmerkmalen könnte eine optimale Systemnutzung gewährleisten und gleichzeitig den Übergang zu einem kohlenstoffarmen System ermöglichen.
Die Abwägung der Kompromisse durch Optimierung der Systemkosten kann Aufschluss darüber geben, ob das Angebot von Flexibilität durch Ausgleichsleistungen für den Endverbraucher tatsächlich wirtschaftlich ist.
Unser Optimierungsrahmen versucht, das optimale Gleichgewicht zwischen den Kompromissen zu finden und den Endnutzern zu helfen, sich für ein ideales lokales Systemdesign zu entscheiden. Mit dem Ziel der Kostenminimierung entscheidet der Rahmen über die optimale Größe der Systemtechnologien, der Betriebsstrategien und des Flexibilitätspotenzials unter Berücksichtigung der auf dem Ausgleichsmarkt verfügbaren Ausgleichsmechanismen. Die Vorteile des Rahmens liegen in der Unterstützung einer besseren Entscheidungsfindung für: (1) die Endverbraucher, in saubere Technologien zu investieren, die ihre Kosten minimieren, und (2) die Übertragungsnetzbetreiber, das Flexibilitätspotenzial der Endverbraucher und die Wirksamkeit der geltenden Vorschriften und Ausgleichsmechanismen abzuschätzen.
Als Anwendungsfall betrachten wir den Fall einer kleinen Schweizer Nachbarschaft, die durch die Umstellung auf Dach-Photovoltaik, stationäre Batteriesysteme und Wärmepumpen eine Emissionsreduktion von 80% gegenüber dem heutigen Stand ihres Strom- und Wärmeverbrauchs erreichen will. Als Ausgleich werden die historischen Preise für zwei Ausgleichsleistungen herangezogen - die primäre Regelenergie (PCR) und die sekundäre Regelenergie (SCR) mit Lieferfristen von 4 Stunden bzw. 1 Woche, die repräsentativ sind für die Rahmen für den Markt für Hilfsdienste in der Schweiz.
Wir betrachten drei Szenarien für die Gestaltung künftiger Multi-Energie-Systeme und schätzen ihr Flexibilitätspotenzial ein:
- Fall 1: Keine Möglichkeit, Flexibilität zu bieten
- Fall 2: Flexibilität bei den derzeitigen Lieferfristen von 4 Stunden für PCR und 1 Woche für SCR-Dienste
- Fall 3: Flexibilität bei kürzeren Lieferfristen als in Fall 2, mit einer Stunde für PCR- und SCR-Dienste.
Abbildung 2: Die linke Grafik zeigt die Investitions- und Betriebskosten für die Fälle 1, 2 und 3. Die Kosten beziehen sich auf die Deckung des kombinierten Wärme- und Strombedarfs. Während die Investitionsentscheidungen unberührt bleiben, wird der Betrieb stärker optimiert, um niedrigere Kosten zu erzielen. Die rechte Grafik zeigt die Systemauslegung für die gleichen Fälle. Die Systemauslegung wird nicht beeinflusst. Mit kleineren Lieferzeiten in Fall 3 steigt jedoch die mittlere flexible Kapazität des Systems, da sowohl Batterien als auch Wärmepumpen flexible Reserven bieten.
Die Ergebnisse der Fallstudien bestätigen, dass die Einbeziehung von Flexibilitätsdienstleistungen die Systemkosten und den Betrieb verändert (Abbildung 2). Von Fall 1 zu Fall 3 steigen die flexiblen Kapazitätsreserven in Batterien und Wärmepumpen. Sie senken die Systembetriebskosten und erhöhen die Zuverlässigkeit des Übertragungsnetzes durch zusätzliche flexible Kapazitäten. Obwohl die Mobilitätsnachfrage in dieser Fallstudie nicht berücksichtigt wird, eine Flotte von Elektrofahrzeugen kann die flexible Kapazität von Multi-Energie-Systemen im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung von Mobilitätssystemen potenziell erweitern.
Aus der Sicht der Endnutzer reichen die Ausgleichsmechanismen für Flexibilität nicht aus, um Anreize für Änderungen in der Auslegung zu schaffen. Das Energiesystem kann allein unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeitsziele der Endnutzer konzipiert werden (wie die 80%-Emissionsreduktion in der Fallstudie). Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Endverbraucher ihre Energierechnungen senken könnten, indem sie dem Stromnetz Flexibilität anbieten. Das Ausmaß der erzielten Einnahmen hängt von den verfügbaren Ausgleichsregelungen und den von den Übertragungsnetzbetreibern festgelegten Vorschriften ab. Natürlich hängt die Möglichkeit der Endverbraucher, diese Vorteile zu nutzen, davon ab, ob die Vorschriften es ihnen erlauben, als einzelne Unternehmen oder als Teil einer Bilanzgruppe Ausgleichsleistungen für das Netz zu erbringen.
Aus der Sicht des Übertragungsnetzbetreibers könnte die Systemzuverlässigkeit verbessert werden, wenn flexible Kapazitäten aus Energieressourcen auf der Endverbraucherebene angeboten werden. für beide getesteten Fälle. Mit Änderungen der Regulierungs- und Ausgleichsmechanismen könnte die Flexibilität der Endverbraucher besser genutzt werden. Vergleicht man das Flexibilitätsangebot in den drei Fällen, so zeigt sich, dass allein eine regulatorische Umstellung auf feinere Lieferfristen (Fall 3) das Flexibilitätsangebot für die Endverbraucher ohne Änderungen der Ausgleichsregelungen erhöhen könnte.
In den kommenden Jahrzehnten wird das aggregierte Flexibilitätspotenzial von Multi-Energie-Systemen aufgrund der von den Bürgern vorangetriebenen Maßnahmen zur Erreichung der Ziele für erneuerbare Energien und Elektrifizierung wahrscheinlich erheblich zunehmen. Die Erschließung dieser sauberen Flexibilitätsquelle wird angesichts der Abkehr von fossilen Energieträgern wie gasbefeuerten Kraftwerken immer wichtiger.
Die nächsten Forschungsschritte würden eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordern. Auf der technischen Seite wäre es notwendig, das wahre Flexibilitätspotenzial lokaler Technologien zu quantifizieren, ohne dass der Endnutzer darunter leidet. Projekte wie das "SÜSSE PATHFNDRWege auf Bezirks- und Stadtebene"In diesem Bereich werden derzeit Untersuchungen durchgeführt, die darauf abzielen, einen optimalen Weg auf lokaler Ebene zu finden, der auch eine ganzheitliche Nutzung der Flexibilität unter Verwendung mehrerer Energieträger ermöglicht. Effektive Gestaltung Regulierungs- und Ausgleichsmechanismen würde auch die Investitionen und Entscheidungen der Endverbraucher in Richtung eines kohlenstoffarmen und flexiblen Energiesystems unterstützen. Die Schätzung des Flexibilitätsbedarfs auf der Grundlage von Prognosen für erneuerbare Energien und die Stilllegung bestehender flexibler gasbefeuerter Quellen würde auch die Verwendung von Energiesystemmodellen, wie dem in diesem Blog erörterten, erleichtern, um die verfügbare Systemflexibilität unter verschiedenen Mechanismen zu quantifizieren und die Entscheidungsfindung in Bezug auf Kapazitätsinvestitionen auf breiterer Ebene zu unterstützen.
Ich vermisse die Power-to-Gas-Technologie in Abbildung 1! Zusammen mit Biogas (das ich eher für ein Nischenprodukt halte) könnte sie das Erdgasnetz in ein "grünes Gas"-Netz verwandeln. Dies muss und wird meines Erachtens eine wichtige Rolle für eine nachhaltige Energieversorgung spielen.
Vielen Dank für Ihre Einblicke in die betrieblichen Herausforderungen von Multi-Energie-Systemen. Könnten Sie mehr Details über die kleine Schweizer Nachbarschaft mit einer 100-kWp-Photovoltaikanlage und einer Wärmepumpenanlage mit nur 4 kWel. angeben? Das Verhältnis von Dachfläche zu Raumheizung scheint ungewöhnlich. Wenn Sie 33 kW erwähnen, meinen Sie dann auch 33 kWh Speicherkapazität (Abb. 2)? Wie verhält sich die 33kWh-Batteriekapazität im Verhältnis zur 13kWh-Wärmespeicherkapazität zu typischen Verhältnissen in Schweizer Quartieren? Ich schätze Ihre Erkenntnisse.
Vielen Dank für Ihre Kommentare. Das Systemdesign des Viertels ist das Ergebnis der Systemoptimierung aus der Fallstudie. Die für die Fallstudie herangezogenen Nachfragedaten umfassten einen Strom- und einen Wärmebedarf von 60 kW bzw. 25 kW. Die Bedarfsprofile wurden stündlich für einen ganzjährigen Zeithorizont aufgelöst, um alle stündlichen, täglichen und saisonalen Schwankungen zu erfassen. Das System ist darauf ausgelegt, 80% weniger zu verbrauchen als ein System mit Netzimporten und Gaskesseln. Hohe Stromspitzen und das Dekarbonisierungsziel führten zu hohen PV-Installationen. 33 kW ist die Entladekapazität der Batterie. Bei einer c-Rate von 0,25 beträgt die Batteriespeicherkapazität 132 kWh. Bei einer c-Rate von 0,33 entsprechen 13 kW thermischer Speicher einer Speicherkapazität von 39 kWh. Zu den typischen Speicherverhältnissen in Schweizer Quartieren kann ich leider nichts sagen. Wenn Sie Interesse haben, würde ich mich über ein persönliches Gespräch freuen. Ich danke Ihnen.