Modellierung von Energiespeichern und Power-to-X im deutschen und europäischen Energiesystem

Abstract

Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht eine Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien in Deutschland vor. Die Grundvoraussetzung für einen großen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien ist die Integration von Flexibilisierungsoptionen in das Energiesystem, um zeitliche und räumliche Schwankungen in der Energiebereitstellung und -nachfrage ausgleichen zu können. Das Ziel der Arbeit ist die gesamtwirtschaftliche Bewertung von Energiespeichern und Power-to-X-Technologien in Deutschland und Europa mittels eines linearen mathematischen Optimierungsmodells. Den Ausgangspunkt bildet das europäische Energiesystemmodell TIMES PanEU, in dem das Energiesystem der Staaten der EU28 sowie Norwegens und der Schweiz hinsichtlich seiner Gesamtsystemkosten integral optimiert wird. Der Modellierungszeitraum reicht von 2010 bis 2050 und ist in mehrere Zeitschritte unterteilt (5-Jahres-Schritte). Im Zentrum steht dabei die Weiterentwicklung des Energiesystemmodells TIMES PanEU hinsichtlich der Schaffung der methodischen Voraussetzung zur Modellierung und Bewertung von Speichern und allgemeinen Flexibilisierungsoptionen. Hierfür ist zum einen eine Erhöhung der zeitlichen Auflösung für Deutschland notwendig, zum anderen eine differenzierte Modellierung von Energiespeichern und weiteren Flexibilisierungs- bzw. Integrationsoptionen. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf der integrierten Betrachtung der Flexibilisierungsoptionen in den Bereichen Strom, Wärme und Mobilität über den gesamten Optimierungszeitraum bei Berücksichtigung der Optionen zur Sektorkopplung. Die Ergebnisse der Szenarienanalyse zeigen, dass der Bedarf an Flexibilisierungs- und Integrationsoptionen im Energiesystem von Deutschland und Europa durch die Ausweitung der erneuerbaren Energien ansteigt. Die Ziele hinsichtlich der Treibhausgasminderung und des Ausbaus erneuerbarer Energien können durch eine Ausweitung der Stromnutzung im Energiesystem erreicht werden. Als Flexibilisierungsmaßnahme im Stromsektor werden bei entsprechender Kostenreduktion insbesondere stationäre Lithium-Ionen-Batterien im Netz zur kurzfristigen Flexibilisierung der Strombereitstellung und -nachfrage eingesetzt. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Power-to-Heat-Anwendungen einen großen Integrations- und Flexibilisierungsbeitrag im Energiesystem von Deutschland und Europa leisten können und der Strom- und Wärmemarkt zukünftig stärker miteinander verknüpft sein werden.