Development of a techno-economic energy system model considering the highly resolved conversion and multimodal transmission of energy carriers on a global scale

Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Energiesystemmodell entwickelt, welches eine integrierte und hochaufgelöste Analyse der Gewinnung, Umwandlung, Speicherung, Nutzung und des multi-modalen Transports von Energieträgern im Rahmen einer techno-ökonomischen Einsatz- und Ausbauplanung ermöglicht. Die ausgabenminimale Deckung der europäischen Strom- and Wärmenachfrage bis 2050 steht dabei im Fokus einer geschlossenen linearen mehrperiodigen Optimierung globaler Energieflüsse unter Berücksichtigung des multi-modalen Straßen-, Schienen- und Schiffstransports sowie der elektrischen und gasbasierten Übertragungsnetzinfrastruktur. ... mehrZiel ist hierbei alternative Transformationspfade für die vollständigen Dekarbonisierung des Umwandlungssektors sowie des Endenergieverbrauchs modellendogen und unter Berücksichtigung der Sektorenkopplung zu bestimmen.

Ausgehend von der Struktur bestehender Transportnetzwerke sowie der Verteilung netzferner Primärenergiepotentiale wird im Rahmen der Arbeit ein datengetriebener Ansatz entwickelt um das Spannungsdreieck zwischen der Abbildung hoch aufgelöster Potentiale der Energieumwandlung auf lokaler Ebene, der gesamtenergetischen Bilanzierung auf aggregierter Ebene und dem dazwischen liegenden räumlichen und zeitlichen Ausgleich über mehrere Transportmodi und Energieträger hinweg aufzulösen. Hierfür werden Top-Down und Bottom Up Ansätze kombiniert und ausgehend von einer auf 100m aufgelösten einheitlichen Regionalisierung werden Prozesse zum Ausgleich der Energienachfrage und des Energieangebots, die jeweils auf derselben Wetterbasis simuliert werden, aggregiert und definiert.

Im Kontext der Optimierung einer sektorübergreifenden Dekarbonisierung des Energiesystems im erweiterten europäischen Raum sowie des angrenzenden Stromsektors in Zentralasien und der MENA Region, unter Berücksichtigung zusätzlicher Angebotspotentiale in Patagonien, konnte die Funktionalität des Ansatzes validiert werden. Die Ausweitung des erneuerbaren Stromangebots im Betrachtungsraum bildet dabei flankiert von Stromnetzausbaumaßnahmen die Grundlage für die Ausweitung der endenergetischen Stromnutzung, beispielsweise im Wärmesektor, sowie im Umwandlungssektor zur Erzeugung von Wasserstoff. Hierbei zeigt sich eine große technologische Bandbreite bei der Transformation des Energiesystems. So wird Wasserstoff über unterschiedliche Umwandlungs- und Transportrouten, sowohl aus erneuerbaren als auch aus fossilen Energieträgern, sowohl an Land als auch auf See, ausgebaut. Dies treibt stellenweise den Ausbau der elektrischen Transportnetze, darunter auch vermaschter DC-Netze für die endogene Verknüpfung einzelner Offshore-Windparks und senkt diesen an anderer Stelle wieder, wenn beispielsweise die elektrische Anbindung der Windparks ans Land durch die Einspeisung in umgewidmete Erdgasleitungen ersetzt wird.

This dissertation develops an energy system model that enables an integrated and high-resolution analysis of the extraction, conversion, storage, use and multi-modal transportation of energy sources in the context of techno-economic deployment and expansion planning. The focus is on the minimum expenditure coverage of European electricity and heat demand by 2050 in a closed linear multi-period optimization of global energy flows, taking into account multi-modal road, rail and ship transport as well as the electrical and gas-based transmission network infrastructure. The aim is to determine transformation paths for the complete decarbonization of the transformation sector and final energy consumption en-dogenously and taking sector coupling into account. ... mehr
Based on the structure of existing transport networks and the distribution of remote primary energy potentials, a data-driven approach is developed to resolve the tension triangle between the mapping of high-resolution potentials of energy conversion at the local level, the overall energy balancing at the aggregated level and the spatial and temporal balancing in between across multiple transport modes and energy carriers. For this purpose, top-down and bottom-up approaches are combined and, starting from a uniform regionalization with a resolution of 100m, processes for balancing energy demand and energy supply, which are simulated on the same weather basis, are aggregated and defined.
The functionality of the approach is validated in the context of optimizing the cross-sectoral decarbonization of the energy system in the extended European region and the neighboring electricity sector in Central Asia and the MENA region, taking into account additional supply potentials in Patagonia. The expansion of the renewable electricity supply in the area under consideration, flanked by electricity grid expansion measures, forms the basis for the expansion of electricity use, for example in the heating sector, as well as in the conversion sector for the production of hydrogen. The results illustrate, that there is a wide range of technologies involved in the transformation of the energy system. Hydrogen is being expanded via various conversion and transportation routes, both from renewable and fossil energy sources, both on land and at sea. This drives the expansion of the electrical transport networks, including meshed DC networks for the endogenous connection of individual offshore wind farms, and reduces it again elsewhere, for example when the electrical connection of wind farms to land is replaced by feeding into rededicated natural gas pipelines.