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Modellierung von Energieverbräuchen in hoher regionaler und zeitlicher Aufösung
Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Abbildung von Strom-, Erdgas und Wasserstoffverbräuchen im industriellen und gewerblichen Sektor in Deutschland
Verwiebe, Paul Anton
Vor dem Hintergrund des Transformationsdrucks auf das zunehmend durch Dezentralität und fuktuierende Einspeisung geprägte Energiesystem steigt die Bedeutung hochaufgelöster Energiesystemmodellierung. Detaillierte Energieverbrauchsszenarien bilden dafür eine der wichtigsten Grundlagen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur hochaufgelösten Modellierung zukünftiger Strom-, Erdgas-und Wasserstofverbräuche im Industrie-und Gewerbe-, Handel-und Dienstleistungssektor entwickelt und angewendet. Es wird untersucht, welche zukünftigen Verbräuche sich durch die Substitution von Erdgas durch Strom und grünen Wasserstof ergeben und wie sich die Verschiebungen zwischen den Energieträgern auf die regionale und zeitliche Verteilung der Verbräuche auswirkt.
Zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist das entwickelte Verfahren, das ausschließlich auf öfentlichen Daten basiert und in Python implementiert ist. Ausgehend von aggregierten Verbrauchsdaten aus statistischen Veröfentlichungen werden durch schrittweise Disaggregation höher aufgelöste Verbräuche ermittelt. Für die Bestimmung zukünftiger Verbräuche werden die prognostizierte wirtschaftliche Entwicklung sowie Efzienzsteigerungen berücksichtigt. Zudem werden Energieträgerwechsel von Erdgas zu Strom und grünem Wasserstof modelliert. Im Ergebnis werden durch Anwendung des Verfahrens zukünftige nach Landkreis, Wirtschaftszweig und Anwendung diferenzierte Lastgänge ermittelt. Den zeitlichen Horizont bildet das Jahr 2045, für das in Deutschland Treibhausgasneutralität gelten soll. Durch den im Modell vorgegebenen Substitutionspfad geht der Verbrauch von fossilem Erdgas bis dahin auf Null. Die unter Anwendung des Verfahrens modellierten Verbräuche von Strom-und grünem Wasserstof im Industriesektor steigen bis 2045 insgesamt und besonders in den Zentren der chemischen Industrie. Haupttreiber sind die Elektrifzierung der erdgasversorgten Wärmeanwendungen bis 500°C durch Elektrodenkessel und Wärmepumpen sowie die nichtenergetischen Wasserstofverbräuche in der chemischen Industrie. Im gewerblichen Sektor konzentrieren sich die Verbräuche auf die urbanen Zentren. Der Stromverbrauch stagniert in diesem Sektor, da die Mehrverbräuche aus der Elektrifzierung der Raumwärme durch steigende Efzienz im Zuge von Sanierungen ausgeglichen werden. Die Temperaturabhängigkeit der Stromlastgänge nimmt zu und führt zu höheren Spitzenlasten in den Wintermonaten. Die Wasserstofastgänge sind nahezu konstant, da der Verbrauch in durchgängig produzierenden Industrien anfällt.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit bieten eine sektorübergreifende Planungsgrundlage für Energietransportsysteme. Auf ihrer Basis können durch Gegenüberstellung mit regionalen Erzeugungsmengen Bedarfe an Übertragungskapazitäten identifziert werden. Im Zuge der Dekarbonisierung ist dies vor dem Hintergrund steigender erwarteter Verbräuche von CO2neutralen Energieträgern in wirtschaftsstarken Regionen besonders relevant. Des Weiteren liefern die Ergebnisse den Ausgangspunkt für die Quantifzierung regional und zeitlich hochaufgelöster Lastfexibilisierungspotenziale, die für die Modellierung von Energiesystemen mit 100% erneuerbaren Energien einen wesentlichen Inputfaktor darstellen, um Optionen für den regionalen Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch aufzuzeigen und zu bewerten.
The transforming energy system is under pressure by increasing decentralization and fuctuation of feed-in. Hence, high-resolution modeling of energy systems, for which detailed energy consumption scenarios are one of the essential inputs, is becoming increasingly important. In this thesis, a method for high-resolution modeling of future electricity, natural gas and hydrogen consumption in the industrial, commercial, trade and service sectors is developed and applied. The future consumption resulting from the substitution of natural gas by electricity and green hydrogen is investigated as well as how the switch between the energy sources afects the regional and temporal distribution of consumption.
The central result of this dissertation is the developed method, which is based exclusively on public data and implemented in Python. Based on aggregated consumption data from statistical publications, consumption is determined at higher resolution by stepwise disaggregation. For the determination of future consumption, the predicted economic development as well as efciency increases are taken into account. In addition, the switch from natural gas to electricity and green hydrogen are modeled. As a result, future load profles diferentiated by NUTS-3 region, economic sector and application are determined. The time horizon is the year 2045, for which greenhouse gas neutrality must be achieved in Germany. Due to the modeled substitution path, the consumption of fossil natural gas decreases to zero by then. The modeled consumption of electricity and green hydrogen in the industrial sector increases until 2045 overall and especially in the centers of the chemical industry. The main drivers are electrifcation of gas-fred heat applications up to 500°C by electrode boilers and heat pumps, and non-energy hydrogen consumption in the chemical industry. In the commercial sector, consumption is concentrated in urban centers. Overall, electricity consumption in this sector is stagnant, as additional consumption from the electrifcation of space heating is ofset by efciency gains from renovations. The temperature dependence of the power load curves increases, resulting in higher peak loads during the winter months. Hydrogen load curves are nearly constant as consumption occurs in continuously producing industries.
The results of this dissertation provide a cross-sectoral planning basis for energy transmission systems. By comparing these results with regional feed-in, transmission capacity needs can be determined. In the course of decarbonization, this is particularly relevant with regard to the expected increase in consumption of CO2-neutral energy sources in economically strong regions. In addition, the results form the starting point for quantifying load fexibility potentials in high regional and temporal detail. These are key inputs for identifying and evaluating options for regional balancing between feed-in and consumption when modeling energy systems with 100 % renewables.
StromverbrauchErdgasverbrauchWasserstoffverbrauchindustrieller Sektorgewerblicher Sektorregionale Verteilungzeitliche VerteilungEnergieträgerwechselEffizienzsteigerungenelectricity consumptionnatural gas consumptionhydrogen consumptionindustrial sectorcommercial sectorregional distributiontemporal distributionenergy carrier transitionefficiency improvements
