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Enhanced energy system transformation through power and heat sector coupling
a modeling analysis at the national and urban levels
Bloeß, Andreas
Die Energie- und Klimaschutzpolitik Deutschlands hat ein zukünftiges Energiesystem zum Ziel, welches ökologisch, ökonomisch und versorgungssicher ist. In den Jahren von 1990 bis 2017 konnte zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen der Anteil erneuerbarer Energien in der Stromversorgung deutlich gesteigert werden. Jedoch kommen ein Großteil des Energieverbrauchs und der Emissionen auch aus den Energieversorgungssektoren für Wärme und Mobilität, in welchen der Transformationsprozess nur langsam voranschreitet. Sektorenkopplung bezeichnet Technologien und Konzepte, die zwischen diesen Energieversorgungssektoren Synergieeffekte ermöglichen. Bei der Kraft-Wärme-Kopplung beispielsweise wird in einem einzigen Umwandlungsprozess Energie für zwei Verbrauchssektoren bereitgestellt. Im Gegensatz dazu ermöglicht Power-to-heat die Verwertung erneuerbaren Stroms in einem anderen Verbrauchssektor. In diesem zweiten Fall wird Sektorenkopplung als Alternative zum Ausbau des Übertragungsnetzes oder von Stromspeichern gehandelt, um mehr Systemflexibilität für die Integration fluktuierender Energiequellen, wie Photovoltaik oder Windenergie, bereitzustellen. Diese Arbeit fokussiert auf die Strom- und Wärmesektorenkopplung durch Kraft-Wärme-Kopplung und Power-to-heat-Technologien, deren Entwicklungsstand und Umwandlungseffizienz sehr vielversprechend sind. Neben einem Überblick über den Hauptteil in den Kapiteln 2 bis 5 gibt Kapitel 1 auch eine kurze Einführung in Sektorenkopplung und ihre verschiedenen Erscheinungsformen. Kapitel 2 beginnt den Hauptteil mit einer Literaturübersicht über die Integration erneuerbarer Energien mittels Power-to-heat in der Energiesystemmodellierung. Kapitel 3 fokussiert auf die verschiedenen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und deren Parametrisierung zur Energiesystemmodellierung. In Kapitel 4 werden diese Methoden in einem kombinierten Strom- und Wärmesektorenmodell auf nationaler Ebene für Deutschland angewandt. Darin wird endogen der durch Power-to-heat verursachte Stromverbrauch bestimmt und dessen Einfluss auf den Ausbau von Stromerzeugung und Stromspeichern analysiert. Kapitel 5 betrachtet dagegen näher auf urbaner Ebene das kombinierte Berliner Strom- und Fernwärmesystem im Kontext steigender erneuerbarer Stromerzeugung im nationalen Stromnetz und des Berliner Energie- und Klimaschutzprogrammes. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist eine wachsende Rolle von Power-to-heat zur Integration erneuerbaren Stroms und Dekarbonisierung. Ebenfalls reduziert diese Technologie den Bedarf an Stromspeichern. Im Gegensatz dazu ist die zukünftige Rolle von Kraft-Wörme-Kopplung fragwürdig und auch das Erfordernis von Wärmespeichern als Alternative zu Stromspeichern kann nicht bestätigt werden.
Germany’s energy and climate protection policy, the energiewende, has the aim of moving toward an energy supply that is ecologically sound, economically efficient and secure. In the years between 1990 and 2017, the power sector could considerably integrate renewable energy sources to avoid greenhouse gas emissions. However, substantial consumption and emissions also occur within other energy supply sectors, such as those of heating and mobility, whose transformation processes are stagnant. Sector coupling refers to the incorporation of technologies and concepts that enables the exploitation of synergies between these different forms of energy supplies. In combined heat and power, for instance, outputs for two energy consumption sectors are simultaneously generated through a single energy conversion process. Or, electricity from renewable energy sources is used in other energy consumption sectors than power supply, such as by power-to-heat. In the latter case sector coupling is an alternative concept to power transmission expansion, for instance, or power storage that all increase system flexibility to integrate larger shares of non-dispatchable renewable energy sources like photovoltaics or wind power. This thesis focuses on power and heat sector coupling through combined heat and power and power-to-heat technologies, as their maturity and conversion efficiency have proven to be promising. In addition to an overview of Chapters 2 to 5 of this thesis, Chapter 1 also provides a brief introduction to sector coupling and its various forms. Chapter 2 provides context for the three individual research articles that follow in the form of a literature review concerning the integration of electric renewable energy sources through power-to-heat in energy system modeling. Chapter 3 expands on the various types of combined heat and power plants and their parametrization for energy system modeling. In Chapter 4 the techniques laid out in Chapters 2 and 3 are applied in a joint power and heat sector modeling analysis on the national level with Germany as a case study. This work endogenously determines the increase in future electricity demand by power-to-heat and this technology’s impacts on power generation and storage expansion. Chapter 5 examines an energy system at the urban level and assesses Berlin’s joint power and district heating systems in the context of increasing penetration of the national power grid by renewable energy sources and Berlin’s Energy and Climate Protection Program. Overall findings suggest that the role of power-to-heat is growing due to its propensity for renewable integration and decarbonization; furthermore, it decreases the need for power storage. In contrast, the future role of combined heat and power is questionable; further, the need for large-scale heat storage expansion as an alternative to power storage cannot be supported.
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