Optimale und robuste Kombination von Energiespeichersystemen im Rahmen eines massiven Ausbaus erneuerbarer Energien - ein Fokus auf Wasserkraft und Wasserspeicher

Description: Um die Umweltauswirkungen unserer energiehungrigen Gesellschaft zu reduzieren, müssen erneuerbare Energien weiter ausgebaut werden. Erneuerbare Energien unterliegen jedoch erheblichen Schwankungen und Unsicherheiten bedingt durch Meteorologie und Hydrologie. Diese Schwankungen müssen ausgeglichen werden - entweder durch hochdynamische konventionelle Kraftwerke oder durch Energiespeichersysteme (ESS).Vor allem ESS bieten ein breites Spektrum an Dienstleistungen (Energieverschiebung, Flexibilität gegenüber Unsicherheiten, Netzstabilität, Engpassmanagement). Da es kein ideales einzelnes ESS gibt, gilt: das Stromsystem und ein entsprechender Mix aus ESS muss fein aufeinander abgestimmt sein, um kostenoptimal eine umweltverträgliche und robuste Stromversorgung sicherzustellen. Diesen Mix zu bestimmen stellt ein herausforderndes Optimierungsproblem dar und fordert neue Lösungstechniken um die Rechenzeiten zu bewältigen.Das beantragte Projekt zielt darauf ab, die optimale Kombination von ESS mit Schwerpunkt auf Wasserkraft zu finden. Wir verfolgen folgende Hypothesen: (1) eine systematische Analyse der Modellierungsdetails von Wasserkrafttechnologien und ESS ist notwendig um die vielen Systemdienstleistungen abbilden zu können; (2) das existierende Stromsystem muss um einen robusten und gezielt zusammengestellten Mix aus Wasserkraft und ESS ergänzt werden; (3) der Wassersektor kann mit weiterer Flexibilität zur Energiewende beitragen, aber dazu müssen dessen Randbedingungen (Trinkwasser, Flussökologie) modelliert werden; und (4) dieser Mix kann durch Optimierung gefunden werden, es müssen aber die Rechenzeiten erheblich reduziert werden.Unser Ansatz bietet vier Neuheiten: (1) die Optimierung um den Mix zu finden wird die verschiedenen ESS-Dienstleistungen berücksichtigen; (2) die Fähigkeit der ESS in der Handhabung von Unsicherheiten der Energieträger (Wasser-, Wind- und Sonnenkraft) in Wetterprognosen und Klimawandel wird abgebildet; (3) im Lichte zukünftiger Energiesysteme werden sektorielle Interaktionen relevanter. Daher werden wir die Wechselwirkungen zwischen dem Wasser- und Energiesektor in unserem Modell abbilden, z.B. wie Infrastruktur in der Wasserversorgung (z.B. Pumpwerke, Trinkwasserspeicher, Entsalzungsanlagen) und Mehrzweckstauseen zur Energiewende beitragen können, oder wie Abflussspitzen im Unterlauf von Wasserkraftwerken vermieden werden können; (4) die Rechenzeit des Ansatzes reduzieren wir durch eine gezielte Kombination von Heuristiken und Modellreduktionen um eine gute Startlösung zu finden und den Suchraum der Optimierung einzuschränken.Unser Optimierungsansatz ermöglicht sowohl die Rolle der einzelnen ESS als auch die Synergien zwischen den ESS, einschließlich Flexibilitäten aus dem Wassersektor und Wasserkraft, zu identifizieren. Solche Ansätze tragen zu einer transparenten Entscheidungsunterstützung in Energiebehörden bei, um unterschiedliche Energiepolitiken zu untersuchen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Fließgewässerökologie ? Synergistische Wirkung ? Stromversorgung ? Energiewende ? Meteorologie ? Umweltauswirkung ? Wasserkraft ? Wasserstoff ? Entsalzungsanlage ? Solarthermisches Kraftwerk ? Batteriespeicher ? Stromerzeugung ? Trinkwasseruntersuchung ? Energieträger ? Wasserkraftwerk ? Erneuerbare Energie ? Tankbehälter ? Ökologischer Fußabdruck ? Netzintegration ? Stromsystem ? Lichttechnik ? Energiegewinnung ? Stochastik ? Studie ? Energiepolitik ? Trinkwasser ? Energiesystem ? Wasserspeicher ? Energie ? Wasserversorgung ? Wettervorhersage ? Modellierung ? Meteorologische Analyse ? Wasserwirtschaft ? Hydrologie ? Transmission ? Klimawandel ?

Region: Baden-Württemberg

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Lehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie (Projektverantwortung)
• Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Lehrstuhl für Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (Projektverantwortung)
• Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Lehrstuhl für Wasserbau und Wassermengenwirtschaft (Projektverantwortung)

Time ranges: 2017-01-01 - 2022-12-31

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Optimal and robust combination of energy storage systems for massive integration of renewable energy - a focus on hydropower/hydrostorage solutions
  Description: In order to reduce the environmental footprint of our energy-hungry society, a transition from conventional to renewable power sources is required. However, renewable energies are subject to weather-driven fluctuations and uncertainties. These need to be balanced either by highly flexible conventional power generation technologies, transmission reinforcement, or energy storage systems (ESS).ESS are widely regarded to be a solution for renewable energy integration: they can offer a wide spectrum of services (e.g. energy shifting in time, power ramps, flexibility under uncertainty, grid stability and congestion management). However, there is no ideal individual ESS for that task. Consequently, rather than deploying only one specific technology, it is natural that ESS should coexist and complement each other in a well-chosen mix. First attempts to plan ESS mixes have been hampered by the massive computational costs involved in solving the resulting complex, dynamic and stochastic optimization problem.This research seeks to develop a novel optimization model for finding the optimal combination of ESS (batteries, hydrogen, flywheels...) with focus on hydropower solutions (hydro-reservoirs, pumped storage, others). We follow the hypotheses that (1) a systematic analysis of the modelling details of hydropower technologies and ESS is key to understand the multiple services they can offer to the integration of renewable energies, (2) the existing power system has to be equipped with a robust and well-selected mix of ESS, where many hydropower solutions play a relevant role; (3) the water sector can provide further flexibility, but to understand its synergies a joint water-power planning is needed; and (4) this ESS mix can be found by optimization, but only if computing times are reduced significantly.There are four novelties of our approach and its results: (1) to find the optimal ESS sizes, we consider the numerous services ESS can provide; (2) we study their ability of handling the uncertainties arising from weather forecasts and climate change; (3) in the light of future energy systems, sectorial interactions are becoming more relevant. Hence, we include the interactions between the water and power sector in our model, e.g. how infrastructure for drinking water supply (water tanks, pumps, desalination plants) and multi-purpose water reservoirs can contribute to the energy transition and how the hydropeaking of hydropower plants can be controlled; (4) to counter the associated computational burden, we will develop and evaluate a series of heuristics for finding a good initial solution and reducing the search space in the optimization problem.Our approach allows identifying on a systemic level the role of each ESS and the synergies among ESS, including flexibilities from the water sector and hydropower. Such an optimization framework is a prerequisite for transparent decision support when energy authorities investigate different energy policies. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1118808

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