Towards Highly Renewable Power Systems: Algorithms, Optimization Models & Techno-Economic Analyses

Wir bewegen uns in Richtung stark erneuerbarer Energiesysteme, was nicht nur technische sondern auch wirtschaftliche Herausforderungen mit sich bringt. Statt konventioneller thermischer Kraftwerke, die in unmittelbarer Nähe zu Bedarfszentren errichtet werden können, müssen Standorte mit hohem erneuerbaren Potenzial nicht zwangsläufig in der Nähe dieser Verbrauchszentren liegen. Dies erfordert eine gut ausgebaute Netzinfrastruktur, um die elektrische Energie vom Ort der Erzeugung zum Ort des Verbrauchs zu bringen. Beim Ausbau erneuerbarer Energien müssen die Netzrestriktionen berücksichtigt werden, da der Bau neuer Stromleitungen viel länger dauern kann als der Ausbau erneuerbarer Kapazitäten. Diese notwendigen Investitionen in die Übertragungs- und Verteilnetze verursachen zusätzliche Kosten.
Energiesystemmodelle können dabei helfen, die technischen Herausforderungen bei der Integration von mehr erneuerbaren Energien zu erkennen und zu bewältigen und die wirtschaftlichen Auswirkungen zu analysieren. Diese Dissertation trägt dazu bei, indem sie die Energiesystemmodellierung auf drei wesentliche Arten verbessert: (1) Sie stellt eine neue Möglichkeit vor, Open-Source-Netzdaten zu verwenden und optimiert diese für den Einsatz in Energiesystemmodellen. Dies eröffnet die Möglichkeit, Modelle zu erstellen, die Lastflussberechnungen für Regionen beinhalten, in denen dies zuvor aufgrund nicht verfügbarer Daten nicht möglich war. Beispielsweise wird ein Energiesystemmodell des afrikanischen Kontinents erstellt und ein Übergang zu 100% erneuerbaren Energien analysiert. (2) Windkraft ist für das Erreichen hocherneuerbarer Energiesysteme unerlässlich. Aktuelle Studien zu Windkraftpotenzialen berücksichtigen keine Stromnetzinfrastruktur, sodass die Ergebnisse nur schwer für die Planung des Erzeugungsausbaus in Stromsystemmodellen verwendet werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein GIS-basierter Ansatz zur Berechnung von Windkraftpotenzialen pro Netzknoten vorgestellt. Die verfügbaren Windstrompotenziale pro Netzknoten können einfach für die Planung des Erzeugungsausbaus in Stromsystemmodellen verwendet werden. (3) Strom ist ein wichtiges Gut und die Bezahlbarkeit muss trotz aller notwendigen Investitionen für den Umstieg auf erneuerbare Energien gewährleistet sein. Durch die Kopplung eines technischen Modells des Stromsystems mit einem makroökonomischen Modell werden die Auswirkungen der österreichischen Stromwende und deren Auswirkung auf Strompreise und -nachfrage analysiert.

Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten neu entwickelten Algorithmen und Fortschritte bei Modellen zur Optimierung von Energiesystemen und techno-ökonomischen Analysen verbessern die Einblicke in die Auswirkungen der Umstellung auf stark erneuerbare Energiesysteme.