Versorgungssicherheit nachhaltiger, autonomer Micro Grids

Abstract

Die vorliegende Arbeit ist im Zuge des Forschungsprojekts ADRES Concept, das aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert wurde, entstanden. Im Gesamtkonzept ADRES wurde das Ziel verfolgt, die Zukunft der Energieversorgung mittels intelligenter, regenerativer und effizienter Energiesysteme darzustellen (Autonome Dezentrale Regenerative EnergieSysteme - ADRES). Durch die Nutzung ausschließlich regenerativer Energiequellen, einem intelligenten Netzmanagement und höchster Effizienz in der gesamten Energiekette sollte eine regionale emissionsarme Vollversorgung aller Energiedienstleistungen untersucht werden.<br />In dieser Arbeit wird mittels eines systemtechnischen Zugangs zunächst der Hintergrund dieses Micro Grid Ansatzes im Detail analysiert. Dazu werden einleitend die wesentlichen Treiber, wie zunehmende Importabhängigkeit, Ressourcenverknappung sowie Umwelt- und Klimaauswirkungen dargestellt. Als Lösung wird die überwiegend regenerative Versorgung auf Basis lokaler Ressourcen präsentiert. Um lokale Ressourcen auch nutzen zu können, muss diese Energie natürlich auch den Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Wie können diese, zum Teil sehr kleinen Einheiten, in ein Verteilernetz integriert werden? Erarbeitet wird das Thema auf Basis von Untersuchungen der Netzrückwirkungen dieser Anlagen. Dabei wird noch nicht auf die Autonomie selbst eingegangen, sondern allgemein die Problematik durch die steigende Anzahl von dezentralen Erzeugungsanlagen in Verteilernetzen untersucht.<br />Um die aufgeworfenen Problemstellungen noch zu "verschärfen", wird schließlich der autonome Ansatz gewählt. Das Thema "Micro Grids" wird zunächst ausführlich erläutert, um dann als ersten Schwerpunkt der Arbeit die Einflussgrößen auf die Bilanzierung in einem solchen System eingehend zu untersuchen. Bei der Bilanzierung wird die Differenz aus Erzeugung und Verbrauch, oft auch als "Residuallast" bezeichnet, gebildet. Die regenerative Erzeugung als auch der Verbrauch werden im Anschluss mit dem Ziel, die Unsicherheiten bei der Prognose dieser Einflussgrößen zu bestimmen, noch ausführlich analysiert.<br />Damit sind sämtliche Einflussgrößen für das eigentliche Kernthema der vorliegenden Arbeit, dem Energiemanagement unter Unsicherheit, behandelt worden. Durch die Darstellung des Bezugs der Arbeit zur klassischen Ausbau- und Einsatzplanung wird ein Einstieg in das Thema Energiemanagement gegeben. Schließlich wird, unter Anwendung entscheidungstheoretischer Grundlagen, der stochastische Bedarf mit der unsicheren Erzeugung kombiniert und daraus ein Residuallastverlauf mit einem Gesamtunsicherheitsintervall erzeugt. Mit Hilfe von Evolutionären Algorithmen werden schließlich Beispielfahrpläne mit unterschiedlichen Risikoeinschätzungen erzeugt. Diese werden bezüglich der Kosten analysiert und in Form einer quantitativen Bewertung des Risikos gegenübergestellt.

This doctoral thesis is based on the work within the research project "ADRES concept", which was founded by the "Climate & Energy Fund" of Austrian government. The goal of ADRES (Autonomous Distributed Regenerative Energy System - ADRES) was to show the sustainability of the future energy supply by using an intelligent, regenerative and efficient energy system. Due to the exclusively use of regenerative energy within the energy system, an intelligent grid control system and highest efficiency in the entire energy chain, a low emission energy supply has been investigated.<br />As a start the micro grid approach is analyzed from a system-technical point of view to explain, why this system constellation can be the base for the following investigations. The major drivers of the approach - like the dependence on energy imports, shortage of resources or climate change - are shown. As a solution the regenerative full supply based on local resources is presented.<br />To enable the use of local resources, it is necessary to bring the energy directly to the customers. The main question arising - how to integrate very small units in the energy system - is addressed by power quality investigations. The problems which arise in small power grids with high penetration of distributed generation (DG) are considered.<br />The defined problems due to high penetration of DG will be enhanced by the autonomous approach. Following a detailed explanation of micro grids, the major factors which influence the balancing of such a system are defined. Therefore the renewable generation and the efficient energy needs are considered in detail in own sections with the goal finding out the uncertainties of prognosis. After analyzing all influencing factors, the major topic of this doctoral thesis, the energy management under uncertainty, is considered.<br />As a start the reference to the classic unit commitment is shown. The basics of decision theory are used within this section. Now the stochastic load is combined with the uncertain generation to create a difference duration curve with variable uncertainty. By using evolutionary algorithms the optimal operation schedules of generation and storage units with differing risk assessments were generated. These schedules were analyzed with respect to their costs to allow a decision considering the risk.<br />