Towards carbon neutrality of energy systems : Insights from modeling energy networks at the regional down to the building level

Abstract

Das Hauptziel dieser Dissertation ist die umfassende Analyse ausgewählter Aspekte des Ausstiegs aus der Nutzung von fossilem Erdgas im Zuge der Dekarbonisierung der Energiesysteme. Vier verschiedene wissenschaftliche Optimierungsansätze bilden die Grundlage dieser Arbeit, wobei der Schwerpunkt auf der Modellierung der Energienetze liegt. Drei dieser Ansätze konzentrieren sich auf die Entwicklung einer nachhaltigen Wärmeversorgung und bieten Einblicke in die gasfreie Wärmebereitstellung von der europäischen Ebene über die Verteilnetze bis hin zur Endkunden- bzw. Gebäudeebene. Insbesondere spielen dabei nicht nur die Themen Fernwärme, deren Netze und die Entwicklung der Wärmedichten eine wichtige Rolle, sondern auch die Frage der sozialen Gerechtigkeit und wer die Kosten des Nichthandelns zu tragen hat. Der verbleibende Ansatz befasst sich mit dem Entwicklungspfad der Gasnetze vor dem Hintergrund insgesamt stark rückläufiger Transportmengen. Dabei werden die Möglichkeiten von Stilllegungen oder Erneuerungsinvestitionen im Hinblick auf die Alterung bestehender Leitungen diskutiert und das Tabu, bestehende Gasverbraucher nicht mehr leitungsgebunden zu versorgen, kritisch hinterfragt. Nicht zuletzt wird aufgezeigt, dass bei Aufrechterhaltung eines flächendeckenden Gasnetzes eine Sozialisierung der Netzkosten auf die verbleibenden Kunden notwendig wird. Insgesamt zeichnen die vier Arbeiten aus unterschiedlichen Perspektiven ein klares Bild von der Tendenz, dass die Frage nach einer kosteneffizienten und nachhaltigen Energiebereitstellung in zukünftigen Energiesystemen nicht nur auf sektoraler, sondern auch auf regionaler bzw. lokaler Ebene zu beantworten sein wird.

The main objective of this dissertation is to comprehensively analyze selected aspects of phasing out the use of fossil natural gas in the course of decarbonizing energy systems. Four different scientific approaches that are based on optimization form the basis of this work, with a focus on energy network modeling. Three of these approaches focus on the development of a sustainable heat supply and offer insights into sustainable heat supply from the European level via the distribution networks to the end user or building level. In particular, not only district heating, its networks and the development of heat densities play an important role, but also the question of social justice and who has to bear the costs of inaction. The remaining approach deals with the trajectory of gas networks against the background of overall strongly declining transport volumes. The possibilities of decommissioning or refurbishment investments are discussed with regard to the aging of existing pipelines and the taboo of no longer supplying existing gas consumers with pipelines is critically questioned. Last but not least, it is shown that if an area-wide gas network is maintained, it will be necessary to socialize the network costs to the remaining gas customers. Overall, the four papers draw a clear picture from different perspectives of the tendency that the question of cost-efficient and sustainable energy supply in future energy systems will have to be answered not only at the sectoral level but also at the regional or local level.