Entwicklung eines Konzeptes für eine autarke Energieversorgung

Abstract

Diese Arbeit wurde mit dem Ziel geschrieben, das Energiesystem eines Industriebetriebs modellhaft abzubilden, weiterzuentwickeln und zu optimieren. Dabei sollte insbesondere die Möglichkeit der Energieautarkie hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und technischer Machbarkeit untersucht werden. Die Untersuchung der aktuellen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für Investitionen in erneuerbare Energien und Wasserstoff ist für die Entwicklung von Investitionsstrategien und -entscheidungen unerlässlich. Die Abbildung des gesamten Energiesystems wurde mit Hilfe der Software „TOP Energy“ durchgeführt, wobei für die Weiterentwicklung des Systems vier potenzielle Varianten ausgearbeitet wurden. Dabei stellen Variante 2, 3 und 4 Abweichungen von Variante 1 dar, in denen jeweils entweder Strom- oder Wärmeanschluss oder beides entfernt und damit der Autarkiegrad des Modells erhöht wurde. Jede Variante wurde einer Sensitivitätsanalyse bezüglich der vier Parameter: Strombezugspreis, Stromverkaufspreis, Wasserstoffpreis und Sauerstoffpreis unterzogen.Die Ergebnisse der Simulationen bestätigen die Hypothese, dass die Energieautarkie eines Energiesystems gegenüber nicht autarken Systemen mit höheren Kosten einhergeht. Die auffälligsten Gemeinsamkeiten aller Varianten sind, dass der volle Ausbau der PV-Anlage und die Produktion und Speicherung von Wasserstoff immer Teil der optimalen Lösung waren. Die Optimierung der annualisierten Gesamtkosten von Varianten 1 und 2, welche beide über einen Stromnetzanschluss verfügen, führen mit der verwendeten Parametrisierung zu negativen annualisierten Gesamtkosten.Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Investition in ein nachhaltiges Energiesystem profitabel sein kann, wobei sie aufgrund der Neuartigkeit der Wasserstofftechnologien mit erhöhtem Risiko einhergeht. Die Sensitivitätsanalyse zeigt zudem, dass die Parameterwahl, insbesondere beim Wasserstoffpreis, großen Einfluss auf die optimalen annualisierten Gesamtkosten hat.

This thesis discusses the modeling, development, and optimization of a sustainable, self-sufficient energy system for an industrial partner. In particular, the possibility of energetic self-sufficiency shall be investigated in terms of economic efficiency and technical feasibility. The investigation into the current landscape of the economics of renewable energy and hydrogen investments are vital for deriving investment strategies and decisions.This was done in three steps which consist of model building, optimization, and analysis of results. The entire energy system was modeled and optimized using the software “TOP Energy”. Four potential variants were developed for further development of the system. Variants 2, 3 and 4 represent deviations from variant 1 in which either electricity or heat grid-connections or both were removed, thus increasing the degree of energy self-sufficiency. Each variation was subjected to sensitivity analysis concerning four parameters: electricity purchase price, electricity selling price, hydrogen price, and oxygen price.The optimization results confirm the hypothesis that an energy self-sufficient system incurs higher costs compared to non-self-sufficient systems. A consistent feature across all variations was that full deployment of the photovoltaic (PV) system and the production and storage of hydrogen were always part of the optimal solution. The optimization of the annualized total costs for Variations 1 and 2, both of which maintain an electrical grid connection, yielded negative annualized total costs with the employed parameterization.These results indicate that investing in a sustainable energy system can be profitable, although associated with increased risk due to the novelty of hydrogen technologies. The sensitivity analysis further indicates that the choice of parameters, particularly hydrogen price, has a significant impact on optimal annualized total costs.