Linking local energy and resource utilization in energy communities beyond traditional sector coupling

Abstract

Die nachhaltige Entwicklung des Energiesystems erfordert die Berücksichtigung lokaler Ressourcennutzung. Diese Arbeit inkludiert die lokale Ressourcennutzung bei der konventionellen Sektorenkopplung, speziell in Form von Abfall und Wasser. Dazu wird ein Modell zur Abbildung verschiedener Sektoren und Konsumenten entwickelt, um der Komplexität dieser Ressourcenintegration gerecht zu werden. Modellerweiterungen beschreiben Geschäftsmodelle für Energiegemeinschaften für verbesserte lokale Energie- und Ressourcennutzung und Investitionen in lokale Behandlungsanlagen. Die Einführungen von Indikatoren zur Quantifizierung der lokalen nach haltigen Entwicklung runden die Methodik ab, die in mehreren Fallstudien angewandt wird. Die Ergebnisse zeigen ein hohes Potenzial der Energierückgewinnung durch Ressourcenbehandlung, wobei methodisch bereits eine vereinfachte Abbildung der Sektorenkopplung zu hoher Komplexität und nichtlinearen Beziehungen in der Energiesystemmodellierung führt. Die Gründung nachhaltiger Energiegemeinschaften verbunden mit Geschäftsmodellen führen zu Verbesserungen lokaler Energie- und Ressourcennutzung. Dies gilt auch für Investitionen in lokale Behandlungsanlagen, wobei durch die hohen Installationskosten solcher schnell die Wirtschaftlichkeitsgrenzen erreicht werden. Deswegen ist bei lokalen Ressourcenbehandlungsstrategien die richtige Wahl der individuellen Systemgrenze des Einzugsgebietes für die optimale Systemeffizienz von entscheidender Bedeutung. Die eingeführten Nachhaltigkeitsindikatoren haben sich als geeignetes Maß zur Beschreibung der nachhaltigen lokalen Entwicklung herausgestellt. Daraus resultierende Richtlinien für Nachhaltigkeitsziele und Förderinstrumente könnten lokale nachhaltige Entwicklung weiter fördern. Zukünftige Forschungsschwerpunkte für lokale Ressourcennutzung in der Sektorkopplung könnten in der Erweiterung der vorgestellten Geschäftsmodelle liegen. Dies umfasst sowohl die Anzahl der Teilnehmer und die geographische Ausdehnung des zu untersuchenden Gebietes, als auch die zeitliche Dimension hinsichtlich einer möglichen zukünftigen Erweiterung. Außerdem sollte die vermehrte Einbindung von Wasserstoff als Energiesektor in erweiterten Analysen berücksichtigt werden.

The sustainable development of the energy system requires the consideration of local resource use. This work includes the local resource utilization in the conventional coupling of energy sectors, especially in the form of waste and water. For this purpose, a model is developed to represent different sectors and consumers in order to cope with the complexity of this resource utilization. Model extensions describe business models for energy communities for improved local energy and resource use as well as investments in local resource treatment facilities. The introduction of indicators to quantify local sustainable development completes the methodology, which is applied in several case studies. The results show a high potential in energy recovery through resource treatment, although from a methodological point of view already a simplified modelling of sector coupling leads to high complexity and non-linear relationships in energy system modelling. The establishment of sustainable energy communities combined with stable business models leads to improvements in local energy and resource utilization. This also applies to investments in local resource treatment plants, although the high installation costs of such plants quickly reach their economic viability limits. Therefore, for local resource treatment strategies, the right choice of the individual system boundary of the catchment area is crucial for optimal system efficiency. The sustainability indicators introduced have proven to be a suitable measure for describing sustainable local development. Resulting guidelines for sustainability targets and funding instruments could further promote local sustainable development. Future research priorities for local resource utilization in sector coupling could lie in the expansion of the business models presented. This includes both the number of participants and the geographical extent of the area to be studied, as well as the time dimension with regard to a possible future expansion. Furthermore, the increased integration of hydrogen as an energy sector should be considered in extended analyses.