Modellierung und Simulation von urbanen Stromversorgungsnetzen in einem multiskalaren Gesamtmodell

Abstract

Die energiewirtschaftlichen, gesellschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen haben Einfluss auf die technische Auslegung und Betriebsführung von Stromnetzen. Umgekehrt hat das Verhalten des Stromnetzes Auswirkungen auf den Betrieb der Infrastrukturen anderer Energieversorgungsnetze (z.B. Gas, Fernwärme). Hinzu kommt, dass speziell in urbanen Gebieten, in denen leitungsgebundene Wärmeinfrastrukturen vorhanden sind, die Nutzung der energieträgerübergreifenden Potentiale positiven Einfluss auf Lastspitzen und Engpässe im Stromnetz haben können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine integrierte Modellumgebung geschaffen, die es ermöglicht Stromversorgungsnetze in einem multiskalaren, energieträger- und infrastrukturübergreifenden Gesamtmodell abzubilden. Dies erlaubt es, die Auswirkungen verschiedenster Szenarien mit unterschiedlichen Ausprägungen hinsichtlich des demographischen Wandels, der Integration erneuerbarer Energieträger sowie den Einsatz dezentraler Speicher auf die Versorgungsinfrastruktur zu analysieren. Um die Charakteristiken eines weitläufigen urbanen Verteilungsnetzabschnittes performant abzubilden, wurde eine adaptierte Methode, im Gegensatz zum klassischen Newton-Raphson-Verfahren, zur Lastflussrechnung angewandt. Zur Betrachtung von energieträgerübergreifenden Zusammenhängen wird zusätzlich zur Implementierung des Gleichstromlastflussrechnung für das Stromnetz, die Linearisierung der Berechnung der stationären hydraulischen Zustände in den Gas- und Fernwärmenetzen in eine simultane, lineare Optimierung eingebunden. Die Ergebnisse zeigen die auf Bestandsdaten und definierten Szenarien beruhenden Auslastungen der Betriebsmittel im Stromnetz sowie eine Ermittlung des Flexibilisierungspotentials in einer energieträgerübergreifenden Analyse zur optimalen Ausnutzung der bestehenden Infrastruktur. Des Weiteren können Netzausbauvarianten von Stadterweiterungsgebieten bewertet werden und die technisch optimale Versorgungsinfrastruktur unter der Berücksichtigung der Szenariorahmenbedingungen bestimmt werden.

Energy economic, social and political framework conditions affect technical designs and operational requirements of power grids. Vice versa, the beavior of a power grid influences the operation of other energy supply networks (e.g. gas, district heating). Additionally, especially in urban areas with grid-bounded heat infrastructures, using energy-carrier crossing potentials can have positive impact on peak loads and bottlenecks in the power grid. Therefore, an integrated model environment able to model a power grid within a multi-scalar, energy-carrier and infrastructure crossing overall model was created within the scope of this thesis. Hence, it is possible to analyze the impact on the electrical supply grid from different scenarios with various characteristics regarding demographic change, integration of distributed renewable energy sources as well as using decentralized storage systems. In order to model the characteristics of extensive urban electrical distribution grids an adapted method, in contrast to the classical Newton-Raphson algorithm, for power flow calculations was implemented. In addition to the implementation of the dc power flow model for the electricity network, a linearized calculation of the steady-state hydraulic characteristics in the gas and district heating networks is integrated into a simultaneous, linear optimization considering energy-carrier crossing relationships. The results show the utilization of resources in the power grid, based on inventory data and defined scenarios, as well as a determination of the potential for greater flexibility in an energy-carrier crossing analysis for optimizing the utilization of the existing electrical infrastructure. In addition, grid expansion variants of city extension areas can be evaluated and the technically optimal supply infrastructure can be determined considering different scenario conditions.