Techno-ökonomische Systemanalyse (IEK-3)

Um der Mission des IEK-3 gerecht zu werden, wurden seit 2010 thematisch konsequent aufeinander aufbauende Dissertationen vergeben. Dabei waren die ersten drei Jahre durch die Evaluation des Themenpotenzials des Transports von grünem Wasserstoff per Pipeline geprägt. Dabei wurden Technik und Kosten bewertet und das Konzept konnte zur Weiterverfolgung validiert werden. Ab dem Jahr 2013 wurde die Forschung vom Fokus Wasserstoff auf das Gesamtenergiesystem erweitert und erste komplexere Energiesystemanalysen vorgenommen, bei denen Verfügbarkeiten, Bedarf und Kosten unter vereinfachten Annahmen zur Infrastruktur in drei Dissertationen betrachtet wurden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen und einer Defizitanalyse wurden ab 2016 die Grundlagen der heutigen Programmsuite ETHOS gelegt, die Gesamtenergiesysteme techno-ökonomisch systematisch synthetisieren, analysieren und hinsichtlich der Kosten unter CO₂‑Restrik­tionen optimieren kann.

Im folgenden wird die Fähigkeit unserer Programmsuite kurz erklärt. Weiterhin können Sie auch eine Liste unserer Kooperationspartner einsehen.

Um alle wesentlichen Modell auf einer Basis aufzubauen, wurde das Framework FINE entwickelt. Die Besonderheit des Frameworks besteht in der detaillierten zeitlichen und örtlichen Auflösung der daraus aufgebauten Optimierungsmodelle. Um die daraus entstehende Komplexität systematisch zu reduzieren und die Optimierungsmodelle zu beschleunigen, beziehungsweise erst lösbar zu machen, sind Methoden der Datenaggregation in FINE implementiert. In ETHOS enthalten ist ein Einknotenmodell mit stündlicher Auflösung und hohem Detailgrad der abgebildeten Technik für Deutschland, welches die Grundlage für die Deutschlandstudien darstellt. Des Weiteren ist in ETHOS ein Modell zur Potenzialanalyse und Platzierung von erneuerbaren Energien enthalten, dass sowohl die Stromerzeugung durch PV auf Hausdächern und auf Freiflächen als auch durch Windenergie Onshore und Offshore GPS-koordinatengenau mit stündlicher Auflösung über 30 Wetterjahre berechnen kann. In dem Zuge wurde auch ein Optimierungsmodell zur globalen grünen Wasserstofferzeugung inklusive Langstreckentransport und einem Szenario für potenzielle Absatzmärkte erstellt. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt wurde auf die Modellierung von stündlich aufgelösten Energiebedarfen und deren Trends in den Sektoren Haushalte, Gewerbe/ Handel/ Dienstleistung, Industrie und Verkehr gelegt. Diese Arbeiten wurde ab dem Jahr 2019 durch die Integration der nicht-energetische Bedarfe an Energieträgern und Kohlenstoffkreisläufen in der Industrie sowie einer Regionalisierung der Energiesystemmodelle mit der Möglichkeit zur integrierten Optimierung der Infrastrukturdesigns von Strom-, Gas-, Wasserstoff- und Wärmetransport.

Dieser Aufbau verleiht dem IEK-3 ein Alleinstellungsmerkmal in Bezug auf Detailgrad der Modellierung und darauf aufbauenden komplexen Analysen unter anderem den Kapazitäten und der Platzierung von Speichern einschließlich der Betrachtung der Versorgungssicherheit bei kalten Dunkelflauten. Die derzeitigen Arbeiten erweitern die vorliegende Modellsuite ETHOS auf eine integrierte Energiebetrachtung für Europa, erweitert um Energieinfrastrukturen und Verkehr sowie einer Vertiefung in der industriellen Nutzung und internationalen Bereitstellung von Wasserstoff.

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