LE_Diss_2021

Exel, Lukas:
On the Modeling and Simulation of Future Energy Systems

Dissertation, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Germany, November 05, 2021.
Saarländische Universitäts- und Landesbibliothek, Saarbrücken, 2021

Abstract:

The finiteness of fossil fuels and their impact on the global climate call for a transformation of the energy system, in particular the power system. This transformation is driven by new technologies, changing objectives of the actors involved and conditions by political frameworks. A classic means of designing such conditions as well as evaluating strategies for achieving individual objectives is the use of models and their simulation. Just like the systems themselves, the models and the underlying methods are in a state of change, and their applicability must be questioned. As a result, there is a need for new methods and tools for modeling and simulating complex energy systems to represent reality with sufficient accuracy. The present thesis addresses this gap. First, based on a holistic description of the energy and power system, an overview of the current state of research of modeling approaches and their shortcomings is given. Second, the framework MOCES is designed and implemented. Based on Modelica, it allows a holistic simulation of the power system based on the modeling of the individual behavior of each actor as well as the physical systems they act on. Finally, MOCES is applied to simulate the German power system extended by storage systems that pursue the goal to use energy as locally as possible. The model allows, i.a., to evaluate the grid load and stability, the electricity market and the yields of the actors.

Kurzfassung:

Die Endlichkeit fossiler Energieträger und deren Einfluss auf das globale Klima erzwingen eine Transformation des Energie- und Stromsystems -- eine Umgestaltung, die getrieben ist durch neue Technologien, veränderte Zielstellungen der Akteure und politische Rahmenbedingungen, die als Bebauungsplan zu verstehen sind. Ein etabliertes Mittel zur Findung der Rahmenbedingungen sowie der Bewertung von Strategien zur Erreichung individueller Ziele ist die Nutzung von Modellen und deren Simulation. Genau wie die Systeme selbst müssen die Modelle und Methoden angepasst werden, um die Realität hinreichend genau abzubilden. Auf diese Forschungsfrage zahlt diese Arbeit mit zwei aufeinander aufbauenden Schwerpunkten ein. Zunächst wird, ausgehend von einer holistischen Beschreibung des Energie- und Stromsystems, ein Überblick zum Forschungsstand von Modellierungsansätzen und Herausforderungen gegeben. Im zweiten Teil wird das Framework MOCES entworfen und implementiert. Basierend auf Modelica erlaubt es eine holistische Simulation des Stromsystems auf Basis der Modellierung des individuellen Verhaltens der einzelnen Akteure sowie der physikalischen Systeme, auf die sie einwirken. MOCES wird genutzt, um ein deutsches Stromsystem zu simulieren, das mit Speichern modifiziert wurde, die dem Ziel folgen, Strom möglichst lokal zu verbrauchen. Das erstellte Modell erlaubt, u.a., den Einfluss auf die Netzlast und -stabilität, den Strommarkt sowie die individuellen Erträge der Akteure zu bewerten.