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T1 - Modellierung der energetischen Interaktion zwischen Industrie und urbanem Umfeld zur Identifikation von Synergien und Energieeffizienzpotentialen

AU - Karner, Katharina Christine

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die Dekarbonisierung des Energiesystems ist ein Hauptziel der europäischen Union. Der Anteil der Industrie am europäischen Endenergiebedarf beträgt 25% und bietet sich daher als Ausgangspunkt an. Zahlreiche Studien belegen die ökonomische Machbarkeit und die ökologischen Vorteile der Nutzung von industrieller Abwärme. Bisher wurde überwiegend die Nutzung industrieller Hochtemperaturabwärme betrachtet. Zusätzlich liegen große Potentiale an industrieller Niedertemperaturabwärme vor bzw. es stehen industrielle Dachflächen für eine energetische Nutzung mit PV-Anlagen zur Verfügung. Diese Potentiale an industrieller Energieabgabe können im Energieverbund Industrie-Stadt genutzt werden. Die zeitliche Inkongruenz des städtischen Energiebedarfs und der industriellen Energieabgabe ermöglichen keine vollständige Nutzung des Potentials, weshalb Flexibilitätsoptionen benötigt werden. Der bisherige Fokus der Flexibilisierung lag fast ausschließlich auf dem Stromsektor. In dieser Arbeit werden daher Methoden zur Flexibilisierung sowohl des industriellen Abwärme- als auch des industriellen PV-Stromangebots vorgeschlagen und anhand eines Fallbeispiels die technische, ökologische und ökonomische Machbarkeit evaluiert. Der Flexibilitätsbedarf wird mit Hilfe der diskreten Fourier-Transformation ermittelt. Aufbauend auf bisherigen Modellierungsansätzen werden Flexibilitätsoptionen in den Energieverbund Industrie-Stadt integriert. Als Flexibilitätsoptionen werden thermische und elektrische Speicher, die Schaffung von Städteverbünden und Lastverschiebung in der Industrie betrachtet. Im Gegensatz zu bisherigen Lastverschiebungen, die zu niedrigen Strombezugskosten bzw. zu einer Reduktion der benötigten Regelenergie führen sollen, werden die industriellen Prozesse und damit das Angebot an industrieller Energieabgabe so verschoben, dass es zu einer besseren Übereinstimmung mit dem städtischen Energiebedarf kommt. Basierend auf dem Fallbeispiel und den angenommenen Rahmenbedingungen konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: Aus technischer und ökologischer Sicht ist die Nutzung industrieller Energieabgabe sinnvoll, da hierdurch fossile Energieträger und somit CO2-Emissionen eingespart werden können. Bei einer ökonomischen Bewertung ergibt sich ein differenziertes Bild. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht stellt sich die Nutzung industrieller Abwärme in allen Szenarien auf Grund positiver Barwerte als sinnvoll dar. Im Gegensatz dazu ist die Nutzung von industriellem PV-Strom unter den angenommenen Rahmenbedingungen ohne Förderungen nicht ökonomisch integrierbar. Als Flexibilitätsoptionen wurden thermische und elektrische Speicher, die Schaffung eines Städteverbunds und Lastverschiebung in der Industrie betrachtet. Die Integration von thermischen Speichern ist gesamtwirtschaftlich sinnvoll, wobei aus mikroökonomischer Sicht zwischen verschiedenen Speicherauslegungen zu unterscheiden ist. Die Schaffung eines Städteverbunds ist die wirtschaftlichste Flexibilitätsoption. Durch die Integration einer zweiten Stadt wird der Bedarf ausgeweitet, sodass unter den gegebenen Rahmenbedingungen die gesamte industrielle Energieabgabe abgenommen werden kann. Eine Lastverschiebung in der Industrie führt zu einer minimalen Verbesserung der technischen Indikatoren, wobei Kosten und Umsetzbarkeit in der Praxis schwer zu beurteilen sind. Eine Integration industrieller Energieabgabe in das städtische Energiesystem konkurriert nicht mit dem Ausbau von erneuerbaren Energien. Als besonders vorteilhaft stellt sich dabei die kombinierte Nutzung von industrieller Abwärme und Biomasse heraus sowie die Kombination von industriellem PV-Strom und Windenergie. Bei der Umsetzung der aus dem Modell abgeleiteten Empfehlungen in der Praxis sollte eine enge Abstimmung mit den beteiligten Stakeholdern erfolgen. So lässt sich eine Verifizierung der Modellergebnisse sicherstellen.

AB - Die Dekarbonisierung des Energiesystems ist ein Hauptziel der europäischen Union. Der Anteil der Industrie am europäischen Endenergiebedarf beträgt 25% und bietet sich daher als Ausgangspunkt an. Zahlreiche Studien belegen die ökonomische Machbarkeit und die ökologischen Vorteile der Nutzung von industrieller Abwärme. Bisher wurde überwiegend die Nutzung industrieller Hochtemperaturabwärme betrachtet. Zusätzlich liegen große Potentiale an industrieller Niedertemperaturabwärme vor bzw. es stehen industrielle Dachflächen für eine energetische Nutzung mit PV-Anlagen zur Verfügung. Diese Potentiale an industrieller Energieabgabe können im Energieverbund Industrie-Stadt genutzt werden. Die zeitliche Inkongruenz des städtischen Energiebedarfs und der industriellen Energieabgabe ermöglichen keine vollständige Nutzung des Potentials, weshalb Flexibilitätsoptionen benötigt werden. Der bisherige Fokus der Flexibilisierung lag fast ausschließlich auf dem Stromsektor. In dieser Arbeit werden daher Methoden zur Flexibilisierung sowohl des industriellen Abwärme- als auch des industriellen PV-Stromangebots vorgeschlagen und anhand eines Fallbeispiels die technische, ökologische und ökonomische Machbarkeit evaluiert. Der Flexibilitätsbedarf wird mit Hilfe der diskreten Fourier-Transformation ermittelt. Aufbauend auf bisherigen Modellierungsansätzen werden Flexibilitätsoptionen in den Energieverbund Industrie-Stadt integriert. Als Flexibilitätsoptionen werden thermische und elektrische Speicher, die Schaffung von Städteverbünden und Lastverschiebung in der Industrie betrachtet. Im Gegensatz zu bisherigen Lastverschiebungen, die zu niedrigen Strombezugskosten bzw. zu einer Reduktion der benötigten Regelenergie führen sollen, werden die industriellen Prozesse und damit das Angebot an industrieller Energieabgabe so verschoben, dass es zu einer besseren Übereinstimmung mit dem städtischen Energiebedarf kommt. Basierend auf dem Fallbeispiel und den angenommenen Rahmenbedingungen konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: Aus technischer und ökologischer Sicht ist die Nutzung industrieller Energieabgabe sinnvoll, da hierdurch fossile Energieträger und somit CO2-Emissionen eingespart werden können. Bei einer ökonomischen Bewertung ergibt sich ein differenziertes Bild. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht stellt sich die Nutzung industrieller Abwärme in allen Szenarien auf Grund positiver Barwerte als sinnvoll dar. Im Gegensatz dazu ist die Nutzung von industriellem PV-Strom unter den angenommenen Rahmenbedingungen ohne Förderungen nicht ökonomisch integrierbar. Als Flexibilitätsoptionen wurden thermische und elektrische Speicher, die Schaffung eines Städteverbunds und Lastverschiebung in der Industrie betrachtet. Die Integration von thermischen Speichern ist gesamtwirtschaftlich sinnvoll, wobei aus mikroökonomischer Sicht zwischen verschiedenen Speicherauslegungen zu unterscheiden ist. Die Schaffung eines Städteverbunds ist die wirtschaftlichste Flexibilitätsoption. Durch die Integration einer zweiten Stadt wird der Bedarf ausgeweitet, sodass unter den gegebenen Rahmenbedingungen die gesamte industrielle Energieabgabe abgenommen werden kann. Eine Lastverschiebung in der Industrie führt zu einer minimalen Verbesserung der technischen Indikatoren, wobei Kosten und Umsetzbarkeit in der Praxis schwer zu beurteilen sind. Eine Integration industrieller Energieabgabe in das städtische Energiesystem konkurriert nicht mit dem Ausbau von erneuerbaren Energien. Als besonders vorteilhaft stellt sich dabei die kombinierte Nutzung von industrieller Abwärme und Biomasse heraus sowie die Kombination von industriellem PV-Strom und Windenergie. Bei der Umsetzung der aus dem Modell abgeleiteten Empfehlungen in der Praxis sollte eine enge Abstimmung mit den beteiligten Stakeholdern erfolgen. So lässt sich eine Verifizierung der Modellergebnisse sicherstellen.

KW - industrial excess heat

KW - industry-city-network

KW - flexibility option

KW - discrete fourier transformation

KW - industrielle Abwärme

KW - Industrie-Stadt-Energieverbund

KW - Flexibilitätsoptionen

KW - diskrete Fourier-Transformation

M3 - Dissertation

ER -