Internationale Bestrebungen zur Dekarbonisierung des Energiesystems, gepaart mit rascher technologischer Weiterentwicklung führen derzeit global zu einem massiven Ausbau von erneuerbaren Energieerzeugungskapazitäten. Diese Entwicklung bringt Vorteile, aber auch neue Herausforderungen für das Energieversorgungssystem mit sich. Eine der Hauptherausforderungen ist die Volatilität erneuerbarer Energieträger, wie der Sonnen- und Windenergie. Der starke Ausbau von Technologien zur Nutzung dieser Energiequellen führt zu stark schwankenden Residuallasten im Energieversorgungssystem. Das bedeutet, dass sich zukünftig Zeiten mit Energiemangel aus erneuerbaren Quellen mit Zeiten von Energieüberschüssen schnell abwechseln werden.
Die vorliegende Dissertation analysiert diese fluktuierenden Residuallasten und deren Auswirkungen auf verschiedenen Hierarchieebenen des Energiesystems . Die erste Ebene, die in der Arbeit betrachtet wird, ist ein Einknoten-System bei dem der elektrische Energiebedarf als Lastprofil vorgeben ist. Das Hauptziel, das dabei in der Arbeit verfolgt wird ist die Entwicklung einer Methodik, die bei vorgegebenem Eigendeckungsgrad eine minimale PV-Erzeugungs- und Energiespeicherkapazität ermittelt. Dazu wird eine neuartige mathematische Optimierungsmethodik vorgestellt, und auf die elektrischen Lastprofile zahlreicher Haushaltstypen angewendet.
Neben dem Einknotenmodell, wird in der Arbeit eine Mehrknoten-Simulationsumgebung präsentiert, die über mehrere hierarchischen Systemebenen hinweg ein energieträger-übergreifendes Zusammenwirken von Erzeugern, Verbraucher und flexiblen Elementen wie Speichern ermöglicht. Fluktuierende Residuallasten, die sich in den jeweiligen Systemknoten durchaus unterscheiden, führen zu rasch wechselnden Lastflüssen. Die neu vorgestellte Simulationsumgebung HyFlow berechnet diese Lastflüsse für die drei leitungsgebundenen Energieträger, Strom, Gas und Fernwärme, und erlaubt somit in allen betrachteten Hierarchieebenen eine zeitliche und örtliche Analyse von Netzüberlastungen. Zudem können mit HyFlow unterschiedliche Lösungsstrategien zu deren Vermeidung verglichen werden. Dabei kommen Technologien wie Energiespeicher, Sektorkopplung oder Laststeuerung zur Anwendung, die sich in HyFlow beliebig einsetzen, verorten und konfigurieren lassen. Szenarien in unterschiedlicher hierarchischer Tiefe ermöglichen es dabei über mehrere Netzebenen hinweg, u.a. eine vermehrte Nutzung fluktuierender Energiequellen, ein verändertes Lastverhalten in einzelnen Sektoren oder einen verstärkten Einsatz von flexiblen Elementen, wie z.B. Energiespeichern, zu untersuchen. Die mit HyFlow erzielten Ergebnisse können daher als wertvolle Entscheidungshilfe für Netzbetreiber und politische Entscheidungsträger dienen.