Entwurf und Implementierung von Open Source-Energiespeichermodellen
Credit:
BMWK
Je stärker unser Energiesystem auf fluktuierenden Energiequellen basiert, desto relevanter werden Speicher zum Ausgleich von Nachfrage und Erzeugung. Die technische Modellierung solcher Speicher stellt sich dabei als sehr komplex dar. Deshalb müssen für nationale und internationale Energiesysteme vereinfachte Ansätze gewählt werden, die gleichzeitig auch die Systemwirksamkeit der Speicheranlagen adäquat wiedergeben. Vor diesem Hintergrund soll in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Forschungsprojekt Sesame Seed ein standardisierter und wissenschaftlich abgesicherter Ansatz zur Bewertung von Energiespeichern für unterschiedliche Anwendungen entwickelt werden. Die im Projekt entwickelten Modelle sollen Antworten auf technische, wirtschaftliche und regulatorische Speicherfragen liefern und anschließend open-source veröffentlicht werden.
Forschungsprojekt Sesame Seed
Laufzeit
Februar 2020 bis Juli 2023
Förderung durch
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektbeteiligte
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Institut für Vernetzte Energiesysteme
Das Ziel des Projekts ist es, transparente, überprüfbare und quelloffene Modelle für ausgewählte Energiespeichertechnologien zu entwickeln und diese in Kombination mit adäquaten Einspeise- und Verbrauchszeitreihen öffentlich bereitzustellen. Diese Modelle und Daten sollen für Energiesystemmodellierer eine verlässliche und vergleichbare Basis darstellen und können in zukünftigen F&E-Projekten Verwendung finden. Darüber hinaus werden die Projektergebnisse in einer etablierten Modellierungsumgebung für Gesamtenergiesysteme implementiert und angewandt. Zum einen wird damit das vorhandene Energiesystemmodell erweitert, so dass es Energiespeicher zeitlich, räumlich und technologisch feiner aufgelöst abbildet. Zum anderen wird aktuellen Fragen wie zum Beispiel die techno-ökonomische Bewertung hybridisierter Speicher, das optimale Verhältnis zwischen Speicherleistung und dessen Kapazität oder die Technologieauswahl für ökonomische Integration fluktuierender Energien nachgegangen.
Als erstes Teilziel wird zunächst ein strukturierter Überblick über die verschiedenen Detaillierungsgrade von Speichermodellen geschaffen. Parallel wird eine Methode entwickelt, wie aus sehr detaillierten physikalisch-chemischen Simulationsmodellen (Level 3) vereinfachte aber konsistente Modelle der Level 2 bzw. 1 abgeleitet werden können. Unter Level 2 werden generische Modelle verstanden, die gemischt-ganzzahlig formuliert sind sowie nicht-lineare Technologieeigenschaften abbilden. Diese Modelle sind für den Einsatzzweck der Betrachtung lokaler Energiesysteme geeignet, welche noch recht genau die Eigenschaften und den Betrieb der Speichertechnologien abbilden müssen, um bspw. eine optimierte Auslegung zu ermöglichen.
Unter Level 1 werden dagegen Modelle verstanden, die in Energiesystemmodelle integriert werden können, zum Zweck die Integration der Technologie in regionale bis transnationale Energiesysteme zu modellieren und zu bewerten. Dazu müssen diese Modelle ausreichend vereinfacht sein, um akzeptable Rechenzeiten bei hinreichender Genauigkeit zu ermöglichen. Hierzu gehört beispielsweise, dass die Abhängigkeit des Wirkungsgrades vom Teillastzustand bzw. Speicherfüllstand in angemessener Form berücksichtigt werden kann, dass Ein- und Ausspeicherleistung unterschiedlich groß gewählt werden können sowie das Verhältnis von Leistung zu Kapazität individuell einstellbar ist. Bisherige Energiesystemmodelle (Level 0) arbeiten diesbezüglich mit starken Vereinfachungen.
Dementsprechend liegt ein Entwicklungsziel im Forschungsprojekt Sesame Seed in der Entwicklung geeigneter Modelle für die Level 2 und 1 auf Basis von Modellen des Levels 3 unter Abgrenzung von Modellen des bisherigen Levels 0. Keine Berücksichtigung finden dagegen bilanzielle Energiesystemmodelle (Level -1), welche ohne zeitliche Auflösung agieren und daher Speicher gar nicht abbilden können, sondern feste Verhältnisse zwischen der Leistung erneuerbarer Energiequellen und Speicherleistung postulieren.
Dem Projektteam am Institut für Vernetzte Energiesysteme kommt die Aufgabe zu, die Funktionalität und Validität der entwickelten Speichermodelle im Rahmen von einfachen Beispiel-Energiesystemen (je nach Level als lokales oder nationales Energiesystem) zu demonstrieren. Anschließend werden die Level-1-Modelle in das am DLR entwickelte Energiesystemmodell REMix integriert. Das verbesserte Energiesystemmodell wird dann für die Beantwortung verschiedener energiesystemischer Fragestellungen mit Speicherbezug genutzt.
Um die beschriebenen Szenarien-Berechnungen zu ermöglichen, werden parallel zur Modellierung technisch-ökonomische Daten zur Speicher-Parametrisierung gesammelt und aufbereitet sowie Zeitreihen erzeugt. Im Hinblick auf die Zeitreihen werden öffentliche Datenquellen für Einspeisedaten aus erneuerbaren Quellen und Stromverbrauchsdaten gesichtet und bei Eignung in Kombination mit vorhandenen Daten im Projekt weiterentwickelt. Der Fokus liegt dabei auf einer höheren zeitlichen Auflösung, da für Technologiesimulationen unterstündliche Auflösungen unabdingbar sind. Um auch die räumliche Auflösung verbessern zu können, werden aktuellste Landnutzungsdaten in die Prozessierung der Daten eingebunden. Die generierten Modelle und Daten sollen der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden.
Im übergeordneten Kontext ist das Forschungsprojekt Sesame Seed ein Kernbaustein des IEA Task 32 „Open Sesame“, in dem sich internationale Forschungseinrichtungen mit der Entwicklung, Bewertung und Nutzung von Speichermodellen befassen. In diesem Zusammenhang besteht ein weiteres Projektziel in der Internationalisierung der Ergebnisse sowie in der internationalen Absicherung der Modelle, um national und international die erforderliche Verlässlichkeit und Akzeptanz in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu erreichen.
Weitere Informationen zum Forschungsprojekt Sesame Seed:
