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Energieforschungsplan EVUPLAN, Aktualisierung der Substitutionseffekte erneuerbarer Energien im deutschen und europäischen Stromsektor und ihrer Auswirkungen auf die Emissionsbilanzierung erneuerbarer Energieträger

a) Zielstellung, fachliche Begründung: Im Rahmen der Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger ermittelt das UBA jährlich die Emissionen Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen, die durch die Nutzung erneuerbarer Energien vermiedenen werden. Zu diesem Zweck wird eine jährlich aktualisierte Analyse der durch erneuerbare Energien verdrängten fossilen Kraftwerke benötigt. Dabei hat eine Verschiebung zwischen verschieden fossilen Energieträgern eine signifikante Wirkung auf das Ergebnis. Mittels der bereits gewonnenen Erkenntnisse aus dem Vorgängerforschungsvorhaben 'SeEIS' (Substitutionseffekte erneuerbarer Energien im Stromsektor) soll eine Aktualisierung der Ergebnisse bewerkstelligt werden, welche die dynamischen Entwicklungen im europäischen Strommarkt abbildet. Ferner soll geprüft werden, inwieweit sich der methodische Ansatz mit Blick auf die EE-Ausbauziele vereinfachen lässt. b) Output: Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Substitutionseffekte erneuerbarer Energien technologiespezifisch (Wind-onshore, -offshore, PV, Wasserkraft, Biomasse (ggf. differenziert) /Geothermie) jeweils für Deutschland und seine Nachbarländer zu untersuchen bzw. zu aktualisieren.

Erweiterung der Biogasanlage zur zentralen Vergärung der Wirtschaftsdüngermenge in der Region und Produktion von flüssigem CO2, Teilvorhaben 1: Anlagenplanung und -bau, Inbetriebnahme sowie Projektkoordination

Betriebsoptimierung des Wärmenetzes einschließlich der Nutzung von Strom aus EE und Abwärme aus der Wasserstoffproduktion in Bosbüll

Der Fokus des avisierten Forschungsvorhabens liegt auf der Umsetzung von optimierten Betriebsstrategien mit Hilfe der prädiktiven Regelung mit KI unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen und regulatorisch-rechtlichen Aspekten. Die grundlegenden technischen Aspekte beinhalten dabei die simulationsgestützte Entwicklung einer KI- und prognosebasierten Betriebsführung für das Wärmenetz zur maximalen Nutzung des eigenen lokal erzeugten Stroms aus PV- und Windkraftanlagen und der erlösoptimierten Vermarktung der Residualmengen im Strommarkt. Darüber hinaus sollen die Einbindung von Abwärme aus der Wasserstoffproduktion ins Wärmenetz und die Nutzung von thermischen Speichern (zentral und dezentral) im Lastmanagement mitberücksichtigt werden. Damit soll eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads der Wasserstoffproduktion durch die Einbindung der Abwärme ins Wärmenetz ermöglicht werden.

Energieforschungsplan EVUPLAN, Marktanalyse Ökostrom III (inkl. Wettbewerbsrecht und Stromkennzeichnung)

Der Ökostrommarkt unterliegt derzeit großen Veränderungen: Es kommen die ausgeförderten EEG-Anlagen in die Vermarktung, es werden zahlreiche Anlagen außerhalb des EEG geplant. Die bereits diskutierte Nachfolge der RL 2018/2001 (RED II) wird möglicherweise weitreichende Konsequenzen für den Ökostrommarkt mit sich bringen. Ferner gilt es, die wettbewerbsrechtlichen Voraussetzungen für Herkunftsnachweise zu untersuchen und eine rechtliche Bewertung aufgrund der tatsächlichen Prioritäten von Verbraucherinnen und Verbrauchern vorzunehmen. Stimmt das Recht mit diesen überein? Sind Verbraucherinnen und Verbraucher hinreichend durch das Recht geschützt oder müssen die zuständigen Behörden mehr tun? Wie werden 'grüne Erwartungen' an Stromprodukte tatsächlich geschützt? Wird double-perception im Ausland durch das Doppelvermarktungsverbot geschützt? Die Stromkennzeichnung entfaltet noch immer nicht die gewünschte Wirkung über die Wahrnehmung und Nutzung durch Verbraucher*innen. Die braucht eine gründliche Überarbeitung auf wissenschaftlicher Grundlage. Zudem gilt die Frage zu klären, ob die Stromkennzeichnung als verlässliche Grundlage für Unternehmensberichte herangezogen werden kann. Eine längerfristig angelegte breit gefasste Studie mit Beobachtung des Marktes und Untersuchung rechtlicher Grundlagen wird helfen, die politischen/gesetzlichen Instrumente für diesen Markt als gute Ergänzung zur Förderung erneuerbarer Energien weiterzuentwickeln.

Wärmefluss-Optimierung zur Sektorenkopplung in Fernwärmenetzen mittels MPC unter Berücksichtigung eines strommarktorientierten Betriebes, Teilvorhaben: Methoden- und Softwareentwicklung für die Optimierung

Das Vorhaben WOpS - Wärmefluss-Optimierung zur Sektorkopplung hat das Ziel, eine Modell- und Optimierungs-Bibliothek zur optimierungsbasierten Betriebsführung dezentraler Einspeisepunkte in Fernwärmenetzen unter Berücksichtigung eines strommarktorientierten Betriebs der Anlagentechnik zu entwickeln. Diese wird möglichst robust und generisch verfasst, um eine größtmögliche und einfach umzusetzende Übertragbarkeit zu ermöglichen. Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal der Bibliothek ist die Abbildung der thermohydraulischen zeit- und ortsabhängigen Charakteristika von Wärmeflüssen, die eine optimale Verteilung der Wärme im Wärmenetz ermöglicht. Ziel ist eine gemeinsame Vermarktung der dezentralen Anlagen mit den Koppelprodukten Wärme und der an der Börse gehandelten elektrischen Energie. Für die im Betrieb zu lösenden gemischt-ganzzahligen Optimierungsprobleme wird ein neuer, quell-offener numerischer Löser entwickelt. Zur Erprobung der Verfahren wird eine direkte, praxisnahe Umsetzung in Demonstratoren unter Berücksichtigung der Anforderungen aus dem Netzbetrieb (z.B. 'Redispatch 2.0') sowie einer autonomen Teilnahme der Einheiten am Strommarkt realisiert und die Strom-Wärme-optimierten Fahrpläne in den Demonstratoren umgesetzt. In der Betrachtung werden primär Bestands-Wärmenetze angegangen, die in ihrer Transformation durch die Inbetriebnahmen neuer dezentraler Einspeisepunkte mit unterschiedlichen Anforderungen (z.B. neuartige Wärmequellen in Verbindung mit Großwärmepumpen) unter Berücksichtigung eines strommarkt- wie auch netzorientierten Betriebes der Anlagentechnik neue Herausforderungen an die Versorgungs- und Betriebssicherheit, Energieeffizienz und hohe Lebensdauer der Anlagentechnik stellen. Das Ergebnis ist ein für den Markt verfügbares Modul mit einer Komponentenbibliothek für eine IoT-Plattform und stellt damit einen wesentlichen Baustein für die Transformation von klassischen Unternehmen der Energieversorgung hin zu Energiedienstleistern dar.

Wärmefluss-Optimierung zur Sektorenkopplung in Fernwärmenetzen mittels MPC unter Berücksichtigung eines strommarktorientierten Betriebes

Das Vorhaben WOpS - Wärmefluss-Optimierung zur Sektorkopplung hat das Ziel, eine Modell- und Optimierungs-Bibliothek zur optimierungsbasierten Betriebsführung dezentraler Einspeisepunkte in Fernwärmenetzen unter Berücksichtigung eines strommarktorientierten Betriebs der Anlagentechnik zu entwickeln. Diese wird möglichst robust und generisch verfasst, um eine größtmögliche und einfach umzusetzende Übertragbarkeit zu ermöglichen. Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal der Bibliothek ist die Abbildung der thermohydraulischen zeit- und ortsabhängigen Charakteristika von Wärmeflüssen, die eine optimale Verteilung der Wärme im Wärmenetz ermöglicht. Ziel ist eine gemeinsame Vermarktung der dezentralen Anlagen mit den Koppelprodukten Wärme und der an der Börse gehandelten elektrischen Energie. Für die im Betrieb zu lösenden gemischt-ganzzahligen Optimierungsprobleme wird ein neuer, quelloffener numerischer Löser entwickelt. Zur Erprobung der Verfahren wird eine direkte, praxisnahe Umsetzung in Demonstratoren unter Berücksichtigung der Anforderungen aus dem Netzbetrieb (z.B. 'Redispatch 2.0') sowie einer autonomen Teilnahme der Einheiten am Strommarkt realisiert und die Strom-Wärme-optimierten Fahrpläne in den Demonstratoren umgesetzt. In der Betrachtung werden primär Bestands-Wärmenetze angegangen, die in ihrer Transformation durch die Inbetriebnahmen neuer dezentraler Einspeisepunkte mit unterschiedlichen Anforderungen (z.B. neuartige Wärmequellen in Verbindung mit Großwärmepumpen) unter Berücksichtigung eines strommarkt- wie auch netzorientierten Betriebes der Anlagentechnik neue Herausforderungen an die Versorgungs- und Betriebssicherheit, Energieeffizienz und hohe Lebensdauer der Anlagentechnik stellen. Das Ergebnis ist ein für den Markt verfügbares Modul mit einer Komponentenbibliothek für eine IoT-Plattform und stellt damit einen wesentlichen Baustein für die Transformation von klassischen Unternehmen der Energieversorgung hin zu Energiedienstleistern dar.

Wärmefluss-Optimierung zur Sektorenkopplung in Fernwärmenetzen mittels MPC unter Berücksichtigung eines strommarktorientierten Betriebes, Teilvorhaben: Umsetzung und Demonstration

Das Vorhaben WOpS - Wärmefluss-Optimierung zur Sektorkopplung hat das Ziel, eine Modell- und Optimierungs-Bibliothek zur optimierungsbasierten Betriebsführung dezentraler Einspeisepunkte in Fern-wärmenetzen unter Berücksichtigung eines strommarktorientierten Betriebs der Anlagentechnik zu entwickeln. Diese wird möglichst robust und generisch verfasst, um eine größtmögliche und einfach um-zusetzende Übertragbarkeit zu ermöglichen. Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal der Bibliothek ist die Abbildung der thermohydraulischen zeit- und ortsabhängigen Charakteristika von Wärmeflüssen, die eine optimale Verteilung der Wärme im Wärmenetz ermöglicht. Ziel ist eine gemeinsame Vermarktung der dezentralen Anlagen mit den Koppelprodukten Wärme und der an der Börse gehandelten elektrischen Energie. Für die im Betrieb zu lösenden gemischt-ganzzahligen Optimierungsprobleme wird ein neuer, quelloffener numerischer Löser entwickelt. Zur Erprobung der Verfahren wird eine direkte, praxisnahe Umsetzung in Demonstratoren unter Berücksichtigung der Anforderungen aus dem Netzbetrieb (z.B. 'Redispatch 2.0') sowie einer autonomen Teilnahme der Einheiten am Strommarkt realisiert und die Strom-Wärme-optimierten Fahrpläne in den Demonstratoren umgesetzt. In der Betrachtung werden primär Bestands-Wärmenetze angegangen, die in ihrer Transformation durch die Inbetriebnahmen neuer dezentraler Einspeisepunkte mit unterschiedlichen Anforderungen (z.B. neuartige Wärmequellen in Verbindung mit Großwärmepumpen) unter Berücksichtigung eines strommarkt- wie auch netzorientierten Betriebes der Anlagentechnik neue Herausforderungen an die Versorgungs- und Betriebssicherheit, Energieeffizienz und hohe Lebensdauer der Anlagentechnik stellen. Das Ergebnis ist ein für den Markt verfügbares Modul mit einer Komponentenbibliothek für eine IoT-Plattform und stellt damit einen wesentlichen Baustein für die Transformation von klassischen Unternehmen der Energieversorgung hin zu Energiedienstleistern dar.

Resiliente kommunale Energiesysteme mit bedarfsgerechter Vergasung nachhaltiger Biomasse und mitteltiefer Geothermie, Teilvorhaben: Standortanalyse, Anlagenmodellierung, Geothermie und Strommarkt

Thema des Vorhabens biovolatil ist die Erhöhung der energiebezogenen Resilienz von Kommunen durch autarke, klimaneutrale Energiegewinnung und -speicherung unter Einbeziehung nachhaltiger Biomasse und geothermischer Speicher. Energie aus Sonne und Wind ist fluktuierend, ebenso der Energiebedarf. Ein lokaler Ausgleich reduziert die Belastung der Netze. Dieser lokale Ausgleich kann durch Biomassevergaser mit Blockheizkraftwerken (BV-BHKW) und Geothermiesysteme (UTES) erweitert werden. Die Vergasertechnologie nutzt bisher ungenutzte Potenziale nachhaltiger Biomasse. BV-BHKW sind je nach Typ für unterschiedliche Regelbereiche geeignet. Im Vorhaben werden zusätzlich Experimente an einem kommerziellen BV-BHKW durchgeführt, um die Einsatzfähigkeit zu optimieren und Daten für die Modellbildung zu generieren. UTES sorgen für einen saisonalen Wärmeausgleich und erhöhen die Effizienz der BV-BHKW. Dafür sind mitteltiefe UTES aufgrund des höheren Temperaturniveaus am besten geeignet. Ein Betrieb mit saisonaler Beladung erhöht außerdem deren Effizienz. Um die Praktikabilität aufzuzeigen, werden eine städtische und eine ländliche Beispielkommune betrachtet. Diese werden hinsichtlich ihrer Potenziale bezüglich Biomasseverfügbarkeit und Geothermie bewertet. Außerdem werden die Energiedaten erfasst, um eine mögliche Integration des neuen Konzepts in das bestehende System aufzuzeigen. Die Bewertung der Standorte fließt dann in eine Optimierung des lokalen Energiesystems ein, mit Fokus auf den volatilen Ausgleich benötigter Energie durch BV-BHKW und UTES. Die Ergebnisse werden im Anschluss hinsichtlich ihrer Einsparung von Treibhausgasen, Autarkie zur Resilienzförderung und Wirtschaftlichkeit bewertet. Ebenso findet eine Szenarienentwicklung auf Basis der spezifischen lokalen Ergebnisse statt, die eine Übertragung des Konzepts auf andere Standorte ermöglicht.

Optimierte Systemintegration von Offshore-Windenergie mittels intelligenter Verknüpfung verschiedener Prognosekonzepte und vorausschauendem Management von verteilten Kaskadenspeichern, Teilvorhaben: Netzdienlicher Speichereinsatz innerhalb bestehender und zukünftiger Marktszenarien

Optimierte Systemintegration von Offshore-Windenergie mittels intelligenter Verknüpfung verschiedener Prognosekonzepte und vorausschauendem Management von verteilten Kaskadenspeichern, Teilvorhaben: Satellitenbasierte Detektion von Windfeldprognoseabweichungen

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