Mehrknotenmodell
Um die räumliche Dimension in der Energiesystemmodellierung berücksichtigen zu können, werden Mehrknotenmodelle benötigt. Bei diesen wird das Untersuchungsgebiet in mehrere Einzelregionen unterteilt - die sogenannten Knoten. Jedem dieser Knoten werden eigene Angebot- und Nachfrageprofile der zu berücksichtigenden Energieträger zugeordnet. Über Verbindungen zwischen den einzelnen Knoten können überschüssige Energieträger übertragen werden, um die Nachfragen in Knoten mit niedrigem Angebot decken zu können.
Ein Vorteil der Mehrknotenmodelle ist die Reproduzierbarkeit der Verteilung von ortabhängigen Angebots- und Nachfrageprofilen. So unterscheiden sich die einzelnen Knoten beispielsweise in ihren Potenzialen für wetterabhängige Stromerzeugung. Zur Erzeugung von Windenergie werden höhere Windgeschwindigkeiten benötigt, weshalb die Platzierung von Windturbinen in windstillen Knoten vermieden werden sollte. Solarzellen sollten dagegen bevorzugt in Knoten mit einer hohen Anzahl an Sonnenstunden platziert werden, um eine bestmögliche Stromerzeugung zu erhalten.
Neben der Darstellung von Ortsabhängigkeiten erlauben Mehrknotenmodelle auch die Berücksichtigung und die Berechnung der benötigten Kapazitäten von Transmissionskomponenten, die für den Austausch und die Übertragung von Energieträgern notwendig sind. Zu diesen Komponenten gehören beispielsweise das Stromnetz und das Gasnetz.
Zur Berechnung eines optimalen Energiesystems werden die festgelegten Eigenschaften der einzelnen Knoten und Transmissionen zwischen diesen als Nebenbedingungen für ein Optimierungsproblem übergeben. Die Zielfunktion dieses Optimierungsproblems ist zum Beispiel die Minimierung der Gesamtkosten des Energiesystems oder die Minimierung der Treibhausgasemissionen.
Im Rahmen des METIS-Projekts soll ein Mehrknotenmodell für Deutschland entwickelt werden, welches alle Energiesektoren beinhaltet. Aufgrund der großen Datenmenge, die hierfür benötigt werden, sowie der Anzahl an Nebenbedingungen und Variablen, die bei der Optimierung berücksichtigt werden müssen, nimmt die Rechenzeit zu und die Optimierungsprobleme können nicht mehr mit den üblichen Methoden der Optimierungssolver in einem angemessenen Zeitrahmen gelöst werden. Aggregationsmethoden und verbesserte Optimierungsmethoden werden notwendig, um diese Probleme berechnen zu können.
Grafik 1: Beispielhafte Darstellung eines Drei-Knoten Energiesystems.
Das Energiesystemmodell wird mit Hilfe des open-source Frameworks FINE implementiert [1].
