REMix (Renewable Energy Mix)

Ziel war es, die Rolle der Flexibilität im zukünftigen europäischen Energiesystem zu bewerten. Dies geschah durch eine umfassende Modellierung der europäischen Netze, der Energiespeicherung und der Sektorkopplung. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf Batteriefahrzeugen, Wasserstoffinfrastrukturen und der Umgestaltung der Wärmeversorgung. Wir haben gelernt, dass die Nutzung von Flexibilität in der Sektorkopplung ein anderes Kapitel ist als die Stromspeicherung. Der flexible Betrieb von Batteriefahrzeugen, Wärmepumpen und Elektrolyseuren reduziert die Spitzenlast deutlich. Ein Fokus auf den Lastausgleich verlagert sich von Wärme auf Wasserstoff mit Speicherung mit stärkeren Emissionsminderungen.

Die Modellierung des europäischen Energiesystems in einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung bedeutet, dass komplexere Modelle gelöst werden müssen, was die Einführung geeigneter Ansätze für eine leistungsfähige Berechnung erforderlich macht. Eine der wichtigsten Einschränkungen sind die modernen Solver, die zur Lösung des zugrundeliegenden mathematischen Optimierungsproblems verwendet werden. Sie sind in der Regel darauf ausgelegt, das Problem auf einem einzigen Rechenknoten zu lösen. Dies hat zur Folge, dass mit zunehmender Größe der Modelle sowohl der verfügbare Speicher des Rechenknotens als auch die Zeit zur Lösung des Problems zu limitierenden Faktoren werden können.

Zu diesem Zweck haben wir eine systematische Evaluierung von Maßnahmen zur Reduzierung der Modellkomplexität und damit zur Verbesserung der Rechenleistung durchgeführt. Dies geschah durch die Reduzierung der Modellgröße mit Hilfe von Differenzheuristiken und durch den Einsatz des neu entwickelten parallelen Lösers PIP-IPM++. Die verschiedenen Heuristiken ermöglichten es, die Lösungszeit um den Faktor 10 zu beschleunigen, allerdings geht diese Reduzierung auf Kosten der Genauigkeit. Daher ist die Wahl der passenden Heuristik für jedes Problem ein entscheidender Aspekt, um Verzerrungen bei der Beantwortung von Forschungsfragen zu vermeiden. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einsatz des massiv parallelen Solvers PIPS-IPM++ den Modellierern die Nutzung moderner Hochleistungsrecheninfrastrukturen und profitiert von einem besseren Skalierungsverhalten. Der Einsatz von parallelen Solvern ist jedoch mit dem zusätzlichen Aufwand verbunden, die Modellformulierung an die für PIPS-IPM++ erforderliche diagonale Blockstruktur anzupassen.

Szenarioanalysen für zukünftige Energiesysteme beschränken sich oft auf die Berechnung einer kleinen Anzahl von Szenarien. Dies ist zum einen dem Rechenaufwand geschuldet. Andererseits erfordert der Wissenstransfer zu menschlichen Entscheidungsträgern eine Verdichtung der Ergebnisse auf eine überschaubare Anzahl von Szenarien. Die Unsicherheiten, die mit zukünftigen Energieversorgungssystemen verbunden sind, sind jedoch enorm. Um robuste Ergebnisse abzuleiten, sind ausgefeilte Ansätze erforderlich, um sie systematisch unter verschiedenen Annahmen zu testen. Die Fähigkeit von REMix, die rechnerischen Herausforderungen zu bewältigen, ermöglichte es uns, Ensemblesimulationen für insgesamt mehr als 10.000 Szenarien durchzuführen. Jedes Szenario wurde anhand von Indikatoren bewertet, welche die Merkmale eines Szenarios in Bezug auf Erschwinglichkeit, Umweltauswirkungen und Versorgungssicherheit beschreiben, um Szenarien zu ermitteln, die als „wünschenswert“ (SOI), „nicht wünschenswert“ (AniSOI) oder „durchschnittlich“ (Normal) eingestuft werden können. Für unsere Modellierung des deutschen Elektrizitätssystems im nächsten Jahrzehnt haben wir beispielsweise festgestellt, dass zwischen 400 und 1000 Szenarien erforderlich sind, um den Raum der möglichen Entwicklungen in Bezug auf die Indikatorwerte nahezu abzudecken. Die sich daraus ergebenden Bandbreiten für die gebräuchlichsten Indikatoren (Systemkosten, Treibhausgasemissionen) sind in der Abbildung unten dargestellt.

Im Rahmen dieser Aktivität wurde ein systematischer Vergleich von neun Energiesystemmodellen durchgeführt. Der Vergleich konzentrierte sich auf die Nutzung von Flexibilitätsoptionen zum Ausgleich der variablen Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Neun Modelle wurden harmonisiert und zwei Experimente durchgeführt. Im ersten Experiment wurden erhebliche Unterschiede bei der Modellierung von Technologien festgestellt, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, Wasserkraft und der Nachfragereaktion. Das zweite Experiment betrachtete komplexere Szenarien mit 16 stilisierten Fällen und zeigte, dass Unterschiede im Modellumfang einen größeren Einfluss auf die Ergebnisse hatten als Unterschiede im Optimierungsansatz oder in der Technologiedarstellung. Die Ergebnisse des Projekts tragen zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen verschiedener Modellierungsansätze auf die Systemauslastung und Flexibilitätsoptionen bei. Bei dem Vergleich erwies sich REMix als eines der umfassendsten Frameworks seiner Art.