Integrierte quasistationäre Flussberechnung und Bestimmung von Einflussfaktoren für zukünftige sektorgekoppelte Systeme (QUESTIES)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der zunehmende Anteil volatiler Erneuerbarer Energien in der Stromversorgung, das Abschalten konventioneller Kraftwerke und fehlende Stromleitungen führen zu Herausforderungen im Stromnetz. Immer häufiger fehlt dem Netz Flexibilität um Erzeugungsschwankungen auszugleichen, was zu einer Gefährdung der Netzstabilität führt. Zur Erhöhung der Flexibilität können integrierte Energiesystem (IES) (hier: Strom, Gas, Fernwärme) eingesetzt werden. Innerhalb solcher Systeme kann Energie zwischen den Infrastrukturen verschoben werden. Da mit einer verstärkten Kopplung die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Systemen zunehmen, ist eine unabhängige Betrachtung der Netze nicht mehr zeitgemäß. Es kann dazu führen, dass Gefährdungen der Netzstabilität nur zwischen den Netzen verschoben werden und das Gesamtsystem instabiler wird. Um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb eines IES zu gewährleisten, ist es erforderlich die gegenseitigen Einflüsse auf den Netzzustand zu bestimmen und den Einfluss von Erzeugern, Kopplungstechnologien oder Verbrauchern auf den Netzzustand zu analysieren. Im Projekt Quest-IES wurden deshalb Sensitivitätsfaktoren entwickelt, mit denen die Auswirkungen von Leistungsänderungen auf die Leistungsflüsse aller drei Energiesysteme analysiert werden können. Des Weiteren wurde eine gekoppelte quasistationäre Leistungsflussberechnung entwickelt, die das dynamische Gas- und Fernwärmenetzverhalten abbilden kann. Die Berechnung bildet die Temperaturverteilung im Wärmenetz als auch die Wasserstoffverteilung und die Effekte der Gaskompressibilität im Gasnetz ab. Eine Validierung mit analytischen Lösungen und Verifizierung mit vorhandenen Literaturergebnissen zeigt eine sehr hohe Genauigkeit der entwickelten Berechnung in der Abbildung des dynamischen Verhaltens im Wärme- und Gasnetz. Detaillierte Analysen zeigen, dass dieses dynamische Verhalten starke Auswirkungen auf die Leistungsflüsse im IES und auf den Betrieb von Kopplungsanlagen hat. Die Untersuchungen ergaben somit, dass die häufig angewendeten stationären Leistungsflussberechnungen eine starke Vereinfachung des physikalischen Verhaltens IES darstellen. Auf Basis der quasistationären Leistungsflussberechnung wurden mithilfe des PTDF-Ansatzes Sensitivitätsfaktoren abgeleitet. Diese zeigen eine hohe Recheneffizienz und sind im Mittel zehnmal schneller als eine Leistungsflussberechnung um die Auswirkung einer Leistungsänderung auf die Leistungsflüsse im IES abzuschätzen. Jedoch ist die Ergebnisgüte im Vergleich zu einer Leistungsflussberechnung von der Netztopologie, der Last- und Erzeugungssituation, dem Ort der Leistungsänderung und der Höhe der Leistungsänderung abhängig. Trotz des wissenschaftlichen Ansatzes können die entwickelten Methoden von Netzbetreibern angewendet werden. Da die Leistungsflussberechnung und die Sensitivitätsfaktoren bereits bestehende Methoden weiterentwickeln und verbessern, können diese in bestehende Prozesse eingebunden und deren Mehrwert genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Improved quasi-steady-state power flow calculation for district heating systems: A coupled Newton-Raphson approach. Applied Energy, 295, 116930.
Dancker, Jonte & Wolter, Martin
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Sensitivity factors in electricity-heating integrated energy systems. Energy, 229, 120600.
Dancker, Jonte; Klabunde, Christian & Wolter, Martin
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A coupled transient gas flow calculation with a simultaneous calorific-value-gradient improved hydrogen tracking. Applied Energy, 316, 118967.
Dancker, Jonte & Wolter, Martin
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A Joined Quasi-Steady-State Power Flow Calculation for Integrated Energy Systems. IEEE Access, 10, 33586-33601.
Dancker, Jonte & Wolter, Martin
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„Sensitivity Factors for Integrated Energy Systems: A Quasi-Steady-State Approach“, MAFO, Band 91, 2022,
Dancker, Jonte
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Power-Transfer-Distribution-Factor-Based Sensitivity Factors for Integrated Energy Systems. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 15(1), 486-498.
Dancker, Jonte & Wolter, Martin
