Problem
Die Freie und Hansestadt Hamburg hat sich das Ziel Klimaneutralität bis 2050 gesetzt. Daher ist das Ziel ein Umbau der Energienetze damit in Zukunft Haushalte, Verkehr und Industrie mit ausschließlich erneuerbaren Energien versorgt werden. Die Netzplanung findet bisher für die Netze Strom, Wärme und Gas getrennt statt. Die Anforderungen für die Kopplung der einzelnen Sektoren erfordern jedoch eine Abkehr von der heutigen separaten Netzplanung hin zu einer integrierten Netzplanung. Für Industriemetropolen gibt es aktuell keine integrierten Modelle oder anwendbaren Planungsvorgehen, die eine koordinierte integrierte Netzplanung einschließlich der netzorientierten PtX-Anlagenkopplung in einer Roadmap zur Transformation der Energienetze für Strom, Gase und Wärme mit dem Ziel einer erfolgreichen Dekarbonisierung aller Nutzer-Sektoren ermöglicht.
Ziel
Die Aufgabe der integrierten Netzplanung ist es, eine koordinierte Roadmap für die nötige Transformation der Energienetze in Hamburg bis zum Jahr 2045 zu erstellen. Diese Roadmap muss die Verhältnismäßigkeit bezüglich (volkswirtschaftlicher) Kosten, Resilienz und gesellschaftlicher Akzeptanz wahren. Dafür sollen eine Planungsmethodik, ein Planungsmodell und ein (KI-gestütztes) Planungstool entwickelt werden. Das Projektziel ist ein ausgearbeitetes, funktionierendes und validiertes sowie innovatives Konzept zur sektorübergreifenden Netzberechnung sowie eine neu zu entwickelnde Methodik zur rechnergestützten Netzausbauplanung, welche als Praxis-Template auch für andere Industriemetropolen verwertbar ist.
Vorgehensweise
Für die Zielerreichung werden zunächst die realen Endenergiebedarfe der Verbraucher und zukünftige Prognosen sowie detaillierte Daten über bereits bestehende Netzinfrastrukturen erhoben. Dafür werden unterschiedliche Transformationspfade für die Sektoren Haushalte, Verkehr und Industrie entworfen. Es wird eine Methodik entwickelt, mit der auf Basis von Simulationsergebnissen verschiedene Netzausbau-Alternativen bzgl. diverser Parameter verglichen werden können. Insbesondere wird für verschiedene Szenarien eine Einteilung in Zonen mit vergleichbarer Bedarfsstruktur erarbeitet. Grundlage für die operativen Planungen ist ein neu zu entwickelndes, aggregiertes Modell für die integrierte Netzplanung unter Berücksichtigung der physikalischen Randbedingungen der verschiedenen Energieträger. Im Ergebnis aus Methodik- und Modell-Anwendung sollen Empfehlungen zum koordinierten zukünftigen Netzausbau abgeleitet werden können. Hierfür wird ein rechnergestütztes Verfahren, inklusive der Erprobung künstlicher Intelligenz (KI), erarbeitet. Die im Vorhaben entwickelte Methodik sowie die Planungsprozesse und -tools können im Ergebnis als Praxis-Template für weitere (Industrie-)Metropolen verwertet werden.
Aufgaben
- Auswahl zu betrachtender Technologien zur Sektorenkopplung
- Sektorübergreifende Netzberechnung
- Analyse von Netzplanungsverfahren in getrennten Energienetzen
- Identifikation von sektorübergreifenden Planungszielen
- Erarbeitung eines Netzplanungsverfahrens für integrierte Netze unter Berücksichtigung möglicher Zielstellungen
- Implementierung des Verfahrens in Software und Kombination mit bisherigen Lastfluss-Tools
- Wissensaustausch mit anderen Arbeitsgruppen innerhalb des Norddeutschen Reallabors
Einsortierung im Norddeutschen Reallabor (NRL)
Die Sektorkopplung benötigt neben primären Kopplungsanlagen auch eine geeignete Infrastruktur in Form von Energienetzen zur Übertragung und Verteilung. Ohne die Energienetze ist eine Verbindung von Erzeugungsanlagen, Verbrauchern und Anlagen zur Sektorkopplung nicht wirtschaftlich zu realisieren. Dazu müssen die Netze entsprechend des Bedarfs ausgebaut sein. Nur so können Netzengpässe, die zu einer Nutzungseinschränkung durch die Netzteilnehmer führen, langfristig vermieden werden. Der Ausbau der Energienetze muss sektorübergreifend und integriert stattfinden, um den flächendeckenden, effizienten Einsatz von Sektorkopplungstechnologien zu erlauben und so wirtschaftliche Impulse für die Entwicklung neuer Wertschöpfungsketten wie einer regionalen Wasserstoffwirtschaft zu setzen. Die erarbeitete Roadmap wird Netzausbau- und Anlagenkopplung-Optionen aufzeigen können und liefert damit einen wichtigen Beitrag für das Dekarbonisierungsziel, die CO₂-Emissionen in der Region um 75 Prozent bis 2035 zu reduzieren. Die Implementierung und Überführung der Roadmap in die operativen Planungen führt zur Transformation der Energienetze.
Verwendete Tools
- Python mit gängigen Data-Analysis- (pandas, geopandas, ...) und Netzberechnungs-Libraries (pandapipes, pandapower, ...)
- Modelica mit der TransiEnt-Library
Weiterführende Links
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Laufzeit
01. April 2021 bis 31. März 2026
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