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Commit to Connect 2050

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Commit to Connect 2050 Zielbild Energieinfrastrukturen für Ostdeutschland – Abschnitt 4 Projekt, Auftrag, Methodik – Rohstoffe Festbiomasse Abfälle | Festbiomasse NawaRo | Müll | Feuchtbiomasse Abfälle | Feuchtbiomasse NawaRo | CO 2 (verschiedene Quellen) | Wasser Fernwärme-Produktion Erd-Wärmepumpe | Elektrodenkessel | Methan-Kessel | H 2 -Kessel | Festbiomasse-Kessel | Geothermie | Solarthermie Primärproduktion / nicht-steuerbare Energieerzeuger Windkraft Onshore | Windkraft Offshore | Photovoltaik Freiflächen | Photovoltaik Dachanlagen | Tiefengeothermie | Gaseinspeise-Biogasanlage | Stromeinspeise-Biogasanlage PtX / XtP Methan-Turbinen-KW | Methan-GuD-KW | Methan-KWK | H 2 -Turbinen-KW | H 2 -GuD-KW | H 2 -KWK | H 2 -Brennstoffzellen-KWK | Flüssigbrennstoff-KW | Festbiomasse-KWK | Müll-KWK | Elektrolyse | Methanisierung bei BGA / DAC | Power-to-Liquid bei BGA / DAC Speicher Batterie | Wärmespeicher | H 2 -Kavernenspeicher | Methan-Kavernenspeicher | Methan-Porenspeicher | Pumpspeicher-KW Netze Verteilnetze: Strom | Methan* | Wasserstoff* | Fern-/Nahwärme Transportnetze: Strom | Methan* | Wasserstoff* *bzw. alternativ Mischgas (CH4/H2) in Vergleichsszenario Mischgas-Infrastruktur Wärme Raumwärme: Fernwärme | Erd-Wärmepumpe (Strom) | Luft-Wärmepumpe (Strom) | Luft-Wärmepumpe (Methan) | Elektroheizung | Hybrid: Luft-Wärmepumpe / Methan-Kessel | Hybrid: Luft-Wärmepumpe / H 2 -Kessel | Methan-Kessel | H 2 -Kessel | Methan-Kessel mit Solarthermie | H 2 -Kessel mit Solarthermie | Festbiomasse-Kessel | Nahwärme (Methan-Kessel / H 2 -Kessel / Solarthermie) Niedertemperatur Prozesswärme: Fernwärme | Erd-Wärmepumpe (Strom) | Luft-Wärmepumpe (Strom) | Elektrodenkessel | Hybrid: Luft-Wärmepumpe / Methan-Kessel | Hybrid: Luft-Wärmepumpe / H 2 -Kessel | Methan-Kessel | H 2 -Kessel | Methan-Kessel mit Solarthermie | H 2 -Kessel mit Solarthermie | Festbiomasse-Kessel Mitteltemperatur-Prozesswärme - Dampf: Elektrodenkessel | Methan-Kessel | H 2 -Kessel | Festbiomasse-Kessel Hochtemperatur Prozesswärme - Industrieöfen: strombasiert | methanbasiert | wasserstoffbasiert Mobilität PKW / LNF / Lokale LKW, Busse: Batterie | CNG | H 2 -Brennstoffzelle | Flüssigkraftstoff Fernverkehr-LKW: H 2 -Brennstoffzelle | H 2 -Verbrennungsmotor | CNG | Flüssigkraftstoff | LNG Schifffahrt: LNG Bahnverkehr:* H 2 -Brennstoffzelle | Flüssigkraftstoff * soweit nicht bereits elektrifiziert Flugverkehr: Flüssigkraftstoff BGA ... Biogasanlage, DAC ... Direct Air Capture, GuD ... Gas und Dampf, NawaRo … Nachwachsende Rohstoffe, LNG ... Liquefied Methane, PtX … Power to X, XtP … X to Power, KW … Kraftwerke, KWK … Kraft-Wärme-Kopplung Abbildung 4.3-2: In WALERIE abgebildete Technologie-Optionen (und Rohstoffe) für das optimale Energiesystem der Zukunft Minimale volkswirtschaftliche Kosten. WALERIE trifft im Rahmen der Berechnungen alle Entscheidungen (also: welche Kapazität welcher Technologie wo eingesetzt wird etc.) so, dass – unter Einhaltung aller Nebenbedingungen 21 – die Jahreskosten des Energiesystems aus volkswirtschaftlicher Sicht („volkswirtschaftliche Kosten“) minimiert werden. Ergebnis ist jeweils ein Energiesystem, das die Anforderung der Dekarbonisierung zu – unter den gegebenen Rahmenbedingungen – jeweils geringsten volkswirtschaftlichen Kosten ermöglicht („least cost decarbonization“). Die minimierten volkswirtschaftlichen Kosten umfassen die annuitätischen Kapitalkosten 22 aller energietechnischen Anlagen im Modellierungsgebiet sowie Betriebs- und Wartungskosten als auch Rohstoffkosten (etwa für Biomassen). Die Kostenminimierung erfolgt bei allen Berechnungen von Energiesystemen mit WALERIE. Konkret wurden daher im Projekt CtC 2050 sowohl Zielbild und Mischgasszenario nach dem Kriterium der minimalen Kosten bestimmt, als auch jene Vergleichsszenarien, bei denen die Technologieoffeneinheit durch Sperre von Technologien eingeschränkt wurde. Solche nicht-technologieoffenen Vergleichsszenarien sind folglich nur mehr bedingt 23 kostenoptimal. Einhaltung von Ressourcengrenzen. Die Berechnung des optimalen Energiesystems mit WALERIE hält alle relevanten Ressourcengrenzen, etwa für Windkraft, Biomassen (differenziert nach festen / feuchten Biomassen bzw. nach Abfallbiomassen / nachwachsenden Rohstoffen), Photovoltaik-Freiflächen, Photovoltaik-Dachflächen etc. ein. Diese Ressourcengrenzen wurden im Rahmen von CtC 2050 für Ostdeutschland im Detail aus den verfügbaren Datenquellen erhoben. 21 Siehe zu Nebenbedingungen insbesondere die beiden anschließenden Punkte (Ressourcengrenzen, Versorgungssicherheit). 22 Zinssatz im Projekt: 2% real 23 Die Bedingung ergibt sich durch die jeweils „gesperrten“ Technologien. CtC 2050 - Endbericht_WECOM_lang_200420 32/182

– Abschnitt 4 Projekt, Auftrag, Methodik – Commit to Connect 2050 Zielbild Energieinfrastrukturen für Ostdeutschland Sicherstellung der Versorgungssicherheit des optimal berechneten Energiesystems. Die Berechnungen in WALERIE erfolgen für ein gesamtes Kalenderjahr; damit werden Dunkelflauten und temperaturbedingte Spitzenlasten berücksichtigt sowie Speicherbedarfe und -bewegungen präzise modelliert. Zudem werden alle Energiebilanzen in feiner zeitlicher Auflösung (¼-Tag) überprüft, u.a. um die Deckung der Energiebedarfe aus Erzeugungsanlagen und Speichern sowie durch Lastbeeinflussung (z.B. der Elektrolysen oder hybrider 24 Wärmeerzeugungstechnologien, deren Einsatz in WALERIE mit-optimiert wird) sicherzustellen. Zusätzlich werden die erforderlichen Netz- und Anlagenredundanzen in den Kapazitäten und Kosten des optimierten Energiesystems mitgeplant, wobei Ausfallwahrscheinlichkeiten von Anlagen je Anlagenklasse (Windkraftanlagen, Gaskraftwerke, Biogasanlagen …) berücksichtigt werden. Differenzierte Abbildung der Energie-Endverbraucher. Die Endverbraucher von Energie werden in WALERIE über eine Reihe von Segmenten differenziert abgebildet: Raumwärme (inkl. Warmwasser), drei Prozesswärme-Segmente (differenziert nach Temperaturniveaus), vier Mobilitäts-Segmente Straße (PKW, drei Klassen von Straßen-Güterverkehr), stoffliche Nutzung, „klassischer Stromverbrauch“ (Kraft, Licht, Telekommunikation …), Bahnverkehr, Schiffsverkehr und Flugverkehr. Diese Segmentierung fand auch im Projekt CtC 2050 Anwendung. Optimierte Endverbraucher-Technologieentscheidung für alle standardisierten energieverbrauchenden Anlagen. Die Entscheidung, welche Technologien in welchem Umfang wo eingesetzt werden, trifft zu 100% der Optimierungsalgorithmus in WALERIE. Dies umfasst explizit auch alle standardisierbaren Endverbrauchertechnologien (Raumwärme, Mobilität … (siehe Abbildung 4.3-2)). D.h. WALERIE benötigt keine vorab erstellten segmentalen Einsatzprognosen von Technologien (z.B. betreffend die Anteile bestimmter Heiz- oder Antriebstechnologien). Die Dimensionierung der Kapazitäten aller im Modell abgebildeter standardisierter Endverbrauchereinrichtungen erfolgt durch WALERIE auf Basis der Nutzenergiebedarfe der Energieverbraucher (also z.B. auf Basis „kWh Raumwärme“ oder „Fahrleistungen je Fahrzeug“ in einer Fahrzeugklasse). Sofern bei bestimmten Technologien Einsatzgrenzen bestehen (etwa aufgrund begrenzter geologischer Potenziale für den Einsatz von Erdwärmepumpen), werden diese Einsatzgrenzen WALERIE vorgegeben und WALERIE trifft dann die Entscheidung über den Technologieeinsatz bis maximal zur Einsatzgrenze frei und rein nach wirtschaftlichen Kriterien. Optimierte Energieträgerentscheidung bei nicht-standardisierten energieverbrauchenden Anlagen. Im Bereich der Hochtemperatur-Prozesswärme sowie dem Bahnverkehr kann WALERIE die Einsatzentscheidung über den jeweils optimalen Energieträger unter verschiedenen Optionen (siehe Abbildung 4.3-2) treffen. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der Wirkungsgradunterschiede bei der Umwandlung dieser Energieträger in die jeweils benötige Nutzenergie. Anwendung eines in die Gesamtoptimierung integrierten differenzierten Netzmodells. WALERIE bildet die erforderlichen Kapazitäten und Kosten von Strom-, Gas- und Fernwärmenetzen differenziert im Modell ab und erreicht damit eine realistische Dimensionierung der 24 Z.B. Kombinationsanlagen aus Luftwärmepumpen und Methankesseln CtC 2050 - Endbericht_WECOM_lang_200420 33/182

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