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Vor dem Hintergrund zunehmender Wärmedämmmaßnahmen im Wohnungsbau, das heißt sinkender Heizlasten, und gleichzeitigem Bestreben nach Netzausbau und –verdichtung steht die Fernwärmeversorgung neuen Problemstellungen gegenüber. Es gilt Lösungsansätze für das Spannungsfeld niedriger Liniendichten, steigender Brennstoffpreise und der Forderung nach erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit untersucht in einer vergleichenden Simulationsstudie diverse Fahrweisen der Fernwärmeversorgung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Befindet sich die Fernwärmevorlauftemperatur unter der aus Gründen des Legionellenschutzes notwendigen Temperatur der Trinkwassererwärmung, erfolgt eine dezentrale Nacherwärmung. Diese geschieht innerhalb der sogenannten LowEx-Fahrweise mittels elektrischen Heizstabs oder einem Wärmepumpen-Speicherladesystem mit Wärmequelle Fernwärme. Als Referenzsysteme finden die als Konventionelle-Fahrweise mit Speicherladesystem und die als Niedertemperatur-Fahrweise mit Wohnungsanschlussstation im Durchflussprinzip bezeichneten Betriebsweisen Anwendung. Neben der Senkung der Netzwärmeverluste und ggf. einer Steigerung der Erzeugungswirkungsgrade ermöglicht die LowEx-Fahrweise die dezentrale Einspeisung von Abwärme oder erneuerbaren Energien bei effizientem Betrieb der Energiebereitstellungsanlagen. Das Fernwärmenetz dient damit der gekoppelten Wärmeversorgung und auch Wärmeentsorgung. Beispielhaft wird die Abwärmeeinspeisung von Klimakälteprozessen mit sowohl Kompressionskälteanlagen als auch Absorptionskältenlagen untersucht. Anhand Solarthermie wird das Für und Wider der Einspeisung erneuerbarer Energien hinsichtlich der Senkung des Primärenergiebedarfs und der Verdrängung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen diskutiert. Die Analysen erfolgen mit Hilfe modifizierter und neu entwickelter Modelle in der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD.

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welchen Einfluss kurzzeitige Schwankungen der erneuerbaren Energiequellen auf die synchrone Netzfrequenz haben. Zu diesem Zweck wird eine lineare Antworttheorie für stochastische Störungen von dynamischen Systemen auf Netzwerken hergeleitet. Anschließend wird diese Theorie verwendet, um den Einfluss von kurzfristigen Wind- und Sonnenschwankungen auf die Netzdynamik zu analysieren. Hierbei wird gezeigt, dass die Frequenzantwort des Netzes weitestgehend homogen ist, aber die Anfälligkeit für Leistungsschwankungen aufgrund von Leitungsverlusten entlang des Leistungsflusses zunimmt. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Modellierung von netzbildenden Wechselrichterregelungen. Bislang existiert kein universelles Modell zur Beschreibung der kollektiven Dynamik solcher Systeme. Um dies zu erreichen, wird unter Ausnutzung der inhärenten Symmetrie des synchronen Betriebszustandes eine Normalform für netzbildende Akteure abgeleitet. Anschließend wird gezeigt, dass dieses Modell eine gute Annäherung an typische Wechselrichter-Dynamiken bietet, aber auch für eine datengesteuerte Modellierung gut geeignet ist. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der Analyse des Risikos von Stromausfällen, welche durch Hurrikans verursacht werden. Hohe Windgeschwindigkeiten verursachen häufig Schäden an der Übertragungsinfrastruktur, welche wiederum zu Überlastungen anderer Komponenten führen und damit eine Kaskade von Ausfällen im gesamten Netz auslösen können. Simulationen solcher Szenarien werden durch die Kombination eines meteorologischen Windmodells sowie eines Modells für kaskadierende Leitungsausfälle durchgeführt. Durch Monte-Carlo-Simulationen in einer synthetischen Nachbildung des texanischen Übertragungsnetzes können einzelne kritische Leitungen identifiziert werden, welche zu großflächigen Stromausfällen führen. / The first part of this thesis addresses the question which impact short-term renewable fluctuations have on the synchronous grid frequency. For this purpose, a linear response theory for stochastic perturbations of networked dynamical systems is derived. This theory is then used to analyze the impact of short-term wind and solar fluctuations on the grid frequency. It is shown that while the network frequency response is mainly homogenous, the susceptibility to power fluctuations is increasing along the power flow due to transmission line losses. The second part of the thesis is concerned with modeling grid-forming inverter controls. So far there exists no universal model for studying the collective dynamics of such systems. By utilizing the inherent symmetry of the synchronous operating state, a normal form for grid-forming actors is derived. It is shown that this model provides a useful approximation of certain inverter control dynamics but is also well-suited for a data-driven modeling approach. The last part of the thesis deals with analyzing the risk of hurricane-induced power outages. High wind speeds often cause damage to transmission infrastructure which can lead to overloads of other components and thereby induce a cascade of failures spreading through the entire grid. Simulations of such scenarios are implemented by combining a meteorological wind field model with a model for cascading line failures. Using Monte Carlo simulations in a synthetic test case resembling the Texas transmission system, it is possible to identify critical lines that trigger large-scale power outages.

Die Energiewende ist in aller Munde. Doch zu einfach ist der Gedanke es gehe nur um Wind, Photovoltaik und Biogas. Im Landwirtschaftsbetrieb müssen alle Energieerzeuger und –verbraucher intelligent miteinander gekoppelt und verwoben werden. Bestenfalls kann Energie – in welcher Form auch immer – an den ländlichen Raum abgegeben werden. Die vorliegende Schriftenreihe stellt reale Betriebseispiele für die Landwirtschaft vor. Interessierte Landwirte können hier Anregungen zur fossilfreien energetischen Umgestaltung ihres Betriebes finden. Redaktionsschluss: 30.09.2022

Erdwärme wird vor allem bei Ein- und Mehrfamilienhäusern zur Heizung, zur Warmwasserbereitung und zum Kühlen genutzt. Als Hauptnutzungsform von Erdwärme werden Erdwärmesonden verwendet. Die Broschüre informiert über die geltenden Gesetze und Antragsformulare und gibt Hinweise für die Planung und Umsetzung von Erdwärmesondenvorhaben. Redaktionsschluss: 16.01.2023

Optimierungen mit mehr als einer Zielgröße haben es in sich – das weiß jeder Forscher und jede Forscherin, die sich mit der Weiterentwicklung von Prozessen und Konzepten beschäftigt hat. Effizienter Klimaschutz, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sind die Ziele, denen sich das BMU-Förderprogramm zur „Optimierung der energetischen Biomassenutzung“ (Kurztitel: „Energetische Biomassenutzung“) im Rahmen der Klimaschutzinitiative verschrieben hat. Auch wenn diese Ziele auf den ersten Blick nicht widersprüchlich erscheinen, ergeben sich doch bei näherem Hinsehen generelle Definitionsfragen (z. B. was ist ein nachhaltiges Biomassepotenzial) als auch Unwägbarkeiten, in wieweit man sich das eine im Detail vornehmen und das andere trotzdem lassen kann (z. B. bei der Betrachtung von Umwelteffekten). Und Optimierung braucht immer Messgrößen für ihre Bestimmung. Auch hier sind von generellen Fragen bis hin zur spezifischen Festlegung der Systemgrenzen ein Strauß von Einzelfragen aufgeworfen – ohne Aussicht auf zweifelsfreie und allgemeingültige Antworten. In der Summe heißt das: Der Versuch, Bewertungsmethoden zu harmonisieren und einfach und transparent möglichst vielen Forschungsvorhaben verfügbar zu machen, ist risikobehaftet, mühsam und im Ergebnis immer ein Kompromiss. Das hier vorgelegte Methodenhandbuch versteht sich als eben solcher Kompromiss: es bietet Ansatzstellen, die vielfältigen Einzelvorhaben des Programms „Energetische Biomassenutzung“ zusammen zu führen und die Anschlussfähigkeit der Bewertungsergebnisse zu verbessern. Die vorgeschlagenen Dokumentationsvorlagen und Methoden basieren dabei auf dem Stand der Wissenschaft und reichen von der Berichterstattung (wie vorgegangen wurde) bis zur detailliert benannten Berechnungsmethode. Sie beschränken sich auf ausgewählte Fragestellungen und liefern keine vollständige Nachhaltigkeitsbewertung. Es ist das Ergebnis eines vierjährigen Diskussionsprozesses, für dessen Unterstützung ich allen Programmbeteiligten danke. Wertvolle Beiträge wurden in Arbeitsgruppen und Workshops generiert, an dieser Stelle sei das Engagement der Arbeitsgruppen „Potenziale“, „Ökobilanzen“, „Thermochemische Vergasung“ und „Referenzsysteme“ besonders erwähnt. Die hier vorgelegte Fassung des Methodenhandbuchs steht nun zur Anwendung zur Verfügung und bildet mit den abgestimmten Referenzsystemen nicht zuletzt auch eine Brücke zur Gesamteinordnung der Forschungsvorhaben und des Förderprogramms in die Klimaschutzinitiative der Bundesregierung. Zweifelsohne können die dargestellten Ansätze und Berechnungsverfahren nur einen ersten Aufschlag darstellen, der sowohl wissenschaftlich als auch in der praktischen Anwendung weiter entwickelt werden kann und soll. Für diese und die weiteren Herausforderungen rund um Methodenharmonisierungen ist auch in Zukunft die konstruktive und fruchtbare Zusammenarbeit im Programm unerlässlich. Dahinter stehen unverändert das Ziel und die Notwendigkeit, die energetische Biomassenutzung Schritt für Schritt weiter zu optimieren.