Das Ziel der Klimaneutralität Deutschlands bis zum Jahr 2045 stellt unter anderem den Gebäudesektor vor große Herausforderungen. In den letzten Jahren wurde zunehmend erkennbar, dass die Wärmewende einen wichtigen Beitrag zur Klimaneutralität leisten muss. Diese Masterarbeit leistet einen Beitrag zur Wärmewende, indem ein Modell zur thermischen Simulation von Quartieren, die geothermisch versorgt werden sollen, entwickelt und analysiert wird. Neben der dynamischen Simulation von Quartieren wird besonderer Wert auf die Integration der Anlagentechnik in Form von Wärmepumpen, Förderpumen, Speichern und Heizsystemen gelegt, um die definierte Forschungslücke von einerseits sehr performanten und stark vereinfachten Modellen und andererseits sehr detaillierten Simulationen, die einzelne Gebäude betrachten, zu schließen. Des Weiteren sind innerhalb dieser Arbeit unterschiedliche Nutzungszusammensetzung und Standorte des Quartiers zu realisieren. Das Quartiersmodell wird mithilfe der Modelica-Bibliothek GreenCity in der Simulationsumgebung SimulationX erstellt, da diese eine große Auswahl an Elementen bereitstellt, um die genannte Zielstellung zu erreichen. Umgesetzt werden diese Ziele, indem ein Quartiersmodell entwickelt wurde, dessen Gebäude durch ein kaltes Nahwärmenetz verbunden sind. Jedem Gebäude kann eine von vier Nutzungsarten (Wohnen, Bildung, Büro, Einzelhandel) zugewiesen werden. Jedes Gebäude wird außerdem durch drei zusammenfassende Modelica-Elemente, in denen sich Untermodelle befinden, modelliert. Diese beschreiben den Netzanschluss, die Anlagentechnik und das Gebäude. Die Anlagentechnik beinhaltet eine Wärmepumpe, einen Heizpufferspeicher sowie die Möglichkeit der Kühlung des Gebäudes mittels Plattenwärmeübertrager. Das Gebäude selbst beinhaltet die Simulation einer Fußbodenheizung und wird durch eine Zone berechnet.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund 1.2 Motivation und Präzisierung der Aufgabenstellung 2 Stand der Technik 2.1 Quartiersdefinitionen 2.2 Dynamische Gebäudesimulation auf Quartiersebene 3 Modellierung 3.1 Grundlegende Modellstruktur und Gebäudemodell 3.2 Erweiterung zum Quartiersmodell 3.3 Modellparameter 3.3.1 Umweltparameter 3.3.2 Gebäudeparameter 3.3.3 Anlagenparameter 3.3.4 Wärmenetzparameter 3.3.5 Simulationsparameter 4 Anwendung der Simulationsmodelle 4.1 Modell zur Verifikation 4.2 Modell zur Validierung 4.3 Angewendetes Quartiersmodell 5 Ergebnisse 5.1 Ergebnisse der Verifikation 5.2 Ergebnisse der Validierung 5.3 Ergebnisse des Quartiermodells 6 Diskussion 6.1 Quartiermodell 6.2 Verifikation und Validierung 7 Zusammenfassung und Ausblick

Die Dissertationsschrift untersucht die Interaktion zwischen Strom- und Wärmemarkt mit einem besonderen Fokus auf Wärmepumpen und Wärmenetzen. Vor dem Hintergrund des steigenden Ausbaus erneuerbarer Energien und der langfristigen Klimaziele stellt sich dabei die Frage der Wirkung, welche die Kopplung von Strom- und Wärmemarkt auf die Reduktion der CO2-Emissionen, die Energiesystemkosten und die Integration der erneuerbaren Energien hat. Zur Beantwortung der Forschungsfrage wird das lineare Optimierungsmodell Enertile um zwei Wärmemodule zur Berücksichtigung von Wärmepumpen und Wärmenetzen erweitert. Im Unterschied zu anderen Modellen wird in der Implementierung für diese Arbeit der Ausbau und der Einsatz der erneuerbaren Energien, der KWK und der weiteren fossilen Kraftwerkskapazitäten gleichzeitig optimiert, wodurch eine Analyse der Wechselwirkungen zwischen dem Ausbau erneuerbarer Energien und der Kopplung von Strom- und Wärmemarkt möglich ist. Die in dieser Arbeit vorgenommene modellgestützte Analyse zeigt die große Bedeutung der Interaktion zwischen Strom- und Wärmemarkt. Im Rahmen einer langfristigen Dekarbonisierung der Energieversorgung durch einen verstärkten Ausbau von erneuerbaren Energien ergeben sich sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die Interaktion zwischen Strom- und Wärmemarkt. Die Modellierung der Wärmepumpen zeigt für den gesamten Zeitraum ab 2020 deutlich geringere spezifische CO2-Emissionen gegenüber der Wärmeerzeugung in modernen Gasbrennwertkesseln. Die Ergebnisse zeigen auch, dass bivalente Systeme – die kombinierte Nutzung verschiedener Wärmeerzeugungstechnologien wie beispielsweise KWK, Gasheizkessel und Elektroheizkessel – vor dem Hintergrund der Umstrukturierung des Stromsektors eine wichtige Rolle spielen. Langfristig stellt die flexible Wärmebereistellung durch elektrische Heizungstechnologien insbesondere bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien eine kostengünstige und CO2-arme Alternative zur fossilen Wärmeerzeugung dar.:1 Einleitung 1 1.1 Ausgangslage 1 1.2 Problemstellung 3 1.3 Zielsetzung und Vorgehen 4 2 Rahmenbedingungen auf dem Strom- und Wärmemarkt in Deutschland 7 2.1 Rahmenbedingungen auf dem Strommarkt 7 2.2 Rahmenbedingungen auf dem Wärmemarkt 12 2.3 Schlussfolgerungen für diese Arbeit 16 3 Modellierung der Interaktionen von Strom- und Wärmemarkt 17 3.1 Stand der Forschung und Anforderungen an das Modell 17 3.2 Modelle zur Untersuchung von Strom- und Wärmemarkt 18 3.3 Stromsystemoptimierung Enertile 21 3.3.1 Eingangsdaten und Ergebnisse 23 3.3.2 Problemformulierung 24 3.4 Modellerweiterung zur Integration des Wärmemarktes 26 3.4.1 Wärmepumpen 26 3.4.2 Wärmenetze 32 4 Unsicherheiten in Energiesystemmodellen 42 4.1 Unsicherheiten im Rahmen dieser Arbeit 42 4.2 Methoden zum Umgang mit Unsicherheiten in Energiesystemmodellen 43 4.3 Szenarienentwicklung und Sensitivitäten 47 5 Definition von Szenarien zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen Strom- und Wärmemarkt 50 5.1 Szenarienübersicht 50 5.2 Zentrale Annahmen 51 5.3 Strommarkt 56 5.3.1 Erneuerbare Energien 56 5.3.2 Konventionelle Kraftwerke 57 5.3.3 Stromnachfrage 59 5.4 Wärmenetze 59 5.5 Wärmepumpen 63 5.6 Sensitivitäten 65 5.7 Kritische Reflexion der Annahmen 66 6 Modellgestützte Analyse der Wechselwirkungen zwischen Strom- und Wärmemarkt 68 6.1 Einfluss auf die CO2-Emissionen 69 6.1.1 Strommarkt 69 6.1.2 Wärmepumpen 72 6.1.3 Wärmenetze 77 6.2 Entwicklung des Kraftwerksparks und des Erzeugungsmixes 82 6.2.1 Strommarkt 82 6.2.2 Wärmepumpen 95 6.2.3 Wärmenetze 106 6.2.4 Integration erneuerbarer Energien auf dem Strommarkt 128 6.3 Änderung der Systemkosten durch die Kopplung von Strom- und Wärmemarkt 131 6.3.1 Kosten der Stromerzeugung 132 6.3.2 Kosten der Wärmeerzeugung in Wärmepumpen 134 6.3.3 Kosten der Wärmeerzeugung in Wärmenetze 136 6.4 Zusammenfassung der Szenarienanalyse 140 6.4.1 Einfluss der Kopplung von Strom- und Wärmemarkt bei ambitionierten Klimaschutz 140 6.4.2 Einfluss der Kopplung von Strom- und Wärmemarkt bei mäßigem Klimaschutz 141 7 Sensitivitäten 142 7.1 Stabile Brennstoffpreise 142 7.2 Potentiale von erneuerbaren Energien 145 7.3 Isolierte Effekte von Elektroheizkesseln und KWK 148 7.3.1 Keine KWK 148 7.3.2 Keine Elektroheizkessel 150 7.4 Hohe Flexibilität der Wärmepumpen 151 7.5 Zusammenfassung Sensitivitäten 152 8 Zusammenfassung 154 8.1 Motivation und Forschungsfrage 154 8.2 Methodisches Vorgehen 154 8.3 Ergebnisse 155 8.4 Schlussfolgerungen und kritische Reflektion 156 8.4.1 Szenarienanalyse 156 8.4.2 Methodik 157 8.4.3 Ausblick 159