Modell-Dokumentation: REMod

Das REMod-Energiesystemmodell ist eine simulationsbasierte Optimierung von (trans-)nationalen Energieversorgungssystemen, die mögliche kostenoptimale Transformationspfade zu einem CO2-neutralen Energiesystem berechnet. Das Optimierungsziel besteht darin, alle Erzeuger, Speicher, Energiewandler und Energienachfragen zu minimalen Kosten so zu skalieren, dass die Gesamtenergiebilanz des Systems zu jeder Stunde ausgeglichen ist. Spezifische Eigenschaften jeder Technologie können in einem beliebigen Detailgrad abgebildet werden.

Modell TypSektorengekoppeltes Energiesystemmodell
OptimierungsansatzSimulationsgestützte Optimierung
OptimierungsalgorithmusCMA-ES
Zeitliche Auflösung (Operation)Stündlich (8760 Stunden pro Jahr)
Zeitliche Auflösung (Transformationspfad)Jährlich, heute bis 2045/2050
Variable räumliche Auflösungderzeit 10 Regionen in Deutschland
SektorenkopplungKombinierte Optimierung des Technologiemixes in den Bereichen Industrie, Gebäude, Verkehr und Energie
Flexibilität und DSMflexibler Betrieb und Anfahrverhalten von Wärmekraftwerken, Vehicle-to-Grid und Grid-to-Vehicle, flexibler Betrieb von Heizsystemen, kein industrielles DSM
THG-Emissionenenergiebedingte CO2 Emissionen, eingeschränkter Minderungspfad und/oder CO2 Budget
WetterdatenFünf historische Wetterdatensätze (derzeit 2011-2015) in abwechselnder Reihenfolge
Vorausschau (Transformationspfad)Perfekte Voraussicht
Vorausschauende Planung (Operation)simulierte 24h-Vorhersage
ProgrammierspracheJulia

Energiebereitstellung

Abbildung 1: Schematischer Überblick über REMod

Abbildung 1 zeigt einen schematischen Überblick über das Modell, in dem die wichtigsten Energieumwandlungstechnologien und Verbrauchssektoren dargestellt sind. Sie sind unterteilt in die wichtigsten Formen der (traditionellen) Elektrizitätsanwendungen (z. B. Beleuchtung, Informations- und Kommunikationstechnologie, Kühlung, mechanische Energie), Gebäudewärme (Raumheizung, Warmwasserbereitung), Verkehr und industrielle Prozesswärme.

Energiebedarf

Der Endenergiebedarf wird in vier Sektoren unterteilt: Gebäudewärme (Raumheizung und Warmwasserbereitung), traditionelle Stromanwendungen, industrielle Prozesswärme und Verkehr.

In REMod wird der stündliche Bedarf an Raumwärme und Warmwasser im Gebäudebereich nach DIN EN 137901DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG E.V.: Energieeffizienz von Gebäuden – Berechnung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung (ISO 3790:2008); Deutsche Fassung EN ISO 13790:2008 berechnet. Als Eingangsdaten werden die Wetterdaten von 2011 bis 2015, die Gebäudekubatur, die durchschnittliche Wohn- bzw. Nutzfläche pro Gebäudetyp, die Anzahl der Gebäude und die altersabhängigen Wärmedurchgangskoeffizienten verwendet. Für die Energieeffizienz und die Berechnung des Energiebedarfs der Gebäude werden die Werte aus der DIN EN 13790 verwendet. Zur Bereitstellung der benötigten Wärme werden neben Fernwärmetechnologien auch dezentrale Heizungsanlagen eingesetzt, die auf zwei Temperaturniveaus arbeiten. Zu den verfügbaren Wärmebereitstellungstechnologien gehören konventionelle Gas-, Biomasse-, Öl- und Kohlekessel, Wasserstoffkessel, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), elektrische, brennstoffbasierte und hybride Wärmepumpen (mit Luft oder Sole als Wärmequelle) sowie Brennstoffzellenheizungen. Alle Technologien können optional mit Warmwasserspeichern und solarthermischen Kollektoren ergänzt werden. In Wärmenetzen kann die Wärme von geothermischen oder KWK-Anlagen, großen elektrischen Wärmepumpen, (Spitzenlast-)Gaskesseln oder auch solarthermischen Kollektoren geliefert werden. Darüber hinaus können in Wärmenetzen auch große thermische Energiespeicher eingesetzt werden.

Die für die Bereitstellung von Prozesswärme in der Industrie verwendete Energie wird in zwei verschiedene Temperaturbereiche unterteilt. Für den Temperaturbereich unter 500 °C wird ein stündliches Bedarfsprofil nahe der Grundlast angenommen. Für Anwendungen mit einer Temperatur von mehr als 500 °C wird ein konstanter Energiebedarf angenommen. Der gesamte jährliche Energiebedarf für Prozesswärme wird an die FORECAST-Annahmen in Ariadne angepasst. Für die Bereitstellung von Prozesswärme kann die Kostenoptimierung in REMod zwischen neun verschiedenen Technologien wählen, darunter konventionelle Heizkessel auf der Basis fossiler Energieträger oder Biomasse, KWK-Anlagen, Wasserstoffkessel, solarthermische Kollektoren, industrielle Wärmepumpen und Elektrodenkessel.

Der Energiebedarf für den Verkehr wird zunächst auf der Basis von BMWi-Daten in Traktionsenergie (kinetische Energie, die für die Bewegung von Fahrzeugen notwendig ist) umgerechnet und dann mit stündlich aufgelösten Fahr- bzw. Bedarfsprofilen auf jede Stunde des Jahres verteilt. REMod ermittelt dann den Endenergiebedarf anhand der Wirkungsgrade der jeweiligen Antriebstechnologien. Auch der Energiebedarf des Luft- und Schiffsverkehrs sowie des kraftstoffbasierten Schienenverkehrs wird in der Bilanz berücksichtigt. Der Verkehrssektor wird im Detail durch Pkw und Lkw (jeweils nur eine Klassengröße) abgebildet, die durch jeweils sieben Antriebskonzepte und den entsprechenden Energiebedarf beschrieben werden. Neben den derzeit etablierten Verbrennungsmotoren mit Benzin, Diesel oder Methan als Kraftstoff werden auch batterieelektrische, wasserstoffelektrische (Brennstoffzelle) und hybride Antriebskonzepte umgesetzt.

Mit Batteriespeichern, stationären und mobilen Batterien, thermischen Speichern und Pumpwasserspeichern wird Flexibilität in das Energiesystem gebracht. So können beispielsweise unterschiedliche Ladestrategien für batterieelektrische Fahrzeuge oder das Zusammenspiel von thermischen Speichern mit verschiedenen Heizsystemen realitätsnah abgebildet werden. So berücksichtigt das Modell neben der ökologischen Nachhaltigkeit und der ökonomischen Effizienz auch die Versorgungssicherheit durch einen hohen technischen Detaillierungsgrad sowie eine hohe zeitliche Auflösung. Durch die Einbeziehung von realen Wetterdaten wird auch der Einfluss von Extremwetterjahren auf das Energiesystem berücksichtigt. Ebenso können durch einen Mehrknotenansatz verschiedene Regionen (z.B. Bundesländer) im Betrachtungsraum abgebildet und deren Wechselwirkungen untereinander untersucht werden, was Rückschlüsse auf Infrastrukturmaßnahmen ermöglicht.

Politische Instrumente und Maßnahmen

Politische Maßnahmen in REMod können auf verschiedene Weisen umgesetzt werden. Dazu gehören die Anpassung der Kosten für spezifische Technologien, die Anpassung des CO2-Preises, sowie spezifische Ziele für den Ausbaupfad oder Verbote für bestimmte Technologien.

Methoden und Modellrahmen

Abbildung 2: Veranschaulichung des Modells

REMod verwendet eine simulationsbasierte Optimierung, bei der der kostenoptimale Transformationspfad (Kapazitätserweiterungen im Energiesektor und Marktanteile in den Endverbrauchssektoren) auf jährlicher Basis optimiert und der Betrieb des sektorgekoppelten Energiesystems auf stündlicher Basis simuliert wird, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Optimierungsalgorithmus (Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES)) berechnet die Optimierungsparameter mit den gegebenen Eingangsdaten (Technologiedaten, Wetterzeitreihen usw.). Die Optimierungsergebnisse sind nun ein Input für die Simulation des Transformationspfades. Nachdem der Transformationspfad berechnet wurde, wird die stündliche Simulation durchgeführt, um die Energiebilanzen für jede Stunde anzupassen. Anhand des Ausbaupfads und des berechneten Energieverbrauchs werden die Gesamtkosten der Transformation berechnet und an die Optimierung zurückgegeben, um die nächste Population möglicher Lösungen zu berechnen.

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