STAWESOM - Stabilitätsbezogene Weiterentwicklung von Energiesystem-Optimierungsmodellen

Abstract

Großskalige Energiesystem-Optimierungsmodelle (ESOMs) werden zunehmend zur Planung und Bewertung von Transformationspfaden hin zu klimaneutralen Energiesystemen eingesetzt. Die meisten Modelle basieren jedoch auf vereinfachten Netzdarstellungen und berücksichtigen dynamische Stabilitätsanforderungen nicht. Diese werden in der Praxis erst in nachgelagerten Netzstabilitätsanalysen berücksichtigt. Es ergibt sich also die Frage, inwiefern eine integrierte Systemausbauplanung mit einem ESOM unter Berücksichtigung von Stabilitäts-Nebenbedingungen möglich und vorteilhaft gegenüber des sequentiellen State-Of-The-Art-Ansatzes ist. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung von Methoden zur systematischen Integration von Stabilitätsanforderungen in großskalige Energiesystemmodelle. Im Projekt wurden dazu bestehende Open-Source-Energiesystemmodelle und Netzsimulationswerkzeuge erweitert und miteinander kombiniert. Hierzu wurden Verfahren zur Berücksichtigung von Frequenz- und Spannungsstabilitätsanforderungen in Optimierungsmodellen entwickelt, Methoden zur Sicherstellung der AC-Betriebszulässigkeit von Ausbauplanungsergebnissen erarbeitet sowie dynamische Netzsimulationen zur Bewertung stabilitätsrelevanter Fragestellungen durchgeführt. Die entwickelten Ansätze wurden anhand europäischer Energiesystemszenarien untersucht und validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die explizite Berücksichtigung von Stabilitätsanforderungen die Ergebnisse von ESOM und die daraus abgeleiteten Resultate für die Ausbauplanung beeinflusst. Darüber hinaus wurden skalierbare Methoden entwickelt, die eine Integration ausgewählter Stabilitätsaspekte in großskalige ESOM-Instanzen ermöglichen. Die entwickelten Methoden ermöglichen eine realistischere Bewertung von Ausbauszenarien unter Berücksichtigung von Stabilitätsanforderungen und können in zukünftigen Energiesystemanalysen, Netzentwicklungsstudien sowie Forschungsvorhaben zur Bewertung umrichterdominierter Stromversorgungssysteme eingesetzt werden. Large scale energy system optimization models (ESOM) are used for the planning and assessment of transformation pathways towards climate neutral energy systems. However, most such models are based on simplified grid models and do not consider dynamic stability constraints. In practice, these are assessed ex post in grid stability studies. This results in the question whether integrated system expansion planning with an ESOM under consideration of stability constraints may be both possible and advantageous compared to the state-of-the-art sequential approach. This project aimed at methods for the systematic integration of stability requirements in large-scale energy system models. To this end, existing open-source ESOM and grid simulation tools were extended and combined. To do so, methods for the consideration of frequency and voltage stability requirements in an optimization context were developed, an approach to ensure AC feasibility of expansion planning results was elaborated and dynamic grid simulations were performed to assess stability relevant issues. The developed methodologies were analyzed and validated based on European energy system scenarios. The project successfully demonstrated that explicitly accounting for stability requirements has a relevant impact on ESOM results and the derived expansion decisions. Furthermore, scalable methods were developed that enable integration of selected stability aspects in large-scale ESOM instances. These methods allow for a more realistic assessment of expansion scenarios under consideration of stability requirements and can be applied in future energy system analyses, grid development studies and research projects evaluating inverter dominated power systems.