Techno-economic and ecologic evaluation of energy policy impact on community energy systems

Körber, Nils; McKenna, Russell; Ulbig, Andreas

doi:HT030732228

Techno-economic and ecologic evaluation of energy policy impact on community energy systems

Körber, Nils^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nils Körber, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Ulbig, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; McKenna, Russell (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04325
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/984957/files/984957.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Aktive Energieverteilnetze (614010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Energiepolitik (frei) ; Energiesystemmodellierung und -optimierung (frei) ; Gemeinschaftsenergiesysteme (frei) ; community energy systems (frei) ; decentralized multi-energy systems (frei) ; dezentrale Multi-Energiesysteme (frei) ; energy policy (frei) ; energy system modelling and optimization (frei) ; erneuerbare-Energien-Gemeinschaften (frei) ; renewable energy communities (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Aufgrund der sich verändernden gesellschaftlichen Dynamik und des wachsenden Umweltbewusstseins findet ein deutlicher Wandel hin zu mehr Nachhaltigkeit im Energiesystem statt. Dieser Wandel rückt zunehmend den Gebäudebereich und Quartiere in den Mittelpunkt, da sie zu fast 36 % der Emissionen beitragen und etwa 40 % der Endenergie in der Europäischen Union verbrauchen. Gleichzeitig gibt es dort ein erhebliches ungenutztes Potenzial zur Verbesserung der Energieeffizienz. Dieses Potenzial kann durch die Einführung von Gemeinschaftsenergiesystemen (eng. Community Energy Systems), die organisatorische und technische Ansätze kombinieren, effektiv genutzt werden. Mit dem Konzept der Erneuerbare-Energien-Gemeinschaften (eng. Renewable Energy Communities) schafft die EU die Grundlage für die Organisation von Akteuren außerhalb des Energiesektors, um gemeinsame Aktivitäten zur Schaffung von genossenschaftlichem Eigentum und kollektiver Energieverteilung zu ermöglichen. Dies erlaubt die Realisierung von sogenannten Dezentralen Multi-Energiesystemen, einem technischen Konzept, das sich durch die Kopplung mehrerer lokaler Energiequellen und -senken auszeichnet, insbesondere für die Versorgung mit Strom, Wärme und Kälte. Dadurch können Synergieeffekte, etwa durch die Integration von überschüssiger Energie aus lokalen erneuerbaren Quellen, Abwärme oder freier Kühlung, erzielt werden. Die europäische Verordnung über Erneuerbare-Energien-Gemeinschaften schreibt eine aktive Förderung durch entsprechende Anpassungen des energiepolitischen Rahmens in den Mitgliedsstaaten vor. In diesem Bezug gibt es verschiedene Strategien, um mit finanz- und ordnungspolitischen Instrumenten Anreize für die die wirtschaftliche Tragfähigkeit von Gemeinschaftsenergiesystemen zu schaffen. Ihre Wirksamkeit muss jedoch unter Berücksichtigung der potenziell widersprüchlichen Aspekte von Technologie, Ökonomie und Ökologie bewertet werden. Insbesondere im Hinblick auf die gemeinsame Nutzung von Energie, die den Austausch von lokal erzeugter Energie über die öffentliche Infrastruktur beinhaltet, hat die Einführung eines solchen neuen Marktmechanismus bisher unerforschte Auswirkungen auf die Gestaltung und den Betrieb dezentraler Energiesysteme. Vor allem im Hinblick auf die gemeinsame Energieversorgung (im Sinne des Energy-Sharing), bei der lokal erzeugte Energie über öffentliche Infrastrukturen ausgetauscht wird, wirft die Einführung eines derartigen marktwirtschaftlichen Ansatzes noch unerforschte Auswirkungen auf die Ausgestaltung und den Betrieb von dezentralen Energiesystemen auf. In diesem Zusammenhang besteht das Ziel und die Aufgabe dieser Arbeit darin, die Auswirkungen der Energiepolitik auf Gemeinschaftsenergiesysteme zu quantifizieren und ihre Bewertung auf der Grundlage technisch-ökonomischer und -ökologischer Kriterien zu ermöglichen. Damit leistet die Arbeit einen Beitrag zum laufenden Diskurs über die Entwicklung wirksamer Gesetze und Vorschriften, die eine dezentrale Energiewende fördern. Konkret konzentriert sich die Forschung auf die Umsetzung von Erneuerbare-Energien-Gemeinschaften und den entsprechenden Rahmen für die gemeinsame Nutzung von Energie. Der wesentliche wissenschaftliche Beitrag der Dissertation besteht in der Entwicklung eines Optimierungsmodells für Energiesysteme, das eine akteursorientierte techno-ökonomische und ökologische Entscheidungsfindung für die optimale Gestaltung und den Betrieb von dezentralen Multi-Energie-Systemen bzw. Community Energy Systems abbilden kann. Das entwickelte Energiesystemoptimierungsmodell weist im Vergleich zu bestehenden Modellen eine große inhaltliche Breite auf, indem es eine Akteursorientierung, eine Multi-Energie-Perspektive, die Berücksichtigung verschiedener Effizienzmaßnahmen sowie die Integration von Marktmechanismen in Verbindung mit der Energiepolitik beinhaltet. Die in das Modell einbezogenen Energieeffizienzmaßnahmen umfassen mehrere Freiheitsgrade, darunter den Ausbau von Fernwärmenetzen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, die Installation von Energiewandlungstechnologien, die Einbindung von Energiespeichersystemen und die Verstärkung der Wärmedämmung von Gebäuden. Um die beträchtliche mathematische Komplexität, die mit dem Problem verbunden ist, zu bewältigen, wird ein neuartiger Ansatz angewandt, der verschiedene Lösungs- und Dekompositionsmethoden kombiniert. Der vorgestellte Ansatz verwendet eine verschachtelte, mehrstufige Zerlegungsmethode, die einen genetischen Algorithmus, eine Benders-Zerlegung und eine Lagrange-Relaxation umfasst. Diese Methodik trennt und koordiniert erfolgreich die Entscheidungsebenen innerhalb des Problems durch iterative Prozesse. Zusätzlich werden Techniken zur Zeitreihenaggregation und zur verteilten Berechnung bzw. Parallelisierung eingesetzt. Eine Fallstudie zeigt die Anwendung des Modells in vier verschiedenen Quartieren und greift Diskussionen über die zukünftige Ausgestaltung des Förderrahmens für Erneuerbare-Energien-Gemeinschaften und die gemeinsame Nutzung von Energie im Sinne des Energy-Sharing in Deutschland auf. Die Ergebnisse in einem Referenzszenario, das die bestehenden Auswirkungen der Energiepolitik widerspiegelt, zeigen, dass Gemeinschaftsenergiesysteme erhebliche Vorteile bieten, insbesondere durch gemeinsame Investitionen in Fernwärmenetze und das Energy-Sharing. Diese Lösungen erweisen sich langfristig als wirtschaftlich überlegen und erfordern zudem keine zusätzliche Förderung. Die sektorübergreifende Integration von Strom, Wärme und Kälte ist in diesem Zusammenhang von großer Bedeutung. Die Auswirkungen der gemeinsamen Nutzung von Energie auf den Stromsektor entsprechen jedoch nicht den anfänglichen Erwartungen, da sie den Ausbau dezentraler Flexibilitätsressourcen nicht wirksam fördern. Darüber hinaus bleibt die Nutzung vorhandener dezentraler Flexibilität für die gemeinsame Nutzung von Energie im Sinne des Energy-Sharing begrenzt. Die Untersuchung alternativer Szenarien, die den Einfluss von Subventionen insbesondere durch Marktprämienmodelle für Energie-Sharing, Investitionszuschüsse für kollektive Anlagen und kombinierte Finanzierungsinstrumente betrachten, legt den Schluss nahe, dass eine aktive Förderung von Energie-Sharing in Kombination mit Flexibilitätsanreizen Markteintrittsbarrieren reduziert. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass die Förderung des Energy-Sharing im deutschen Regulierungs- und Marktumfeld nicht unbedingt mit festen Einspeisevergütungen für erneuerbare Energien und statischen Preisen in Stromlieferverträgen für Endkunden vereinbar ist.

Due to changing societal dynamics and growing environmental consciousness, there is a significant shift towards greater sustainability in the energy system. This transformation places considerable emphasis on buildings and districts, as they contribute to nearly 36% of emissions and consume approximately 40% of the final energy in the European Union. At the same time, a significant untapped potential exists for improving energy efficiency. The potential for energy efficiency in buildings and districts can effectively be addressed by adopting Community Energy Systems, which combine organisational and technical approaches. With the concept of Renewable Energy Communities, the EU provides the basis for the organisation of non-utility stakeholders to undertake joint activities to create cooperative ownership and collective energy sharing. This facilitates the realisation of Decentralised Multi-Energy Systems, a technical concept, which is characterised by the coupling of several local energy sources and sinks, especially for the supply of electricity, heating, and cooling. Thereby synergies, such as the integration of excess energy from local renewable sources, waste heat, or free cooling, may be obtained. The European regulation on Renewable Energy Communities mandates active promotion through appropriate adjustments to the energy policy framework in member states.Different strategies exist to adapt fiscal and regulatory mechanisms for incentivising the economic viability of Community Energy Systems. However, it is crucial to evaluate their effectiveness considering the potentially conflicting aspects of technology, economy, and ecology. Specifically, when it comes to energy sharing, which involves the exchange of locally generated energy through public infrastructure, the introduction of such a new market mechanism poses unexplored implications for the design and operation of decentralised energy systems.In this context, the goal and task of the thesis are to enable the quantification of the impact of energy policy on Community Energy Systems and allow its evaluation based on techno-economic and ecological criteria. By doing so, the thesis aims to contribute to the ongoing discourse on the development of effective laws and regulations that foster a decentralised energy transition. Specifically, the research focuses on the implementation of Renewable Energy Communities and the corresponding energy sharing framework.The major scientific contribution of the thesis involves the development of an energy system optimisation model that allows depicting a stakeholder-oriented techno-economic and ecologic decision-making for the optimal design and operation of Decentralised Multi-Energy Systems, respectively Community Energy Systems. Compared to existing approaches, the developed energy system optimisation model exhibits a broad contextual scope by encompassing stakeholder orientation, a multi-energy perspective, consideration of various efficiency measures, and the integration of market mechanisms in conjunction with energy policy. The energy efficiency measures encompassed in the model comprise several degrees of freedom, including expanding district heating grids with different temperature levels, installing energy conversion technologies, incorporating energy storage systems, and adopting insulation reinforcement in buildings. To tackle the substantial mathematical complexity associated with the problem, a novel approach is adopted, which combines various solving and decomposition methods. The proposed approach utilises a nested multi-level decomposition methodology, which incorporates a Genetic Algorithm, Benders Decomposition, and Lagrange Relaxation. This methodology successfully separates and coordinates decision levels within the problem through iterative processes. Additionally, time series aggregation and distributed computation techniques are employed. A case study showcases the model's application in four different districts and addresses discussions about the future design of the funding framework for Renewable Energy Communities and energy sharing in Germany. The findings in a reference scenario, which reflects the existing impact of energy policy, indicate that community energy systems offer significant advantages, particularly through collective investments in district heating grids and energy sharing. These solutions emerge as economically superior in the long run, requiring no additional funding. Cross-sector integration of electricity, heating and cooling is highly relevant in this context. Nevertheless, the impact of energy sharing on the electricity sector does not meet initial expectations, as it fails to effectively promote the expansion of distributed flexibility resources. Moreover, the utilisation of existing distributed flexibility for energy sharing remains limited. By exploring alternative scenarios that consider the influence of subsidies, specifically through market premium models for energy sharing, investment subsidies for collective assets, and combined funding instruments, the findings suggest that active promotion of energy sharing in combination with incentivising flexibility reduces market entry barriers. However, this is associated with high costs, and the suitability of the instruments must be questioned in terms of their high costs and macroeconomic disadvantages. The thesis concludes that energy sharing subsidies are not necessarily compatible with fixed feed-in tariffs for renewable energy and static electricity contracts in the German regulatory and market environment.

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