Modeling flexibility in energy systems : comparison of power sector models based on simplified test cases

Model-based scenario analyses of future energy systems often come to deviating results and conclusions when different models are used. This may be caused by heterogeneous input data and by inherent differences in model formulations. The representation of technologies for the conversion, storage, use, and transport of energy is usually stylized in comprehensive system models in order to limit the size of the mathematical problem, and may substantially differ between models. This paper presents a systematic comparison of nine power sector models with sector coupling. We analyze the impact of differences in the representation of technologies, optimization approaches, and further model features on model outcomes. The comparison uses fully harmonized input data and highly simplified system configurations to isolate and quantify model-specific effects. We identify structural differences in terms of the optimization approach between the models. Furthermore, we find substantial differences in technology modeling primarily for battery electric vehicles, reservoir hydro power, power transmission, and demand response. These depend largely on the specific focus of the models. In model analyses where these technologies are a relevant factor, it is therefore important to be aware of potential effects of the chosen modeling approach. For the detailed analysis of the effect of individual differences in technology modeling and model features, the chosen approach of highly simplified test cases is suitable, as it allows to isolate the effects of model-specific differences on results. However, it strongly limits the model's degrees of freedom, which reduces its suitability for the evaluation of fundamentally different modeling approaches

Verbundvorhaben FlexMex: Modellexperiment zur zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Untersuchung des zukünftigen Lastausgleichs im Stromsystem

Das Projekt FlexMex konzentrierte sich auf einen Modellvergleich zur Untersuchung der Nutzung von Flexibilitätsoptionen zum Ausgleich der Stromerzeugung aus variablen erneuerbaren Energien. Die zentrale Frage war, wie unterschiedliche Optimierungs- und Technologiemodellie-rungsansätze den Anlageneinsatz in stündlich aufgelösten Stromsektormodellen beeinflussen. Darüber hinaus wurde der Einfluss unterschied-licher Modellumfänge auf den Einsatz von Flexibilitätsoptionen untersucht. Um datenbedingte von modellbedingten Unterschieden in den Ergebnissen konsequent zu trennen, wurden die Eingangsdaten der neun beteiligten Modelle vollständig harmonisiert. Die Anwendung der Modelle wurde dann in zwei Hauptexperimente unterteilt. Im ersten Experiment wurden auf der Grundlage einer umfassenden qualitativen Analyse der Modelle und ihrer Unterschiede einzelne Flexibilitätsoptionen untersucht. Anhand stark reduzierter Testfälle konnten modellspe-zifische Effekte isoliert und quantifiziert werden. Ergänzende Analysen befassten sich mit dem modellendogenen Ausbau von Stromspeichern, Stromnetzen und regelbaren Kraftwerken. Aufbauend auf den technologiespezifischen Analysen wurden im zweiten Modellexperiment komplexere Szenarien betrachtet. Dort wurden sechzehn stilisierte Szenarien betrachtet, die sich in Versorgungsanteil erneuerbarer Ener-gien, Technologieumfang und Optimierungsumfang unterscheiden. Trotz der hohen Anzahl der Modelle und der interagierenden Modellun-terschiede können die Ergebnisabweichungen auf die Modelleigenschaften zurückgeführt werden. Das Experiment zeigt, dass Unterschiede im Modellierungsansatz und der Technologieabbildung zu vergleichsweise geringen Abweichungen führen, während ein heterogener Modell-umfang einen deutlich größeren Einfluss haben kann. Zusammenfassend können die Ergebnisse des FlexMex-Projekts ein besseres Verständ-nis für die Wirkung unterschiedlicher Modellierungsansätze liefern und damit zur Interpretation von Modellergebnissen beitragen

Demand side management in industry : necessary for a sustainable energy system or a backward step in terms of improving efficiency?

Renewable energy plays a key role in the sustainable pathway towards a low carbon future and, despite new supply capacities, the transformation of the energy system also requires the adoption of a method which allows for the integration of increasing amounts of renewable energy. This requires a transition to more flexible processes at an industrial level and demand side management (DSM) is one possible way of achieving this transition. Currently, increased shares of variable renewable energy can cause the electricity supply to become more volatile and result in changes to the electricity market. In order to develop a new dynamic equilibrium to balance supply and demand, sufficient flexibility in demand is required. As adequate storage systems are not available in the short to medium term, the potential for large electricity consumers to operate flexibly is an attractive, pragmatic and feasible option. Recent studies in Germany suggest that there is significant potential for DSM in so-called "energy-intensive industries". However, the figures (which fall in the approximate range of 1,250-2,750 MW positive and 400-1,300 MW negative shiftable load) should be interpreted with caution. The range of industrial processes considered are diverse and vary from plant to plant, with the result that it is difficult to provide accurate calculations of the accumulated potential for Germany or the EU as a whole. Based on extensive surveys and panel discussions with representatives from energy-intensive industries (aluminum, cement, chemicals, iron & steel, pulp & paper), which together account for approximately one third of the industrial electricity demand in Germany, our paper provides an overview of both the opportunities and the barriers faced by DSM. One of the key findings is the possible loss in energy efficiency due to DSM: in order to decrease or increase production depending on the stability needs of the electricity system, plants and processes may no longer operate at their optimum levels. The effects on downstream production must also be taken into account in order to gain a more complete understanding of the overall effects of industrial DSM

Comparison of the effects of industrial demand side management and other flexibilities on the performance of the energy system

In order to ensure security of supply in a future energy system with a high share of volatile electricity generation, flexibility technologies are needed. Industrial demand-side management ranks as one of the most efficient flexibility options. This paper analyses the effect of the integration of industrial demand-side management through the flexibilisation of aluminium electrolysis and other flexibilities of the electricity system and adjacent sectors. The additional flexibility options include electricity storage, heat storage in district heating networks, controlled charging of electric vehicles, and buffer storage in hydrogen electrolysis. The utilisation of the flexibilities is modelled in different settings with an increasing share of renewable energies, applying a dispatch model. This paper compares which contributions the different flexibilities can make to emission reduction, avoidance of curtailment, and reduction of fuel and CO2 costs, and which circumstances contribute to a decrease or increase of overall emissions with additional flexibilities. The analysis stresses the rising importance of flexibilities in an energy system based on increasing shares of renewable electricity generation, and shows that flexibilities are generally suited to reduce carbon emissions. It is presented that the relative contribution towards the reduction of curtailment and costs of flexibilisation of aluminium electrolysis are high, whereby the absolute effect is small compared to the other options due to the limited number of available processes

Flexibilisation of industries enables sustainable energy systems : FlexInd ; final report

The increasing rate of renewable energies poses new challenges for industries: the amount of wind and solar energy is by far more subject to fluctuations than that of fossil based energy. Large production facilities from the aluminium, cement, steel or paper industry, however, depend on a highly secure energy supply. To which amount is a limitation of fluctuations possible? This was the key question of the project "Flexibilisation of Industries Enables Sustainable Energy systems", which was realised by the Wuppertal Institute in cooperation with the polymers company Covestro last year. In the final report, authors around project co-ordinator Karin Arnold not only show which technological and economic parameters have been considered, but also present possible business models to promote "flexibility products"

Die kommunale Effizienzrevolution für den Klimaschutz in den deutschen Städten - "KomRev". Voraussetzungen, Transformationspfade und Wirkungen

Die erste Phase des Vorhabens KomRev untersucht technisch-strukturelle Optionen für nahezu klimaneutrale kommunale Energieversorgungssysteme, deren Voraussetzungen, Transformationspfade und Konsequenzen am Beispiel der Stadt Rheine. Der Schwerpunkt der Arbeiten des DLR innerhalb des Projektkonsortiums aus SIJ, WI und DLR bestand dabei in der Bestimmung technischer Last- und Erzeugungsmanagement-Potentiale ausgewählter Betriebe in Rheine sowie der Abschätzung von Möglichkeiten für interne und externe Nutzung von Abwärme aus jenen Betrieben. Als Ergebnis aus Phase I kann festgehalten werden, dass zumindest der lokale Nahrungsmittelhersteller Apetito ein großes technisches Potential für Last- und Erzeugungsmanagement aufweist. Dabei wird unterstellt, dass die Flexibilisierung nicht in die Produktionsprozesse bei Apetito eingreift, sondern eine zeitliche Entkoppelung von Nutzenergiebedarf und Strombezug (bzw. Erzeugung) durch verschiedene thermische Speicher für die unterschiedlichen Anwendungen (Hochtemperatur- bzw. Niedertemperatur-Wärme, Prozesskälte) erreicht werden kann. Bei Apetito fallen darüber hinaus auch große Mengen an Abwärme an, die (ggf. nach Veredelung in Wärmepumpen) für die interne Niedertemperatur-Wärmeversorgung genutzt, aber auch an ein externes Wärmenetz abgegeben werden können. In der Phase II des Vorhabens KomRev wurde von den Projektpartnern SIJ, WI und DLR das 'Handbuch methodischer Grundfragen zur Masterplan-Erstellung' entwickelt. Im 'Handbuch' sind dabei die Erkenntnisse, die im Rahmen der ersten Phase von KomRev am Beispielsystem Rheine entwickelt wurden, so ausgewertet, aufbereitet und verallgemeinert, dass sie auch von andere Kommunen genutzt werden können, die selbst ambitionierte Klimaschutzziele verfolgen

RegMex - Modellexperimente und Vergleiche zur Simulation von Wegen zu einer vollständig regenerativen Energieversorgung

Die voranschreitende Umstellung des Energiesystems von einer "additiven Rolle" regenerativer Energien hin zu deren Dominanz wirft zahlreiche Fragestelllungen auf, für deren Beantwortung in zunehmendem Maße Modellierungsansätze gewählt werden. Vor diesem Hintergrund ist in den letzten Jahren eine große Anzahl von modellbasierten Szenarioanalysen des deutschen Energiesystems entstanden. Da sie zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse erzielen, die nur schwer miteinander vergleichbar sind, erschwert dies die Weiterentwicklung des Zukunftswissens zur Energiewende und auch die gegenseitige Qualitätssicherung der Ergebnisse. Vor diesem Hintergrund hat das Wuppertal Institut zusammen mit den Partnern Fraunhofer ISE und DLR das RegMex-Projekt durchgeführt. Ziel des Projektes war zum einen die inhaltliche Weiterentwicklung der Diskussion zur Ausgestaltung der Energiewende. Zum anderen sollte durch den Modellvergleich eine höhere Transparenz der teilnehmenden Modelle erreicht werden, um die Implikationen und Auswirkungen verschiedener Modellansätze besser differenzierten zu können. Im Modellexperiment 1 wurden für zwei Szenarien (Zielszenario und Ambitioniertes Szenario) das Gesamtsystem mit Hilfe von drei Energiesystemmodellen und im Modellexperiment 2 das Stromsystem und flexible Sektorenkopplung mit Hilfe von vier Stromsystemmodellen modelliert. In einem weiteren Arbeitspaket wurden "Disruptive Elemente" identifiziert und analysiert, die gravierende Auswirkungen auf das Energiesystem haben können. Die Modellexperimente zeigen klar, dass die Einordnung und Interpretation von Modellergebnissen nicht losgelöst von den Modellen und deren methodischen Unterschieden erfolgen darf

RegMex - Modellexperimente und -vergleiche zur Simulation von Wegen zu einer vollständig regenerativen Energieversorgung : Schlussbericht

Die voranschreitende Umstellung des Energiesystems von einer "additiven Rolle" regenerativer Energien hin zu deren Dominanz wirft zahlreiche Fragestelllungen auf, für deren Beantwortung in zunehmendem Maße Modellierungsansätze gewählt werden. Vor diesem Hintergrund ist in den letzten Jahren eine große Anzahl von modellbasierten Szenarioanalysen des deutschen Energiesystems entstanden. Da sie zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse erzielen, die nur schwer miteinander vergleichbar sind, erschwert dies die Weiterentwicklung des Zukunftswissens zur Energiewende und auch die gegenseitige Qualitätssicherung der Ergebnisse. Vor diesem Hintergrund hat das Wuppertal Institut zusammen mit den Partnern Fraunhofer ISE und DLR das RegMex-Projekt durchgeführt. Ziel des Projektes war zum einen die inhaltliche Weiterentwicklung der Diskussion zur Ausgestaltung der Energiewende. Zum anderen sollte durch den Modellvergleich eine höhere Transparenz der teilnehmenden Modelle erreicht werden, um die Implikationen und Auswirkungen verschiedener Modellansätze besser differenzierten zu können. Im Modellexperiment 1 wurden für zwei Szenarien (Zielszenario und Ambitioniertes Szenario) das Gesamtsystem mit Hilfe von drei Energiesystemmodellen und im Modellexperiment 2 das Stromsystem und flexible Sektorenkopplung mit Hilfe von vier Stromsystemmodellen modelliert. In einem weiteren Arbeitspaket wurden "Disruptive Elemente" identifiziert und analysiert, die gravierende Auswirkungen auf das Energiesystem haben können. Die Modellexperimente zeigen klar, dass die Einordnung und Interpretation von Modellergebnissen nicht losgelöst von den Modellen und deren methodischen Unterschieden erfolgen darf