Search

Bidirectionally chargeable electric vehicles (EVs) can provide flexibility through smart charging and discharging. The aim of this dissertation is therefore to quantify the resulting added value for both the user and the energy system. For this purpose, different use cases are modeled from the user's perspective and the most important factors influencing the revenue potentials are evaluated. In contrast, the systemic added value of bidirectionally chargeable EVs under cost-optimal penetration rates in the future European energy system is highlighted., Bidirektionale Elektrofahrzeuge (EVs) können durch das gesteuerte Laden und Entladen als Speicher Flexibilität bereitstellen. Ziel dieser Dissertation ist daher die Quantifizierung des daraus entstehenden Mehrwerts sowohl für den Nutzer als auch das Energiesystem. Dafür werden verschiedene Use Cases aus Nutzersicht modelliert und die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Erlöspotenziale bewertet. Demgegenüber wird der systemische Mehrwert bidirektionaler EVs unter kostenoptimalen Durchdringungsraten im zukünftigen europäischen Energiesystem herausgestellt.

Energy communities are an essential part of the energy transition. Three implementation proposals are developed and analyzed in more detail. The focus is set on a labeling framework, with optimization-based allocation, and three different pricing mechanisms. Their potential is assessed and the pricing mechanisms compared by means of simulation. Supervised and unsupervised machine learning is integrated into the energy-economic modeling process to accelerate it and simplify the result evaluation., Energiegemeinschaften sind ein wesentlicher Bestandteil der Energiewende. Es werden Umsetzungsvorschläge für sie entwickelt und näher analysiert. Der Fokus liegt auf einem “Labeling Framework” mit optimierungsbasierter Allokation und drei Preismechanismen. Anhand von Simulationen werden deren Potenzial bewertet und die Preismechanismen verglichen. Maschinelles Lernen wird in den energiewirtschaftlichen Modellierungsprozess integriert, um diesen zu beschleunigen und die Auswertung zu vereinfachen.

Im Rahmen der Dissertation wird ein Industriemodell entwickelt, um kostenoptimierte Transformationspfade der deutschen Industrie abzuleiten. Das Hauptaugenmerk des Modells liegt auf der Entwicklung von Energieverbräuchen, Emissionen, Kosten und Materialien. Das ausgearbeitete Optimierungssystem verknüpft fünf linear optimierte Module iterativ. Die Module optimieren jeweils Teilsysteme der Industrie. Anhand des Optimierungssystems werden drei industrielle Technologiemixszenarien berechnet, wovon zwei Klimaneutralität erreichen., Within the scope of the PhD thesis, an industry model is developed to derive cost-optimized transformation paths of German industry. The model is mainly focused on the development of energy consumption, emissions, costs and materials. The elaborated optimization system iteratively combines five linearly optimized modules. The modules each optimize subsystems of the industry. The optimization system is used to calculate three industrial technology mix scenarios, of which two achieve climate neutrality.

Um das technische Potenzial von Wärmepumpen zur dezentralen Wärmeversorgung der Wohngebäude in Deutschland zu quantifizieren, werden Modelle entwickelt, die den Bedarf und das Angebot an Wärmeenergie anhand von Geo- und Statistikdaten bundesweit je Wohngebäude abbilden. Als Wärmequellen werden die Außenluft, das Erdreich und die Kombination aus Solar-Luft-Kollektoren und Eisspeichern analysiert. Das zentrale Ergebnis ist der Anteil der für Wärmepumpen geeigneten Gebäude differenziert nach Kategorien wie Stadt- oder Gebäudetypen., In order to quantify the technical potential of heat pumps for the decentralized heat supply of residential buildings in Germany, models were developed to map the demand and supply of heat energy on the basis of geospatial and statistical data for each residential building nationwide. Outside air, the ground and the combination of solar-air collectors and ice storage were investigated as heat sources. The key result is the proportion of buildings suitable for heat pumps, differentiated by categories such as city or building types.

Die marktbasierte Erschließung und ein koordinierter Einsatz von dezentraler Flexibilität können das Netzengpassmanagement effizienter gestalten. Ein strukturierter Design-Prozess auf Basis von Market-Engineering und Use-Case-Methodik resultiert in einer Plattform mit hybridem Produktdesign und der Allokation von Flexibilitätsangebot und netzseitiger Nachfrage über eine lineare Optimierung. Eine vergleichende Evaluation bewertet den Ansatz kritisch und zeigt Weiterentwicklungspotenzial auf., Market-based integration of decentralized flexibility and its coordinated use can make grid congestion management more efficient. A structured design process based on the Market Engineering toolbox and the Use Case Methodology results in a platform solution with hybrid product design and an allocation of flexibility supply and grid-side demand through linear optimization. A comparative evaluation critically assesses the approach and identifies further development potential.

The transport sector causes about 20 % of greenhouse gas emissions in Germany. In order to classify possible measures to reduce emissions in transport, scenarios can be examined. In this dissertation, a methodology for the ecological assessment of scenarios was developed that takes into account intersectoral interactions of transport and energy while integrating the holistic view of a life cycle assessment., Der Verkehrssektor verursacht ca. 20 % der Treibhausgasemissionen in Deutschland. Um mögliche Maßnahmen zur Emissionsreduktion im Verkehr einzuordnen, können Szenarien untersucht werden. In dieser Dissertation wurde eine Methodik für die ökologische Bewertung von Szenarien entwickelt, die intersektorale Wechselwirkungen von Verkehr und Energie berücksichtigt und dabei die ganzheitliche Betrachtung einer Lebenszyklusanalyse integriert.

Die Energiewende und die Elektrifizierung des Wärme- und Mobilitätssektors verändern die Anforderungen an die Verteilnetze. In dieser Dissertation wird ein Modell zur Analyse ausgewählter Anwendungsfälle dezentraler Flexibilitätsoptionen entwickelt. Zur Bewertung werden 1.206 reale Niederspannungsnetze mit räumlich hochaufgelösten Energieszenarien verknüpft. Im Fokus der Analysen stehen die Auswirkungen markt- und netzdienlicher Anwendungsfälle für bidirektionale Elektrofahrzeuge auf die Netzbelastung., The energy transition and the electrification of the heating and mobility sectors are changing the demands on distribution grids. In this dissertation, a model is developed to analyse selected use cases of decentralised flexibility options. For the evaluation, 1,206 real low-voltage grids are linked with spatially high-resolution scenarios. The analysis focus on the effects of market- and grid-serving use cases for bidirectional electric vehicles on the grid load.

This dissertation presents local energy market models and a flexibility model that allow to investigate the integration and coordination of consumers, prosumers, and flexumers as active participants in energy systems. Simulations and a case study demonstrate the models’ capabilities. Furthermore, a comparative performance analysis assesses the added value of the blockchain technology to local energy markets., In dieser Dissertation werden lokale Energiemarktmodelle und ein Flexibilitätsmodell vorgestellt, mit denen die Integration und Koordination von Konsumenten, Prosumenten und Flexumenten als aktive Teilnehmer in Energiesystemen untersucht werden können. Simulationen und eine Fallstudie demonstrieren die Fähigkeiten der Modelle. Darüber hinaus wird in einer vergleichenden Leistungsanalyse der Mehrwert der Blockchain-Technologie für lokale Energiemärkte bewertet.

A Smart Market Platform (SMP) provides market-based allocation of grid-supportive flexibility. Different SMP functions are developed and tested, including aggregation, market monitoring, and matching. In addition, blockchain-based implementation approaches are analyzed referring to distributed data management, proof of data integrity using Merkle-proofs, and proof of data properties through verifiable computation techniques. Finally, a comparative evaluation is carried out., Eine Smart Market Plattform (SMP) ermöglicht die marktbasierte Allokation netzdienlicher Flexibilität. SMP-Funktionen werden hierzu entwickelt und getestet, darunter Aggregation, Market Monitoring und Matching. Zudem werden Blockchain-basierte Implementierungsansätze analysiert, u.a. zur verteilten Datenverwaltung, dem Nachweis der Datenintegrität durch Merkle-Beweise und dem Nachweis von Dateneigenschaften durch überprüfbare Berechnungsmethoden. Abschließend erfolgt eine vergleichende Bewertung.

Die Energiewende sorgt für eine veränderte Netzbelastung sowie die Erschließung von dezentralen Flexibilitäten durch das Smart Metering. Die Entwicklung eines Koordinationsmechanismus ermöglicht dabei den effektiven Einsatz von dezentralen Anlagen. Hierfür erfolgen modellgestützte Untersuchungen im Bereich des Potenzials, Bedarfs und der Koordinierung von Flexibilität. Ein Feldversuch umfasst die Demonstration der netzdienlichen Flexibilitätsnutzung sowie die Bewertung des Smart Metering., The energy transition is changing the grid load and decentralized flexibilities can be used by smart metering. The development of a coordination mechanism enables the effective use of decentralized assets. For this purpose, model-based investigations are carried out in the area of potential, demand and coordination of flexibility. A field test includes the demonstration of the grid-serving use of flexibility as well as the evaluation of smart metering itself.

In this dissertation methods are developed and applied which enable the evaluation of industrial CO2 abatement pathways and measures in consistent European socio technical energy scenarios. The concept of classical CO2 abatement costs is augmented to facilitate the holistic abatement measure and transformation pathway evaluation. Furthermore, an integrated scenario process is developed, through which the structured quantification of qualitative scenario storylines is supported., In dieser Dissertation werden Methoden entwickelt und angewendet, die die Bewertung von industriellen CO2-Verminderungspfaden und -Maßnahmen in konsistenten europäischen soziotechnischen Energieszenarien ermöglichen. Um die ganzheitliche Bewertung von Maßnahmen und Pfaden zu ermöglichen wird das Konzept der klassischen CO2 Verminderungskosten erweitert. Zudem wird ein integrierter Szenarioprozess entwickelt, der die strukturierte Quantifizierung qualitativer Szenario Storylines ermöglicht.

In dieser Arbeit wird das Flexibilisierungspotential dezentraler KWK-Anlagen durch den Einsatz von LowEx-Technologie und Speichermanagement untersucht. Dazu wird ein Feldtest in einem Wohngebäude installiert. Die Erkenntnisse werden verwendet, um ein Simulationssystem aufzubauen und zu validieren. Anschließend werden die Ergebnisse anhand einer statistischen Modellierung ausgewertet. Sensitivitäten der Anlagenflexibilität werden identifiziert und mit denen eines Standardsystems verglichen., In this thesis, the flexibilization capability of decentralized combined heat and power plants will be analyzed. Therefore a field test using low exergy technology and storage management is installed in a living quarter. Subsequently, the gained insights are utilized to set up and validate a simulation system. Statistical modeling is applied to analyze the simulation results. Sensitivities of the plant flexibility are identified and compared to those of a state-of-the-art plant.

The increasing number of renewable generation units within the distribution networks drastically impacts the behavior of power systems. Due to the enormous number of distribution networks, a reduced and equivalent representation is required in large power systems to consider their dynamic behavior correctly. This thesis proposes different grey-box models for equivalent distribution networks, which are examined regarding their accuracy and robustness towards modification., Die Zunahme an erneuerbaren Erzeugungsanlagen in den Verteilnetzen beeinflusst das Verhalten des Energiesystems drastisch. Aufgrund der großen Anzahl an Verteilnetzen ist eine reduzierte und äquivalente Darstellung dieser Netze für große Stromnetze notwendig, um ihr dynamisches Verhalten korrekt nachzubilden. In dieser Arbeit werden verschiedene Grey-box Modelle für äquivalente Verteilnetze vorgestellt, welche hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Robustheit nach Modifikation untersucht werden.

In der Dissertation „Entwicklung einer Methodik für eine einheitliche Bewertung des gesamtheitlichen Energiebedarfs unter realen Rahmenbedingungen und dessen Anwendung auf verschiedene Pkw-Antriebsvarianten“ wird zunächst eine neuartige Methode für eine Bewertung des Energiebedarfs inkl. der Nebenverbraucherleistung entwickelt. Anschließend werden Gesamtfahrzeugmodelle konventioneller und alternativer Antriebe erstellt und abschließend der gesamtheitliche Energiebedarf analysiert. Dabei werden u. a. europäische Klimaeinflüsse und eine Weiterentwicklung der Antriebsarten batterieelektrisches und brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug betrachtet., In the dissertation "Development of a methodology for a uniform evaluation of the overall energy demand under real boundary conditions and its application to different car drive variants" a novel method for an evaluation of the energy demand including the auxiliary consumer load is developed. Complete vehicle models of conventional and alternative drives are created and the overall energy consumption is investigated. Among others, the influence of the European climate and a development of the drive types battery-electric and fuel cell-powered vehicle are analysed.

Kern von Energiemanagementsystemen in Wohngebäuden ist die Optimierung des Einsatzes vorhandener Technologien, die über Fahrpläne von steuerbaren Geräten entscheidet. In dieser Dissertation werden zwei Konzepte für die dafür notwendige Entscheidungsfindung im Rahmen einer Energiesystemsimulation miteinander verglichen. Ein zentraler Ansatz wird einem verteilten Ansatz gegenübergestellt. Eine Monte-Carlo-Simulation für Extremfälle zeigt, dass der verteilte Ansatz nur mit sinnvoller Parametrierung an das Optimierungsniveau des zentralen Ansatzes heranreicht., The key component of home energy management systems is a unit commitment model that calculates schedules for controllable devices. This dissertation compares two decision-making concepts for scheduling in an energy system simulation. A centralized approach is contrasted with a distributed approach. A Monte Carlo simulation of extreme cases reveals, that the level of optimization using the distributed approach can hardly keep up with that obtained by the centralized concept, except for specific parameterization.

Electric vehicle charging strategies can make a significant contribution to an integrated energy transition across sectors. The aim of this work is the economic and environmental assessment of charging strategies, that aim to reduce the operational emissions of electric vehicles and promote the integration of renewable energies. The most important influencing factors are highlighted and system repercussions and the influence on total emissions in the life cycle of the vehicles are discussed., Die Ladesteuerung von Elektrofahrzeugen kann einen wesentlichen Beitrag zu einer sektorübergreifend integrierten Energiewende leisten. Ziel der Arbeit ist die ökonomische und ökologische Bewertung von Ladestrategien, die auf die Verminderung der betrieblichen Emissionen der Fahrzeuge abzielen und die Integration von Erneuerbaren Energien fördern. Dabei werden die wichtigsten Einflussfaktoren beleuchtet sowie Systemrückwirkungen und der Einfluss auf die Gesamtemissionen im Lebenszyklus der Fahrzeuge diskutiert.

In dieser Arbeit werden Prozessketten von der Wasserstoffproduktion bis zur Betankung eines Brennstoffzellen-PKWs mit 70 MPa-Drucktank analysiert. Verglichen werden die zentrale und dezentrale Produktion sowie die LKW-basierte Verteilung in gasförmiger und flüssiger Form. Mithilfe von Optimierungen werden Betriebsstrategien, Infrastrukturen und Auslieferungsrouten ermittelt sowie Tankstellenkomponenten ausgelegt. Zuletzt werden die streckenspezifischen Kosten von Wasserstoff, elektrischer Energie zur Batterieladung, Benzin und Diesel verglichen., In this thesis process chains from hydrogen production to refueling of a fuel cell passenger car with 70 MPa pressure tank are analyzed. Centralized and decentralized production as well as truck-based distribution in gaseous and liquid form are compared. By means of optimizations, operating strategies, infrastructures and delivery routes are developed and refueling station components are dimensioned. Finally, the costs of hydrogen, electric energy for battery charging, gasoline and diesel per distance are compared.

Methods of energy system modeling are developed, combined, and applied in order to evaluate greenhouse gas abatement measures holistically. Scenario analyses are carried out to assess relevant measures in detail and to investigate their energy system repercussions. Particular focus is placed on the interplay with the transmission grid. Based on the findings of the analysis of individual measures, a decarbonization path for Germany is developed and critically evaluated., Die sektorenübergreifende Bewertung von Emissionsminderungsmaßnahmen unter Anwendung der Methoden der Energiesystemmodellierung steht im Fokus der Arbeit. Mittels Szenarioanalysen werden Minderungsmaßnahmen gegenübergestellt und deren Systemrückwirkungen untersucht. Das Wechselspiel mit dem Übertragungsnetz stellt dabei eine wichtige Bewertungsdimension dar. Basierend auf den Erkenntnissen der Bewertung von Einzelmaßnahmen wird ein Dekarbonisierungspfad für Deutschland entwickelt und kritisch bewertet.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode für eine dynamische Energieeffizienzprüfung von Wärmepumpen entwickelt. Es wurde gezeigt, dass die dynamische Methode im Vergleich zum aktuellen Prüfstandard EN 14825:2018 eine höhere Repräsentativität sowie eine bessere Vergleich- und Reproduzierbarkeit erreicht. Eine Umsetzung der dynamischen Methode würde Hersteller dazu veranlassen, die Regelung ihrer Geräte zu optimieren, wodurch auch der Wärmepumpenbetrieb im Feld tatsächlich effizienter würde., In this thesis, a method for dynamic energy efficiency testing of heat pumps was developed. It was shown that the dynamic method has a better representativeness, comparability and reproducibility compared to the current standard EN 14825:2018. An implementation of the dynamic method would provide an incentive for manufacturers to optimize the controllers of their appliances, which would result in a more efficient field operation of heat pumps.

The novel MIGRA-NEST toolbox allows calibrating energy system models of mixed spatial granularity. These models facilitate for the identification of national energy transition strategies with consideration of global greenhouse gas (GHG) emission budgets. The results on a case study on South Africa show that globally coordinated GHG reduction strategies increase the mitigation cost-efficiency. However, compensation mechanisms are required to balance the regionally unequal burden., Die neue MIGRA-NEST Toolbox erlaubt die Integration von nationalen und globalen Energiesystemmodellen. Damit können Energieszenarien unter Berücksichtigung globaler Emissionsbudgets für Treibhausgase (THG) entwickelt werden. Die Ergebnisse einer Fallstudie über Südafrika bestätigen, dass global koordinierte THG-Reduktionen die Kosteneffizienz der globalen Emissionsreduktion verbessern; es sind jedoch Kompensationsmechanismen erforderlich, um die regional ungleichen Belastungen auszugleichen.

Ausgehend von einer anwendungsscharfen Bilanzierung der CO2-Emissionen privater Haushalte werden Maßnahmen mit einem relevanten Beitrag zu einem klimaneutralen Gebäudebestand identifiziert. Ein neu entwickeltes Sektormodell der privaten Haushalte errechnet die Auswirkungen dieser Maßnahmen auf die Kosten, Emissionen und Lastgänge des Sektors. Wichtige Ergebnisse sind die CO2-Verminderungskosten der Maßnahmen, deren Wechselwirkungen untereinander sowie die Rückwirkungen auf den Bereitstellungssektor., Based on the CO2 emissions balance of the residential sector, measures are identified which can significantly contribute to a climate-neutral building stock. A newly developed model of the residential sector quantifies the effects of these measures on the costs, emissions and load profiles. Key results are the CO2 abatement costs of the measures, their interactions with each other and their impacts on the supply sector.

In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, mit der Energiemanagementkonzepte in Einfamilienhaus-Wohnsiedlungen systematisch hinsichtlich ihres technoökonomischen Mehrwerts in Abhängigkeit struktureller, technischer und regulatorischer Rahmenbedingungen analysiert und verglichen werden können. Untersuchungsgegenstand sind die Energiemanagementkonzepte „Eigenoptimierer“ – alle Häuser der Siedlung sind jeweils mit einem eigenen Hausenergiemanagementsystem ausgestattet – und „Smart Micro Grid“, das um eine zentrale Intelligenz auf Siedlungsebene erweitert ist und eine gezielte Koordination des Stromflusses innerhalb der Siedlung ermöglicht., In this thesis, a method for the systematic analysis and comparison of energy management concepts in settlements comprising single-family dwellings in the low-voltage grid is developed. Energy management concepts are evaluated in terms of their techno-economic added value subject to structural, technical, and regulatory conditions. Subject of this thesis are two concepts, the "Self-Optimizer" (EO) and the "Smart Micro Grid" (SMG). In the case of EO, each dwelling in the settlement is equipped with a home energy management system, while in the case of SMG these are expanded by a central intelligence at settlement level, allowing for targeted coordination of the electricity flow within the settlement.

The circular economy is proposed as a potential solution to reduce resource and environmental risks caused by the energy transition. The developed method aims to systematically assess the actual potential of circular approaches to reduce critical resource demand and climate impacts. The resulting set of instruments includes future technological developments and energy system interdependencies into emission and resource assessment. The example of electric vehicle batteries shows that the circular economy can provide environmental saving potentials over all phases of the life cycle., Die Kreislaufwirtschaft ist ein möglicher Lösungsansatz zur Reduktion von Ressourcen- und Umweltrisiken durch die Energiewende. Ziel der entwickelten Methode ist es, das tatsächliche Potenzial zirkulärer Ansätze zur Reduktion des kritischen Rohstoffbedarfs und der Klimawirkung systematisch zu bewerten. Die entwickelten Instrumente beziehen zukünftige technologische Entwicklungen und Wechselwirkungen mit dem Energiesystem in die Emissions- und Ressourcenbewertung ein. Am Beispiel von Elektrofahrzeugbatterien zeigt sich, dass die Kreislaufwirtschaft in allen Lebenszyklusphasen ökologische Einsparpotenziale bieten kann.

In dieser Arbeit werden mögliche Transformationspfade des deutschen Sektors Gewerbe, Handel, Dienstleistungen hin zu einer klimafreundlichen Energieversorgung bis 2050 untersucht. Die Modellierung des heterogenen Sektors erfolgt, für sieben Anwendungsbereiche und 13 Branchen, mithilfe des eigens entwickelten linearen Optimierungsmodells MESSAGEix-GHD. Die Ergebnisse der Szenario-, Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse zeigen, dass unter den aktuellen politischen und technologischen Rahmenbedingungen das 95%-Klimaziel der Bundesregierung nicht erreicht wird., This dissertation examines potential transformation pathways of the German business and services sector towards a more climate friendly energy supply by 2050. The modelling of the heterogeneous sector is carried out for 7 application areas and 13 branches using the linear optimisation model MESSAGEix-GHD, which I developed for this purpose. The results of the scenario, sensitivity and uncertainty analysis show that under the current political and technological conditions the Federal Government 95 percentage climate target will not be achieved.

Mit dieser Arbeit wurde das Potential eines Prosumers, zukünftig netzdienlich Strom zu erzeugen und zu verbrauchen, bestimmt. Zur Erreichung dieses Ziels wurde in der vorliegenden Arbeit eine skalierbare, prädiktive Regelung für den Prosumer entwickelt. Sie basiert auf der Vorhersage des Wärmeverbrauchs mit Hilfe Neuronaler Netze und der Bestimmung der Einsatzzeitpunkte der Wärmepumpe analog zur Lösung des Knapsack-Problems mit dem Greedy-Algorithmus., This work determines the potential of a prosumer for grid-friendly generation and consumption of electricity. In order to achieve this goal, a scalable, predictive control system was developed for the prosumer. It is based on the prediction of heat consumption with the help of neural networks and the determination of the heat pump operation analogous to the solution of the Knapsack problem with the Greedy algorithm.

In dieser Arbeit wird das Flexibilisierungspotential dezentraler KWK-Anlagen durch den Einsatz von LowEx-Technologie und Speichermanagement untersucht. Dazu wird ein Feldtest in einem Wohngebäude installiert. Die Erkenntnisse werden verwendet, um ein Simulationssystem aufzubauen und zu validieren. Anschließend werden die Ergebnisse anhand einer statistischen Modellierung ausgewertet. Sensitivitäten der Anlagenflexibilität werden identifiziert und mit denen eines Standardsystems verglichen., In this thesis, the flexibilization capability of decentralized combined heat and power plants will be analyzed. Therefore a field test using low exergy technology and storage management is installed in a living quarter. Subsequently, the gained insights are utilized to set up and validate a simulation system. Statistical modeling is applied to analyze the simulation results. Sensitivities of the plant flexibility are identified and compared to those of a state-of-the-art plant.

Die Energiewende sorgt für eine veränderte Netzbelastung sowie die Erschließung von dezentralen Flexibilitäten durch das Smart Metering. Die Entwicklung eines Koordinationsmechanismus ermöglicht dabei den effektiven Einsatz von dezentralen Anlagen. Hierfür erfolgen modellgestützte Untersuchungen im Bereich des Potenzials, Bedarfs und der Koordinierung von Flexibilität. Ein Feldversuch umfasst die Demonstration der netzdienlichen Flexibilitätsnutzung sowie die Bewertung des Smart Metering., The energy transition is changing the grid load and decentralized flexibilities can be used by smart metering. The development of a coordination mechanism enables the effective use of decentralized assets. For this purpose, model-based investigations are carried out in the area of potential, demand and coordination of flexibility. A field test includes the demonstration of the grid-serving use of flexibility as well as the evaluation of smart metering itself.

A Smart Market Platform (SMP) provides market-based allocation of grid-supportive flexibility. Different SMP functions are developed and tested, including aggregation, market monitoring, and matching. In addition, blockchain-based implementation approaches are analyzed referring to distributed data management, proof of data integrity using Merkle-proofs, and proof of data properties through verifiable computation techniques. Finally, a comparative evaluation is carried out., Eine Smart Market Plattform (SMP) ermöglicht die marktbasierte Allokation netzdienlicher Flexibilität. SMP-Funktionen werden hierzu entwickelt und getestet, darunter Aggregation, Market Monitoring und Matching. Zudem werden Blockchain-basierte Implementierungsansätze analysiert, u.a. zur verteilten Datenverwaltung, dem Nachweis der Datenintegrität durch Merkle-Beweise und dem Nachweis von Dateneigenschaften durch überprüfbare Berechnungsmethoden. Abschließend erfolgt eine vergleichende Bewertung.

In this dissertation methods are developed and applied which enable the evaluation of industrial CO2 abatement pathways and measures in consistent European socio technical energy scenarios. The concept of classical CO2 abatement costs is augmented to facilitate the holistic abatement measure and transformation pathway evaluation. Furthermore, an integrated scenario process is developed, through which the structured quantification of qualitative scenario storylines is supported., In dieser Dissertation werden Methoden entwickelt und angewendet, die die Bewertung von industriellen CO2-Verminderungspfaden und -Maßnahmen in konsistenten europäischen soziotechnischen Energieszenarien ermöglichen. Um die ganzheitliche Bewertung von Maßnahmen und Pfaden zu ermöglichen wird das Konzept der klassischen CO2 Verminderungskosten erweitert. Zudem wird ein integrierter Szenarioprozess entwickelt, der die strukturierte Quantifizierung qualitativer Szenario Storylines ermöglicht.

To curb ongoing global warming, the energy and mobility sectors must increasingly rely on sustainable energy generation, which requires the efficient storage thereof. In this publication-based dissertation, multi-use and multi-storage approaches are analyzed to maximize the revenue potential of stationary and mobile battery storage systems. Both approaches modify storage operation to increase investment attractiveness by exploiting synergies, optimizing power flows and energy throughput., Um die globale Erwärmung einzudämmen, müssen die Energie- und Mobilitätssektoren zunehmend auf nachhaltige Energieerzeugung setzen, was die effiziente Speicherung dieser erfordert. In dieser Arbeit werden Multi-Use und Multi-Storage Konzepte analysiert, um das Ertragspotenzial von stationären und mobilen Batteriespeichern zu maximieren. Beide Ansätze modifizieren den Speicherbetrieb, um die Investitionsattraktivität durch Nutzung von Synergien, Leistungsflüsse und Energiedurchsatz zu optimieren.

To curb ongoing global warming, the energy and mobility sectors must increasingly rely on sustainable energy generation, which requires the efficient storage thereof. In this publication-based dissertation, multi-use and multi-storage approaches are analyzed to maximize the revenue potential of stationary and mobile battery storage systems. Both approaches modify storage operation to increase investment attractiveness by exploiting synergies, optimizing power flows and energy throughput., Um die globale Erwärmung einzudämmen, müssen die Energie- und Mobilitätssektoren zunehmend auf nachhaltige Energieerzeugung setzen, was die effiziente Speicherung dieser erfordert. In dieser Arbeit werden Multi-Use und Multi-Storage Konzepte analysiert, um das Ertragspotenzial von stationären und mobilen Batteriespeichern zu maximieren. Beide Ansätze modifizieren den Speicherbetrieb, um die Investitionsattraktivität durch Nutzung von Synergien, Leistungsflüsse und Energiedurchsatz zu optimieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Simulationsmodells für Endenergieverbrauch und Kohlenstoffdioxidemissionen der Letzten Meile des Lieferverkehrs beschrieben. Die Methodik beruht dabei auf Monte-Carlo-Simulationen unter Einbezug von quelloffenen Geodaten aus OpenStreetMap. Neben der Möglichkeit zur flexiblen Untersuchung von unterschiedlichen Regionen erlaubt das entwickelte Modell die Integration von innovativen Zustellkonzepten. Zusätzlich wird der Einsatz von Zustellfahrzeugen mit verschiedenen Antriebsvarianten abgebildet., This thesis describes the development of a simulation model for final energy consumption and carbon dioxide emissions for the last mile of delivery traffic. The methodology bases on Monte Carlo Simulations in combination with open-source geodata from Open Street Map. Besides to the flexible investigation of different regions, the model addresses the integration of innovative delivery concepts. In addition, the use of delivery vans with varying drive train type is depicted.

In this dissertation, a comprehensive solution is offered for a local energy trading market that bridges the gap between simulation and real-life requirements. Hence, a bottom-up approach is adopted in designing the market model. At the device level, non-linear models are presented and experimentally validated based on testbeds. At the building level, an energy management algorithm is presented and evaluated based on multiple generic loads. Based on these systems, a market model is developed with device-oriented bidding strategies that are tailored to the technical constraints of the flexible devices in residential buildings., In dieser Dissertation wird eine umfassende Lösung für einen lokalen Energiehandelsmarkt vorgestellt, wodurch die Lücke zwischen Simulation und realen Anforderungen geschlossen wird. Zu diesem Zweck wird beim Entwurf des Marktmodells ein Bottom-Up-Ansatz gewählt. Auf Geräteebene werden dazu nichtlineare Modelle verwendet, die in Versuchen an Prüfständen validiert wurden. Auf Gebäudeebene wird ein Algorithmus für ein Energiemanagement vorgestellt, das mit Hilfe verschiedener generischen Lasten bewertet wird. Basierend auf diesen Systemen wird ein Marktmodell mit geräteorientierten Gebotsstrategien entwickelt, die auf technische Bedingungen der flexiblen Geräte in Wohngebäuden zugeschnitten sind.

Low temperature district heating (LTDH) offers possibilities for efficient heat supply based on renewable energies. The exergetic assessment is a suitable method for the analysis of LTDH. Hence an exergy-based assessment method was developed in which energy as well as economic and sustainability aspects are combined. As part of a technology comparison, the method is applied to case studies to verify the applicability of the assessment approach. The approach highlights innovative supply solutions by identifying the advantages and disadvantages of different supply strategies., Niedertemperatur Fernwärme (NTFW) bietet Optionen für die effiziente und regenative Wärmeversorgung. Die exergetische Bewertung ist eine geeignete Methode für die Analyse von NTFW. Daher wurde eine exergie-basierte Bewertungsmethode entwickelt, in der energiewirtschaftliche Aspekte kombiniert werden. Zur Verifizierung des Bewertungsansatzes wird die Methode in einem Technologievergleich auf Fallstudien angewendet. Die Methode zeigt innovative Versorgungslösungen auf, indem Vor- und Nachteile verschiedener Versorgungsstrategien identifiziert werden.

Der Wandel der Energieversorgung von zentralen zu dezentralen Strukturen führt zu steigenden Anforderungen an die räumliche Auflösung von Energiesystemmodellen. Die Modelle zur Synthese von regional und zeitlich hoch aufgelösten Daten zum Energieverbrauch und Stromerzeugung basieren auf der Fusion von offenen, statistischen Daten und Geodaten. Die erreichbare regionale Auflösung beträgt 100 m. Das Potenzial und die zukünftige Entwicklung für Photovoltaik und Windenergie werden modelliert und mit historischen Daten validiert. Die Integration der gesamten Arbeit in einer PostGIS-Datenbank gewährleistet ein hohes Maß an Dynamik, Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit., The change of the energy supply from central to decentralized structures leads to increasing demands on the spatial resolution of energy system models. The models for the synthesis of regionally and temporally high-resolution data on energy consumption and power generation are based on the fusion of open, statistical data and geodata. The achievable regional resolution is 100 m. The potential and future development for photovoltaics and wind energy are modelled and validated with historical data. The integration of the entire work in a PostGIS database guarantees a high degree of dynamics, reproducibility and transferability.

The transformation of the energy system includes an increasingly active market participation by formerly passive consumers via the installation of photovoltaic (PV) systems for decentralized production and on-site consumption of electricity. For a holistic understanding of the market diffusion of PV + battery systems, a technology diffusion model is developed that considers technical restrictions of PV electricity production and flexible consumption as well as individual consumer behaviour., Die Transformation des Energiesystems beinhaltet eine zunehmend aktive Marktteilnahme von ehemals passiven Verbrauchern durch die Installation von Photovoltaik(PV)-Anlagen zur dezentralen Erzeugung und dem Vor-Ort-Verbrauch von Strom. Für ein ganzheitliches Verständnis der Marktdiffusion von PV + Batteriesystemen wird ein Technologiediffusionsmodell entwickelt, das die technischen Restriktionen von PV-Stromerzeugung und flexiblem Stromverbrauch, sowie individuelles Nutzerverhalten abbildet.

Electric vehicle charging strategies can make a significant contribution to an integrated energy transition across sectors. The aim of this work is the economic and environmental assessment of charging strategies, that aim to reduce the operational emissions of electric vehicles and promote the integration of renewable energies. The most important influencing factors are highlighted and system repercussions and the influence on total emissions in the life cycle of the vehicles are discussed., Die Ladesteuerung von Elektrofahrzeugen kann einen wesentlichen Beitrag zu einer sektorübergreifend integrierten Energiewende leisten. Ziel der Arbeit ist die ökonomische und ökologische Bewertung von Ladestrategien, die auf die Verminderung der betrieblichen Emissionen der Fahrzeuge abzielen und die Integration von Erneuerbaren Energien fördern. Dabei werden die wichtigsten Einflussfaktoren beleuchtet sowie Systemrückwirkungen und der Einfluss auf die Gesamtemissionen im Lebenszyklus der Fahrzeuge diskutiert.

In der Dissertation „Entwicklung einer Methodik für eine einheitliche Bewertung des gesamtheitlichen Energiebedarfs unter realen Rahmenbedingungen und dessen Anwendung auf verschiedene Pkw-Antriebsvarianten“ wird zunächst eine neuartige Methode für eine Bewertung des Energiebedarfs inkl. der Nebenverbraucherleistung entwickelt. Anschließend werden Gesamtfahrzeugmodelle konventioneller und alternativer Antriebe erstellt und abschließend der gesamtheitliche Energiebedarf analysiert. Dabei werden u. a. europäische Klimaeinflüsse und eine Weiterentwicklung der Antriebsarten batterieelektrisches und brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug betrachtet., In the dissertation "Development of a methodology for a uniform evaluation of the overall energy demand under real boundary conditions and its application to different car drive variants" a novel method for an evaluation of the energy demand including the auxiliary consumer load is developed. Complete vehicle models of conventional and alternative drives are created and the overall energy consumption is investigated. Among others, the influence of the European climate and a development of the drive types battery-electric and fuel cell-powered vehicle are analysed.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Rückwirkung von Sektorkopplung und Flexibilität auf das Energiesystem Deutschlands. Dafür wurde das Optimierungsmodell IMAKUS weiterentwickelt, sodass eine Kopplung mit dem Wärmesektor bei gleichzeitig abgestimmtem, intertemporalem Kraftwerksausbau und Lastflexibilisierung durch Einsatz von Demand-Side-Management möglich sind. Für flexible und stark gekoppelte Systeme zeigt die Szenariovariation eine wesentlich erhöhte Nutzbarkeit und damit Aufwertung des regenerativen Stroms. Ebenso sinken dadurch der fossile Primärenergieeinsatz und folglich die Emissionen deutlich., This study investigates the impact of sector coupling and flexibility on the German energy system. For this purpose, the optimization model IMAKUS was further developed, so that a coupling with the heat sector with simultaneously coordinated, intertemporal power plant expansion and demand flexibilization through the use of demand-side management is possible. For flexible and strongly coupled systems, the scenario variation shows a significantly increased usability and thus valorization of renewable electricity. Likewise, the fossil primary energy input and consequently the emissions decrease significantly.

Kern von Energiemanagementsystemen in Wohngebäuden ist die Optimierung des Einsatzes vorhandener Technologien, die über Fahrpläne von steuerbaren Geräten entscheidet. In dieser Dissertation werden zwei Konzepte für die dafür notwendige Entscheidungsfindung im Rahmen einer Energiesystemsimulation miteinander verglichen. Ein zentraler Ansatz wird einem verteilten Ansatz gegenübergestellt. Eine Monte-Carlo-Simulation für Extremfälle zeigt, dass der verteilte Ansatz nur mit sinnvoller Parametrierung an das Optimierungsniveau des zentralen Ansatzes heranreicht., The key component of home energy management systems is a unit commitment model that calculates schedules for controllable devices. This dissertation compares two decision-making concepts for scheduling in an energy system simulation. A centralized approach is contrasted with a distributed approach. A Monte Carlo simulation of extreme cases reveals, that the level of optimization using the distributed approach can hardly keep up with that obtained by the centralized concept, except for specific parameterization.

This doctoral thesis is thematically classified in the field of energy systems modeling. Hydrogen is utilized as the central sector-coupling element produced by renewable energy sources. It is a major challenge to design systems which combine the intermittent production of renewable power sources with new consumers such as PtX. The ecological footprint of H2 production from PEMWE is evaluated through LCA. A comparison of these two different modeling approaches reveals that the results are not equivalent. A novel approach is presented, depicting the dynamics of energy and material flows endogenously., Diese Doktorarbeit ist thematisch im Bereich der Modellierung von Energiesystemen eingeordnet. Wasserstoff wird als zentrales sektorkoppelndes Element verwendet, das aus erneuerbaren Energiequellen produziert wird. Die Herausforderung liegt in der Entwicklung von Systemen, welche die volatile Stromerzeugung erneuerbarer Energiequellen mit neuen Verbrauchern wie PtX kombinieren. Der ökologische Fußabdruck der H2 Produktion aus PEMWE wird durch eine Ökobilanz bewertet. Ein Vergleich dieser beiden unterschiedlichen Modellierungsansätze zeigt, dass die Ergebnisse nicht gleichwertig sind. Es wird ein neuartiger Ansatz vorgestellt, der die Dynamik von Energie- und Materialflüssen endogen darstellt.

In dieser Arbeit werden Prozessketten von der Wasserstoffproduktion bis zur Betankung eines Brennstoffzellen-PKWs mit 70 MPa-Drucktank analysiert. Verglichen werden die zentrale und dezentrale Produktion sowie die LKW-basierte Verteilung in gasförmiger und flüssiger Form. Mithilfe von Optimierungen werden Betriebsstrategien, Infrastrukturen und Auslieferungsrouten ermittelt sowie Tankstellenkomponenten ausgelegt. Zuletzt werden die streckenspezifischen Kosten von Wasserstoff, elektrischer Energie zur Batterieladung, Benzin und Diesel verglichen., In this thesis process chains from hydrogen production to refueling of a fuel cell passenger car with 70 MPa pressure tank are analyzed. Centralized and decentralized production as well as truck-based distribution in gaseous and liquid form are compared. By means of optimizations, operating strategies, infrastructures and delivery routes are developed and refueling station components are dimensioned. Finally, the costs of hydrogen, electric energy for battery charging, gasoline and diesel per distance are compared.

In der vorliegenden Arbeit wird eine übergeordnete Spannungsregelung für Niederspanungsnetze mit hoher PV-Durchdringung entwickelt und ihr Spannungssenkungspotential im Vergleich zu etablierten dezentralen Spannungshaltungsverfahren untersucht. Die Kernidee beruht auf einer effizienten Nutzung von Leistungsreserven der regelbaren Betriebsmittel (z. B. PV-Wechselrichter, Batteriespeicher, Strangregler) zur Spannungshaltung. Die Überwachung der Netzspannung sowie die Koordinierung der Leistungsreserven übernimmt ein mehrstufig aufgebauter, zentraler Netzregler. Mithilfe der übergeordneten Spannungsregelung werden das Spannungsniveau im Netz deutlich abgesenkt und Grenzwerte besser eingehalten., Voltage control in low voltage grids is usually done using decentralized voltage control as for example reactive power control of infeeders or batteries. In the present work the effectivity of a superordinate voltage control for low voltage grids suffering high PV-penetration is compared to decentralized voltage control methods. Results show the potential of the proposed control strategy for both keeping grid voltages within the limits given by the standards and raising the number of installed PV-generation without additional grid extension.

Methods of energy system modeling are developed, combined, and applied in order to evaluate greenhouse gas abatement measures holistically. Scenario analyses are carried out to assess relevant measures in detail and to investigate their energy system repercussions. Particular focus is placed on the interplay with the transmission grid. Based on the findings of the analysis of individual measures, a decarbonization path for Germany is developed and critically evaluated., Die sektorenübergreifende Bewertung von Emissionsminderungsmaßnahmen unter Anwendung der Methoden der Energiesystemmodellierung steht im Fokus der Arbeit. Mittels Szenarioanalysen werden Minderungsmaßnahmen gegenübergestellt und deren Systemrückwirkungen untersucht. Das Wechselspiel mit dem Übertragungsnetz stellt dabei eine wichtige Bewertungsdimension dar. Basierend auf den Erkenntnissen der Bewertung von Einzelmaßnahmen wird ein Dekarbonisierungspfad für Deutschland entwickelt und kritisch bewertet.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode für eine dynamische Energieeffizienzprüfung von Wärmepumpen entwickelt. Es wurde gezeigt, dass die dynamische Methode im Vergleich zum aktuellen Prüfstandard EN 14825:2018 eine höhere Repräsentativität sowie eine bessere Vergleich- und Reproduzierbarkeit erreicht. Eine Umsetzung der dynamischen Methode würde Hersteller dazu veranlassen, die Regelung ihrer Geräte zu optimieren, wodurch auch der Wärmepumpenbetrieb im Feld tatsächlich effizienter würde., In this thesis, a method for dynamic energy efficiency testing of heat pumps was developed. It was shown that the dynamic method has a better representativeness, comparability and reproducibility compared to the current standard EN 14825:2018. An implementation of the dynamic method would provide an incentive for manufacturers to optimize the controllers of their appliances, which would result in a more efficient field operation of heat pumps.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Rückwirkung von Sektorkopplung und Flexibilität auf das Energiesystem Deutschlands. Dafür wurde das Optimierungsmodell IMAKUS weiterentwickelt, sodass eine Kopplung mit dem Wärmesektor bei gleichzeitig abgestimmtem, intertemporalem Kraftwerksausbau und Lastflexibilisierung durch Einsatz von Demand-Side-Management möglich sind. Für flexible und stark gekoppelte Systeme zeigt die Szenariovariation eine wesentlich erhöhte Nutzbarkeit und damit Aufwertung des regenerativen Stroms. Ebenso sinken dadurch der fossile Primärenergieeinsatz und folglich die Emissionen deutlich., This study investigates the impact of sector coupling and flexibility on the German energy system. For this purpose, the optimization model IMAKUS was further developed, so that a coupling with the heat sector with simultaneously coordinated, intertemporal power plant expansion and demand flexibilization through the use of demand-side management is possible. For flexible and strongly coupled systems, the scenario variation shows a significantly increased usability and thus valorization of renewable electricity. Likewise, the fossil primary energy input and consequently the emissions decrease significantly.

This doctoral thesis is thematically classified in the field of energy systems modeling. Hydrogen is utilized as the central sector-coupling element produced by renewable energy sources. It is a major challenge to design systems which combine the intermittent production of renewable power sources with new consumers such as PtX. The ecological footprint of H2 production from PEMWE is evaluated through LCA. A comparison of these two different modeling approaches reveals that the results are not equivalent. A novel approach is presented, depicting the dynamics of energy and material flows endogenously., Diese Doktorarbeit ist thematisch im Bereich der Modellierung von Energiesystemen eingeordnet. Wasserstoff wird als zentrales sektorkoppelndes Element verwendet, das aus erneuerbaren Energiequellen produziert wird. Die Herausforderung liegt in der Entwicklung von Systemen, welche die volatile Stromerzeugung erneuerbarer Energiequellen mit neuen Verbrauchern wie PtX kombinieren. Der ökologische Fußabdruck der H2 Produktion aus PEMWE wird durch eine Ökobilanz bewertet. Ein Vergleich dieser beiden unterschiedlichen Modellierungsansätze zeigt, dass die Ergebnisse nicht gleichwertig sind. Es wird ein neuartiger Ansatz vorgestellt, der die Dynamik von Energie- und Materialflüssen endogen darstellt.

In der vorliegenden Arbeit wird eine übergeordnete Spannungsregelung für Niederspanungsnetze mit hoher PV-Durchdringung entwickelt und ihr Spannungssenkungspotential im Vergleich zu etablierten dezentralen Spannungshaltungsverfahren untersucht. Die Kernidee beruht auf einer effizienten Nutzung von Leistungsreserven der regelbaren Betriebsmittel (z. B. PV-Wechselrichter, Batteriespeicher, Strangregler) zur Spannungshaltung. Die Überwachung der Netzspannung sowie die Koordinierung der Leistungsreserven übernimmt ein mehrstufig aufgebauter, zentraler Netzregler. Mithilfe der übergeordneten Spannungsregelung werden das Spannungsniveau im Netz deutlich abgesenkt und Grenzwerte besser eingehalten., Voltage control in low voltage grids is usually done using decentralized voltage control as for example reactive power control of infeeders or batteries. In the present work the effectivity of a superordinate voltage control for low voltage grids suffering high PV-penetration is compared to decentralized voltage control methods. Results show the potential of the proposed control strategy for both keeping grid voltages within the limits given by the standards and raising the number of installed PV-generation without additional grid extension.

Steigende Anzahlen elektrisch betriebener Pkw und Heizungen werden zur Herausforderung für Verteilnetzbetreiber. Untersuchungsschwerpunkte dieser Arbeit sind die Erhebung und Modellierung von Typnetzen zur Identifikation kritischer Netzbelastungen sowie ein systematischer Vergleich von 16 Netzoptimierenden Maßnahmen. Mittels dreiphasiger Jahressimulationen von Verteilnetzen wird ein Vergleich technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Kriterien durchgeführt. Neben konventionellem Netzausbau eignen sich in Niederspannungsnetzen vor allem regelbare Transformatoren und Blindleistungsmanagement., Growing numbers of electric cars as well as electric heating systems become a challenge for distribution system operators. Focus of this study is the elicitation and modelling of typical grids to identify critical grid loads and the systematic comparison of 16 grid-optimizing measures. A systematic comparison of technical, ecological and economic criteria is carried out and aggregated, using three-phase annual simulations. Besides conventional grid expansion, adjustable transformers and reactive power management suit for low voltage grids.

This thesis compares different linear and nonlinear optimization methods for model predictive control of energy storage systems. The methods are applied to a compressed air energy storage system. Model predictive control is used to minimize operational costs covering a given 24-hour air demand using a time-sensitive electricity price as an incentive. The experiments are performed for several scenarios with variations in demand, electricity price, optimization timestep size and forecast quality., Diese Arbeit vergleicht verschiedene lineare und nichtlineare Optimierungsmethoden zur modellprädiktiven Regelung am Anwendungsbeispiel eines Druckluftspeichers. Dazu wird eine modellprädiktive Regelung des Speichers für einen Zeitraum von 24 Stunden durchgeführt. Ziel ist dabei die Deckung eines vorgegebenen Bedarfs mit minimalen Stromkosten. Es werden jeweils mehrere Szenarien mit einer Variation in den Verbrauchs- und Strompreisprofilen sowie der Optimierungsschrittweite und der Genauigkeit der Verbrauchsprognose betrachtet.