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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.

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.

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.

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.

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.

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.

Aufgrund der Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung existieren besondere Rahmenbedingungen für KWK-Anlagen. Zusätzlich resultieren die Herausforderungen der Stromerzeugung zukünftig stärker als heute aus den Restlastgängen, die vornehmlich durch die regenerative Einspeisung geprägt sind. Zur Analyse eines flexiblen Betriebs von KWK-Anlagen wurde daher ein örtlich und zeitlich hoch aufgelöstes Regionenmodell der leitungsgebundenen Energieversorgung erstellt. Dafür wurde ein Ausbauszenario der Erneuerbaren auf regionaler Ebene umgesetzt und dazu ein Datensatz an Last- und Leistungsgängen synthetisiert. Mit dem Modell wurden die Auswirkungen eines flexibleren Betriebs von KWK-Anlagen untersucht. Die Nutzung von Wärmespeichern mit KWK-Anlagen in einem flexiblen KWK-System harmonisiert den KWK-Erzeugungsgang mit der Restlast. Neben den Effekten dieser Betriebsweise wurden die Chancen und Herausforderungen eines weiteren Ausbaus analysiert. With heat and power being produced at the same time CHP needs to run under special conditions. On the other hand it is the residual load which will challenge power generation most in particular if one takes the increasing electricity production from renewable energies into account. In this thesis an energy system model with high spatial and temporal resolution was first developed and then applied to CHP when run on a flexible basis. To this aim the model considers a possible regional implementation of renewable energies. Moreover a dataset of load profiles and power curves was modeled in a bottom-up approach. Thus the model allowed to assess the effects of a flexible operation of CHP plants: Thermal storages combined with cogeneration plants help to balance the discrepancy between the CHP power curve and the residual load. Against the background of this finding challenges and opportunities of a further expansion of CHP were discussed.

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 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 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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

This thesis analyses options for a cost-effective and sustainable future power supply in ASEAN. Key aspects of the work are the assessment of potential power generation from renewable energy sources and the analysis of economic benefits through cross-border electricity trade. An optimisation model is developed that covers ASEAN's electricity demand in the year 2040 with minimum cost of power generation, transmission and storage. Hydropower, solar and geothermal energy are key resources for a sustainable future power supply in ASEAN. Cross-border electricity trade offers the potential to significantly reduce total electricity supply costs, mainly by exporting electricity from excess hydropower resources. Diese Arbeit analysiert Möglichkeiten einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Stromversorgung in ASEAN. Insbesondere werden Stromerzeugungspotenziale erneuerbarer Ressourcen und wirtschaftliche Vorteile grenzübergreifenden Stromhandels bewertet. Ein Optimierungsmodell wird entwickelt, welches den Strombedarf in ASEAN im Jahr 2040 mit minimalen Gesamtkosten von Stromerzeugung, -übertragung und -speicherung deckt. Wasserkraft, Solarenergie und Geothermie sind Schlüssel-Ressourcen einer nachhaltigen künftigen Stromversorgung in ASEAN. Grenzübergreifender Stromhandel bietet das Potenzial, die Gesamtkosten der Stromversorgung signifikant zu reduzieren, vor allem durch den Export von Strom aus überschüssigen Wasserkraftpotenzialen.

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.

In the “More Electric Aircraft” concept, electric equipment is replacing hydraulic, pneumatic and mechanical equipment. This architecture provides much room for optimization but interactions of components have to be analyzed on a bigger scale. This thesis contributes to the design and analysis of the electrical network system in terms of network stability and power quality by model-based methods which are suitable for modern large aircraft. Das „More Electric Aircraft“-Konzept sieht vor, hydraulische, pneumatische und mechanische Flugzeugkomponenten durch elektrische Systeme zu ersetzen. Damit können auf Flugzeugebene Synergieeffekte besser genutzt werden. Gleichzeitig erfordert das größere System eine genauere Untersuchung der Wechselwirkungen. Die Arbeit beschäftigt sich mit modellbasierten Methoden zur Auslegung und Analyse von modernen Flugzeug-Bordnetzarchitekturen bezüglich Netzwerkstabilität und Stromqualität.

This work presents a techno-economic evaluation of two stationary battery energy storage system applications with special consideration of the aging. Therefore, the software framework SimSES is developed. Comprehensive aging studies of the investigated LiFePO4/graphite cell are performed. The experimental results are used to develop aging models which are integrated into SimSES. On that basis, a techno-economic assessment and comparison of the two chosen stationary applications are performed with appropriate technical and economic evaluation parameters. Diese Arbeit präsentiert eine techno-ökonomische Evaluierung von zwei stationären Batteriespeichersystemen unter besonderer Berücksichtigung der Alterung. Dafür wird das Softwareframework SimSES entwickelt. Umfassende Alterungsuntersuchungen der untersuchten LiFePO4/Graphit-Zelle werden durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse werden verwendet, um Alterungsmodelle zu entwickeln, die in SimSES integriert werden. Auf dieser Grundlage werden eine technisch-ökonomische Bewertung und ein Vergleich der beiden ausgewählten stationären Anwendungen mit geeigneten technischen und wirtschaftlichen Bewertungsparametern durchgeführt.

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.

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.

Elektrofahrzeuge können mobilitätsbedingte CO2 -Emissionen reduzieren. Durch die Verwendung von Sonnenenergie zum Laden kann der Nutzer nicht nur die Emissionen weiter senken, sondern auch unabhängig vom Stromanbieter werden. Als Bewertungskonzept wird in dieser Arbeit untersucht, in wie weit Privatnutzer im ländlichen Raum durch innovative Mobilitätskonzepte ihre Emissionen reduzieren können. Die Evaluation beruht dabei auf einer qualitativen Modellierung des Mobilitätsbedarfs unter Berücksichtigung einer Szenario-Analyse. Electric vehicles can reduce mobility related CO2 emissions. By charging the vehicle with solar energy, the user can not only further decrease his emissions but also become more independent from the electricity provider. In this thesis an evaluation concept identifies the emission reduction potential of private users in non-urban areas through innovative mobility concepts. The evaluation is based on a qualitative modelling of the mobility demand and considering of a scenario analysis.

Es werden Methoden zur Ermittlung der regionalen Lastflexibilisierungspotenziale von stromintensiven Prozessen und Querschnittstechnologien sowie zur Bestimmung der Kosten für Erschließung und Betrieb der Flexibilität erarbeitet. Anhand technischer Kennwerte wird in einem Anwendungsfall die Minderung der Redispatch- und Einspeisemanagementmaßnahmen durch industrielle Flexibilitäten quantifiziert. Zudem werden die Auswirkungen von z.B. Energieeffizienzmaßnahmen auf die Potenziale bewertet. Methods for the investigation of potentials of load flexibility on a regional level for electricity-intensive processes and cross-sectional technologies are elaborated. Furthermore methods for the determination of costs for implementation and operation of load flexibility are developed. Based on technical parameters the decrease of redispatch- and feed-in management measures by using industrial flexibilities is quantified in an use case. Moreover, the impact of, for instance, energy efficiency measures on the potential is evaluated.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell der ökonomischen und ökologischen Folgen des Einsatzes von dezentralen Stromversorgungssystemen in privaten Haushalten entwickelt und angewandt. Zur Identifikation der optimalen Anlagenauslegung werden dabei genetische Algorithmen verwendet. Es wird gezeigt, dass bei entsprechender Systemauslegung und Eigenverbrauchsoptimierung die Systemkosten im Vergleich zum reinen Netzstrombezug gesenkt werden können. In Abhängigkeit der Fördermodalitäten und weiterer Kostendegressionen, vor allem im Bereich von Batteriespeichersystemen, sind empfindliche Auswirkungen auf die Einnahmen aus dem Verkauf von Netzstrom und damit auf den Strompreis zu erwarten. In this thesis the economic and environmental consequences concerning the use of distributed power supply systems in private households are analysed through development of a simulation model. To identify the optimal system design genetic algorithms are used. It is shown that with an appropiate system design and the optimization of self-consumption the total system costs can be reduced compared with the electricity tariffs. Depending on the funding modalities and further cost reductions, especially in the field of battery storage systems, severe impacts on the sales revenue of grid electricity and therefore of the electricity price can be expected.

Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wird ein Modellansatz zur Synthetisierung elektrischer, thermischer und mobilitätstechnischer Energieprofile basierend auf deutschen Zeitverwendungsanalysen vorgestellt. Das in MATLAB entwickelte Modell MOHEMA wird zudem in ein Hausenergiesystemmodell eingebunden, welches ergänzend ein Gebäudemodell und Modul zur gemischt-ganzzahligen Optimierung der Einsatz- und Ausbauplanung des Hausenergiesystems beinhaltet. Neben einer grundlegenden und umfangreichen Validierung des Modells MOHEMA werden anhand diverser Szenarien die Potentiale für Hausenergiemanagementsysteme und Lastverschiebungsmaßnahmen im Bereich Einfamilienhäuser analysiert. Within the scope of this PhD thesis, a new approach for synthesizing electrical, thermal and mobility profiles based on german time budget datasets is conducted. The main model called MOHEMA is integrated into an home energy system model including a building module and an optimization tool for energy system layout and operation planning. Besides a fundamental validation of MOHEMA, potentials of single family households using home energy management systems and load shifting actions are analysed by implementation of various scenarios in the home energy system model.

In der Arbeit wird das Abwärmeaufkommen der deutschen Industrie erhoben. Erstmals werden dazu in einer landesweiten Studie reale Daten in einem eigens entwickelten teilautomatisierten Verfahren ausgewertet, um einen sicheren unteren Grenzwert zu ermitteln. Für 2008 liegt das Abwärmeaufkommen bei 127 PJ/a. Der Wert bezieht sich nur auf die in Abgasströmen in der Industrie enthaltene Abwärme. Der Einfluss der in die Auswertung eingeflossenen Annahmen und Unsicherheiten wird diskutiert ebenso wie verschiedene Nutzungsmöglichkeiten aus technischer und wirtschaftlicher Sicht. In this work, the waste heat potential from the German manufacturing sector is evaluated. For the first time in a Germany wide study, real company data is evaluated with specially developed semi automated systematic to define a sound lower boundary value. For 2008 the evaluated lower boundary value for the industrial waste heat in Germany in exhaust gas streams based on the evaluated companies is 127 PJ/a. Furthermore, the influence of the assumptions and uncertainties of the evaluation are analyzed and discussed, as well as technical and economic constrains.

Gegenstand der Untersuchung ist es den Mehrwert Funktionaler Energiespeicher bei voranschreitendem Ausbau Erneuerbarer Energien zu bestimmen. Als Bewertungsgrundlage wird das Energiepolitische Zieldreieck genutzt, wobei der Aspekt der Wirtschaftlichkeit von den beiden Standpunkten Volkswirtschaft (Systemsicht) und Betriebswirtschaft (Akteurssicht) betrachtet wird. Zur Zielerreichung werden die möglichen Einsatzoptionen für Speicher analysiert und im Anschluss daran die Speicher mit Hilfe eines Energiesystemmodells bewertet. The research is focused on the investigation of the added value of functional energy storage technologies in the context of the growing share of highly volatile renewable energy sources. The energy political triad is the basis for the identification of the added value. The economical aspect however is divided into a business and the energy system perspective. In a first step use cases for storage technologies are analyzed. In a second step an energy system model is developed and used for the evaluation.

Im Rahmen dieser Arbeit entstand ein Simulationsmodell, das realistische Ganzjahressimulationen der Stromversorgung von Wohngebieten ermöglicht. Ziel dieses elektrotechnischen Modells ist es, auf der Niederspannungsebene die Auswirkungen von Elektrofahrzeugen, Hausspeichersystemen und Photovoltaik-Anlagen auf unterschiedliche Aspekte der Stromversorgung hin zu untersuchen. Die Untersuchungsschwerpunkte sind die Spannungsstabilität sowie die Last- und Erzeugungssituation im Wohngebiet. In this thesis a simulation model was created which allows realistic year-round simulations of the power supply of residential areas. The aim of the electric model is to analyze the effects of electric vehicles, home storage systems and photovoltaic systems on the low-voltage grid of residential areas for various aspects of the power supply. Thereby the focus lays on the voltage stability as well as the load and generation situation in the residential area.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um die Einnahmen einer vorgegebenen Auswahl an Stromspeichern für ein modelliertes Marktumfeld zu ermitteln. Dabei wurden als Vermarktungsoptionen der Day-Ahead-Markt sowie die Systemdienstleistungen Redispatch und Regelleistung mit Ausgleich am Intraday-Markt betrachtet. Es wurden sowohl herkömmliche Stromspeicher als auch weitere Flexibilisierungsmaßnahmen wie Lastverschiebungen und flexible Kraft-Wärme-Kopplung modelliert. This work presents an approach to determine the income of a given variety of energy storage for a modelled market environment. The day-ahead market as well as the ancillary services redispatch and control power with compensation at the intraday market are taken into account. Both conventional electricity storage and other flexibility measures like Demand Side Management and flexible combined heat and power are modelled.

In dieser Arbeit werden Perspektiven für eine volkswirtschaftlich optimale Strom- und Wärmeerzeugungsstruktur in Deutschland aufgezeigt. Hierfür wird ein bestehendes elektrisches Energiesystemmodell um die Abbildung des Wärmesektors erweitert. Eine umfangreiche Datenrecherche und -aufbereitung liefert Eingangsgrößen zur Modellanwendung. Für mehrere Szenarien wird bei vorgegebenen Emissionsgrenzen der optimale Erzeugungs- und Speicherpark für Strom und Wärme bestimmt. Es zeigt sich, dass die verstärkte Kopplung von Strom- und Wärmesektor signifikante Kostensenkungspotenziale bietet. Prospects for a future cost optimal power and heat generation structure in Germany are presented within the scope of this thesis. For this purpose an existing electric energy model is expanded by a model of the heat sector. An extensive research and processing of data provide the necessary input data to the model. The optimal portfolios of electrical and thermal generation units and storages are determined for several scenarios under emission constraints. Evidence is found that a tighter coupling of the power sector and the heat sector offers significant potential for cost reduction.

Elektroautos werden zukünftig wichtige Netzdienstleistungen übernehmen. Die vorliegende Arbeit untersucht das Zusammenwirken von Batterie-Ladeprofilen, dem möglichen Einfluss auf deren Alterung und dem elektrizitätswirtschaftlichen System. Diese 3 Faktoren wurden umfassend modelliert, um den Einfluss unterschiedlicher Ladeverfahren auf die Mobilitätskosten zu ermitteln. Basis für die Modellierung der Alterungseffekte waren Labormessungen. Als ein wichtiges Ergebnis wurde festgestellt, dass die Ladestrategie einen größeren Einfluss auf die Batteriealterung als auf die Energiekosten hat. Electric vehicles (EV) will play an important role supporting the grid's stability. This work examines the interaction between different charging strategies for EV batteries, the electricity system and the potential economic impact on the aging of batteries. The simulation takes these three factors into account and analyses the influence of different charging strategies on the mobility costs. The aging model was based on benchmark tests. One of the most important results shows that the charging strategy has a greater impact on the aging of the batteries than on the energy costs.

In der vorliegenden Arbeit werden Datenmodelle und Algorithmen entworfen, um raumbezogene Informationen über den Gebäudebestand einer Stadt zu verarbeiten. Unter Verwendung einer Geodatenbank und von Text Mining-Methoden lassen sich erstmals Gebäudedaten aus vielen, nicht flächendeckenden Quellen unterschiedlicher geografischer Skalen und mit Angaben in natürlicher Sprache zusammenführen. Die Herkunft von Einzelangaben bleibt nachvollziehbar, Datenkonflikte werden anhand der Qualität der Quellen automatisiert gelöst. Darauf aufbauend werden Gebäudeparameter berechnet, deren Einfluss auf den Energieverbrauch für Raumheizung analysiert und Schätzfehler bei der Berechnung von Wärmekatastern quantifiziert. Mit diesem Ansatz lassen sich kosteneffizient Grundlagen für Wärmesystemanalysen schaffen, die auf städtischen Daten basieren. This thesis is about the development of data models and algorithms to handle spatially referenced information about the building stock of a municipality. Using a spatial database and text-mining-methods, building information from multiple sources is combined while the source of information remains transparent for every parameter and building. The sources possess various spatial resolution and elements of unclassified natural language. Conflicts due to contradictory data are resolved automatically by comparing the quality of the sources. Based on this combined information, building parameters are calculated and their influence on energy consumption for room heating is analyzed. Errors from the estimation of heat consumption values are quantified. This approach allows to create a fundament for heat system analyses based on municipal data.

Für Planung und Auslegung zukünftiger Kraftwerke sowie zur Betrachtung der Notwendigkeit von Stromspeichern werden möglichst genaue Lastgangprognosen benötigt. Hierzu wurde ein Lastgangmodell entwickelt, welches für verschiedene Regionen zukünftige Stromlastgänge generieren kann. Lastgänge aus verschiedenen Jahren oder Klimaregionen wurden durch Modellierung und Synthetisierung an ein Referenzjahr und -klima angepasst, um eine in sich konsistente Datenbasis zu erhalten. Der zukünftig zu erwartende Einsatz schaltbarer Lasten wurde im Rahmen eines Dynamisierungsmodells berücksichtigt. For planning and dimensioning of future power plants and to consider the necessity of electricity storage, accurate load profile forecasts of the electric power consumption are required. Therefore an energy model was developed for gerenation of future load profiles of power consumption for different regions. Load profiles of different years or climatic regions were adjusted to a reference year by modeling and synthesizing to obtain a consistent data base. The rising use of switchable consumer demand was considered with a model for dynamic demand.

Die Anforderung an die Fahrplanerstellung eines Virtuellen Kraftwerks unterscheidet sich wesentlich von der an konventionelle Kraftwerke. Die lange Rechenzeit der Verfahren auf Basis der „Gemischt Ganzzahligen Linearen Programmierung“ (GGLP) macht eine Verwendung in zeitkritischen, produktiven Anwendungen unmöglich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden sechs Algorithmen entwickelt. Neben dem GGLP-Ansatz werden heuristische und linear-heuristische Alternativen entworfen. Die Bewertung unterscheidet Vortags- und Resttagsplanung sowie die Betriebskonzepte Wärmeführung und Stromvermarktung. The special needs of dispatching a Virtual Power Plant differ from that of a conventional power plant park essentially. The long calculation time refuses the usage of a “Mixed Integer Linear Programming” (MILP) based method in time sensitive, productive applications. During these studies six different algorithms have been developed. Beside the MILP approach heuristic and linear-heuristic alternatives have been created. In the assessment day-ahead and intraday dispatches as well as heat-led and electricity trading operations are distinguished.

The decisions made during conceptual building design irreversibly influence the selection and dimensions of thermal energy generation and storage components and systems. A method to quantify this influence is developed. It consists of the quasi-stationary simulation and the design optimization of the system. Demonstrated on seven preconfigured systems the method is used to propose a tool that, using data available at the conceptual design stage, provides dimensions, costs, energy consumption and emissions of the optimized system to architects. Entscheidungen während des Gebäudeentwurfs beeinflussen unwiderruflich Auswahl und Dimensionierung der Anlagen zur Erzeugung und Speicherung thermischer Energie. Eine Methode zur Quantifizierung dieses Einflusses wurde entwickelt. Sie beinhaltet die quasistationäre Simulation und die Optimierung des Systems. Nach der Demonstration der Methode für sieben Anlagenkonfigurationen wird ein Tool vorgestellt, das Architekten anhand beim Entwurf verfügbarer Daten die Bestimmung von Dimensionen, Kosten, Energieverbrauch und Emissionen des optimierten Systems erlaubt.

In der vorliegenden Arbeit wird ein iteratives Modellkonzept zur wirtschaftlichen Ausbau- und Einsatzoptimierung von Kraftwerken und Speichern in Stromerzeugungssystemen mit einem hohen Anteil an fluktuierender Einspeisung entwickelt. Die Aufgabe ist in Teilmodelle für Kraftwerks- und Speicherausbau gegliedert, welche jeweils als lineare Optimierungsprobleme formuliert sind. Ein weiteres Modell bestimmt die Zuverlässigkeit des Erzeugungssystems. Die durch den Speichereinsatz veränderte Fahrweise der Kraftwerke und die Zuverlässigkeit des variierten Systems werden in einer Iterationsschleife rückgekoppelt und ermöglichen somit erstmalig eine sukzessive Anpassung von Kraftwerks- und Speicherausbau. Als Leitgröße für die mindestens benötigte Kraftwerkskapazität dient ein gefordertes Zuverlässigkeitsniveau des Erzeugungssystems. In this thesis an iterative model concept is developed, which optimises the capacity additions and operation of future power plants and storage facilities in systems with an increasing share of fluctuating generation. The task is divided into sub-models; one for the extension of power plants and one for storage additions. Both are realised as linear optimisation problems. An additional model evaluates the reliability of the power system. In an iterative loop, the power plant dispatch influenced by the storage operation and the reliability of the changed system is fed back to the extension models. This novel methodology enables a gradual adaption of the power plant and storage extensions. The minimum capacity of power plants is determined by the required reliability level of the generation system.

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein neu entwickeltes Modell zur perspektivischen Ermittlung des technisch-wirtschaftlichen Einsatzpotentials von Elektrofahrzeugen. Das Modell basiert auf der Überlegung, von einem anfänglich definierten Gesamtbestand an konventionellen Fahrzeugen, schrittweise das mögliche Potential für Elektromobilität zu bestimmen. Der Gesamtbestand durchläuft nacheinander verschiedene Filter. Werden die Anforderungen eines Filters nicht bzw. nicht in Gänze erfüllt, so reduziert sich entsprechend das Potential für die Elektromobilität. Beispielhaft werden, bezogen auf die Großstadt München, drei Szenarien bezüglich einer zukünftigen Potentialentwicklung bis zum Jahr 2030 aufgezeigt. This paper describes a new developed model to investigate the technical and economical potential of electric cars. The model based on the consideration, to assign gradually the prospective potential for electric mobility, starting from an initial defined total stock of conventional cars. The segments pass through successively several filters. If requirements of a filter are not or not complete redeemed, than will be accordingly reduced the potential for electric cars. Exemplary will be demonstrated the prospective evolution of the electric cars potential for munich in three scenarios in the period from 2010 to 2030.

Eine möglichst genaue Prognose der Windstromeinspeisung für den Folgetag ist die Basis für eine zuverlässige Stromversorgung und die Windstromvermarktung. Der kurzfristige Ausgleich von Wind-Prognosefehlern ist der Untersuchungsschwerpunkt der Arbeit. Die Auswirkungen der Prognosefehler auf die Folgetagsvermarktung, die Ausgleichsaktivitäten im untertägigen Handel sowie das Bilanzkreismanagement werden auf Basis einer empirischen Analyse durch funktionale Zusammenhänge beschrieben. Die zukünftige Entwicklung des Potenzials der kurzfristigen Leistungsbereitstellung durch konventionelle Kraftwerke wird mit einer Simulation des Kraftwerkseinsatzes technisch und wirtschaftlich bewertet. A permanent balance between consumption and generation is essential for a stable supply of electricity. In order to ensure this balance, all relevant load data have to be announced for the following day. Consequently, a day-ahead forecast of the wind power generation is required, which also forms the basis for the sale of the wind power at the wholesale market. The main subject of the study is the short-term power supply, which compensates errors in wind power forecasting for balancing the wind power forecast errors at short notice. These forecast errors effects the revenues and the expenses by selling and buying power in the day-ahead, intraday and balance energy market. These price effects resulting from the forecast errors are derived from an empirical analysis. In a scenario for the year 2020 the potential of conventional power plants to supply power at short notice is evaluated from a technical and economic point of view by a time series analysis and a unit commitment simulation.

To analyze worldwide influences of large-scale integration of solar and wind power into the electricity generation system and to evaluate required structural adaptations, a global multi-regional electricity system optimization model has been developed in this thesis, employing the linear programming optimization method. The modeling approach, as a combination of an adequately precise geographical coverage with a high temporal resolution taking into account technical restrictions of power plants at a technology-aggregated level, allows a detailed analysis of the utilization of fluctuating renewable energy sources in a prospective global electricity generation system. The model is then applied to investigate optimal configuration of a future, renewable-based electricity supply system of the world under different framework conditions. Um weltweite Einflüsse der großtechnischen Integration von Solar- und Windkraft in das Stromnetz zu analysieren, wurde in dieser Arbeit ein globales multiregionales Optimierungsmodell für das Stromsystem durch Einsatz von linearer Programmierung erarbeitet. Der Modellierungsansatz ist eine Kombination aus hinlänglich genauer geographischer Abdeckung und hoher zeitlicher Auflösung. Der Ansatz erlaubt eine detaillierte Analyse der Nutzung fluktuierender, erneuerbarer Energiequellen in einem zukünftigen globalen Stromerzeugungssystem. Das Modell wird angewendet, um die optimale Konfiguration eines zukünftigen globalen Stromversorgungssystems, welches auf erneuerbaren Energien basiert, unter verschiedenen Randbedingungen zu ermitteln.

Vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung einer multikriteriellen Regelung mit temperaturbasierter Speicherzustandsbestimmung für Mini-KWK-Anlagen zur Heizungsunterstützung. Unter Verwendung der temperaturbasierten Mess- und Berechnungsmethode des thermischen Pufferspeicherzustands optimiert die multikriteriell geregelte KWK-Anlage die Wärme- und die Stromerzeugung derart, dass die Stromeigennutzung maximiert und der Wärmebedarf gedeckt wird. Gesteuerte Pufferspeicherladezyklen resultieren in einer bedarfsgerechten Stromerzeugung durch Mini-KWK-Anlagen. Dementsprechend zeigen multikriteriell geregelte KWK-Anlagen technische und wirtschaftliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, die in experimentellen Untersuchungen und energiewirtschaftliche Analysen demonstriert wurden. This thesis describes the development and the validation of a multi-criteria control with a temperature-based determination of thermal storage states for CHP units in heating systems. The multi-criteria control uses the temperature-based calculation method to optimize the heat and power generation of the CHP unit. The control maximises the on-site utilization and cover the heat demand. Controlled charge cycles of thermal storages result in demand-oriented power generation of CHP units. Therefore the multi-criteria control of a CHP unit has technical and economical advantages compared to the state-of-the-art, which were demonstrated within experimental and energy-economical analyses.