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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501611
Projekttitel
DISCREET — DIStributed Cogeneration supporting Renewable Energy sources for the Electrification

Texte zu diesem Projekt

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Schlüsselwörter
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Publikationen / Ergebnisse
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Englisch)
combined heat and power, electric mobility, decentralized energy provision, renewables, heat
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
DISCREET untersucht Einsatzmöglichkeiten für dezentrale Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen auf lokaler und regionaler Ebene, in einem durch Elektromobilität und fluktuierende Erneuerbare gekennzeichneten, zukünftigen Energiesystem. Ziel ist die Entwicklung eines integrierten Simulations-, Optimierungs- und Analysewerkzeugs für dezentrale Energiesysteme, und dessen Anwendung in konkreten regionalen Fallstudien.
Kurzbeschreibung
(Englisch)
DISCREET explores the application of distributed combined heat and power technology at the regional and local scale in a future energy system, characterized by electric mobility and fluctuating renewables. The aim of the project is the development of an integrated simulation, optimization and analysis tool for decentralized energy systems, and its application in regional case studies.
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
Erneuerbare Energien aus Solar-, Wasser- und Windkraftwerken spielen eine zentrale Rolle für die künftige Energieversorgung. Darüber hinaus können mit biogenen Brennstoffen betriebene Blockheizkraftwerke einen Beitrag zu einer CO2-armen Energieversorgung des Schweizer Wohn- und Mobilitätssektors leisten. Zu diesem Schluss kommt eine Studie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ), die ein Simulationstool entwickelt hat, mit dem sich die Energieversorgung mit dezentralen Produktions- und Speichereinheiten abhängig von den aktuellen Rahmenbedingungen beschreiben lässt.
Zugehörige Dokumente
Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
Renewable energies from solar, hydropower and wind power plants play a central role in the future energy supply. In addition, cogeneration plants powered by biofuels can contribute to a low-carbon energy supply for the Swiss residential and mobility sectors. This is the conclusion of a study by the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich/ETHZ), which has developed a simulation tool that can be used to characterize the energy supply with decentralized production and storage units depending on real-time inputs.
Zugehörige Dokumente
URL-Adressen
(Deutsch)

Webinar: Kostenoptimale Dekarbonisierung UND Versorgungssicherheit für Wohngebäude und Mobilität:

https://www.youtube.com/watch?v=dOKq-a6LZok&t=21s&ab_channel=DisCREETResearchProject
Schlussbericht
(Deutsch)

Die Schweiz muss ihre energie- und mobilitätsbedingten Treibhausgasemissionen (THG) schnell und drastisch reduzieren. Im energie- und emissionsintensiven Wohnsektor bieten angebotsseitige Aufrüstungen von Energieanlagen und privaten Fahrzeugen große Potenziale zur Minderung der
Treibhausgasemissionen. Insbesondere durch die Elektrifizierung von traditionell weitgehend fossil betriebenen Heizungsanlagen und privaten Fahrzeugen wird eine deutliche Reduzierung der Treibhausgasemissionen erwartet. 

Um diese Transformation des Energie- und Mobilitätssystems hin zu geringeren Treibhausgasemissionen bei gleichzeitig erschwinglichen Energiepreisen und einer zuverlässigen Energieversorgung zu ermöglichen, untersuchte das DisCREET-Projekt, wie dezentrale gasbasierte Kraft-Wärme Kopplungsanlagen (WKK-Anlagen) mit steigenden Anteilen intermittierender, erneuerbarer Stromerzeuger sowie Energiespeichersystemen und andere Energieversorgungsanlagen interagieren können, um Laststandorte optimal mit der erforderlichen Energie für die Elektrifizierung des Wohnsektors zu versorgen. 

Zur effizienten und zielführenden Adressierung dieser komplexen Aufgabe miteinander verflochtene, sektorengekoppelte und techno-ökonomisch eingeschränkte Entscheidungen treffen zu können, hat DisCREET in erster Linie ein Software-Tool auf Basis des Energy Hub-Konzepts entwickelt. Dieses
vereinfacht die optimale Energiesystemplanung durch die numerische Beschreibung der relevanten Investitions- und Betriebsentscheide möglicher Technologieaufrüstungen.  

Die damit verbundenen Optimierungen erfolgen aus der Sicht gut informierter privater Verbraucher, die eine Modernisierung ihrer stationären Energieanlagen und privaten Fahrzeuge anhand der erwarteten Gesamtsystemkosten und Lebenszyklus-THG-Emissionen planen. Die verwandten Entscheide, welche die optimale Auswahl von Technologien aus vorgegebenen Technologieportfolios, ihre optimale Installationskapazitäten und ihre optimalen Betriebspläne umfassen, sind dann für die Verbraucher selbst aber auch für andere Interessengruppen, welche die Konsequenzen der optimalen verbraucherseitigen Entscheide für eine bezahlbare, nachhaltige und sichere Bereitstellung des thermischen, elektrischen und mobilitätsbezogenen Energiebedarfs verstehen möchten, nützlich.

Die Folgen dieser lokalen Entscheidungsfindung sind weitreichend. Die Ergebnisse zeigen, dass die Elektrifizierung des privaten Wohn- und Mobilitätssektors dessen THG erheblich reduzieren kann (im besten Fall bis zu -70%) und gleichzeitig vergleichbare (und teils sogar leicht reduzierte) Gesamtkosten durch die Einführung moderner zentraler und dezentraler Versorgungstechnologien bietet. Lokale Wärmepumpen, Elektroautos und dezentrale Photovoltaikanlagen sind dabei die Kerntechnologien, welche zur Dekarbonisierung von Wohngebäuden eingesetzt werden. Durch ihre Installation verschiebt sich die Stromnachfrage aus den zentralen Energienetzen von einer unidirektionalen, gleichmäßigen und moderaten Stromnachfrage hin zu einer bidirektionalen, stark saisonalen und intermittierenden sowie allgemein erhöhten Stromnachfrage, welche das derzeitige zentrale Stromversorgungssystems vor allem im Winter stark überlasten würden.

Unter Berücksichtigung der begrenzten Stromverfügbarkeit aus dem zentralen Stromnetz muss die lokale Elektrifizierung also Wege finden, den zusätzlichen Strombedarf von Elektroautos und Wärmepumpen zu decken. Da auch der Platz für PV-Aufdachanlagen begrenzt ist und deren Betrieb vor allem im Sommer Strom liefert, können dezentrale Blockheizkraftwerke (BHKW), die mit Erdgas oder Biogas betrieben werden, hier attraktive Lösungen bieten, um die Stromversorgung im Winter sicherzustellen. Solche Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK-Anlagen) werden besonders dann attraktiv, wenn der Hauptkonkurrent, Strom aus dem zentralen Stromnetz, nicht (oder nur begrenzt) verfügbar ist, einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweist oder teuer ist. Darüber hinaus wird gezeigt, dass lokale WWK-Kraftwerke die Treibhausgasemissionen von zentralen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken bei akzeptablen Gesamtkosten im Betrieb mit Biogas und in Verbindung mit anderen dezentralen Energietechnologien deutlich unterbieten. Ohne Berücksichtigung der Begrenztheit der bestehenden zentralen Energiesysteme sind KWK-Anlagen jedoch hauptsächlich nur für kostengetriebene Energiesysteme, für Großverbraucherstandorte und bei hohen Wärmevorlauftemperaturen attraktiv.

Insgesamt ermöglichen die Daten, die Methodik, das Rechenmodell und die in der Arbeit präsentierten Ergebnisse belastbare und holistische Vorschläge für eine schnelle, erschwingliche, sichere und tiefgreifende Dekarbonisierung des Wohnenergie- und Mobilitätssektors durch dessen Elektrifizierung.

Schlussbericht
(Englisch)

Switzerland must quickly and drastically reduce its energy- and mobility-related greenhouse gas (GHG) emissions. In the energy- and emission-intensive residential sector, supply-side energy and mobility asset upgrades offer large opportunities for GHG emission mitigation. Particularly, the electrification of
traditionally fossil fuel based heating and private mobility is expected to significantly reduce GHG emissions.

In order to promote this energy and mobility system transformation towards lower GHG emission levels while maintaining affordable energy prices and guaranteeing reliable energy supply, the DisCREET projects investigated how decentralized gas-based co-generation, can interact with increasing shares
of partly intermittent renewable energy technologies (RET), energy storage systems (ESS) and other energy supply assets to optimally supply load sites with the required energy to power the residential electrification.

To efficiently address this complex field of interrelated, sector-coupled objectives under various technoeconomic restrictions, the DisCREET project first and foremost developed a software tool based on the Energy Hub concept, which intends to guide and improve decision-making with regards to optimal
energy system planning by numerically describing the relevant investment and operation decisions related to technological system upgrades.

The associated optimizations are carried out from the bottom-up perspective of well-informed residential consumers, which plan to upgrade their stationary energy assets and private vehicles based on strategic investment decisions, which take total system costs and lifecycle GHG emissions as the primal performance indicators to evaluate those decisions. These decisions, which define the optimal selection of technologies from a given portfolio, their optimal installation capacities, and their optimal operational schedules, are then useful for the consumers themselves, but also other stakeholders looking to
understand the consequences of optimal consumer-based decision-making towards affordable, sustainable, and secure provision of the formers’ thermal, electrical, and mobility-related energy demands.

These consequences of local decision-making are far-reaching. Results show that electrification of the residential and mobility sector can substantially reduce its GHG (up to -70% in best case scenarios), while offering comparable (and even slightly reduced) levels of total cost via the introduction of modern centralized and decentralized supply technologies. In this regard, local heat pumps, electric cars, and decentralized photovoltaic systems are the core technologies used to enable residential decarbonization. As a result of their installation the demand for electricity from the centralized energy grids shifts from unidirectional, uniform, and moderate levels of electricity demand, to bi-directional, strongly seasonal and intermittent as well as generally increased electricity demand levels, which would overburden the current centralized electricity supply system manifold, particularly in winter, if all consumers electrified their heating and mobility systems.

Under the consideration of limited electricity availability from the centralized electricity grid in Switzerland, local electrification must find ways to provide the additional electricity demands. Since also the space for roof-top PV installation is limited and this technology provides electricity mostly in summer,
decentralized combined heat and power plants (CHPPs), operating on natural gas or biogas, can offer attractive solutions in such circumstances to ensure electricity supply. CHPPs are hence found particularly attractive, whenever its main competitor, the centralized electrical grid, is (partially) unavailable, exhibits a high carbon-content or is costly. Further, biogas-operated CHPPs are shown to significantly undercut GHG emission levels from centralized combined cycles gas turbines at acceptable total costs, when operating in conjunction with the mentioned core decentralized energy technologies. Without consideration of the limitedness of the existing centralized energy systems, CHPPs are however mainly only attractive for cost-driven energy systems, for large demand sites, and at high heating supply temperatures.

Overall, the data, the methodology, the computational model, and the results presented in work enable robust suggestions for quick, affordable, secure, and deep decarbonization of the residential energy and mobility sector via electrification.

Zugehörige Dokumente