Flexibility and resilience via system integration

Abstract

Themenstellung In weniger als sechs Jahren soll die österreichische Stromversorgung bilanziell gänzlich aus erneuerbaren Energieträgern gedeckt werden, und das Land auf der Zielgeraden zur Erreichung der Klimaneutralität sein. Um diesen Transformationsprozess zu informieren, versuchen zahlreiche inter- und transdisziplinäre Szenarien ein Bild davon zu zeichnen, wie das Energiesystem, inklusive Erzeugung, Transport, Umwandlung, Verteilung und Einsatz in den nächsten Jahrzehnten aussehen könnte. Viele in der Szenarienentwicklung verwendete Planungstools sind aber nicht ausreichend in der Lage, die wachsenden Unsicherheiten in der Bereitstellung von und der Nachfrage nach Energieressourcen abzubilden. In Anbetracht der wachsenden und vielschichtigen Risiken und Unsicherheiten ist es daher notwendig, diese genauer zu klassifizieren und genauer zu verstehen, wie diese in bestehenden Tools abgedeckt werden können. Das Projekt fokussiert auf neu gedachte, sektorübergreifende und integrative Resilienz- und Flexibilisierungskonzepte, welche einen zentralen Beitrag im Umgang mit Risiken und Unsicherheiten in der Energieinfrastrukturplanung leisten müssen. Methode Für das FFG BioFlex Projekt definieren wir Flexibilität als eine Option, Ressourcen durch Zeit, Raum, und zwischen Sektoren und Märkten zu verschieben. Diese Option kann dafür genutzt werden Defizite mit Überschüssen auszugleichen, kann aber auch, beabsichtigt oder unbeabsichtigt, nachteilige Ungleichgewichte verstärken. Die derzeitig vorherrschende Flexibilisierungsdiskussion fokussiert auf reguläre, gut bekannte Schwankungen, und damit auf einen beschränkten Risiko- und Unsicherheitsraum. Betrachten wir, als vereinfachtes Beispiel, die Ressourcenaufbringung als Normalverteilung, so nehmen reguläre Schwankungen (auch Variabilitäten oder Periodizitäten genannt) nur den mittleren Abschnitt dieser Kurve ein. Die äußeren Abschnitte der Kurve stellen Extremsituationen der Über- und Unterproduktion dar, mit geringer Eintrittswahrscheinlichkeit aber möglichen hohen Kosten, also hohem Risiko, dar. Im Gegensatz zu Flexibilisierungsmaßnahmen werden Resilienzmaßnahmen meist mit der Absicherung plötzlich auftretendem Ressourcenmangel und Ausfällen in Zusammenhang gebracht. In der neuartigen Methode integrieren wir nun Resilienz- und Flexibilisierungskonzepte miteinander und erweitern diese, um eine ressourceneffiziente und systemisch resiliente Energieinfrastruktur zu planen. Spannende Möglichkeiten liefert hierbei die Multi-Sektorenkopplung (auch Infrastrukturkopplung bzw. Systemintegration genannt) um Ressourcen zwischen Sektoren zu verschieben. Wir ziehen als sektorübergreifenden Anwendungsfall die Schnittstelle zwischen Strom- und Bioenergieversorgung heran. Das erlaubt uns, insbesondere Synergien zwischen Maßnahmen für den Umgang mit Klimawandelauswirkungen auf das Energiesystem, regelmäßigen Schwankungen in der Sonneneinstrahlung, Windaufkommen und Wasserzufuhr, Windbruch, Schneelast, Hochwasser, Schädlingsbefall und Ernteschäden, sowie gesellschaftlichen und handelspolitischen Transportrisiken zu identifizieren. Ergebnisse Aufbauend auf einem Review existierender Energieversorgungsketten haben wir Anforderungen definiert, um Unsicherheiten und Risiken in die Modellierung einzubringen und Flexibilitäts- und Resilienzansprüche abzuleiten. Die dabei identifizierten Unsicherheits- und Risikokategorien inkludieren: • Ursachen: aus der Natur, Infrastruktur, Technologie, Gesellschaft • Expressionen: Fluktuationen, Variabilitäten, Trends, Extreme und Kaskaden • Manifestationen: an unterschiedlichen Stellen innerhalb komplexer Versorgungsketten und -netzwerken • Typen: Reduzierbare und (praktisch) nicht reduzierbare Unsicherheiten • Auswirkungen: Nachteilige sowie vorteilhafte Unsicherheitsauswirkungen In Folge stellen wir den identifizierten Unsicherheiten für die Bereitstellung von Strom-, Wärme- und Treibstoffen durch Photovoltaik, Wind-, Wasserkraft und Bioenergie Möglichkeiten gegenüber, um mit diesen umzugehen. Solche Möglichkeiten inkludieren die Quantifizierung durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen in Modelleingangsparametern, probabilistische Modelldesigns, der Vergleich von deterministischen Szenarien in der Nachbearbeitung der Modellergebnisse, qualitative und linguistische Methoden, wie auch das bewusste Ignorieren von unbekannten oder nur schwer abzuschätzenden Unsicherheiten und deren Auswirkungen. Die vorgestellten Projektergebnisse zeigen Möglichkeiten zur Identifikation und Reduktion von Unsicherheiten in Modellen sowie die Herausforderungen im Umgang mit praktisch nicht reduzierbaren Unsicherheiten auf. Das von uns entwickelte Profil wird in weiteren Projektphasen dafür eingesetzt, bestehende Modelle auf ihre Bewertungskapazitäten für Resilienzmaßnahmen und Flexibilisierungsmaßnahmen zu testen. Basierend darauf schlagen wir eine Modellierungsagenda vor, um Synergien und Trade-offs der Systemintegration sowie die Kohärenz zwischen sektoralen Infrastrukturentscheidungen frühzeitig zu erkennen und zu planen.