Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Einsatz von rückgekoppelten mehrstufigen selbstorganisierenden Karten in der Windenergie Leistungsprognose

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zum Einsatz neuronaler Netzwerke vorgestellt, das auf iterative Weise Klassifikation und Prognoseschritte mit dem Ziel kombiniert, bessere Ergebnisse der Prognose im Vergleich zu einer einmaligen hintereinander Ausführung dieser Schritte zu erreichen. Dieses Verfahren wird am Beispiel der Prognose der Windstromerzeugung abhängig von der Wettersituation erörtert. Eine Verbesserung wird in diesem Rahmen mit einzelnen Ausreißern erreicht. Verschiedene Aspekte werden in drei Kapiteln diskutiert: In Kapitel 1 werden die verwendeten Daten und ihre elektronische Verarbeitung vorgestellt. Die Daten bestehen zum einen aus Windleistungshochrechnungen für die Bundesrepublik Deutschland der Jahre 2011 und 2012, welche als Transparenzanforderung des Erneuerbaren Energiegesetzes durch die Übertragungsnetzbetreiber publiziert werden müssen. Zum anderen werden Wetterprognosen, die der Deutsche Wetterdienst im Rahmen der Grundversorgung kostenlos bereitstellt, verwendet. Kapitel 2 erläutert zwei aus der Literatur bekannte Verfahren - Online- und Batchalgorithmus - zum Training einer selbstorganisierenden Karte. Aus den dargelegten Verfahrenseigenschaften begründet sich die Wahl des Batchverfahrens für die in Kapitel 3 erläuterte Methode. Das in Kapitel 3 vorgestellte Verfahren hat im modellierten operativen Einsatz den gleichen Ablauf, wie eine Klassifikation mit anschließender klassenspezifischer Prognose. Bei dem Training des Verfahrens wird allerdings iterativ vorgegangen, indem im Anschluss an das Training der klassenspezifischen Prognose ermittelt wird, zu welcher Klasse der Klassifikation ein Eingabedatum gehören sollte, um mit den vorliegenden klassenspezifischen Prognosemodellen die höchste Prognosegüte zu erzielen. Die so gewonnene Einteilung der Eingaben kann genutzt werden, um wiederum eine neue Klassifikationsstufe zu trainieren, deren Klassen eine verbesserte klassenspezifisch Prognose ermöglichen.

Opportunities and constraints of peri-urban buffalo and dairy cattle systems in Faisalabad, Punjab, Pakistan

In the big cities of Pakistan, peri-urban dairy production plays an important role for household income generation and the supply of milk and meat to the urban population. On the other hand, milk production in general, and peri-urban dairy production in particular, faces numerous problems that have been well known for decades. Peri-urban dairy producers have been especially neglected by politicians as well as non-government-organizations (NGOs). Against this background, a study in Pakistan’s third largest city, Faisalabad (Punjab Province), was carried out with the aims of gathering basic information, determining major constraints and identifying options for improvements of the peri-urban milk production systems. For data collection, 145 peri-urban households (HH) engaged in dairy production were interviewed face to face using a structured and pretested questionnaire with an interpreter. For analyses, HH were classified into three wealth groups according to their own perception. Thus, 38 HH were poor, 95 HH well off and 12 HH rich (26.2%, 65.5% and 8.3%, respectively). The richer the respondents perceived their HH, the more frequently they were actually in possession of high value HH assets like phones, bank accounts, motorbikes, tractors and cars. Although there was no difference between the wealth groups with respect to the number of HH members (about 10, range: 1 to 23), the educational level of the HH heads differed significantly: on average, heads of poor HH had followed education for 3 years, compared to 6 years for well off HH and 8 years for rich HH. About 40% of the poor and well off HH also had off-farm incomes, while the percentage was much higher - two thirds (67%) - for the rich HH. The majority of the HH were landless (62%); the rest (55 HH) possessed agricultural land from 0.1 to 10.1 ha (average 2.8 ha), where they were growing green fodder: maize, sorghum and pearl millet in summer; berseem, sugar cane and wheat were grown in winter. Dairy animals accounted for about 60% of the herds; the number of dairy animals per HH ranged from 2 to 50 buffaloes (Nili-Ravi breed) and from 0 to 20 cows (mostly crossbred, also Sahiwal). About 37% (n=54) of the HH did not keep cattle. About three quarters of the dairy animals were lactating. The majority of the people taking care of the animals were family workers; 17.3% were hired labourers (exclusively male), employed by 11 rich and 32 well off HH; none of the poor HH employed workers, but the percentages were 33.7% for the well off and 91.7% for the rich HH. The total number of workers increased significantly with increasing wealth (poor: 2.0; well off:2.5; rich: 3.4). Overall, 69 female labourers were recorded, making up 16.8% of employed workers and one fourth of the HH’s own labourers. Apparently, their only duty was to clean the animals´ living areas; only one of them was also watering and showering the animals. Poor HH relied more on female workers than the other two groups: 27.1% of the workers of poor HH were women, but only 14.8% and 6.8% of the labour force of well off and rich HH were female. Two thirds (70%) of the HH sold milk to dhodis (middlemen) and one third (35%) to neighbours; three HH (2%) did doorstep delivery and one HH (1%) had its own shop. The 91 HH keeping both species usually sold mixed milk (97%). Clients for mixed and pure buffalo milk were dhodis (78%, respectively 59%) and neighbours (28%, respectively 47%). The highest milk prices per liter (Pakistani Rupees, 100 PKR @ 0.8 Euro) were paid by alternative clients (44 PKR; 4 HH), followed by neighbours (40 PKR, 50 HH); dhodis paid lower prices (36 PKR, 99 HH). Prices for pure buffalo and mixed milk did not differ significantly. However, HH obtaining the maximum price from the respective clients for the respective type of milk got between 20% (mixed milk, alternative clients) and 68% (mixed milk, dhodi) more than HH fetching the minimum price. Some HH (19%) reported 7% higher prices for the current summer than the preceding winter. Amount of milk sold and distance from the HH to the city center did not influence milk prices. Respondents usually named problems that directly affected their income and that were directly and constantly visible to them, such as high costs, little space and fodder shortages. Other constraints that are only influencing their income indirectly, e.g. the relatively low genetic potential of their animals due to neglected breeding as well as the short- and long-term health problems correlated with imbalanced feeding and insufficient health care, were rarely named. The same accounts for problems accompanying improper dung management (storage, disposal, burning instead of recycling) for the environment and human health. Most of the named problems are linked to each other and should be addressed within the context of the entire system. Therefore, further research should focus on systematic investigations and improvement options, taking a holistic and interdisciplinary approach instead of only working in single fields. Concerted efforts of dairy farmers, researchers, NGOs and political decision makers are necessary to create an economic, ecological and social framework that allows dairy production to serve the entire society. For this, different improvement options should be tested in terms of their impact on environment and income of the farmers, as well as feasibility and sustainability in the peri-urban zones of Faisalabad.

Interrelatedness of grazing livestock with vegetation parameters and farmers’ livelihoods in the Mahafaly region, southwestern Madagascar

The study aims to get deeper insight into the highly extensive system of animal husbandry in the Mahafaly region of southwestern Madagascar. It tries to understand the major drivers for pastoral dynamics, land and resource use along a gradient in altitude and vegetation to consider the area’s high spatial and temporal heterogeneity. The study also analyzes the reproductive performance of local livestock as well as the owners’ culling strategies to determine herd dynamics, opportunities for economic growth, and future potential for rural development. Across seasons, plateau herds from both livestock species covered longer distances (cattle 13.6±3.02 km, goats 12.3±3.48 km) and were found further away from the settlements (cattle 3.1±0.96 km, goats 2.8±0.98 km) than those from the coastal plain (walking_dist: cattle 9.5±3.25 km, goats 9.2±2.57 km; max_dist: cattle 2.6±1.28 km, goats 1.8±0.61 km). Transhumant cattle were detected more vulnerable through limited access to pasture land and water resources compared to local herds. Seasonal water shortage has been confirmed as a key constraint on the plateau while livestock keeping along the coast is more limited by dry season forage availability. However, recent security issues and land use conflicts with local crop farmers are gaining importance and force livestock owners to adapt their traditional grazing management, resulting in spatio-temporal variation of livestock numbers and in the impending risk of local overgrazing and degradation of rangelands. Among the 133 plant species consumed by livestock, 13 were determined of major importance for the animals’ nutrition. The nutritive value and digestibility of the natural forage, as well as its abundance in the coastal zone, substantially decreased over the course of the dry season and emphasized the importance of supplementary forage plants, in particular Euphorbia stenoclada. At the same time, an unsustainable utilization and overexploitation of its wild stocks may raise the pressure on the vegetation and pasture resources within the nearby Tsimanampetsotsa National Park. Age at first parturition was 40.5±0.59 months for cattle and 21.3±0.63 months for goats. Both species showed long parturition intervals (cattle 24.2±0.48 months, goats 12.4±0.30 months), mostly due to the maintenance of poorly performing breeding females within the herds. Reported offspring mortality, however, was low with 2.5% of cattle and 18.8% of goats dying before reaching maturity. The analysis of economic information revealed higher than expected market dynamics, especially for zebus, resulting in annual contribution margins of 33 € per cattle unit and 11 € per goat unit. The application of the PRY Herd Life model to simulate herd development for present management and two alternate scenarios confirmed the economic profitability of the current livestock system and showed potential for further productive and economic development. However, this might be clearly limited by the region’s restricted carrying capacity. Summarizing, this study illustrates the highly extensive and resources-driven character of the livestock system in the Mahafaly region, with herd mobility being a central element to cope with seasonal shortages in forage and water. But additional key drivers and external factors are gaining importance and increasingly affect migration decisions and grazing management. This leads to an increased risk of local overgrazing and overexploitation of natural pasture resources and intensifies the tension between pastoral and conservation interests. At the same time, it hampers the region’s agronomic development, which has not yet been fully exploited. The situation therefore demonstrates the need for practical improvement suggestions and implication measures, such as the systematic forestation of supplemental forage plant species in the coastal zone or a stronger integration of animal husbandry and crop production, to sustain the traditional livestock system without compromising peoples’ livelihoods while at the same time minimizing the pastoral impact on the area’s unique nature and environment.