Developing and showcasing a method for choosing and comparing energy supply system modelling and optimisation software
Creators: name: Ammon, Mathias
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Tessif
subject: oemof
subject: PyPSA
subject: fine
subject: Calliope
subject: Energy Supply System Modelling and Optimisation
subject: Energy System Optimisation
classificationCode: 3
subject: Social Sciences::333: Economics of Land and Energy::333.7: Natural Resources, Energy and Environment
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science
classificationCode: 0
subject: Computer Science, Information and General Works::004: Computer Sciences

description: The Paris Agreement under the United Nations Framework Convention on Climate Change aims to reduce global greenhouse gas emissions, targeting a maximum 2-degree Celsius temperature increase this century. A key strategy involves increasing renewable energy share and storage capabilities within existing energy supply system infrastructures, necessitating major restructuring processes. Energy supply system modelling and optimisation software can facilitate these changes, which resulted in many commercial and open-source tools with varying backgrounds, objectives, and use cases. Researchers, engineers, and decision-makers face challenges in selecting the most appropriate software for specific purposes. Although structured comparisons of available options are valuable case and tool-specific nuances often only emerge during result analysis. The current literature lacks a comprehensive result-based approach for choosing energy supply system modelling and optimisation software. This thesis proposes a result-based Comparative Method for selecting and comparing energy supply system modelling and optimisation software, enabling systematic comparison centred on optimisation results. The Comparative Method encompasses a rigorous preselection phase, a modelling step, and a versatile, application-oriented result-analysis phase. In addition, an outside-of-this-method reusable structured procedure involving a graph-theory-inspired post-processing strategy for energy supply system models is proposed. To support the scientific community in terms of compiling result-based comparisons, several energy supply system model scenario combinations have been devised. These address modern energy infrastructure challenges and serve as a basis for generating result-based comparisons in subsequent research. In this work, the developed combinations are utilised during an extensive case study to compare four modern, highly capable free and open-source software tools and to illustrate the method's features and applicability. As part of this research, a free and open-source software framework, called Tessif, is developed to streamline the execution of the derived Comparative Method during the case study. Thereby, Tessif is designed to also generally assist in modelling energy supply systems and be applicable beyond the scope of this thesis. In conclusion, this work provides a comprehensive summary of insights on modelling and optimising energy supply systems, along with the associated software. It presents recommendations for prospective software users and outlines a set of core features for the advancement and development of future modelling tools.
description: Das Pariser Abkommen im Zuge des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen zielt darauf ab, die weltweiten Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den Temperaturanstieg in diesem Jahrhundert auf maximal 2 Grad Celsius zu begrenzen. Eine Schlüsselstrategie spielt dabei die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien und Speicherkapazitäten innerhalb der existierenden Energieversorgungs-Infrastruktur. Entsprechend umfangreiche Umstrukturierungsprozesse sind zu erwarten. Software zur Modellierung und Optimierung von Energieversorgungssystemen ist in der Lage, diese Umstrukturierungsprozesse sinnvoll zu begleiten. Deshalb existiert inzwischen eine große Anzahl entsprechender kommerzieller und quelloffener Sotware-Werkzeuge mit unterschiedlichen Hintergründen, Zielen und Anwendungsfällen. Forscher, Ingenieure und Entscheidungsträger stehen vor der Herausforderung, die am besten geeignete Software für bestimmte Zwecke auszuwählen. Obwohl strukturierte Vergleiche der verfügbaren Optionen existieren und wertvoll sind, werden wichtige fall- und werkzeugspezifische Einzelheiten oft erst während der Ergebnisanalyse identifiziert. In der gegenwärtigen Literatur fehlt ein umfassender ergebnisbasierter Ansatz für die Auswahl von Software zur Modellierung und Optimierung von Energieversorgungssystemmodellen. Diese Arbeit schlägt eine ergebnisbasierte Methode zur Auswahl und zum Vergleich von Software zur Modellierung und Optimierung von Energiesystemen vor, die einen systematischen Vergleich auf Basis der Optimierungsergebnisse durchführt. Die Methode umfasst dabei eine detaillierte Vorauswahlphase, eine Modellierungsphase und eine vielseitige, anwendungsorientierte Ergebnisanalysephase. Darüber hinaus wird ein effizientes, außerhalb dieser Methode, wiederverwendbares Verfahren mit einer von der Graphentheorie inspirierten Post-Processing-Strategie vorgeschlagen. Um die wissenschaftliche Gemeinschaft in Bezug auf die Zusammenstellung Ergebnis basierender Vergleiche zu unterstützen, werden verschiedene Energiesystem-Modelle und Szenarien entwickelt und empfohlen. Diese orientieren sich dabei an den Fragestellungen und Herausforderungen moderner Energie-Infrastrukturen und zielen darauf ab, eine gemeinsame Grundlage für ergebnisorientierte Vergleiche zu schaffen. Diese Modellszenarien werden im Zuge einer ausführlichen Fallstudie genutzt, um vier moderne, hochleistungsfähige, freie und quelloffene Softwarewerkzeuge miteinander zu vergleichen und die Anwendbarkeit der Methode zu veranschaulichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird zudem ein offenes und quelloffenes Software-Framework namens Tessif entwickelt, das die strukturierte und reproduzierbare Ausführung der vergleichenden Methode ermöglicht. Tessif ist dabei so konzipiert, dass es nicht nur spezifisch in dieser Thesis, sondern auch allgemein zur Unterstützung bei der Modellierung von Energieversorgungssystemen eingesetzt werden kann. Abschließend bietet die Arbeit eine umfassende Zusammenfassung von Erkenntnissen über die Modellierung und Optimierung von Energieversorgungssystemen sowie der zugehörigen Software. Es werden Empfehlungen für potenzielle Softwarenutzer vorgestellt und eine Reihe von Schlüsselaspekten für die Neu- und Weiterentwicklung zukünftiger Modellierungswerkzeuge aufgezeigt.