Masterarbeit: Verbesserte Modellierung von Wasserkraft in PyPSA-Eur

Hydrologisch fundierte Weiterentwicklung der Wasserkraftmodellierung in europäischen Energiesystemmodellen unter Berücksichtigung zukünftiger Klimaprojektionen.

Schlagworte: PyPSA-Eur, Wasserkraft, Hydrologie, Klimaprojektionen, Energiesystemoptimierung, Europa

Hintergrund

Wasserkraft ist ein zentraler Bestandteil des europäischen Energiesystems. Sie stellt erneuerbare Stromerzeugung bereit, trägt zur Flexibilität des Stromsystems bei und kann je nach Anlagentyp kurz-, mittel- oder saisonalfristige Speicherfunktionen übernehmen. Besonders relevant sind dabei Laufwasserkraftwerke, saisonale Speicherwasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke.

In europäischen Energiesystemmodellen wie PyPSA-Eur wird Wasserkraft bereits grundsätzlich berücksichtigt. Gleichzeitig bleibt die hydrologische Abbildung in großskaligen Energiesystemmodellen häufig vereinfacht. Typische Vereinfachungen betreffen zum Beispiel Zuflusszeitreihen, Speicherbewirtschaftung, Flusskaskaden, Wasserlaufzeiten, saisonale Abflussmuster, ökologische Mindestabflüsse oder die Kopplung an zukünftige Klimaprojektionen.

Aus hydrologischer Sicht sind diese Aspekte entscheidend, da sich Wasserverfügbarkeit, Schneeakkumulation, Schneeschmelze, Niederschlagsregime, Dürreperioden und saisonale Abflussmuster unter dem Klimawandel verändern können. Diese Veränderungen wirken sich direkt auf die Stromerzeugung aus Laufwasserkraft, auf die Speicherfüllstände saisonaler Reservoirs und auf die Flexibilität von Pumpspeichern aus.

Ziel der Arbeit

Ziel dieser Masterarbeit ist es, die bestehende Wasserkraftmodellierung in PyPSA-Eur systematisch zu analysieren und einen methodisch klar abgegrenzten Verbesserungsvorschlag zu entwickeln. Die Arbeit ist an der Schnittstelle zwischen Energiesystemoptimierung und Hydrologie angesiedelt und soll in Zusammenarbeit mit hydrologischer Expertise am KIT durchgeführt werden.

Im Fokus stehen Laufwasserkraftwerke, saisonale Speicherwasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke in europäischer Perspektive und möglichst stündlicher Auflösung. Die Arbeit muss nicht alle Aspekte vollständig implementieren; entscheidend ist ein klar abgegrenzter, fachlich belastbarer methodischer Beitrag.

Mögliche Forschungsfragen

Forschungsfrage 1:
Wie wird Wasserkraft aktuell in PyPSA-Eur modelliert, und welche hydrologischen Prozesse werden dabei vereinfacht oder nicht explizit berücksichtigt?

Forschungsfrage 2:
Wie können hydrologische Daten und Klimaprojektionen genutzt werden, um die Modellierung von Laufwasser, saisonaler Speicherwasserkraft und Pumpspeichern in PyPSA-Eur zu verbessern?

Optionale Vertiefung:
Welche Auswirkungen hat eine verbesserte hydrologische Modellierung auf die Bewertung von Stromerzeugung, Flexibilität, Speicherbewirtschaftung und Versorgungssicherheit in europäischen Energiesystemszenarien?

Methodischer Vorschlag

1. Analyse der bestehenden PyPSA-Eur-Modellierung

Zunächst soll untersucht werden, wie Wasserkraft aktuell in PyPSA-Eur abgebildet wird. Dazu gehört eine Analyse der verwendeten Technologien, Eingangsdaten, Zeitreihen und Modellkomponenten. Relevant sind insbesondere Laufwasser, Pumpspeicher und Speicherwasserkraft sowie die Frage, ob und wie natürliche Zuflüsse, Speicherfüllstände und Erzeugungsprofile modelliert werden.

2. Hydrologische Einordnung

Im zweiten Schritt soll gemeinsam mit hydrologischer Expertise bewertet werden, welche hydrologischen Prozesse für eine verbesserte Energiesystemmodellierung besonders relevant sind. Dazu zählen zum Beispiel die räumliche Zuordnung von Kraftwerken zu Einzugsgebieten, Abfluss- und Zuflusszeitreihen, saisonale Speicherfüllstände, Schneeschmelze, Niedrigwasserperioden, hydrologische Kaskaden und ökologische Mindestabflüsse.

3. Datengrundlage und Klimaprojektionen

Anschließend sollen geeignete Datensätze identifiziert und bewertet werden. Mögliche Datenquellen sind Reanalysedaten, EURO-CORDEX- oder CMIP6-basierte Klimaprojektionen, hydrologische Abfluss- oder Runoff-Datensätze, Kraftwerksdatenbanken, Reservoir- und Staudamm-Datenbanken sowie bestehende PyPSA-Eur-Eingangsdaten.

4. Entwicklung eines Verbesserungsansatzes

Auf Basis der Analyse soll ein konkreter Verbesserungsansatz entwickelt werden. Dieser kann je nach Datenlage und Scope beispielsweise verbesserte Zuflusszeitreihen, eine klimaprojektionsbasierte Skalierung historischer Zuflussprofile, eine verbesserte Darstellung der Laufwasserkraftverfügbarkeit, saisonale Speicherrestriktionen, eine prototypische Abbildung von Flusskaskaden oder eine verbesserte Parametrisierung von Pumpspeichern umfassen.

5. Exemplarische Anwendung und Bewertung

Abschließend soll der entwickelte Ansatz in einem geeigneten Testfall angewendet werden. Denkbar ist eine Fallstudie für ausgewählte Regionen mit hoher Wasserkraftrelevanz, etwa Alpenraum, Skandinavien, Frankreich, Iberische Halbinsel oder Balkan. Bewertet werden könnten Auswirkungen auf Wasserkrafterzeugung, Speicherfüllstände, Flexibilitätsbereitstellung, Residualnachfrage, Strompreise bzw. Schattenpreise, Versorgungssicherheit oder Systemkosten.

Erwarteter Beitrag

Die Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, Wasserkraft in europäischen Energiesystemmodellen hydrologisch konsistenter abzubilden. Sie verbindet Energiesystemoptimierung mit hydrologischen Daten und schafft eine Grundlage dafür, zukünftige Klimaprojektionen stärker in die Bewertung von Wasserkraft, Flexibilität und Versorgungssicherheit einzubeziehen.

Der erwartete Beitrag liegt nicht zwingend in einer vollständigen Neuentwicklung der Wasserkraftmodellierung, sondern in einer systematischen Analyse, einer methodisch fundierten Erweiterung und einer exemplarischen Umsetzung in PyPSA-Eur.

Anforderungen an Studierende

Geeignet ist die Arbeit für Studierende mit Interesse an Energiesystemmodellierung, erneuerbaren Energien, Hydrologie und Klimafolgenanalyse.

• gute Python-Kenntnisse
• Interesse an Optimierungsmodellen und Energiesystemanalyse
• Erfahrung mit Datenanalyse
• Grundkenntnisse in Energiesystemen
• optional: Erfahrung mit GIS, Klimadaten, hydrologischen Daten oder PyPSA/PyPSA-Eur

Kontakt

Wenn du dich für das Thema interessierst, freue ich mich auf deine E-Mail an johannes.schuhmacher∂kit.edu.
Bitte bewirb dich mit einer kurzen Motivation, deinem Lebenslauf und einem aktuellen Notenauszug (Transcript of Records).