Das TESCA-Tool basiert auf drei zentralen Säulen:
1. Simulationskern (TESCACore)
TESCACore ist ein deterministischer Zeitreihen-Simulationsrahmen, der in der Programmiersprache Julia entwickelt wurde. Dieser erstellt technische Simulationen und umfasst alle technischen Komponenten. TESCACore unterstützt derzeit Komponenten in drei Energiesektoren: Strom, Wärme und Gas (insbesondere Wasserstoff).
Die Simulation erfolgt typischerweise in Zeitschritten von fünf Minuten bis zu einer Stunde, wobei 15-Minuten- und Ein-Stunden-Intervalle bevorzugt werden. Diese Intervalle entsprechen den gängigen Standards für Netzverbrauchsmessungen und den Anforderungen des Energiemarktes. Die Wahl des Zeitintervalls beeinflusst die Modelltiefe und bestimmt, welche Systemverhalten für die Simulation und das jeweilige Projekt relevant sind. Der Simulationszeitraum für die technisch-wirtschaftliche Analyse (TEA) ist ein benutzerdefinierter Parameter. Es wird empfohlen, einen Zeitraum zu wählen, der über die typische Lebensdauer der Hauptkomponenten hinausgeht. Dies stellt sicher, dass die TEA die langfristigen Auswirkungen der Betriebsstrategie auf die Systemeffizienz, die Komponentenalterung sowie den Reinvestitionsbedarf präzise bewerten kann.
2. Profitabilität
Diese Säule von TESCA beschreibt die wirtschaftliche Bewertung. Es werden verschiedene technische und wirtschaftliche Leistungsindikatoren (KPI) berechnet, z. B. Volllaststunden (FLH), Stromgestehungskosten (LCOx), Cashflow, Kapitalwert (NPV), interner Zinsfuß (IRR), Amortisationszeit.
3. Datenverarbeitung
TESCA erstellt ein Unterstützungspaket für Nutzer:innen, dieses vereinfacht die Vor- und Nachbearbeitung der Daten. Dazu gehören die Validierung von Eingangs- und Ausgangsprofilen, Gebäudeenergiesummen und Leistungsflussdiagrammen sowie die standardisierte Ergebnisvisualisierung von technischen und wirtschaftlichen KPIs und Sensitivitätsanalysen. Die Visualisierung kann als statische Vektorgrafik, als interaktive html-Grafik oder in einer grafischen Benutzeroberfläche erfolgen.
Prozessbeschreibung im Detail
Dateneingabe und Szenariodefinitionen
Der erste Schritt zur Durchführung einer TEA mit TESCA ist die Dateneingabe. Dazu gehören das Start- und Enddatum der Simulation, Last- und Erzeugungsprofile in der entsprechenden Energieform, Marktdaten wie Day-Ahead- und Intraday-Strompreise, Netztarife, ökonomische Parameter wie CAPEX, OPEX und Balance of Plant Costs sowie Modellparameter wie Nennleistung, Kapazität und gewünschte Betriebstemperatur. Die Informationen zur Systemeinrichtung werden als Szenariodefinitionen gespeichert.
Zeitreihensimulation und Komponentenzustände
Schritt 2, ist die Einrichtung der Komponenten und des Systems und schließlich der Betrieb des Systems. Die Komponenten können einzeln konfiguriert und modular miteinander verbunden werden, um die Anforderungen der TEA zu erfüllen. Sobald das System definiert und angeschlossen ist, muss als nächstes die Betriebsstrategie festgelegt werden. Die Betriebsstrategie kann entweder auf einem Algorithmus oder auf einem linearen Optimierer, zum Beispiel IESopt, basieren. In diesem Schritt wird die deterministische Zeitreihensimulation durchgeführt, die Komponentenzustände (wie Ladezustand, Betriebsstunden und Gesundheitszustand) werden aktualisiert und, falls erforderlich, werden Komponenten ausgetauscht und reinvestiert.
Technische und wirtschaftliche Analyse
Die Ergebnisse der deterministischen Zeitreihensimulation werden an die technische und wirtschaftliche Analyse, Schritt 3, weitergeleitet. Die technische Auswertung bewertet die gesetzten Randbedingungen des Systems sowie die wichtigsten Kennzahlen pro Komponente wie Betriebsstunden, Volllaststunden, maximale Leistungsspitzen, volle Ladezyklen, Alterung der Komponenten sowie Zeiten und Termine für den Austausch von Komponenten etc. Die ökonomische Bewertung greift auf die in Schritt 1 gegebenen Informationen, CAPEX, OPEX, Netzentgelte, Energiekosten, Zinssätze, CAPEX-Entwicklung etc. zurück und kombiniert sie mit dem in Schritt zwei simulierten tatsächlichen Leistungsfluss zur Berechnung der oben genannten KPIs.
Systemkonfiguration und –optimerung
Je nach Fragestellung können Schritt 1 - 3 für unterschiedliche Systemkonfigurationen und Parameter, in einem vierten Schritt, mehrfach wiederholt werden.
Umfassende Szenarioanalyse mit TESCA
Die Leistungsfähigkeit von TESCA ermöglicht die Verarbeitung, Bewertung und den Vergleich mehrerer Szenarien, wodurch umfangreiche Parameterstudien mit idealen und nicht-idealen Ergebnissen erstellt werden können. Innerhalb der Parameterstudie können die Eingangsparameter variiert werden, wie z. B. die Nennleistung der Erzeugung, die Leistung und Kapazität des Speichers, das Ersetzen einer erneuerbaren Energiequelle (EE) durch eine andere, die Änderung von Lastprofilen, die Änderung von Energietarifen usw. Die Durchführung mehrerer Simulationen und KPI-Berechnungen für verschiedene Konfigurationen ermöglicht ein besseres Verständnis der Kosten-Nutzen-Faktoren und -Einflüsse, die durch Sensitivitätsanalysen und andere Analysemethoden untersucht werden können (Schritt 5).
Fundierte Designentscheidungen für maßgeschneiderte Energieprojekte
Schließlich liefern die wirtschaftlichen KPIs der einzelnen Szenarien der oben genannten Parameterstudie die notwendigen Informationen für fundierte Designentscheidungen. Dies bedeutet, dass die vorteilhafteste Systemkonfiguration für die spezifischen Projektanforderungen gewählt wird. Dies kann durch einen Vergleich der Kapitalrendite oder des Kapitalwerts geschehen, aber auch auf der Grundlage von technischen Kennzahlen wie dem Grad der Netzabhängigkeit, dem Autarkiegrad, der Selbstversorgung mit Strom oder dem Wasserstoffbedarf.