LAEND - Lebenszyklusbasierte Energiesystemmodellierung

LAEND steht für "Life Cycle Assessment based ENergy Decision", das die Open Source Toolbox oemof mit der Methode der Lebenszyklusanalyse verknüpft und eine gekoppelte Energiesystemanalyse mit umweltorientierter Nachhaltigkeitsbewertung und -optimierung ermöglicht. Das Tool ist in der Programmiersprache Python entwickelt.

Die erste Version von LAEND wurde am INEC 2019 entwickelt und 2020 veröffentlicht.

Tietze, I.; Lazar, L.; Hottenroth, H.; Lewerenz, S. (2020) LAEND: A model for multi-objective investment optimisation of residential quarters considering costs and environmental impacts. Energies, Band 13, Heft 3, S. 614, 2020. 10.3390/en13030614

Diese Weiterentwicklung von LAEND erfolgte im Rahmen einer Master-Thesis, in der Dorothee Birnkammer das Modell um den Wärmesektor, die myopische Optimierung, Emissionsziele und eine Konfiguration mittels Tabellenkalkulationssoftware erweiterte.

Birnkammer, D. (2021) Extending the multi-objective model LAEND to account for sector coupled heat and electricity supply of residential quarters under consideration of decarbonization strategies

Die Version 0.3.1 wurde im Projekt InPEQt erstellt und erstmalig auf GitHub veröffentlicht: https://github.com/inecmod/LAEND_v031

LAEND ist in erster Linie eine Erweiterung von oemof, die Umweltauswirkungen in die Optimierung einbezieht. Bei der Mehrzieloptimierung minimiert das Modell die Gesamtauswirkungen, die sich aus der Summe der normierten und gewichteten ökonomischen und ökologischen Auswirkungen ergeben. Alternativ dazu optimiert LAEND für ein einzelnes Ziel, indem es irrelevante Ziele auf Null setzt.

Die Umweltwirkungsdaten in LAEND werden über einen Link zu openLCA, einem Programm zur Modellierung von Lebenszyklus-Systemen, importiert. Die verwendeten Daten basieren im Hintergrund auf der Ökobilanzdatenbank ecoinvent 3.7. Als Wirkungsabschätzungsmethode wird die Methode des europäischen Umwelt-Fußabdrucks (Environmental Footprint v.2.0) angewendet. Diese Methode liefert Daten für 19 Indikatoren und entsprechende Normierungs- und Gewichtungsfaktoren.

Mit LAEND wird eine myopische Optimierung durchgeführt, die die Betrachtung eines Zeitraums von mehreren Jahren bis Jahrzehnten ermöglicht. Dies ermöglicht auch die Optimierung von Stützjahren innerhalb eines längeren Zeitraums. Das Programm erstellt ein zielspezifisches Modell des Energiesystems und optimiert dann, um die Auswirkungen zu minimieren. Diese myopische Optimierung umfasst drei Schritte: Erstellen des Energiesystems, Optimieren für ein Jahr und Übertragen der Ergebnisse auf das nächste Jahr. Der iterative Prozess umfasst also eine einjährige Berechnung, die als Grundlage für die Optimierung im Folgejahr dient. Bei der Optimierung für ein einzelnes Jahr wird eine perfekte Voraussicht vorausgesetzt. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis der gesamte Modellierungszeitraum optimiert worden ist.

Für die kurzsichtige Optimierung des Jahres eins wird die Struktur des Energiesystems aus einer Reihe von Investitionsoptionen erstellt. Alle Komponenten enthalten Informationen über die Auswirkungen der Investitionen. Die Flüsse werden mit variablen Kosten und Umweltwirkungen parametrisiert, die als Auswirkungsdaten zusammengefasst werden. Anschließend wird das Energiesystemmodell mit perfekter Voraussicht für das erste Jahr des Modellierungszeitraums optimiert. Die Lösung ist ein Satz ausgewählter Technologien mit entsprechenden installierten Kapazitäten. Dieser Satz wird zusammen mit den stündlichen Dispatch-Ergebnissen gespeichert. Die Kapazität der ermittelten Anlagen wird in das folgende Jahr der Optimierung übernommen. Für das zweite Optimierungsjahr erstellt das Programm einen Graphen auf der Grundlage früherer Investitionen, sofern die technische Lebensdauer der Anlage nicht überschritten wurde. Zusätzlich wird der Graph durch neue Investitionsoptionen ergänzt. Diese werden mit vollständigen Wirkungsdaten hinzugefügt. Im zweiten Jahr kann das Optimierungsmodell so entscheiden, ob die bestehenden Anlagen genutzt oder in neue Anlagen investiert werden sollen. Auch hier liegen die Ergebnisse als eine Reihe von Technologien mit den zugehörigen Kapazitäten vor. Der iterative Prozess endet, nachdem das letzte Jahr des Modellierungszeitraums gelöst und die Ergebnisse gespeichert wurden. Wenn Stützjahre aktiviert sind, optimiert die Berechnung nur das Stützjahr innerhalb eines Zeitabschnitts von mehreren Jahren (z.B. fünf) und geht davon aus, dass das Vorjahr des folgenden Stützjahrs (Jahr sechs) gleich dem vorangegangenen Stützjahr (Jahr eins) ist.

Die Optimierungsergebnisse werden mit allen Wirkungsfaktoren multipliziert, um die Ergebnisse zusammenzustellen. Das Endergebnis für ein Ziel umfasst Informationen zur Investitions- und Nutzungsphase. Die Investitionsdaten umfassen die implementierte Anlage, ihre Kapazität und die während des Modellierungszeitraums entstandenen ökonomischen und ökologischen Auswirkungen. Die Daten der Nutzungsphase enthalten die Summe der in jedem Jahr benötigten oder gelieferten Energie und die entsprechende variable Auswirkung. Wenn repräsentative Jahre verwendet werden, wird jeder Wert mit der Anzahl der Jahre in dem Zeitraum multipliziert, den ein Jahr darstellt. In der Summe ergibt dies die Gesamtauswirkungen, die durch die Optimierung auf ein Ziel hin über den gesamten Modellierungszeitraum entstehen.

Optional werden politische Emissionsminderungsziele mit Emissionsbeschränkungen, einem einstellbaren Dekarbonisierungsvorhersagehorizont und modellspezifischer Klimaneutralität vorgegeben.

Die Ergebnisse werden in Excel ausgegeben und können darin mit Pivot-Tabellen und Datenmodellen weiter aufbereitet, visualisiert und analysiert werden.

Der Code sowie eine Dokumentation mit Installationsanleitung und weiteren Erläuterungen zur Bedienung wurde auf GitHub veröffentlicht: https://github.com/inecmod/LAEND_v031