National Energy System Model with Focus on Intersectoral System Development

The following Characteristics Describe the REMod Model

• Technical focus: description of the interaction of the sectors energy, industry, buildings and transport sector on the transformation path until 2060
• Objective: determination of the cost-optimal transformation of the (trans-)national energy system for a given reduction of greenhouse gas emissions
• Type of energy system model: technical bottom-up energy system model with simulation-based optimization of expansion planning coupled with an hourly simulation of the operation
• Geographical coverage: transnational (Europe), national (e.g., Germany) and regional (e.g., federal states states) possible
• Temporal resolution: annual investments and hourly operation until 2060
• All sectors: demand, generation, storage, energy conversion, demand-side management, and infrastructure
• Framework: achieving a specified reduction in greenhouse gas emissions (budget and/or annual) and meeting energy demand on an hourly basis
• Dealing with uncertainty: sensitivity and scenario analysis
• Programming language: Julia / Python, Optimization algorithm: Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES)

Clients

• Energy service providers
• Industry
• Political decision makers
• Public institutions

References

Highlights

• Thelen, C. et al (2024) Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem: Bundesländer im Transformationsprozess, Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Available at: https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/wege-zu-einem-klimaneutralen-energiesystem.html.  
• Brandes, J. et al. (2021) Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem: Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen. Update November 2021: Klimaneutralität 2045. Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Available at: https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/wege-zu-einem-klimaneutralen-energiesystem-version-2020-21.html.
• Luderer, G., Kost, C. and Sörgel, D. (eds) (2021) Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenarien und Pfade im Modellvergleich (Ariadne-Report). Potsdam: Potsdam Institute for Climate Impact Research (Ariadne-Report). Available at: https://doi.org/10.48485/PIK.2021.006. 
• Sterchele, P. et al. (2020) Studie: Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem – Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen. Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Available at: https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/wege-zu-einem-klimaneutralen-energiesystem-version-2020-21.html.

Studies

• Brandes, J., Jürgens, P., Kaiser, M., Kost, C., Henning, H. (2024) Increasing spatial resolution of a sector-coupled long-term energy system model: The case of the German states. Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Available at: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123809.
  
• Gaafar, N., Jürgens, P., Schweiger, J. Kost, C. (2024) System flexibility in the context of transition towards a net-zero sector-coupled renewable energy system – case study of Germany. Available at: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2753-3751/ad5726.
  
•  Jürgens, P., Müller, P., Brandhuber, F., Kost, C. (2024) Simulation-based optimization as a method for dealing with complexity in energy system modeling. Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Available at: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4862686/v1.
• acatech, Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, and Union der deutschen Akademien der Wissenschaften e. V. (eds) (2023) Wie wird Deutschland klimaneutral? Handlungsoptionen für Technologieumbau, Verbrauchsreduktion und Kohlenstoffmanagement. acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Schriftenreihe zur wissenschaftsbasierten Politikberatung). Available at: https://doi.org/10.48669/ESYS_2023-2.
• Ragwitz, M. et al. (2023) Szenarien für ein klimaneutrales Deutschland. Technologieumbau, Verbrauchsreduktion und Kohlenstoffmanagement. (Schriftenreihe Energiesysteme der Zukunft). Available at: https://doi.org/10.48669/ESYS_2023-3.
• Erlach, B. et al. (2018) Optimierungsmodell REMod-D. Materialien zur Analyse ‘Sektorkopplung’ - Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems. München (Schriftenreihe Energiesysteme der Zukunft). Available at: https://energiesysteme-zukunft.de/publikationen/materialien/optimierungsmodell-remod-d/.
• Becker Büttner Held (BBH) et al. (2018) Rechtliche Rahmenbedingungen für ein integriertes Energiekonzept 2050 und die Einbindung von EE-Kraftstoffen. Available at: https://usercontent.one/wp/www.ikem.de/wp-content/uploads/2021/03/2019_Studie_Rechtliche-Rahmenbedingungen-fuer-ein-integriertes-Energiekonzept_IEK2050.pdf?media=1667839188.
• Ausfelder, F. et al. (2017) Sektorkopplung - Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems. Available at: https://energiesysteme-zukunft.de/publikationen/analyse/sektorkopplung.
• Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, and Union der Deutschen Akademien der Wissenschaften (2017) Sektorkopplung - Optionen für die nächste Phase der Energiewende. Available at: https://www.acatech.de/publikation/sektorkopplung-optionen-fuer-die-naechste-phase-der-energiewende/.
• Henning, H.M. and Palzer, A. (2015) What will the energy transformation cost? Pathways for Transforming the German Energy System by 2050. Freiburg: Fraunhofer ISE. Available at: https://www.ise.fraunhofer.de/en/publications/studies/what-will-the-energy-transformation-cost.html.
• Henning, H.-M. and Palzer, A. (2013) Energiesystem Deutschland 2050. Sektor-und Energieträgerübergreifende, modellbasierte, ganzheitliche Untersuchung zur langfristigen Reduktion energiebedingter CO2-Emissionen durch Energieeffizienz und den Einsatz Erneuerbarer Energien. Freiburg: Fraunhofer ISE. Available at: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Fraunhofer-ISE_Energiesystem-Deutschland-2050.pdf.
• Henning, H.-M. and Palzer, A. (2012) 100 % erneuerbare Energien für Strom und Wärme in Deutschland. Freiburg: Fraunhofer ISE. Available at: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/studie-100-erneuerbare-energien-fuer-strom-und-waerme-in-deutschland.pdf.

Dissertations

• Sterchele, P. (2019) Analysis of Technology Options to Balance Power Generation from Variable Renewable Energy Case Study for the German Energy System with the Sector Coupling Model REMod. Düren: Shaker Verlag GmbH. Available at: https://publica.fraunhofer.de/entities/publication/85d23ac1-ede7-490a-aa4f-9f240a891b2f/details. 
• Palzer, A. (2016) Sektorübergreifende Modellierung und Optimierung eines zukünftigen deutschen Energiesystems unter Berücksichtigung von Energieeffizienzmaßnahmen im Gebäudesektor. Stuttgart: Fraunhofer Verlag. Available at: https://doi.org/10.24406/publica-fhg-281042.

Journal papers and conference contributions

• Brandes, J. et al. (2024): ‘Increasing spatial resolution of a sector-coupled long-term energy system model: The case of the German states’, Applied Energy, 372, p. 123809. Available at: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123809
• Gaafar, N. et al. (2024): ‘System flexibility in the context of transition towards a net-zero sector-coupled renewable energy system—case study of Germany’, Environ. Res.: Energy, 1(2), p. 025007, Available at: https://doi.org/10.1088/2753-3751/ad5726
• Jürgens, P. et al. (2023) ‘Impact of the French nuclear strategy on the cost optimal transformation paths of the energy system and demand sectors’, IAMC annual meeting. Available at: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.30130.99524.
• Kost, C. et al. (2021) ‘Modeling of Persistence, Non-Acceptance and Sufficiency in Long-Term Energy Scenarios for Germany’, Energies, 14(15), p. 4484. Available at: https://doi.org/10.3390/en14154484.
• Sterchele, P. et al. (2020) ‘Assessment of flexible electric vehicle charging in a sector coupling energy system model – Modelling approach and case study’, Applied Energy, 258, p. 114101. Available at: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114101.
• Bürger, V. et al. (2019) ‘German Energiewende—different visions for a (nearly) climate neutral building sector in 2050’, Energy Efficiency, 12(1), pp. 73–87. Available at: https://doi.org/10.1007/s12053-018-9660-6.
• Kost, C. et al. (2019) ‘Coal phase out, energy efficiency, and electricity imports: Key elements to realize the energy transformation’, Applied Physics Reviews, 6(1), p. 011308. Available at: https://doi.org/10.1063/1.5055269.
• Sterchele, P., Palzer, A. and Henning, H.-M. (2018) ‘Electrify Everything?: Exploring the Role of the Electric Sector in a Nearly CO2-Neutral National Energy System’, IEEE Power and Energy Magazine, 16(4), pp. 24–33. Available at: https://doi.org/10.1109/MPE.2018.2824100.
• Henning, H.-M. and Palzer, A. (2014) ‘A comprehensive model for the German electricity and heat sector in a future energy system with a dominant contribution from renewable energy technologies—Part I: Methodology’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, pp. 1003–1018. Available at: https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.09.012.
• Palzer, A. and Henning, H.-M. (2014a) ‘A comprehensive model for the German electricity and heat sector in a future energy system with a dominant contribution from renewable energy technologies – Part II: Results’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, pp. 1019–1034. Available at: https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.11.032.
• Palzer, A. and Henning, H.-M. (2014b) ‘A Future German Energy System with a Dominating Contribution from Renewable Energies: A Holistic Model Based on Hourly Simulation’, Energy Technology, 2(1), pp. 13–28. Available at: https://doi.org/10.1002/ente.201300083.