CO2 Mitigation and Power System Integration of Fluctuating Renewable Energy Sources: A Multi-Scale Modeling Approach

Vermeidung von CO2-Emissionen und Systemintegration fluktuierender Erneuerbarer Stromerzeugung: Ein skalenübergreifender Modellansatz

  • Decarbonizing the electricity sector is of vital importance for mitigating greenhouse gas emissions due to increasing power demand, but also because of the broad portfolio of low carbon power generation options. Emission reduction policies are likely to incentivise an expansion of renewable power generation capacities far beyond current levels. This thesis investigates the question of how renewable power generation can contribute to mitigate CO2 emissions. It analyzes the system integration chalDecarbonizing the electricity sector is of vital importance for mitigating greenhouse gas emissions due to increasing power demand, but also because of the broad portfolio of low carbon power generation options. Emission reduction policies are likely to incentivise an expansion of renewable power generation capacities far beyond current levels. This thesis investigates the question of how renewable power generation can contribute to mitigate CO2 emissions. It analyzes the system integration challenges that result from large shares of variable and spatially dispersed renewable power generation, how an expansion of long distance transmission and storage capacities can facilitate system integration, and how system integration issues - and the availability of integration options - affect long term strategies for power system decarbonization. More specific, it investigates if (and how) Europe can reach its ambitious power sector decarbonization targets by expanding renewable generation capacities. These questions are addressed in a series of model-based studies. Results show that power system decarbonization in general and expansion of renewable power generation in specific play a crucial role for economy-wide mitigation efforts. They also demonstrate that investment decisions in transmission, storage and generation capacities are tightly interrelated. Adequate expansion of transmission and storage facilitates the integration of renewable supply, and limiting the availability of these options affects deployment and spatial allocation of renewable generation capacities. It is shown that until 2050, Europe and the Middle East / North African (MENA) regions can achieve power system CO2 emission reductions of 90% (relative to 2010) by expanding renewable power generation - without relying on CCS or building new nuclear power plants. This target can be met without large-scale electricity transfers between Europe and MENA regions, but inside Europe, a clear pattern of importing and exporting countries emerges. Meeting the 90% emission reduction target leads to an increase of average electricity prices to 8.7 ct/kWh, if transmission and storage capacities are adequately expanded (compared to 6.8 ct/kWh in the baseline scenario). If transmission capacities are limited to current levels, electricity prices increase to 10.1 ct/kWh, and the requirements for storage capacities increase significantly. Cost-efficient expansion pathways until 2050 are far from linear: Until 2030, the system is characterized by a mixture of wind and fossil generation, followed by a switch to a wind and solar based generation mix. This transition on the generation side results in different integration challenges, and it changes the interregional patterns of power transfer and the way the existing transmission infrastructure is used. Feasible mitigation levels that can be achieved by renewable generation capacities are shown not to be limited by their technical potential, but by system integration issues. Electricity prices escalate if emission caps exceed a certain limit. In the presented scenarios, this threshold varies between 70% and 95% CO2 reductions, depending on the availability of transmission and storage expansion. This shows that a coordinated expansion of renewable generation capacities and system integration options is crucial for achieving ambitious decarbonization targets.show moreshow less
  • Die Dekarbonisierung des Elektrizitätssektors ist von elementarer Bedeutung für die Vermeidung von Treibhausgasemissionen, zum Einen wegen steigender Stromnachfrage, zum Anderen bedingt durch die große Auswahl an Optionen zur emissionsarmen Stromerzeugung. Politische Initiativen zur Vermeidung von Emissionen werden mit großer Wahrscheinlichkeit Anreize für eine Erweiterung der Erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten weit über den gegenwärtigen Stand hinaus schaffen. Diese Arbeit beschäftigt sichDie Dekarbonisierung des Elektrizitätssektors ist von elementarer Bedeutung für die Vermeidung von Treibhausgasemissionen, zum Einen wegen steigender Stromnachfrage, zum Anderen bedingt durch die große Auswahl an Optionen zur emissionsarmen Stromerzeugung. Politische Initiativen zur Vermeidung von Emissionen werden mit großer Wahrscheinlichkeit Anreize für eine Erweiterung der Erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten weit über den gegenwärtigen Stand hinaus schaffen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welchen Beitrag Erneuerbare Stromerzeugung zur Vermeidung von CO2-Emissionen leisten kann. Sie erkundet die Herausforderungen, die durch die Systemintegration großer Anteile variabler und räumlich verteilter Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen entstehen, wie ein Ausbau von Stromnetzen und Speicherkapazitäten zur Systemintegration beitragen kann, und inwiefern langfristige Strategien zur Dekarbonisierung des Elektrizitätssektors durch Probleme der Systemintegration - und die Verfügbarkeit von Integrationsoptionen - beeinflusst werden. Im Speziellen untersucht diese Arbeit, ob (und wie) die ehrgeizigen Emissionsminderungsziele der EU im Stromsektor durch einen Ausbau Erneuerbarer Energien erreicht werden können. Diese Fragen werden in einer Reihe modellbasierter Studien beantwortet. Die Ergebnisse unterstreichen, dass die Dekarbonisierung des Elektrizitätssektors im Allgemeinen und der Ausbau Erneuerbarer Stormerzeugung im Speziellen für das Erreichen gesamtwirtschaftlicher Emissionsvermeidungsziele eine entscheidende Rolle spielen. Weiterhin wird dargelegt, dass Investitionsentscheidungen in Netz-, Speicher- und Erzeugungskapazitäten in engem Zusammenhang stehen. Ein bedarfsgerechter Ausbau von Netz- und Speicherkapazitäten erleichtert die Integration Erneuerbarer Stromerzeugung, und eine eingeschränkte Verfügbarkeit dieser Optionen beeinflusst Ausbauraten und Standortentscheidungen Erneuerbarer Erzeugungskapazitäten. Es wird gezeigt, dass durch einen Ausbau Erneuerbarer Energien die CO2-Emissionen in den Stromsektoren Europas und der Länder des Nahen Ostens / Nordafrikas (MENA) bis 2050 um 90% (relativ zu 2010) reduziert werden können - ohne auf die Option der CO2-Abscheidung (CCS) zurückzugreifen oder neue Kernkraftwerke zu bauen. Dieses Ziel kann ohne großskalige Stromtransfers zwischen Europa und der MENA-Region erreicht werden; innerhalb Europas tritt sich jedoch ein klares Muster aus importierenden und exportierenden Ländern zu Tage. Eine Reduktion der CO2-Emissionen um 90% führt zu einem Anstieg der durchschnittlichen Strompreise auf 8.7 ct/kWh (gegenüber 6.8 ct/kWh im Referenzszenario), falls Netz- und Speicherkapazitäten in angemessenem Maße ausgebaut werden. Eine Beschränkung der Übertragungskapazitäten auf den heutigen Stand führt zu einem Anstieg der Strompreise auf 10.1 ct/kWh und zu einem deutlich höheren Bedarf an Speicherkapazitäten. Kosteneffiziente Ausbaupfade bis 2050 verlaufen nicht linear: Bis 2030 ist das System durch eine Mischung aus Windenergie und fossiler Stromerzeugung geprägt; erst danach erfolgt der Übergang zu einem auf Wind- und Solarenergie basierend Strommix. Dieser erzeugungsseitige 'Systemwechsel' führt zu veränderten Anforderungen seitens der Systemintegration sowie der sich ausprägenden Lastflüsse im existierenden Stromnetz. Die Emissionsminderungsziele, die durch einen Ausbau der Erneuerbaren Erzeugungskapazitäten erreicht werden können, sind nicht durch ihr technisches Potenzial, sondern durch Anforderungen an die Systemintegration limitiert. Das Überschreiten eines kritischen Wertes seitens der Emissionsbeschränkungen führt zu einem nichtlinearen Anstieg der Strompreise. In den vorgelegten Szenarien liegt dieser Grenzwert - abhängig von der Verfügbarkeit von Netz- und Speicherausbau - zwischen 70% und 95% CO2-Reduktionen. Dies zeigt, dass ein koordinierter Ausbau von Erneuerbaren Erzeugungskapazitäten in Kombination mit Maßnahmen zur Systemintegration für das Erreichen ambitionierter Dekarbonisierungsziele von entscheidender Bedeutung ist.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Markus Haller
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-34426
Advisor:Prof. Dr. Ottmar Edenhofer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/03/07
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2012/01/27
Release Date:2012/03/07
Tag:Erneuerbare Energien; Klimapolitik; Netzintegration; Stromnetz
climate policy; grid integration; renewable energy; transmission grids
Institutes:Institut für Landschaftsarchitektur und Umweltplanung
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)