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Im Zeitraum von Februar bis Mai 2023 wurde am Lehrstuhl für Produktionswirtschaft die Studie zum Thema „Technologische Trends und Entwicklungen alternativer Energiesysteme“ durchgeführt. Die vorliegende explorative Studie basiert auf leitfadengestützten Interviews von 54 Experten und Expertinnen aus Forschungsinstituten, der Wirtschaft sowie Branchenverbänden. Die Auswertung der Interviews folgte dem Prinzip der strukturierenden Inhaltsanalyse.
Für die allgemeine Entwicklung der erneuerbaren Energien und um zukunftsweisende Technologien zu identifizieren, ist es notwendig ein energiewirtschaftliches Zieldreieck mit den Ausprägungen Rentabilität, Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit in Einklang zu bringen. Die Fachkundigen zeigen auf, dass die politische Triebkraft maßgeblich darüber entscheidet, welche Technologien in Zukunft dominieren werden. Zukünftig wird es verstärkt zum Zusammenspiel einzelner Energiequellen in regional diversifizierten Konzepten, sowie zur Elektrifizierung und Sektorenkopplung kommen. Speichertechnologien werden verstärkt entwickelt und installiert werden. Prosuming und Demand-Side Response werden von den befragten Fachkundigen zukünftig als bedeutend erachtet.
In Bezug auf die einzelnen Energiequellen werden Wasserstofftechnologien zukünftig ein erhebliches Ausbaupotenzial aufweisen. Wasserstoff ermöglicht einen Beitrag zur Dekarbonisierung diverser Sektoren und dient darüber hinaus als Speichermedium fluktuierender Energien. Zusätzlich erfolgt eine Progression im Bereich von Wind- und Solarenergie. Dabei gewinnen im Bereich Photovoltaik, Technologien wie Agri- und Floating-PV an verstärkt an Bedeutung. Die Windkraftnutzung wird durch den Bau höherer Türme und die Vergrößerung von Rotorblattdimensionen optimiert. Geothermie spielt in Zukunft eine vielversprechende Rolle bei der Dekarbonisierung des Niedertemperatursektors. Das Ausbaupotenzial von Biomasse ist aufgrund von Flächenkonkurrenz begrenzt, obwohl sich, analog zu Wasserstoff, vielfältige Nutzungsmöglichkeiten eröffnen.
Im Bereich der Energiesysteme und -komponenten eröffnen sich diverse materialspezifische so wie fertigungstechnische Verbesserungspotenziale. Einige Technologien sind dabei bereits ausgereift, aber Optimierungsbedürftig. Technologien wie Elektrolyseure oder Wärmepumpen hingegen, bedürfen der grundlegenden Weiterentwicklung, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Im Bereich der Solarenergie liegen Entwicklungsschwerpunkte in der Verbesserung kombinierter Solar- und Photovoltaikmodule sowie von Trägerstrukturen für Agri-PV und langlebigeren Konzepten für die Schwimmkörper bei Floating PV vor. Schließlich zeigt sich auch hinsichtlich der Speichertechnologien ein Entwicklungsbedarf, insbesondere in Bezug auf Wasserstoffdruck- und -flüssigspeicher, Batteriespeicher und Latentwärmespeicher. Diese Fortschritte werden entscheidend sein, um eine nachhaltige und effiziente Energiewirtschaft der Zukunft zu gewährleisten.
This dissertation is a compilation of four self-contained research articles that focus on selected subjects in the field of energy economics.
The first article focuses on the competitiveness of offshore wind in mature markets. In this work, we harmonise auction results based on the auction design features. We show that offshore wind power generation can be considered commercially competitive in mature markets without subsidy. Furthermore, once auction results are harmonised, we observe similar expected revenue streams of wind farms across countries. This finding means that different auction designs can fairly reflect the actual costs of developing wind farms and thus translate cost reductions into lower bids.
The second article explores the impacts of uncertainty in integrated electricity and gas system optimization models. We address the trade-off that the energy research community faces on a daily basis, i.e., whether to neglect uncertainty when constructing an energy system model and accept a suboptimal solution or to incorporate uncertainty and increase model complexity. Our research aims to bring a systematic understanding of which parametric uncertainties most substantially affect long-term planning decisions in energy system models.
In the third article, we focus on seasonal flexibility in the European natural gas market. We develop a market optimization model to simulate the operation of the gas market over a long period. This allows us to explore structural trends in market development, which are driven by changing supply and demand fundamentals. Our work contributes to the methodological question of how to measure the contributions of different flexibility options.
Finally, the fourth article investigates the value of Projects of Common Interest—gas infrastructure projects supported by EU public funds—in maintaining gas system resilience amid cold-winter demand spikes and supply shortages. For this purpose, we develop the first application of adaptive robust optimization to gas infrastructure expansion planning. The model endogenously identifies the unfortunate realizations of unknown parameters and suggests the optimal investments strategies to address them. We find that (i) robust solutions point to consistent preferences for specific infrastructure projects, (ii) the real-world construction efforts have been focused on the most promising projects, and (iii) most projects are unlikely to be realized without financial support.