A comprehensive analysis of flexibility options to integrate high shares of renewable electricity in a European power network

  • In this work the flexibility requirements of a highly renewable European electricity network that has to cover fluctuations of wind and solar power generation on different temporal and spatial scales are studied. Cost optimal ways to do so are analysed that include optimal distribution of the infrastructure, large scale transmission, storage, and dispatchable generators. In order to examine these issues, a model of increasing sophistication is built, first considering different flexibility classes of conventional generation, then adding storage, before finally considering transmission to see the effects of each. To conclude, in this work it was shown that slowly flexible base load generators can only be used in energy systems with renewable shares of less than 50%, independent of the expansion of an interconnecting transmission network within Europe. Furthermore, for a system with a dominant fraction of renewable generation, highly flexible generators are essentially the only necessary class of backup generators. The total backup capacity can only be decreased significantly if interconnecting transmission is allowed, clearly favouring a European-wide energy network. These results are independent of the complexity level of the cost assumptions used for the models. The use of storage technologies allows to reduce the required conventional backup capacity further. This highlights the importance of including additional technologies into the energy system that provide flexibility to balance fluctuations caused by the renewable energy sources. These technologies could for example be advanced energy storage systems, interconnecting transmission in the electricity network, and hydro power plants. It was demonstrated that a cost optimal European electricity system with almost 100% renewable generation can have total system costs comparable to today's system cost. However, this requires a very large transmission grid expansion to nine times the line volume of the present-day system. Limiting transmission increases the system cost by up to a third, however, a compromise grid with four times today's line volume already locks in most of the cost benefits. Therefore, it is very clear that by increasing the pan-European network connectivity, a cost efficient inclusion of renewable energies can be achieved, which is strongly needed to reach current climate change prevention goals. It was also shown that a similarly cost efficient, highly renewable European electricity system can be achieved that considers a wide range of additional policy constraints and plausible changes of economic parameters.
  • In dieser Arbeit wird der Flexibilitätsbedarf eines hochgradig erneuerbaren Elektrizitätsnetzwerks untersucht, das mit den Schwankungen auf Grund von Wind- und Solarenergieerzeugung auf unterschiedlichen Zeitskalen kompatibel sein muss. Des Weiteren wird eine Kostenoptimierungsstudie präsentiert, um eine optimale Verteilung von Infrastruktur, Speichersystemen, Leitungsausbau, sowie die Notwendigkeit der Integration konventioneller Energiekraftwerke auszuloten. Dazu wurde ein Modell entwickelt, das im Laufe der Studie um verschiedene Komponenten erweitert wird, um deren Einfluss auf das Energiesystem zu studieren. Hierzu beginnt das Modell mit der Annahme eines Energiemixes basierend auf den derzeitig integrierten Energieerzeugungsquellen und wird sukzessive um Speichertechnologien, innereuropäische Stromleitungssysteme und schließlich um eine politische und sozioökonomische Flexibilität erweitert, um die Sensitivität des Energiemixes auf diese Erweiterungen zu untersuchen. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit gezeigt, dass langsam-flexible Grundlastkraftwerke nur genutzt werden können, solange der Anteil erneuerbarer Energien unter 50% liegt, unabhängig von der Ausdehnung des Leitungsnetzes innerhalb Europas. Des Weiteren wird gezeigt, dass für ein von erneuerbaren Energieerzeugern dominiertes Energiesystem die hochflexiblen konventionellen Energieerzeuger (d.h. Gaskraftwerke) die einzigen notwendigen Backupgeneratoren sind. Die Gesamtbackupkapazität eines hochgradig erneuerbaren Energiesystems kann nur durch ein europaweites Stromnetz signifikant gesenkt werden. Dieses Resultat ist unabhängig von der Komplexität der Kostenannahmen innerhalb des Modells. Speichertechnologien können die benötigte Backupkapazität aus konventionelle Kraftwerken weiter reduzieren. Dies zeigt klar die Wichtigkeit der Integration von Technologien in den Energiemix, die die notwendige Flexibilität besitzen, die durch erneuerbare Energiequellen erzeugten räumlichen und zeitlichen Fluktuationen auszugleichen. Solche Technologien umfassen beispielsweise Energiespeichersysteme, internationale Stromübertragungsleitungen sowie Wasserkraftwerke. Es wird dargelegt, dass ein kostenoptimiertes europäisches Elektrizitätssystem mit beinahe 100% erneuerbarer Energieerzeugung zu einem ähnlichen Kostenaufwand möglich ist wie das bereits heute betriebene System. Allerdings ist dazu ein um das neunfache erhöhter Netzausbau nötig. Eine Beschränkung des Netzausbaus erhöht die Systemkosten um ein Drittel. Ein Kompromissnetzwerk mit dem vierfachen Leitungsvolumen des heutigen Netzes erweist sich allerdings bereits als kosteneffizient. Daraus geht deutlich hervor, dass durch eine Erhöhung des Leitungsvolumens innerhalb Europas eine kostengünstige Einbindung erneuerbarer Energien erreicht werden kann, was unabdingbar ist, um die aktuellen Klimaschutzziele zu erreichen. Diese Studie endet mit einer Sensitivitätsanalyse, die den Einfluss politischer Entscheidungen auf den Ausbau dieses Energiesystems untersucht. Aus dieser Studie geht klar hervor, dass ein hochgradig erneuerbares Energiesystem flexibel genug ist, um mit einem breiten Spektrum politischer und sozio-ökonomischer Entscheidungen kostengünstig zurecht zu kommen.

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Metadaten
Author:David Peter Schlachtberger
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-463102
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Stefan SchrammGND, Martin Greiner, Holger PodlechORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2018/12/04
Year of first Publication:2017
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2017/12/20
Release Date:2018/04/20
Tag:CO2 emission reduction targets; energy system design; large-scale integration of renewable power generation; power transmission
Page Number:vii, 117
HeBIS-PPN:428659195
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht