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Etude stratégique du mix energétique pour la production d'electricité en Tunisie : rapport final
(2012)
Wind energy that can neither be fed into the grid nor be used regionally must be curtailed. This paper proposes different options to deal with such surplus wind energy amounts in a time horizon until 2020. It assesses their ability to handle the surplus energy in a sustainable way using a multi criteria analysis. The paper bases on a study that was prepared for the Ministry for Climate Protection, Environment, Agriculture, Nature Conservation and Consumer Protection of North Rhine-Westphalia between 2010 and 2012.
Der angestrebte starke Ausbau Erneuerbarer Energien (EE) für die Stromerzeugung wird bisher hauptsächlich mit der Frage verbunden, wie schnell und umfangreich die Stromnetze ausgebaut werden müssen und in welchem Umfang es welcher neuer Energiespeicher bedarf. Die mögliche große Bedeutung, die die bestehenden Gasnetze und -speicher für den EE-Ausbau und ihre Integration via Einspeisung von Wasserstoff oder auch synthetischem Methan aus EE-Strom haben können, findet dagegen nur wenig Berücksichtigung. Es wird zwar z. B. in der dena Netzstudie II für das heutige Erdgasnetz ein sehr großes, noch unerschlossenes Potenzial als "Stromspeicher" in Höhe von umgerechnet 130 Mrd. kWhel ausgewiesen. Gleichwohl wurde das Erdgasnetz nicht in die Berechnungen der dena Netzstudie mit einbezogen. Durch eine synchrone aber räumlich getrennte Kombination von "Stromspeicherung" (Power-to-Gas) und Stromerzeugung (Gas-to-Power) könnten die bestehenden Gasinfrastrukturen prinzipiell aber auch für einen weiträumigen "Stromtransport" genutzt werden. Diese Option wird vor dem Hintergrund des stockenden Stromnetzausbaus auf ihre Machbarkeit und Synergieeffekte mit dem Stromnetzausbau hin untersucht.
Dazu werden im Rahmen dieser Studie folgende Leitfragen bearbeitet:
Wie wird aus heutiger Sicht (Metaanalyse) der Bedarf für den Ausbau des Stromnetzes und an Energiespeichern sowie die Rolle von Power-to-Gas gesehen? Welche technischen Potenziale und Synergieeffekte bietet die bestehende Gasinfrastruktur in Deutschland für eine Entlastung des Stromnetzausbaus? Welche Kosten sind damit heute und in Zukunft verbunden und welche Kosten können dadurch ggf. reduziert werden? Welche Hemmnisse sind zu beachten und wie können sie ggf. überwunden werden?
Die Wahrung der Systemsicherheit muss perspektivisch von konventionellen Kraftwerken auf regenerative Energien und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) verlagert werden. Diese sollen zukünftig Systemdienstleistungen übernehmen, um in zunehmendem Maße fluktuierende erneuerbare Energien (FEE) zu integrieren. Deutschland strebt an, im Jahr 2020 ein Viertel der elektrischen Energie aus KWK-Anlagen zu erzeugen. Damit werden diese Anlagen einen wesentlichen Teil der regelbaren Stromerzeugung ausmachen. Insbesondere die Erzeugung in dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW) wird zunehmen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, ob dezentrale Anlagen überhaupt nennenswert zur Systemstabilität beitragen können.
In der vorliegenden Studie steht die Forschungsfrage im Mittelpunkt, ob ein vollständig auf erneuerbaren Energien beruhendes Stromsystem mit hohen Importanteilen von rund 10 bis 20 % nach heutigem Stand des Wissens als technisch-ökologisch realisierbar angesehen werden kann. Als Grundlage für die Untersuchung wird in erster Linie auf eine Reihe von Szenariostudien zurückgegriffen, die ein weitgehend treibhausgasemissionsfreies, zu 90 bis 100 % auf regenerativer Erzeugung basierendes und von hohen Stromimportanteilen gekennzeichnetes Stromsystem mit dem Zeithorizont 2050 modellieren und beschreiben. Dabei werden analog zu Szenarien für Deutschland auch vorliegende Szenarien für Europa in den Blick genommen, die für den europäischen Kontinent wesentliche Nettostromimporte aus Nordafrika vorsehen.
Nach § 65 Erneuerbare-Energien-Gesetz 2009 hat die Bundesregierung das EEG zu evaluieren und dem Bundestag bis zum 31.12.2011 und dann alle vier Jahre einen Erfahrungsbericht vorzulegen. Das den Erfahrungsbericht begleitende Forschungsvorhaben V "Integration der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien und konventionellen Energieträgern" soll hierfür die Themenbereiche der systemtechnischen, rechtlichen und marktbezogenen Aspekte einer Transmission des Kraftwerkparks wissenschaftlich analysieren und vertiefen.
Die Untersuchung setzt auf dem aktuellen BMU-Leitszenario (2010) auf und betrachtet die Jahre 2010, 2020, 2030 und 2050 und Deutschland im Sinne eines Einpunktnetzmodells bzw. einer "netztechnischen Kupferplatte".
Für die Umsetzung der Energiewende und speziell den Ausbau erneuerbarer Energien sind nicht nur energiewirtschaftliche oder Klimaschutz-Kriterien maßgeblich. Zu einer umfassenden Nachhaltigkeitsbewertung gehört unter anderem auch die Ressourcenbewertung. Hier ist unstrittig, dass die Gesamt-Ressourceninanspruchnahme eines Energiesystems generell erheblich niedriger ist, wenn dieses nicht auf fossilen, sondern auf erneuerbaren Energien basiert (und dabei nicht hauptsächlich auf Biomasse ausgerichtet ist). Bisher wurde jedoch insbesondere der Verbrauch und die langfristige Verfügbarkeit der mineralischen Rohstoffe, die in der Regel zur Herstellung von Energiewandlern und Infrastruktur benötigt werden, wenig untersucht.
Im Rahmen des Projekts KRESSE wurde daher erstmals analysiert, welche "kritischen" mineralischen Rohstoffe für die Herstellung von Technologien, die Strom, Wärme und Kraftstoffe aus erneuerbaren Energien erzeugen, bei einer zeitlichen Perspektive bis zum Jahr 2050 in Deutschland relevant sind. Die Einschätzung als "kritisch" umfasst dabei die langfristige Verfügbarkeit der identifizierten Rohstoffe, die Versorgungssituation, die Recyclingfähigkeit und die Umweltbedingungen der Förderung. Die Studie macht deutlich, dass die geologische Verfügbarkeit mineralischer Rohstoffe für den geplanten Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland grundsätzlich keine limitierende Größe darstellt. Dabei kann jedoch möglicherweise nicht jede Technologievariante unbeschränkt zum Einsatz kommen.
Um Strom aus regenerativen Energien, der zeitweise nicht in das Stromnetz aufgenommen werden kann, nicht abregeln zu müssen, können neben dem Netzausbau auch verschiedene
Speichertechnologien eingesetzt werden. Hier wird ein Vergleich dieser Optionen hinsichtlich ihrer Eignung für einen nachhaltigen Umgang mit Stromüberschüssen angestellt. Dazu werden mit einer multikriteriellen Analyse (engl. Multi-Criteria Analysis, MCA) sowohl ökonomische als auch ökologische, soziale und technologischeKriterien herangezogen. Die MCA bildet ein wertvolles Werkzeug zur Entscheidungsfindung und dokumentiert einen transparenten und nachvollziehbaren Entscheidungsprozess. Dieser Artikel beschreibt die Struktur der MCA, die zur Bewertung genutzten Kriterien und insbesondere den Gewichtungsprozess, der einen wichtigen Aspekt der MCA darstellt.
The global energy system is undergoing a major transition, and in energy planning and decision-making across governments, industry and academia, models play a crucial role. Because of their policy relevance and contested nature, the transparency and open availability of energy models and data are of particular importance. Here we provide a practical how-to guide based on the collective experience of members of the Open Energy Modelling Initiative (Openmod). We discuss key steps to consider when opening code and data, including determining intellectual property ownership, choosing a licence and appropriate modelling languages, distributing code and data, and providing support and building communities. After illustrating these decisions with examples and lessons learned from the community, we conclude that even though individual researchers' choices are important, institutional changes are still also necessary for more openness and transparency in energy research.
Das Ziel dieser Untersuchung war, das technische Regelleistungspotenzial von BHKW in Deutschland für die Jahre 2010, 2020 und 2030 zu bestimmen. Der Fokus lag auf den kleineren Leistungsbereichen für die objektscharfe Versorgung von Wohngebäuden sowie von gewerblichen Objekten (Nichtwohngebäuden). Ergänzend wurde exemplarisch eine größere BHKW-Anlage mit Wärmenetz und ein industrieller Anwendungsfall untersucht.
Relevante Fragen rund um die Möglichkeiten und Erfordernisse der Reduzierung und Beendigung der Kohleverstromung werden seit mehreren Jahren diskutiert. Dabei sind eine Fülle von Strategien, Analysen und Argumenten entwickelt worden, wie die Reduzierung und Beendigung der energetischen Nutzung von Kohle auf der Zeitachse umgesetzt und strukturpolitisch flankiert werden könnte. Der vorliegende "Kohle-Reader" greift die vorliegenden Analysen auf und gibt einen Überblick über den Diskussionsstand. Er soll über Fakten und Zusammenhänge informieren, das Für und Wider für einzelne Handlungsoptionen benennen und dazu den jeweiligen wissenschaftlichen Hintergrund aufzeigen. Er hat den Anspruch wissenschaftlich-neutral zu sein und er soll in Sprache und Darstellung prägnant und für die nicht zuvor im Detail mit den Themen befassten Leserinnen und Leser gut verständlich sein, ohne unzulässig zu verkürzen oder zuzuspitzen.
Phasing out coal in the German energy sector : interdependencies, challenges and potential solutions
(2019)
Relevant aspects of the options and requirements for reducing and phasing out coal-fired power generation have been under debate for several years. This process has produced a range of strategies, analyses and arguments, outlining how coal use in the energy sector could be reduced and phased out in the planned time frame, and determining structural policy measures suitable to support this. This Coal Report studies the existing analyses and provides an overview of the state of debate. It is intended to provide information on facts and contexts, present the advantages and disadvantages of individual courses of action, and reveal the respective scientific backgrounds. It strives to take a scientific and independent approach, and present facts in concise language, making it easy to follow for readers who are not experts in the field, without excessive abridgements or provocative statements.
Energy systems with high shares of renewable electricity are feasible, but require balancing measures such as storage, grid exchange or demand-side management to maintain system stability. The demand for these balancing options cannot be assessed separately since they influence each other. Therefore, a model was developed to analyze these mutual dependencies by optimizing a concerted use of balancing technologies. This model is presented here. It covers the European electricity system in hourly resolution. Since this leads to a large optimization problem, several options for reducing system complexity are presented. The application of the model is illustrated with a case study outlining the effects of pumped hydro storage and controlled charging of electric vehicles in central Europe.
Zur Realisierung der europäischen Klimaschutzziele muss der Industriesektor, besonders die energieintensive Grundstoffindustrie, seine Treibhausgasemissionen stark reduzieren. Obwohl in der Vergangenheit bereits große Fortschritte erzielt wurden, sind in Zukunft weitere, teils bahnbrechende Innovationen und der Aufbau der dafür benötigten Infrastruktur erforderlich. Im Rahmen dieses Projekts stellt das Wuppertal Institut für die "European Climate Foundation" den aktuellen Wissensstand zum Thema zusammen, diskutiert diesen vor dem Hintergrund der aktuellen Situation für Nordrhein-Westfalen (NRW), erstellt konsistente mögliche Zukunftsszenarien für NRW und leitet Schlüsselfragen und weiteren Forschungsbedarf für die Region ab.
In der Dissertation wird eine Methodik entwickelt, welche die Berechnung des Redispatcheinsatzes im deutschen Übertragungsnetz ermöglicht. Dabei wird die Auswirkungen einer Integration der Flexibilität aus dezentralen Anlagen in das elektrische Energiesystem dargestellt. Durch die Integration von dezentralen Flexibilitäten können geringere Brennstoff- und CO2-Zertifikatskosten bei relativ konstanten CO2-Emissionen erreicht werden. Bei einem Redispatcheinsatz, welcher die Leistungserhöhung aus konventionellen thermischen Kraftwerken weitgehend vermeidet, kann bei der Berücksichtigung dezentraler Flexibilitäten bis zu 99 Prozent der benötigten Redispatcherhöhung aus konventionellen Kraftwerken mit Hilfe dezentraler Alternativen ersetzt werden. Diese Übernahme der Redispatchaufgaben durch dezentrale Anlagen ist allerdings mit einer signifikanten Erhöhung der Redispatchkosten verbunden.
The reduction of greenhouse gas (GHG) emissions by energyintensive industries to a net zero level is a very ambitious and complex but still feasible challenge, as recent studies show for the EU level. "Industrial Transformation 2050" by Material Economics (2019) is of particular relevance, as it shows how GHG-neutrality can be achieved in Europe for the sectors chemicals (plastics and ammonia), steel and cement, based on three main decarbonisation strategies. The study determines the resulting total demands for renewable electricity, hydrogen and for the capture and storage of CO2 (CCS). However, it analyses neither the regional demand patterns that are essential for the required infrastructure nor the needed infrastructure itself.
Against this background the present paper determines the regional distribution of the resulting additional demands for electricity, hydrogen and CCS in Europe in the case that the two most energy and CCS intensive decarbonisation strategies of the study above will be realised for the existing industry structure. It explores the future infrastructure needs and identifies and qualitatively assesses different infrastructure solutions for the largest industrial cluster in Europe, i.e. the triangle between Antwerp, Rotterdam and Rhine-Ruhr. In addition, the two industrial regions of Southern France and Poland are also roughly examined.
The paper shows that the increase in demand resulting from a green transformation of industry will require substantial adaptation and expansion of existing infrastructures. These have not yet been the subject of infrastructure planning. In particular, the strong regional concentration of additional industrial demand in clusters (hot spots) must be taken into account. Due to their distance from the high-yield but remote renewable power generation potentials (sweet spots), these clusters further increase the infrastructural challenges. This is also true for the more dispersed cement production sites in relation to the remote CO2 storage facilities. The existing infrastructure plans should therefore be immediately expanded to include decarbonisation strategies of the industrial sector.
In order to ensure security of supply in a future energy system with a high share of volatile electricity generation, flexibility technologies are needed. Industrial demand-side management ranks as one of the most efficient flexibility options. This paper analyses the effect of the integration of industrial demand-side management through the flexibilisation of aluminium electrolysis and other flexibilities of the electricity system and adjacent sectors. The additional flexibility options include electricity storage, heat storage in district heating networks, controlled charging of electric vehicles, and buffer storage in hydrogen electrolysis. The utilisation of the flexibilities is modelled in different settings with an increasing share of renewable energies, applying a dispatch model. This paper compares which contributions the different flexibilities can make to emission reduction, avoidance of curtailment, and reduction of fuel and CO2 costs, and which circumstances contribute to a decrease or increase of overall emissions with additional flexibilities. The analysis stresses the rising importance of flexibilities in an energy system based on increasing shares of renewable electricity generation, and shows that flexibilities are generally suited to reduce carbon emissions. It is presented that the relative contribution towards the reduction of curtailment and costs of flexibilisation of aluminium electrolysis are high, whereby the absolute effect is small compared to the other options due to the limited number of available processes.
In this paper a new method for the evaluation and comparison of potential future electricity systems is presented. The German electricity system in the year 2050 is used as an example. Based on a comprehensive scenario analysis defining a corridor for possible shares of fluctuating renewable energy sources (FRES) residual loads are calculated in a unified manner. The share of electricity from PV and wind power plants in Germany in the year 2050 is in a range of 42-122% and the load demand has a bandwidth of around 460-750 TWh. The residual loads are input for an algorithm that defines a supplementary mix of technologies providing flexibility to the system. The overall system layout guarantees the balance of generation and demand at all times. Due to the fact that the same method for residual load calculation and mixture of technologies is applied for all scenarios, a good comparability is guaranteed and we are able to identify key characteristics for future developments. The unique feature of the new algorithms presented here is the very fast calculation for a year-long simulation with hourly or shorter time steps taking into account the state of charge or availability of all storage and flexibility technologies. This allows an analysis of many different scenarios on a macro-economic level, variation of input parameters can easily be done, and extensive sensitivity analysis is possible. Furthermore different shares of FRES, CO2-emission targets, interest rates or social acceptance of certain technologies can be included. The capabilities of the method are demonstrated by an analysis of potential German power system layouts with a base scenario of 90% CO2-reduction target compared to 1990 and by the identification of different options for a power sector with a high degree of decarbonisation. The approach also aims at a very high level of transparency both regarding the algorithms and regarding the input parameters of the different technologies taken into account. Therefore this paper also gives a comprehensive and complete overview on the technology parameters used. The forecast on all technologies for the year 2050 regarding technical and economic parameters was made in a comprehensive consultation process with more than 100 experts representing academia and industry working on all different technologies. An extensive analysis of options for the design of potential German energy supply systems in 2050 based on the presented methodology will be published in a follow-up paper.
Distributed cogeneration units are flexible and suited to providing balancing power, thereby contributing to the integration of renewable electricity. Against this background, we analysed the technical potential and ecological impact of CHP (combined heat and power) systems on the German minutes reserve market for 2010, 2020 and 2030. Typical CHP plants (from 1 to 2800 kWel) were evaluated in relation to typical buildings or supply cases in different sectors. The minutes reserve potential was determined by an optimisation model with a temporal resolution of 15 min. The results were scaled up to national level using a scenario analysis for the future development of CHP. Additionally, the extent to which three different flexibility measures (double plant size/fourfold storage volume/emergency cooler) increase the potential provision of balancing power was examined. Key findings demonstrate that distributed CHP could contribute significantly to the provision of minutes reserve in future decades. Flexibility options would further enhance the theoretical potential. The grid-orientated operating mode slightly increases CO2 emissions compared to the heat-orientated mode, but it is still preferable to the separate generation of heat and power. However, the impacts of a flexible mode depend greatly on the application and power-to-heat ratio of the individual CHP system.
