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Open Access
Modeling energy scenarios with power-flow constraints : transparency, challenges and system adequacy
(2020) Cao, Karl-Kiên; Thess, André (Prof. Dr.)
Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt der Energiesystemanalyse ist es zu verstehen wie heutige Energieversorgungssysteme funktionieren und darauf aufbauend eine Vorstellung davon zu entwickeln, wie eine sichere, bezahlbare und nachhaltige Energieversorgung unter sich ändernden Rahmenbedingungen auch in der Zukunft bewerkstelligt werden kann. Energieszenarien sind solche Vorstellungen von möglichen zukünftigen Energieversorgungssystemen, welche oft mit Hilfe von Modellen entworfen und analysiert werden. Ziel ist es, damit bereits heute die Weichen für eine Energieversorgung zu stellen, welche im Einklang mit den Bestrebungen zur Begrenzung der Erderwärmung stehen. Der Frage, welche Herausforderungen sich hinsichtlich der oft schwierigen Nachvollziehbarkeit entsprechender Szenario-Studien ergeben, widmet sich Publikation 1 dieser Dissertationsschrift. Eine bedeutende Rolle in solchen Energieszenarien spielt die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, welche allerdings nicht beliebig und ortsunabhängig stattfinden kann. Der Transport von Energie zum räumlichen Ausgleich von Endenergienachfrage und Stromerzeugung ist daher ein Schlüsselelement für die Transformation des heutigen Energiesystems. Insbesondere die häufig in der Energiesystemanalyse genutzten Optimierungsmodelle sind allerdings selten in der Lage diesen Energietransport hinreichend genau zu erfassen. Auf der anderen Seite existieren im Bereich der Stromnetzausbau- und -Betriebsplanung bereits Modellierungsinstrumente, die ebendies bewerkstelligen. Ein wesentlicher Beitrag der mit dieser Dissertation verbundenen Arbeiten ist daher die Zusammenführung dieser beiden Modellierungswelten mittels Ansätzen zur Modellkopplung und Modellintegration. Die hierfür erstellten und weiterentwickelten Instanzen des Energiesystem-Optimierungsmodells REMix nutzen lineare Restriktionen zur Berücksichtigung von Leistungsflüssen, womit die Rolle des Stromtransports und Netzausbaus zur Sicherstellung der zukünftigen Energieversorgung detailliert untersucht werden kann. Dies betrifft beispielsweise Fragestellungen inwiefern der Stromtransport ergänzend oder konkurrierend auf Technologien zur Energiespeicherung oder bei verstärkter Kopplung von Energiesektoren in Szenarien der europäischen Energieversorgung wirkt. Die entsprechenden Ergebnisse (Publikation 3) zeigen, dass ein Ausbau von länderübergreifenden Grenzkuppelkapazitäten für eine Vielzahl von Szenarien und Parametervariationen als robuste und kosteneffiziente Maßnahme angesehen werden kann. Allerdings gilt dies vor allem unter Anwendung etablierter, länderscharfer Modellauflösungen. Inwiefern die Vorteilhaftigkeit von Netzausbau auch bei einer expliziten Modellierung von Übertragungsnetzinfrastrukturen gilt, kann beispielsweise mit Hilfe höherer räumlicher Auflösungen beantwortet werden. Eine erste auf das deutsche Stromversorgungssystem beschränkte Szenario-Analyse unter Anwendung eines integrierten Energiesystem-Optimierungsmodells bestätigt diese Aussage zwar, zeigt aber auch, dass der Bedarf an Energiespeichern in makroökonomischen Betrachtungen durch unzureichende Modellauflösungen unterschätzt wird (Publikation 2). Um zukünftig umfassende und weitergehende Untersuchungen mittels integrierter Modellierung von Leistungsflüssen durchführen zu können, ist allerdings eine Erweiterung des geographischen Untersuchungsgebiets unter Einbeziehung der Sektorenkopplung und die Durchführung von Parametervariationen für eine Vielzahl an Szenarien empfehlenswert. Begrenzend wirkt sich hierbei allerdings die benötigte Rechenzeit zur Lösung der Optimierungsmodelle aus. Im Rahmen dieser Dissertation wird daher erstmalig eine systematische Analyse von Ansätzen zur Beschleunigung von Energiesystem-Optimierungsmodellen vorgelegt. Mit den hierfür evaluierten Heuristiken können unter Beibehaltung einer hinreichenden Modellgenauigkeit Reduktionen der Gesamtrechenzeit um bis zu Faktor zehn erreicht werden (Publikation 4).
Open Access
Teaching power-sector models social and political awareness
(2022) Garcia-Teruel, Anna; Scholz, Yvonne; Weimer-Jehle, Wolfgang; Prehofer, Sigrid; Cao, Karl-Kiên; Borggrefe, Frieder
Energy-system scenarios are widely used to relate the developments of the energy supply and the resulting carbon-emission pathways to political measures. To enable scenario analyses that adequately capture the variability of renewable-energy resources, a specialised type of power-sector model (PSM) has been developed since the beginning of this century, which uses input data with hourly resolution at the national or subnational levels. These models focus on techno-economic-system optimisation, which needs to be complemented with expert socioeconomic knowledge in order to prevent solutions that may be socially inacceptable or that oppose political goals. A way to integrate such knowledge into energy-system analysis is to use information from framework scenarios with a suitable geographical and technological focus. We propose a novel methodology to link framework scenarios to a PSM by applying complexity-management methods that enable a flexible choice of base scenarios that are tailored to suit different research questions. We explain the methodology, and we illustrate it in a case study that analyses the influence of the socioeconomic development on the European power-system transition until 2050 by linking the power-sector model, REMix (renewable-energy mix), to regional framework scenarios. The suggested approach proves suitable for this purpose, and it enables a clearer link between the impact of political measures and the power-system development.
Open Access
To prevent or promote grid expansion? : analyzing the future role of power transmission in the European energy system
(2021) Cao, Karl-Kiên; Pregger, Thomas; Haas, Jannik; Lens, Hendrik
Future energy supply systems must become more flexible than they are today to accommodate the significant contributions expected from intermittent renewable power sources. Although numerous studies on planning flexibility options have emerged over the last few years, the uncertainties related to model-based studies have left the literature lacking a proper understanding of the investment strategy needed to ensure robust power grid expansion. To address this issue, we focus herein on two important aspects of these uncertainties: the first is the relevance of various social preferences for the use of certain technologies, and the second is how the available approaches affect the flexibility options for power transmission in energy system models. To address these uncertainties, we analyze a host of scenarios. We use an energy system optimization model to plan the transition of Europe’s energy system. In addition to interacting with the heating and transport sectors, the model integrates power flows in three different ways: as a transport model, as a direct current power flow model, and as a linearized alternating current power flow model based on profiles of power transfer distribution factors. The results show that deploying transmission systems contribute significantly to system adequacy. If investments in new power transmission infrastructure are restricted - for example, because of social opposition - additional power generation and storage technologies are an alternative option to reach the necessary level of adequacy at 2% greater system costs. The share of power transmission in total system costs remains widely stable around 1.5%, even if cost assumptions or the approaches for modeling power flows are varied. Thus, the results indicate the importance of promoting investments in infrastructure projects that support pan-European power transmission. However, a wide range of possibilities exists to put this strategy into practice.