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Bridging granularity gaps to decarbonize large‐scale energy systems : the case of power system planning
(2021) Cao, Karl‐Kiên; Haas, Jannik; Sperber, Evelyn; Sasanpour, Shima; Sarfarazi, Seyedfarzad; Pregger, Thomas; Alaya, Oussama; Lens, Hendrik; Drauz, Simon R.; Kneiske, Tanja M.
The comprehensive evaluation of strategies for decarbonizing large‐scale energy systems requires insights from many different perspectives. In energy systems analysis, optimization models are widely used for this purpose. However, they are limited in incorporating all crucial aspects of such a complex system to be sustainably transformed. Hence, they differ in terms of their spatial, temporal, technological, and economic perspective and either have a narrow focus with high resolution or a broad scope with little detail. Against this background, we introduce the so‐called granularity gaps and discuss two possibilities to address them: increasing the resolutions of the established optimization models, and the different kinds of model coupling. After laying out open challenges, we propose a novel framework to design power systems in particular. Our exemplary concept exploits the capabilities of power system optimization, transmission network simulation, distribution grid planning, and agent‐based simulation. This integrated framework can serve to study the energy transition with greater comprehensibility and may be a blueprint for similar multimodel analyses.
Open Access
Ermittlung und Analyse der Emissionen und Potenziale zur Minderung primärer anthropogener Feinstäube in Deutschland
(2006) Pregger, Thomas; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund von neuen Erkenntnissen der Wirkungsforschung seit Mitte der 90er Jahre sind anthropogene Feinstäube wieder verstärkt ein Thema der Luftreinhaltung, nachdem die bisher ergriffenen Maßnahmen zur Minderung der Gefahren und Beeinträchtigungen durch Staubemissionen in den 80er Jahren und der ersten Hälfte der 90er Jahre ausreichend erschienen. Aufgrund dieser Maßnahmen gingen die atmosphärischen Gesamtstaubkonzentrationen in den letzten Jahren und Jahrzehnten stark zurück. Nun werden auch den derzeit in Deutschland gemessenen, im Vergleich zu früher deutlich niedrigeren Staubkonzentrationen in der Außenluft beträchtliche gesundheitliche Wirkungen zugesprochen. Für diese Wirkungen sollen vor allem feine lungengängige Partikel und ihre Bestandteile verantwortlich sein. Um eine wirksame Strategie für weitere Minderungsmaßnahmen entwickeln zu können, sind zunächst die wesentlichen Emissionsquellen dieser Partikel zu identifizieren. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten stehen nun die Feinstaubfraktionen PM10 und PM2,5 im Mittelpunkt, so dass die jeweilige Partikelgrößenverteilung der Emissionen zu betrachten ist und einen großen Einfluss auf die lufthygienische Bewertung einer Quellgruppe hat. Ausgehend von einem detaillierten Quelleninventar können die Wirksamkeit und die Potenziale von technischen Möglichkeiten zur Emissionsminderung quantifiziert und analysiert werden. Die vorliegende Arbeit hatte die Zielsetzung, eine umfassende Datengrundlage für eine solche Analyse zu schaffen. Die Kenntnislücken bei der Quantifizierung von primären anthropogenen Partikelemissionen und der Charakterisierung hinsichtlich Partikelgröße und ausgewählten Inhaltsstoffen konnten durch die Zusammenstellung und Anwendung des derzeitigen Stands des Wissens verkleinert werden. Dadurch konnte eine möglichst vollständige Emissionsdatenbasis für Deutschland für die Partikelfraktionen PM10 und PM2,5 entwickelt und über zeitliche Projektionen ein Trendszenario der zu erwartenden Emissionen im Jahr 2010 erstellt werden. Die Ergebnisse zeigen als relevante Quellen für die Entstehung von Feinstäuben vor allem den Betrieb von Dieselmotoren im Verkehr, die Verfeuerung der festen Brennstoffe Kohle und Holz und einige Prozesse in der Primärindustrie. Eine ausführliche Betrachtung und Bewertung möglicher technischer Optionen und ihrer spezifischen Wirksamkeit zur Minderung von Feinstaubemissionen stellte eine weitere Grundlage der Arbeit dar. Als wirksame technische Maßnahmen, die sich auch für die Minderung der feinen und ultrafeinen Partikel eignen, sind insbesondere Dieselpartikelfilter und Erdgasfahrzeuge im Verkehr und optimierte Filteranlagen, emissionsarme Holzfeuerungen und Brennstoffsubstitutionen bei den stationären Anlagen zu nennen. Ausgehend von diesen Grundlagen wurden die Minderungspotenziale bei relevanten Quellgruppen abgeschätzt und Schlussfolgerungen für eine zukünftige Minderungsstrategie abgeleitet.
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Linking qualitative scenarios with quantitative energy models: knowledge integration in different methodological designs
(2021) Prehofer, Sigrid; Kosow, Hannah; Naegler, Tobias; Pregger, Thomas; Vögele, Stefan; Weimer-Jehle, Wolfgang
Linking qualitative scenarios with quantitative models is a common approach to integrate assumptions on possible future societal contexts into modeling. But reflection on how and to what degree knowledge is effectively integrated during this endeavor does not generally take place. In this paper, we reflect on the performance of a specific hybrid scenario approach (qualitative Cross-Impact Balance analysis, CIB, linked with quantitative energy models) concerning knowledge integration through eleven different process steps. In order to guide the scenario community in applying this approach, we reflect on general methodological features as well as different design options. We conceptualize different forms of interdisciplinary knowledge integration (compiling, combining and synthesizing) and analyze how and to what degree knowledge about society and uncertainty are integrated into scenario process and products. In addition, we discuss trade-offs regarding design choices and forms of knowledge integration. On the basis of three case studies we identify two general designs of linking which build on each other (basic and extended design) and which differ in essence regarding the balance of power between the CIB and the energy modeling. Ex-post assessment of the form of interdisciplinary knowledge integration in each step revealed that specific method properties of CIB as well as the interaction with additional quantitative as well as specific qualitative methods foster distinct forms of knowledge integration. The specific roles assigned to CIB in the hybrid scenario process can also influence the form of knowledge integration. In this study, we use a joint process scheme linking qualitative context scenarios with energy modeling. By applying our conceptualization of different forms of knowledge integration we analyze the designs´ respective potential for and respective effects on knowledge integration. Consequently, our findings can give guidance to those who are designing their own hybrid scenario processes. As this is an explorative study, it would be useful to further test our hypotheses in different hybrid scenario designs. Finally, we note that at some points in the process a more precise differentiation of three forms of knowledge integration would have been useful and propose to further differentiate and detail them in future research.
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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.