Renewable energy based electricity supply at low costs : development of the REMix model and application for Europe

Abstract

Climate change, limited fossil fuel availability and the dependency on energy carrier imports lead the European Union to the formulation of an energy policy for Europe. The EU sets the following criteria for its future energy supply: sustainability, security of supply and competitiveness. Considering the carbon dioxide emissions of fossil fuels and the unsolved problem of the ultimate disposal of radioactive waste, only renewable energy can currently be considered sustainable if applied in a socially acceptable way and in accordance with nature conservation. The use of renewable energy can also reduce the dependency on energy carrier imports. Contrary to fossil fuels, renewable energy will become cheaper in the future due to technological learning. The main disadvantage of some renewable energy resources is their fluctuating availability. Adaptation of the energy supply system must take place especially in the power sector in order to reliably cover fluctuating demand with fluctuating resources at any time. In this work, the energy system model ‘REMix’ (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) is developed. It uses data on the availability of renewable energy across Europe and North Africa (EUNA) to dimension low-cost power supply structures for the EUNA-region, or parts of it, under specific conditions, such as specified shares of renewable energy in the power supply or specified national self-supply shares. The model takes into account the costs of generation technologies, transmission lines and storage units, and finds a combination of these technologies and their geographic locations that is least-cost under the given assumptions. A geographic information system was used for the analysis of the installable capacities and power generation potentials of typical technologies for harnessing renewable energy resources. This analysis is described and the potentials of solar PV, solar CSP, wind onshore and wind offshore, biomass, hydro and geothermal power plants are shown in tables and maps. The data are used as input into a linear programming energy system model which uses them as constraints on the power supply system to be dimensioned. The model, its sensitivity to input parameter variations and a test application are described. The findings confirm the basic findings of other work in this field: transmission lines can be a crucial element of a low-cost, renewable-energy-based electricity supply because they enable balancing effects in a large grid and the use of the highest quality resources even in remote areas, such as deserts or at sea. However, the international cooperation that is necessary to reach the cost-minimum for a given supply task may not be reached by politics or resulting dependencies may be opposed to political goals. Therefore, REMix was built such that countries can be examined individually and the influence of different parameters on their energy supply costs and structure can be investigated. In the test model application, power supply systems for 36 regions in Europe and North Africa, almost all individual countries, are designed with REMix as island grids on the one hand and on the other hand as a network without transmission restrictions (other than the costs of the transmission lines). The model shows that in certain regions the island grid electricity costs can be much higher than, only a little higher than, or even lower than the electricity costs in the network, under the given technological and economic assumptions. The sensitivity to parameter variations is shown to be high; the results of the test application must therefore be considered one example of a technically feasible and efficient supply system but cannot claim to be least-cost in general.

Mit ihrer Energiepolitik begegnet die Europäische Union dem Klimawandel, der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe und der Abhängigkeit von Energieträgerimporten. Dabei setzt sie die folgenden Kriterien für ihre zukünftige Energieversorgung fest: Nachhaltigkeit, Versorgungssicherheit und Wettbewerbsfähigkeit. Angesichts der Kohlendioxidemissionen durch fossile Brennstoffe und der ungelösten Endlagerung radioaktiver Abfälle können derzeit nur sozial- und umweltverträglich genutzte erneuerbare Energieträger als nachhaltig betrachtet werden. Ihr Einsatz kann darüber hinaus die Abhängigkeit von Energieträgerimporten verringern und durch technologisches Lernen die Kosten der Stromversorgung langfristig niedrig halten. Ein Problem bei der Nutzung mancher erneuerbarer Energieträger ist ihre unregelmäßige Verfügbarkeit. Das Energieversorgungsystem muss angepasst werden, um den Energiebedarf auf Basis des schwankenden Angebots jederzeit zuverlässig decken zu können. In dieser Arbeit wird das Energiesystemmodell REMix (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) entwickelt. Es verwendet Daten über die Verfügbarkeit erneuerbarer Energieträger in Europa und Nordafrika (EUNA), um kostengünstige Stromversorgungssysteme für diese Region oder Teile davon zu dimensionieren. Dabei gelten Randbedingungen wie z.B. benutzerdefinierte Anteile erneuerbarer Energieträger an der Stromversorgung oder nationale Selbstversorgungsgrade. Das Modell berücksichtigt Kosten und technische Randbedingungen von Stromerzeugungs-, Stromtransport- und Speicheranlagen und findet die unter den gegebenen Annahmen kostenminimale Kombination dieser Technologien und ihrer geografischen Standorte. Für die Analyse der Leistungs- und Stromerzeugungspotenziale charakteristischer Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energieträger wird ein geografisches Informationssystem (GIS) verwendet. Die Analyse wird beschrieben und die Potenziale der Stromerzeugung mit PV-, CSP-, Windenergie-, Biomasse-, Wasserkraft- und Geothermieanlagen werden in Tabellen und Karten dargestellt. Die Daten dienen als Input in ein lineares Energiesystemmodell, welches sie als Randbedingungen des zu dimensionierenden Stromversorgungssystems verwendet. Das Modell, eine Sensitivitätsuntersuchung und eine Testanwendung werden beschrieben. Die Erkenntnisse bekräftigen die Ergebnisse früherer Arbeiten auf diesem Gebiet: Übertragungsleitungen können ein entscheidendes Element einer kostengünstigen, auf erneuerbaren Energieträgern basierenden Stromversorgung sein, da sie Ausgleichseffekte in einem großräumigen Netzwerk und die Nutzung guter Ressourcen auch an verbrauchsfernen Standorten ermöglichen, z.B. auf See oder in der Wüste. Dazu ist jedoch internationale Kooperation erforderlich, die politisch womöglich schwer zu erreichen ist. Daher wurde REMix so aufgebaut, dass einzelne Länder und der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf ihre Stromversorgungskosten untersucht werden können. In der Testanwendung werden Versorgungsstrukturen für 36 Regionen in Europa und Nordafrika als unabhängige Inselsysteme einerseits und als Netzwerk andererseits untersucht. Es ergeben sich in manchen Regionen deutlich und in anderen nur geringfügig verschiedene Kosten im Inselsystem und im Netzwerk. Die Sensitivität gegenüber Parametervariationen ist hoch; die Testergebnisse müssen daher als Beispiele technisch machbarer Systeme ohne absoluten Anspruch auf Kostenminimalität betrachtet werden.