Modelling policy instruments in energy system models : the example of renewable electricity generation in Germany

Abstract

Germany currently faces the challenging transition to a more sustainable energy system while at the same time maintaining high levels of energy security and internationally competitive energy prices. Energy system analyses have for a long time played a crucial role in supporting the political decision-making process by identifying sustainable technology pathways and contrasting the impacts of alternative energy futures. The actual policy measures necessary to reach the political targets are, however, usually not explicitly represented in such models and often only taken into account in an implicit and aggregate manner in the exogenous scenario assumptions. Given the significance of policy intervention for the future development of energy systems around the world, the target of this thesis is therefore to explore the usefulness of bottom-up, technology-rich energy system models for the evaluation of different types of energy and climate policy instruments, to develop explicit modelling techniques to represent such instruments endogenously and to apply this methodology in the scope of a comparative scenario analysis for the German energy system with the national TIMES-D model. One of the major advantages of energy system models can be found in their high level of technological detail allowing to assess the impact of technology- or sector-specific measures as well as the effect of major technological breakthroughs. At the same time, increased attention needs to be paid to the representation of economic feedbacks and behavioural aspects when using such models for policy evaluation. Due to the importance of renewable energies for the decarbonisation of the energy system, the analysis at hand draws upon the example of renewable electricity generation in Germany as a use case and develops flexible modelling approaches for the two most important policy instruments in this sector, i.e. the German feed-in tariff scheme and the European Emission Trading System. The subsequent scenario analysis focuses on three research questions: (1) the long-term development of the German energy system under the current policy framework, (2) the interactions between these two policy measures and (3) a comparison of alternative support mechanisms for renewable electricity generation. Based on the comprehensive feed-in tariff system, renewable electricity generation rises substantially in Germany until 2030. This expansion constitutes, however, a significant cost burden for electricity consumers. When countries are joined through an emission trading system, national policy tools, like the German feed-in tariff scheme, can have an impact on all participating countries. The additional support for renewable electricity in Germany entails a drop in emission certificate prices while incentivizing no additional emission reduction on European level. The cost of the German feed-in tariff scheme could be reduced considerably by adhering more strongly to the principle of cost efficiency. At the same time, it has to be kept in mind that technology-specific support systems allow to limit the profit margins of renewable generators and thereby the cost burden on electricity consumers.

Die Energiewende in Deutschland mit dem Ziel einer nachhaltigen Energieversorgung bei gleichzeitig hoher Versorgungssicherheit und international wettbewerbsfähigen Energiepreisen stellt eine enorme Herausforderung dar. Die Energiesystemanalyse leistet einen wesentlichen Beitrag zur Unterstützung der politischen Entscheidungsfindung, indem sie mögliche Entwicklungspfade für die Energieversorgung identifiziert und kontrastiert. Die tatsächlichen Politikinstrumente, die zur Erreichung der politischen Zielvorgaben notwendigen sind, werden jedoch in der Regel nicht ausdrücklich dargestellt und nur implizit in den exogenen Szenarioannahmen berücksichtigt. Aufgrund der Bedeutung von Politikmaßnahmen für die zukünftige Entwicklung des Energiesystems, besteht die Zielsetzung dieser Doktorarbeit darin, den möglichen Beitrag von prozessorientierten Energiesystemmodellen für die Bewertung unterschiedlicher Instrumententypen in der Energie- und Klimapolitik zu untersuchen, explizite Modellierungsansätze für solche Instrumente zu entwickeln und diese im Rahmen einer kontrastiven Szenarioanalyse für das deutschen Energiesystem mit dem nationalen TIMES-D Modell anzuwenden. Einer der wesentlichen Vorteile von Energiesystemmodellen besteht in ihrem hohen technologischen Detaillierungsgrad, der es möglich macht, technologiespezifische Maßnahmen sowie den Einfluss von Technologiesprüngen zu bewerten. Zusätzlichen Anstrengungen sind bei der Darstellung makroökonomischer Zusammenhänge und des Konsumentenverhaltens notwendig, wenn solche Modellansätze zur Politikbewertung herangezogen werden. Angesichts der wachsenden Bedeutung erneuerbarer Energien fokussiert die vorliegende Analyse den erneuerbaren Stromerzeugungssektor in Deutschland und entwickelt flexible und endogene Modellierungsansätze für die zwei wichtigsten Politikinstrumente in diesem Bereich – die fixe Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) und das Europäische Emissionshandelssystem. Die darauffolgende Szenarienanalyse behandelt drei Forschungsfragen: (1) die langfristige Entwicklung des deutschen Energiesystems unter den derzeitigen politischen Rahmenbedingungen, (2) die Wechselwirkungen zwischen den zwei genannten Instrumenten und (3) ein Vergleich alternativer Fördermechanismen für erneuerbaren Strom. Auf Grundlage des EEG steigt die erneuerbare Stromerzeugung in Deutschland bis 2030 deutlich an. Die ist jedoch gleichzeitig mit einer signifikanten Kostenbelastung für die Stromverbraucher verbunden. Ein Zusammenschluss über einen supranationalen Emissionshandel kann dazu führen, dass nationale Maßnahmen, wie das EEG, Auswirkungen auf alle Mitgliedsländer haben. Die zusätzliche Förderung für erneuerbaren Strom in Deutschland schlägt sich in keiner zusätzlichen Emissionsminderung auf europäischem Niveau nieder, bewirkt allerdings einen Rückgang der Emissionszertifikatspreise. Die Kosten der deutschen Einspeisevergütung könnten durch eine stärker kosteneffiziente Ausrichtung erheblich gesenkt werden. Gleichzeitig muss beachtet werden, dass durch eine technologiespezifische Förderung die Gewinnspannen der erneuerbaren Erzeuger und damit die Kosumentenbelastung deutlich begrenzt werden können.