The role of flexibility in electricity systems with high shares of variable renewable energy

Abstract

Die Dekarbonisierung des Energiesystems ist eine wichtige Säule des Klimaschutzes und führt zu einer erhöhten Elektrifizierung und steigenden Anteilen variabler erneuerbarer Energien im Stromsystem (VRE). Um Angebot und Nachfrage im Stromsystem auszugleichen und die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, bedarf es Flexibilitätsoptionen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, im Detail aufzuzeigen, inwieweit fluktuierende erneuerbare Stromerzeugung die Variabilität des Stromsystems erhöht. Zusätzlich wird der daraus resultierende Flexibilitätsbedarf quantifiziert und es werden die verschiedenen Flexibilitätsoptionen analysiert, welche diesen Bedarf decken können. Zur Beantwortung der Forschungsfragen werden zwei analytische Methoden kombiniert. Zunächst werden empirische Daten ökonometrisch analysiert, um die historischen Auswirkungen von VRE auf den Flexibilitätsbedarf in Europa aufzuzeigen, wobei die Varianz des Börsenstrompreises als Indikator dient. Zweitens wird mittels Energiesystemmodellierung beleuchtet, welche unterschiedlichen Rollen verschiedenen kurz- und langfristigen Flexibilitätsoptionen im zukünftigen Stromsystem zukommen. Als erste Anwendung der Energiesystemmodellierung werden in zwei Fallstudien die beiden konkreten Flexibilitätsoptionen i) steuerbare solare Erzeugung und ii) flexible dezentrale Wärmepumpen näher untersucht. Den Abschluss bildet eine ganzheitliche Analyse des integrierten Energiesystem und seiner wichtigsten Flexibilitätsoptionen auf Länderebene. Am Beispiel Österreichs und seiner geplanten Stromsystemtransformation bis 2030 werden der Flexibilitätsbedarf und seine Deckung auf verschiedenen Zeitskalen für ein 100 % erneuerbares Stromsystem quantifiziert.Generell wird erwartet, dass der Flexibilitätsbedarf in dekarbonisierten Stromsystemen auf allen Zeitskalen steigen wird. Dies kann für Österreich gezeigt werden. Die Ergebnisse zeigen jedoch ebenfalls, dass kurzfristige Flexibilitätsbedarfe mit steigenden VRE-Anteilen aufgrund von Glättungseffekten in der Residuallastkurve sogar reduziert werden können. Der höchste Anstieg des Flexibilitätsbedarfs wird in Österreich aufgrund des saisonalen Ungleichgewichtes von Stromnachfrage und angebot auf der jährlichen Zeitskala beobachtet. Die regionalen Unterschiede im Flexibilitätsbedarf sind erheblich und hängen in erster Linie vom Grad der Vernetztheit und dem Stromerzeugungsmix im System ab. In Stromsystemen können die techno-ökonomischen Eigenschaften der verschiedenen Komponenten kombiniert und Synergieeffekte erzielt werden. Die zwei Fallstudien veranschaulichen diesen Effekt: Erstens führt ein Mix aus Wind- und Solarenergie zu geringeren kurzfristigen Schwankungen als ressourcenkonzentrierte Systeme. Zweitens sind regelbare Solaroptionen kostengünstiger, wenn sie verschiedene Erzeugungs- und Speichertechnologien kombinieren, anstatt eine einzige Technologie für die Erzeugung während der Nacht zu verwenden. Die bedarfsseitige Option Wärmepumpen bietet hauptsächlich kurzfristige Flexibilität und ist am hilfreichsten für die Windintegration, da sie die Marktwerte für VRE im Winter erhöht. Allerdings sind auch antagonistische Effekte möglich: Die Modellergebnisse zeigen konkurrierende Effekte zwischen Batterien und thermischen Kraftwerken, Demand-Side Management im Haushalts- und Dienstleistungssektor und Pumpwasserkraft (kurzfristig). Das Übertragungsnetz als Möglichkeit des räumlichen Ausgleichs hat eine vielschichtige Rolle: Exporte und Importe werden einerseits auf der jährlichen Zeitskala für Österreich als wichtigste Flexibilitätsoption angesehen, andererseits erhöhen sie den kurzfristigen Flexibilitätsbedarf im Land sogar, da Österreich laut der Modellierung (kurzfristige) Flexibilität aus (Pump-)Speichern in die Nachbarländer exportiert.Das Stromsystemdesign ist für die Fähigkeit eines Stromsystems, Schwankungen auszugleichen, relevanter als die Höhe und Varianz der erneuerbaren Einspeisung selbst. Zentrale Charakteristika dieses Designs sind die Verfügbarkeit von Flexibilitätsoptionen wie Export- und Importkapazitäten, flexible Kraftwerke und (Pump-)Speicherkraftwerke. Die robusteste Deckung des Flexibilitätsbedarfs zeigt sich für technologisch und geografisch ressourcendiverse Stromsysteme in Bezug auf deren Erzeugungstechnologien und Flexibilitätsoptionen. Die Bedeutung langfristiger Flexibilitätsoptionen zur Deckung saisonaler und interannueller Schwankungen wird mit steigender Dekarbonisierung der Energiesysteme zunehmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Notwendigkeit von politischen Maßnahmen auf, welche auf eine koordinierte und zielgerichtete Nutzung von Flexibilitätsoptionen abzielen, um die Energiewende in Europa zu sichern. Dabei ist eine technologische und geografische Ressourcenvielfalt im Mix der Flexibilitätsoptionen entscheidend, um Synergieeffekte zu nutzen.

Decarbonizing the energy system is a key pillar of climate change mitigation, leading to higher electrification and increasing shares of variable renewable energy in the electricity system (VRE). Flexibility options are needed to balance demand and supply in the electricity system to ensure the security of supply. The core objective of this thesis is to show in detail how VRE generation increases the electricity system's variability, quantify the flexibility needs that arise through that, and analyze different flexibility options that can cover those needs. Two analytical methods are combined to answer these research questions. First, empirical data is analyzed econometrically to show the historical impact of VRE on flexibility needs in Europe by using spot price variance as an indicator. Secondly, energy system modeling is applied to analyze the role of different short- and long-term flexibility options in the future electricity system. As a first application of the energy system modeling, case studies are conducted to explore two flexibility options in more detail: dispatchable solar power and demand response by decentral heat pumps. Finally, the integrated energy system and its main flexibility options are analyzed holistically on a country level: Flexibility needs and coverage are quantified on different time scales for a 100% renewable electricity system using the example of Austria and its planned electricity system transformation by 2030.Generally, flexibility needs are expected to increase on all timescales in decarbonized electricity systems which is shown for Austria. However, results also show that short-term flexibility needs can be even reduced with increasing VRE shares due to flattening effects in the residual load curve. The highest increase in flexibility needs is observed annually due to the seasonal mismatch of electricity demand and supply. Regional differences in flexibility needs are significant and primarily depend on the degree of transmission interconnection and the electricity generation mix. The techno-economic characteristics of the different components of electricity systems can be combined, causing synergistic effects as exemplified by the two case studies: First, a mix of wind and solar generation leads to lower short-term fluctuations than resource-concentrated systems. Second, dispatchable solar options are more cost-effective when combining different generation and storage technologies rather than using one single technology for night-time generation. The demand-side option heat pumps is found to provide mainly short-term flexibility and to be most helpful for wind integration by increasing market values for VRE during the winter. Antagonistic effects are also possible since the results show competing effects between batteries and thermal power plants, demand-side management in the household and service sector, and pumped hydropower (in the short term). Transmission has an ambiguous role as a flexibility option: On the one hand, exports and imports are seen as the main flexibility option on the annual timescale for Austria. On the other hand, they even increase short-term flexibility needs in the country because Austria exports (short-term) flexibility provided by (pumped) hydro storage to the neighboring countries, according to the modeling.The electricity system design, i.e., the availability of the flexibility options like export and import capacities, flexible power plants, and hydro (pump) storage, is more critical for a country's ability to balance fluctuations than the level and variance of the renewable infeed itself. The most robust coverage of flexibility needs is shown for technologically and geographically resource-diverse electricity systems in terms of generation technologies and flexibility options. The importance of long-term flexibility options to cover seasonal and interannual fluctuations is expected to grow with the increasing decarbonization of energy systems. These findings call for policies targeted at the coordinated and rapid take-up of flexibility options to safeguard the energy transition in Europe. Technological and geographical resource diversity in the mix of flexibility options is crucial here to use synergistic effects.