Grid infrastructure needs and costs for renewable technology market integration

Abstract

Bisher wurde die Mehrheit aller Szenarien-Studien im Energiesektor auf der Basis von länderspezifischer jährlicher Balance von konventioneller und / oder erneuerbarer Energie-versorgung und -verbrauch durchgeführt. Die langzeitige Szenario-Analyse zur Integration von erneuerbaren Energien (EE) in die Infrastruktur, die in dieser Arbeit durchgeführt wurde, berücksichtigt zusätzlich die Wechselbeziehung zwischen regionalen und transnationalen Energiesystemen und auch den Bedarf und die Kosten für die entsprechende Netz-Infrastruktur (für Strom, Wärme und Gas) um hohen EE-Ausbau zu ermöglichen. Die Philosophie zur Erstellung von EE-Netzintegrationsszenarien basiert auf einem "Storyline"-Ansatz: zwei wesentliche Triebkräfte sind identifiziert, öffentliche Haltung und technologischer Fortschritt, die einen 2-dimensionalen Raum mit vier Quadranten aufspannen. In jedem der vier Quadranten werden wesentliche, jedoch unsichere Parameter in jeweils einer Storyline beschrieben, die die EE-Netzintegration beeinflussen (z.B. EE-Technologie-kosten, Stromverbrauch, Treibstoff- und CO2-Preise, etc.). Daher gibt es insgesamt vier verschiedene Storylines: Red, Yellow, Green und Blue. Eine Abfolge von Modellen wird verwendet um den Ausbau von EE-Strom / EE-Wärme Erzeugungstechnologien und deren Netzinfrastrukturbedarf und -kosten in der Zeitperiode bis 2050 zu bestimmen. Zusätzlich wird ein linearer Optimierungsalgorithmus erstellt, der die Wechselbeziehung von benachbarten Regionen und die Wichtigkeit von großtechnischen Stromspeichern zur Integration großer Mengen variabler EE-Stromerzeugung (inkl. Minderung ihrer Effekte) analysiert. Drei europäische Länder (Regionen) sind detailliert analysiert: Österreich (Zentral-West-Europa), Serbien (Westlicher Balkan) und Spanien (Iberische Halbinsel). Die Analyse des Stromsektors ist in der Blue Storyline ausgeführt. In Österreich erhöht sich der Anteil von EE-Strom auf ca. 78% in 2050 durch zusätzliche Erzeugung von Wind, Photovoltaik (PV) und Wasserkraft. Bei Investition ins Übertragungsnetz kann Österreich mit seinem flexiblen Kraftwerkspark (Pumpspeicher) signifikant zur Minderung des Variabilitäts-problems von Wind- und PV-Erzeugung in Zentral- und Osteuropa beitragen. Das serbische Stromsystem hat eine schwierige Periode von Unterinvestition und auch Zerstörung hinter sich - viel Wiederaufbau und Erneuerung der Infrastruktur ist notwendig. In Blue bleibt auch weiterhin die thermische Stromerzeugung (neben der Wasserkraft) die wichtigste Energiequelle in Serbien / Westlicher Balkan bis 2050. Die wesentliche Herausforderung in Spanien / Iberische Halbinsel sind hohe Niveaus von EE-Stromüberschüssen durch variable Wind- und Solar-Erzeugung. Zusätzliche Reservekapazität konventioneller Stromerzeugungs-technologien (z.B. Gasturbinen), Stromspeicher, zusätzliche Übertragungsnetzkapazität und Leitungsanbindungen (z.B. nach Frankreich) und / oder andere Flexibilitätsquellen sind dringend notwendig um das spanische / iberische Stromsystem auszugleichen. Die Analyse des Wärmesektors ist in der Yellow Storyline ausgeführt. Die Resultate zeigen, dass - unabhängig von der bestehenden Wärmenetzinfrastruktur (oder alleinstehender Technologie / Technologiekombinationen) - die Ambition in der Implementierung von Energieeffizienz beim Endverbraucher ein kritischer langzeitiger Aspekt in der weiteren Entwicklung des gesamten Portfolios von Wärmetechnologien ist. Insgesamt haben die Analysen in dieser Arbeit das Verständnis von langfristiger EE-Netzintegration in verschiedenen europäischen Regionen unter diversen Bedingungen erhöht.

Up to now, the majority of all scenario studies in the energy sector have been conducted on the basis of country-specific annual balances of conventional and / or renewable energy supply and demand. The long-term scenario analyses of infrastructure integration of RES performed in this thesis additionally take into account the interdependencies between regional and trans-national energy systems and also the needs and costs for corresponding grid infrastructures (for electricity, gas and heat) to enable large-scale RES deployment. The renewable grid integration scenario generation philosophy is based on a storyline approach: two main driving forces are identified, public attitude and technological development, which open a 2-dimensional space with four quadrants. In each of the four quadrants several key, but uncertain parameters influencing RES grid integration (like RES technology cost, electricity demand, fuel-, CO2-prices, etc.) are described in a single storyline. Therefore, there are four different storylines in total: Red, Yellow, Green and Blue. A sequence of models is used to determine the deployment of RES-Electricity / RES-Heating generation technologies and its grid infrastructures needs and costs (based on least-cost principles) in the time period up to 2050. Additionally, a linear optimization algorithm is implemented to analyse interdependencies of neighbouring regions and the importance of bulk electricity storage technologies for integrating large amounts of variable RES-Electricity (incl. mitigation of their effects). Three European countries (regions) are analysed in detail: Austria (Central Western Europe), Serbia (Western Balkan) and Spain (Iberian Peninsula). The analysis of the electricity sector is conducted in the Blue storyline. In Austria the RES-Electricity share increases to about 78% in 2050 due high additional wind, photovoltaic (PV) and hydro generation. With its flexible power plant mix (e.g. pumped-hydro), Austria can significantly contribute to mitigate the variability problem of wind and PV generation in the Central and Eastern European countries in case of transmission grid investments. The Serbian power system has passed a difficult period of underinvestment and also destruction - a lot of rehabilitation is needed in the Serbian grid infrastructure. In Blue, thermal power will remain the main source for electricity generation besides hydropower in Serbia / Western Balkan region until 2050. The main challenges in Spain / the Iberian Peninsula are high levels of RES-Electricity generation surpluses due to variable wind and solar generation already in 2030. Additional backup conventional generation (e.g. gas turbines), electricity storage options (e.g. pumped-hydro, etc.), additional interconnection capacity (e.g. to France) and / or other flexible resources are strongly needed to balance the electricity system. The analysis of the heating / gas sector is conducted in the Yellow storyline. The results show that - regardless which kind of heat grid infrastructure (or stand-alone technology / technology combination) currently exists in a region - a crucial long-term aspect in the further development of the entire portfolio of heating technologies and corresponding grid infrastructures is the future ambition of the implementation of end-use energy efficiency technologies on the demand side. Moreover, end-use energy efficiency implementation on the demand side finally also reacts upon the economics of the different energy carriers in the local / regional heat market and the corresponding network infrastructures. Overall, the analyses in this thesis improve the understanding of grid infrastructure integration of RES technologies in different European regions under various constraints in the long-term.