Einfluss der Übertragungsnetzerweiterung im Mittelmeerraum und von solaren Importen aus Nordafrika auf den kontinentaleuropäischen Kraftwerkseinsatz

Abstract

Um die Klimaziele des Kyoto-Protokolls in Europa erfüllen zu können, ist es notwendig, den Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2, dient als Referenzwert), Methan (CH4), Stickstoffmonoxid (N2O) und Stickstofftrifluorid (NF3) zu reduzieren. Auch im europäischen Stromerzeugungssektor existieren diesbezüglich noch Einsparungs- und Substitutionspotentiale. Dadurch wurden in den letzten Jahren mehrere Initiativen gegründet, die sich mit der Frage auseinandersetzen, in wie fern die solare Stromerzeugung (Photovoltaik und CSP (Concentrated Solar Power)) im Mittleren Osten und in Nordafrika zu einer nachhaltigeren Stromversorgung in Europa beitragen könnte. Doch aufgrund des arabischen Frühlings wurde es in letzter Zeit eher ruhig um die Initiativen. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen der solaren Stromerzeugung in Nordafrika auf die kontinentaleuropäischen Strommarktpreise im Großhandel untersucht. Zusätzlich werden auch die europäischen Übertragungsnetze und deren Weiterentwicklung, besonders im Mittelmeerraum, genauer analysiert. Dazu wird ein mit der algebraischen Optimierungssprache GAMS programmiertes Fundamentalmodell verwendet. Es werden zwei Modelle erklärt: das eine ermittelt das betriebswirtschaftliche Optimum für den Übertragungsnetzbetreiber bei gegebener Kraftwerksstruktur und kostenminimalen Kraftwerkseinsatz (Variante 1) und das andere das volkswirtschaftliche Optimum unter der Annahme, das Übertragungsnetz sei eine "Kupferplatte" (Variante 2). Für die energiewirtschaftliche Praxis ist nur ersteres (Variante 1) relevant. Das Gemischt Ganzzahlige Optimierungsmodell wird mit Daten aus dem Jahr 2012 validiert und anschließend erfolgen Analysen für das Jahr 2030. Hierbei werden mehrere Szenarien untersucht. In Variante 1 wird mit der Annahme begonnen, dass die geplanten Übertragungsnetzausbauprojekte des ENTSO-E (Vereinigung der europäischen Übertragungsnetzbetreiber) bis 2030 nicht umgesetzt werden können. Im nächsten Schritt werden die Einflüsse des kontinentaleuropäischen Übertragungsnetzausbaus untersucht und schlussendlich wird auch die solare Stromerzeugung in Nordafrika mit Übertragungsleitungen im Mittelmeer betrachtet. Dabei wird bei der solaren Stromerzeugung zwischen Photovoltaik- und CSP-Anlagen anhand ihrer technischen Eigenschaften unterschieden. Für Variante 2 werden zwei Szenarien betrachtet: ersteres befasst sich ebenfalls mit der Fragestellung, wie sich der Kraftwerkseinsatz verhält, wenn keine solaren Importe aus Nordafrika im Jahr 2030 möglich sind. Das zweite Szenario berücksichtigt eine installierte Leistung von 20 GW an Photovoltaikanlagen in Nordafrika. Die Modellergebnisse liefern einen deutlichen Hinweis darauf, dass die höchsten CO2- Einsparungen mit installierten CSP-Anlagen im Mittleren Osten und Nordafrika erzielt werden können. Dieser Ausbau wiederum impliziert den Übertragungsnetzausbau im Mittelmeerraum, um den erzeugten Strom auch nach Europa importieren zu können. Auch auf die Großhandelspreise der Strombörsen werden sich die solaren Importe auswirken. Die Marktpreisniveaus können in manchen Regionen deutlich gesenkt werden. Doch aufgrund der volatileren Stromerzeugung von Erneuerbaren Energietechnologien müssen die flexiblen fossilen Kraftwerke gewisse Leistungskapazitäten in Reserve halten, damit die Stabilität des Netzbetriebs gewährleistet werden kann.

To meet the climate targets of the Kyoto Protocol in Europe, it's necessary to reduce the emissions of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2, serves as a reference value), methane (CH4), nitrous oxide (N2O) and nitrogen trifluoride (NF3). Also in the European electricity generation sector there exist corresponding saving and substitution potentials. As a result, several initiatives have been established in recent years dealing with the question, how far solar electricity generation based on Photovoltaic and CSP (Concentrated Solar Power) in the Middle East and Northern Africa could contribute to a more sustainable electricity supply in Europe. Due to the Arab Spring, it was rather quiet about the initiatives. In this thesis, the impact of solar electricity generation in Northern Africa on the Continental European wholesale electricity market prices is investigated. Additionally, the European transmission networks and their further development, particularly in the Mediterranean area, are analysed in detail. A fundamental market model is used for the analysis, which is programmed with the algebraic modelling language GAMS. Two models are explained: the first one determines the profit maximizing optimum for the transmission grid operator for a given power plant portfolio and cost-minimizing power plant dispatch (Variant 1) and the second one the welfare maximizing optimum based on the assumption that the transmission grid is a "copper plate" (Variant 2). Only the first one is relevant for practice in energy economics. The Mixed-Integer Optimization Model is evaluated with data from 2012 and then some scenario analyses for the year 2030 are made. Therefore, several scenarios will be examined. Variant 1 starts with the assumption, that the planned expansion projects of the transmission network from ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) can't be implemented until 2030. In the next step, the influence of the Continental European transmission network expansion is examined. Finally, solar electricity generation in Northern Africa and the transmission lines in the Mediterranean area are considered. A distinction is made between Photovoltaic and CSP plants based on their technical properties. For Variant 2 two scenarios are considered: the first one also deals with the question on the power plant dispatch in case of no solar imports from Northern Africa in 2030. The second scenario considers an installed capacity of 20 GW of photovoltaic systems in Northern Africa. The results of the model provide a clear indication that the highest CO2 savings can be achieved with installed CSP plants in the Middle East and Northern Africa. This implies the expansion of the transmission network in the Mediterranean region in order to enable the imports of solar electricity generation to Europe. The solar imports, furthermore, affect the wholesale prices of the electricity exchanges. The wholesale electricity price levels can be significantly decreased in some regions. However, due to the volatile electricity generation of renewable energy technologies the flexible fossil power plants are expected to maintain a certain reserve capacity in order to guarantee stability in transmission network operation.