Weiterentwicklung des Energiesystemmodells REMix : globale Potenziale erneuerbarer Energien, optimierte Kraftwerksplatzierung und Validierung von Energieszenarios

As electricity generation based on volatile renewable resources is subject to fluctuations, data with high temporal and spatial resolution on their availability is indispensable for integrating large shares of renewable capacities into energy infrastructures. The scope of the present doctoral thesis is to enhance the existing energy modelling environment REMix in terms of (i.) extending the geographic coverage of the potential assessment tool REMix-EnDaT from a European to a global scale, (ii.) adding a new plant siting optimization module REMix-PlaSMo, capable of assessing siting effects of renewable power plants on the portfolio output and (iii.) adding a new alternating current power transmission model between 30 European countries and CSP electricity imports from power plants located in North Africa and the Middle East via high voltage direct current links into the module REMix-OptiMo. With respect to the global potential assessment tool, a thorough investigation is carried out creating an hourly global inventory of the theoretical potentials of the major renewable resources solar irradiance, wind speed and river discharge at a spatial resolution of 0.45°x0.45°. A detailed global land use analysis determines eligible sites for the installation of renewable power plants. Detailed power plant models for PV, CSP, wind and hydro power allow for the assessment of power output, cost per kWh and respective full load hours taking into account the theoretical potentials, technological as well as economic data. The so-obtined tool REMix-EnDaT can be used as follows: First, as an assessment tool for arbitrary geographic locations, countries or world regions, deriving either site-specific or aggregated installable capacities, cost as well as full load hour potentials. Second, as a tool providing input data such as installable capacities and hourly renewable electricity generation for further assessments using the modules REMix-PlasMo and OptiMo. The plant siting tool REMix-PlaSMo yields results as to where the volatile power technologies photovoltaics and wind are to be located within a country in order to gain distinct effects on their aggregated power output. Three different modes are implemented: (a.) Optimized plant siting in order to obtain the cheapest generation cost, (b.) a minimization of the photovoltaic and wind portfolio output variance and (c.) a minimization of the residual load variance. The third fundamental addition to the REMix model is the amendment of the module REMix-OptiMo with a new power transmission model based on the DC load flow approximation. Moreover, electricity imports originating from concentrating solar power plants located in North Africa and the Middle East are now feasible. All of the new capabilities and extensions of REMix are employed in three case studies: In case study 1, using the module REMix-EnDaT, a global potential assessment is carried out for 10 OECD world regions, deriving installable capacities, cost and full load hours for PV, CSP, wind and hydro power. According to the latter, photovoltaics will represent the cheapest technology in 2050, an average of 1634 full load hours could lead to an electricity generation potential of some 5500 PWh. Although CSP also taps solar irradiance, restrictions in terms of suitable sites for erecting power plants are more severe. For that reason, the maximum potential amounts to some 1500 PWh. However, thermal energy storage can be used, which, according to this assessment, could lead to 5400 hours of full load operation. Onshore wind power could tap a potential of 717 PWh by 2050 with an average of 2200 full load hours while offshore, wind power plants could achieve a total power generation of 224 PWh with an average of 3000 full load hours. The electricity generation potential of hydro power exceeds 3 PWh, 4600 full load hours of operation are reached on average. In case study 2, using the module REMix-PlaSMo, an assessment for Morocco is carried out as to determine limits of volatile power generation in portfolios approaching full supply based on renewable power. The volatile generation technologies are strategically sited at specific locations to take advantage of available resources conditions. It could be shown that the cost optimal share of volatile power generation without considering storage or transmission grid extensions is one third. Moreover, the average power generation cost using a portfolio consisting of PV, CSP, wind and hydro power can be stabilized at about 10 €ct/kWh by the year 2050. In case study 3, using the module REMix-OptiMo, a validation of a TRANS-CSP scenario based upon high shares of renewable power generation is carried out. The optimization is conducted on an hourly basis using a least cost approach, thereby investigating if and how demand is met during each hour of the investigated year. It could be shown, that the assumed load can safely be met in all countries for each hour using the scenario's power plant portfolio. Furthermore, it was proven that dispatchable renewable power generation, in particular CSP imports to Europe, have a system stabilizing effect. Using the suggested concept, the utilization of the transfer capacities between countries would decrease until 2050.Aufgrund ihres fluktuierenden Charakters muss zur weiteren Integration volatiler Erneuerbarer Energien in bestehende Infrastrukturen eine solide Datengrundlage über ihre zeitliche und räumliche Verfügbarkeit geschaffen werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher das existierende Energiesystemmodell REMix um folgende Punkte weiterzuentwickeln: (i.) Erweiterung der räumlichen Abdeckung des Potenzialanalysewerkszeugs REMix-EnDaT von europäischer auf globale Ebene (ii.) Neuentwicklung des Moduls REMix-PlaSMo, um Platzierungs- und Portfolioeffekte volatiler Erzeugung näher untersuchen zu können (iii.) Erweiterung des Optimierungswerkzeugs REMix-OptiMo, einerseits um ein neues Übertragungsnetz basierend auf der DCLF-Näherung, andererseits mit der Möglichkeit, Importe solarthermischer Stromerzeugung in Nordafrika und dem Nahen Osten zu simulieren. Zur globalen Potenzialanalyse mit dem Werkzeug REMix-EnDaT wird ein globales Inventar der wichtigsten erneuerbaren Ressourcen Solarstrahlung, Wind und Wasserabflüsse mit einer räumlichen Auflösung von 0,45°x0,45° und stündlichen Werten erstellt. Mittels einer detaillierten Landnutzungsanalyse werden potenzielle Kraftwerksstandorte identifiziert. Umfassende Kraftwerksmodelle für PV, CSP, Wind- und Wasserkraft ermöglichen die Berechnung der stündlichen Erzeugungsleistung, der durchschnittlichen Erzeugungskosten pro kWh und der Jahresvollaststunden. Das Potenzialanalysewerkzeug REMix-EnDaT kann zweierlei Ziele erfüllen: Es kann erstens als eigenständiges Tool zur Bestimmung der Potenziale Erneuerbarer Energien für beliebige Standorte weltweit genutzt werden. Darüber hinaus liefert es entscheidende Inputdaten für die Optimierungswerkzeuge REMix-PlasMo und OptiMo. Das Werkzeug REMix-PlasMo zur Untersuchung von Portfolioeffekten kann genutzt werden, um optimale Kraftwerksstandorte für volatile Erzeugung mittels PV und Wind zu bestimmen. Dabei sind für die Optimierung drei Möglichkeiten für die Standortauswahl für PV und Wind vorgesehen: (a.) Least-Cost (b.) Minimierung der Varianz der Portfolioerzeugung (c.) Minimierung der Varianz der Residuallast Abschließend können durch die Weiterentwicklungen am Optimierungswerkszeug REMix-OptiMo nun Simulationen mit einem verbesserten Übertragungsnetzmodell durchgeführt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, CSP Importe zu berücksichtigen. Die durch die soeben skizzierten Arbeiten erhaltene neue Version des Energiesystemmodells REMix wird in drei Fallstudien genutzt: Die erste Fallstudie bestimmt mit dem Werkzeug REMix-EnDaT Potenziale der Technologien PV, CSP, Wind- und Wasserkraft auf globaler Ebene aggregiert in 10 OECD Weltregionen. Die Ergebnisse beinhalten installierbare Leistungen, Kosten- und Volllaststundenpotenziale. Danach wird die PV im Jahr 2050 die günstigste Option darstellen mit durchschnittlich 1634 Vollaststunden und einem Gesamterzeugungspotenzial von 5500 PWh. Obwohl CSP auch die Solarstrahlung als Ressource nutzt, allerdings nur den direkten Anteil, liegt das maximale Potenzial wesentlich geringer, nicht zuletzt da die Standortkriterien wesentlich restriktiver sind. Somit liegt das Gesamterzeugungspotenzial bei etwa 1500 PWh. Andererseits können durch thermische Speicher bei CSP Kraftwerken bis zu 5400 Vollaststunden erreicht werden. Windkraft onshore erzielt ein Gesamterzeugungspotenzial von 717 PWh im Jahr 2050 bei durchschnittlichen 2200 Volllaststunden, für offshore Windkraftanlagen werden 224 PWh an Gesamterzeugungspotenzial bei rund 3000 Volllaststunden erzielt. Das Gesamterzeugungspotenzial der Wasserkraft beläuft sich nach den Ergebnissen dieser Arbeit auf 3 PWh bei etwa 4600 Volllaststunden. In Fallstudie 2 werden mit dem neuentwickelten Werkzeug REMix-PlasMo die Grenzen volatiler Erzeugung in Portfolios mit nahezu 100% erneuerbarer Erzeugung am Beispiel Marokkos untersucht. Dabei werden die volatilen PV und Windanlagen an ausgewählten Standorten platziert, um gezielt deren Ressourcenverfügbarkeit unter bestimmten Optimierungsrandbedingungen zu nutzen. Es wird gezeigt, dass der kostenoptimale volatile Anteil an der Gesamterzeugung bei einem Drittel liegt, unter der Bedingung, dass keine Speicher zu- bzw. die Grenzkuppelkapazitäten in Nachbarländer nicht ausgebaut werden. Des Weiteren ergeben sich durchschnittliche Erzeugungskosten des untersuchten, ausschließlich auf PV, Wind, CSP und Wasserkraft basierenden Portfolios von rund 10 €ct/kWh im Jahr 2050. In Fallstudie 3 wird mit dem weiterentwickelten Werkzeug REMix-OptiMo eine modellgestützte Validierung eines neuen TRANS-CSP Energieszenarios durchgeführt. Dieses Szenario basiert auf hohen inländischen erneuerbaren Anteilen wie auch CSP Importen nach Europa. Die stündlichen Simulationen basieren auf einem least-cost Ansatz, Ziel ist die Bestimmung des Kraftwerkseinsatzes wie auch der Auslastung des Übertragungsnetzes. Das dem Szenario zugrunde liegende Portfolio deckt die Last sicher, darüber hinaus wird die stabilisierende Funktion regelbarer erneuerbarer Erzeugung, in diesem Fall mittels CSP, gezeigt. Auf der Basis des untersuchten Szenarios geht die Auslastung der AC Leitungen zurück, da sie durch den Zubau von HGÜ Leitungen komplementiert werden