Economic assessment of biogas plants as a flexibility option in future electricity systems

Mit dem zunehmenden Ausbau von fluktuierenden erneuerbaren Energien werden zusätzliche Technologien und/oder Bereitstellungskonzepte im Stromsystem benötigt, die den Ausgleich von Angebot und Nachfrage zu jeder Zeit gewährleisten. Neben Flexibilitätsoptionen wie Stromspeicher oder flexible konventionelle Kraftwerke, können Biogasanlagen eine Technologie zur Systemintegration von fluktuierenden erneuerbaren Energien darstellen. Der zukünftige kostenoptimale Einsatz von Biogasanlagen wurde bisher nicht ausreichend untersucht. Daher sollen die Forschungsfragen beantwortet werden, ob Biogasanlagen eine ökonomisch konkurrenzfähige Flexibilitätsoption darstellen und in welchem Umfang sowie mit welcher Betriebsweise diese zukünftig kostenoptimal eingesetzt werden sollten. Dazu wurden drei verschiedene Ausbaupfade mit sich unterscheidenden Kapazitäten für Biogasanlagen und weitere erneuerbare Energien zur Zielerreichung der nationalen ZubauZiele in Deutschland für den Zeitraum 2016 – 2035 definiert. Mit Hilfe der daraus abgeleiteten Residuallastdaten wurde der Einsatz der Biogasanlagen zur Systemstabilität optimiert. Die entstehenden Werte wurden im Anschluss verwendet, um mit einem nichtlinearen Optimierungsmodell den Einsatz von Flexibilitätsoptionen kostenminimal zu ermitteln. Der reduzierte Bedarf an Flexibilitätsoptionen durch zusätzliche (flexible) Biogasanlagen sowie die verringerte Stromeinspeisung aus anderen erneuerbaren Energien stellen dabei den Nutzen der Biogasanlagen dar. Zusätzliche Kosten entstehen durch die Flexibilisierung von Bestands- als auch durch den Bau und Betrieb von Neuanlagen. Kosten und Nutzen, die mit zusätzlichen Investitionen in flexible Biogasanlagen einhergehen, wurden abschließend in einer Kosten-Nutzen-Analyse gegenübergestellt. Ein erhöhter Anteil von Biogasanlagen im zukünftigen Stromsystem reduziert die Auslastung von vergleichsweise kostenintensiven Kraftwerken und verringert die Investitionen in Stromspeicher und konventionelle Kraftwerke. Dennoch wird durch die vergleichsweise hohen Kosten von (zusätzlichen) Biogasanlagen in keinem Szenario ein ökonomisch vorteilhaftes Ergebnis erzielt. Die Unwirtschaftlichkeit von Biogasanlagen könnte im Falle eines frühzeitigen Kohleausstiegs signifikant verringert werden. Grundsätzlich sollten Biogasanlagen möglichst flexibel eingesetzt werden, um fluktuierende erneuerbare Energien in das Stromsystem zu integrieren. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Biogasanlagen im zukünftigen Stromsystem ist nur möglich, wenn deren Kosten gesenkt und/oder zusätzliche Nutzen in anderen Sektoren und Bereichen generiert werden. Bei einer geringen Zubau-Rate von Neuanlagen wären die geringsten Kostensenkungen notwendig.To reduce the negative impact of climate change, the German government has decided to decrease greenhouse gas emissions in the energy sector through the extension of intermittent renewable energies, inter alia. The power supply from photovoltaic and wind power plants is characterized by intermittency that depends on local weather conditions. To ensure a sufficient power supply, further technologies and/or new concepts are required to balance demand and supply in the energy system with an increasing proportion of renewable energies. In addition storage technologies, the extension of power grids and conventional power plants, biogas plants can be one technological solution. However, the cost-efficient role of biogas plants has not been sufficiently assessed. The main objective of this thesis is to compare the economic feasibility of biogas plants with other flexibility options (namely storage technologies and conventional power plants) for the period of 2016 to 2035 in Germany´s electricity system. From an economic point of view, the cost-efficient future installed capacities and the modes of operation of biogas plants have to be analyzed. To do so, three biogas extension paths and renewable energy portfolios are defined for the considered period. Hourly residual load data are used to optimize the flexible power generation from biogas plants in all scenarios. The resulting residual load data (including biogas) is used as an input in a non-linear optimization model that simultaneously minimizes the costs of the hourly dispatch and the annual investments in conventional power plants and storage technologies. On the one hand, additional biogas plants in the future electricity system reduce the demand for additional flexibility options and substitute the generation from further renewable energies. On the other hand, the flexibilization of existing biogas plants and the investments in new biogas installations lead to additional costs. Finally, the resulting costs and benefits are quantified in a cost-benefit analysis. As a result, an increasing proportion of biogas plants reduces the demand for additional storage technologies and conventional power plants. Furthermore, the utilization of (existing) conventional power plants with high marginal costs in the considered period is decreased. However, in all scenarios, the costs of additional biogas plants exceed their benefits for the electricity system. This is why Germany´s electricity system is characterized by a sufficient installed capacity of existing flexibility options. An accelerated phasing-out of lignite- and coal-fired power plants to reach national greenhouse gas reduction target values improves the results of the cost-benefit analysis. The electricity generation from biogas plants should be as flexible as possible. The highest net present values are found in the extension path characterized by a low construction rate of new biogas plants. Nevertheless, compared to the phasing-out of biogas plants, additional biogas plants in Germany´s future electricity system require cost reductions and/or must be accompanied by further benefits in other sectors and areas to ensure economically feasible operation