Erneuerbare Energien und CCS in Dekarbonisationsszenarien für den Stromsektor in Deutschland und Europa

Zur Vermeidung eines ungebremsten Klimawandels ist es wichtig, Emissionen aus allen Bereichen der Energieversorgung zu reduzieren. Der Stromsektor spielt dabei eine herausragende Rolle, da die Alternativen an CO2-armen Technologien hier besonders groß ist. Erneuerbare Energien und CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) können einen wichtigen Beitrag leisten, bringen jedoch auch Nachteile mit: fluktuierende Technologien wie Windkraft und Solarenergie schwanken zeitlich und räumlich, CCS ist politischem und öffentlichen Widerstand ausgesetzt. Letzterer erstreckt sich vermehrt auch auf erneuerbare Energien und reduziert dadurch ihr verfügbares Potential. Diese Arbeit entwickelt und vergleicht Szenarien für die Dekarbonisierung des Stromsektors unter Berücksichtigung der Konkurrenz von CCS und erneuerbaren Energien sowie von technischen Fragestellungen der Integration fluktuierender erneuerbarer Energien. Mehrere modellbasierte Studien erkunden die Rollen von erneuerbaren Energien und CCS in Szenarien für CO2-Reduzierung in Deutschland und Europa im Zusammenspiel der Entwicklung von Kapazitäten zur Erzeugung, Speicherung und Übertragung von Strom. Die Ergebnisse zeigen, dass ein starker Ausbau erneuerbarer Energien die wichtigste Rolle in Szenarien für die Stromerzeugung bis 2050 spielt. Die Verfügbarkeit von CCS führt allerdings zu geringeren Gesamtkosten. Die Erweiterung von Kapazitäten zur Stromübertragung erlaubt eine optimierte Installation von erneuerbaren Energien in Gebieten mit hohen Potenzialen und ermöglicht damit höhere Anteile erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung und bessere Ausnutzungsgrade. Die entstehenden Kosten solcher indirekten Effekte im Falle einer Begrenzung von Stromleitungsausbau sind sehr hoch im Vergleich zu den reinen Installationskosten. Desweiteren unterstreichen die Modellergebnisse die Notwendigkeit flexibler Kraftwerke in Kombination mit fluktuierenden erneuerbaren Energien. Eine modellbasierte Fallstudie zur Europäischen Union und den angrenzenden Regionen zeigt, dass eine nahezu CO2-freie Stromerzeugung in 2050 auch ohne einen weitreichenden Ausbau der Stromnetze möglich ist, die Gesamtkosten lassen sich jedoch mit länderübergreifenden Netzerweiterungen deutlich senken. Ein eingeschränkter Netzausbau führt zu einem sehr starken Bedarf an Stromspeichern, da hohe lokale Anteile von beispielsweise Photovoltaik zu starken Schwankungen in der Stromerzeugung führen, besonders in zentraleuropäischen Ländern wie Deutschland. Im Gegensatz dazu erlaubt ein optimierter europäischer Netzausbau einen Ausbau von erneuerbaren Energien in Regionen mit den höchsten Potentialen und führt zu geringeren Gesamtkosten der europäischen Stromerzeugung. Ergebnisse einer Studie zur Integration erneuerbarer Energien in Deutschland zeigen, dass die Höhe der Stromnachfrage eine große Relevanz für das Erreichen von Zielen zum Ausbau erneuerbaren Energien und zum Klimaschutz hat. Ein breites Technologieportfolio erlaubt jedoch eine Absicherung gegen das Scheitern von Effizienzzielen für die Stromversorgung: die Verfügbarkeit von CCS und einem breiten Spektrum erneuerbarer Energien, vor allem offshore Windenergie, ermöglicht das Erreichen von Emissions- und erneuerbare Energien-Zielen auch bei hoher Stromnachfrage. Außerdem wird festgestellt, dass der Stromnetzausbau stark von der Technologiewahl beeinflusst wird: in Szenarien ohne offshore Windenergie spielen Nord-Süd-Verbindungen eine untergeordnete Rolle im Vergleich zu allen anderen Szenarien. Die Anbindung der windreichen Regionen im Osten des Landes an die stärker bevölkerten Bundesländer im Westen ist in allen Szenarien von großer Bedeutung. Die in dieser Dissertation diskutierten Studien zeigen, dass eine umfangreiche Emissionsminderung in Deutschland und der europäischen Union durch hohe Anteile von erneuerbaren Energien ermöglicht wird. Die Verfügbarkeit von CCS ist keine notwendige Voraussetzung, erlaubt jedoch das Erreichen von Klimaschutzzielen zu niedrigeren Kosten. Ein breites Portfolio an Technologien ermöglicht die erfolgreiche Integration erneuerbarer Energien während die Gewichtung der einzelnen Optionen vom jeweiligen System abhängt.In order to avoid unmanageable impacts of anthropogenic climate change, it is necessary to achieve substantial CO2 emission reductions in all energy sectors. Due to salient decarbonization options such as renewable energy technologies and carbon capture and storage (CCS), the power sector plays a major role in climate change mitigation strategies. However, these options come with a set of challenges: the output of wind and solar energy varies in time and space and CCS faces technical challenges and public acceptance problems. This thesis develops power sector decarbonization scenarios for the EU and Germany while taking into account both the interplay of renewable energy technologies and CCS as mitigation options as well as the technical challenges of renewable energy integration. More specifically, a series of model based studies address the respective roles of CCS and renewable energy technologies in emission reduction strategies while evaluating technical integration options such as transmission, storage and balancing technologies. Results show that large-scale expansion of renewable energies will play the main role in power sector decarbonization scenarios, but the availability of CCS could lead to lower total costs and easier reaching of emission reduction targets through compensation of emissions generated by balancing technologies. Long-distance transmission enables better siting of renewable energy and thus higher achievable renewable shares in power generation and higher capacity factors. These indirect effects of delayed expansions induce additional power system costs, which are high relative to investment costs for new transmission lines. Results also reveal a preference for flexible technologies in combination with high shares of renewables for balancing purposes rather than inflexible baseload plants. A case study for the EU shows that a near-complete decarbonization is possible both with and without transmission expansions, but total power system costs are lower when transmission and storage are available. Restrictions on transmission expansion induce high amounts of storage since high local shares of solar PV lead to large output variations. In contrast, a highly interconnected European power grid allows for optimized renewable power generation siting in regions with highest potentials, which requires large-scale transmission expansions but limits total power system costs. Results from a detailed study for Germany show that the level of power demand is strongly relevant for the realization of high renewable shares and ambitious decarbonization targets. A broad technology portfolio allows to hedge against the failure to meet efficiency goals for electricity demand. CCS is necessary to reach ambitious government targets if power demand is not sufficiently decreased by efficiency measures, as is offshore wind energy. Even in case of decreasing demand, at least one of both technologies needs to be available. The choice of transmission expansion corridors is strongly influenced by technology availability: in scenarios without offshore wind energy, north-south interconnections, which are crucial in all other scenarios, only play a minor role. The studies in this thesis show that a large-scale decarbonization of the German and European power sectors is achievable through large shares of renewable energy technologies for electricity generation. CCS is not a prerequisite for successful CO2 emission strategies, but allows reaching mitigation targets at a lower cost. A portfolio of renewable energy integration options is essential to manage temporal and spatial fluctuations; the optimal technology mix is determined by the underlying power system