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Papers by Gregor Czisch
Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung / Kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien, 2005
Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Um... more Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt.
Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich.
In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien.
Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit.
Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert.
Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen.
Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse.
In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten.
Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.
Diminishing natural resources and global climate change are threatening the peaceful course of hu... more Diminishing natural resources and global climate change are threatening the peaceful course of human development. A fundamental prerequisite for alleviating these dangers is to convert our energy system to renewable generation technologies that neither consume exhaustible resources nor degrade environmental quality despite continuous operation. Therefore also the questions have to be answered how the future electricity system should be structured, which techniques should be used and, of course, how costly the shift to a renewable electricity might be. This also raises the question how far we can get with the existing technologies and what costs are to be expected if one applies them at their today's costs, as a worst case assumption. It is apparent, however, only taking into account currently available technologies at their actual costs would constitute a worst-case cost assumption, since future developments will unquestionably improve economic performance. But on the other hand...
In view of the resource and climate problems, it seems obvious that we must transform our energy ... more In view of the resource and climate problems, it seems obvious that we must transform our energy system into one using only renewable energies. But questions arise how such a system should be structured, which techniques should be used and, of course, how costly it might be. These questions were the focus of a study which investigated the cost optimum of a future renewable electricity supply for Europe and its closer Asian and African neighbourhood. The resulting scenarios are based on a broad data basis of the electricity consumption and for renewable energies. A linear optimisation determines the best system configuration and temporal dispatch of all components. The outcome of the scenarios can be considered as being a scientific breakthrough since it proves that a totally renewable electricity supply is possible even with current technology and at the same time is affordable for our national economies. In the conservative base case scenario, wind power would dominate the producti...
Die erschliesbaren Potenziale erneuerbarer Energien innerhalb Europas konnten einen grosen Teil u... more Die erschliesbaren Potenziale erneuerbarer Energien innerhalb Europas konnten einen grosen Teil unseres Strombedarfs decken. Die Windenergie z. B. stellt europaweit ein groses, relativ kostengunstiges Angebot. Aber durch die hohe Besiedelungsdichte sind dem Ausbau innerhalb der EU deutlich engere Grenzen gesteckt als in manchen fast menschenleeren Wusten, Steppen und Tundragebieten in ihrer Nachbarschaft.
Wasserdampf, tägl., 1°x 1°N CAR-NCEP-Reanalysis Prec.Water mm/m² Abbildung 1: Satellitenfernerkun... more Wasserdampf, tägl., 1°x 1°N CAR-NCEP-Reanalysis Prec.Water mm/m² Abbildung 1: Satellitenfernerkundung atmosphärischer Bestandteile wie Wolken, Aerosole, Wasserdampf, Ozon, Gase usw. als Funktion von Ort und Zeit am Beispiel Marokko. Angegeben ist die jeweilige Komponente sowie zeitliche und räumliche Auflösung der Daten.
Europe is the continent with the highest installed capacity of wind energy in the world. At the s... more Europe is the continent with the highest installed capacity of wind energy in the world. At the same time, the installation rates grow at about 30-40 %/year. This paper is to shed some light on the limits of integration. Using wind power data for one year from 50+ sites in Europe, the apparent smoothing effects within the dataset are shown. The resulting spatially averaged time series is then fed into a scheduling model for the whole European power system. The results are that, under certain assumptions, 20% of the European demand can be covered by wind energy even without changes to the power system. Additionally, Reanalysis data has been used to identify areas around Europe with good wind resource. Here, two areas will be shown where local measurements corrobate the quality of the resource: one on the north western shore of Africa, and another one in Egypt, at the south western Gulf of Suez. It is shown that under the assumptions given, wind energy from southern Morocco can be pro...
Europe currently has by far the highest installed wind power capacity of all regions in the world... more Europe currently has by far the highest installed wind power capacity of all regions in the world. However, this is not due to Europe being the best possible place to build wind power, but rather to a favourable political climate. There are areas with high resources around Europe where harvesting of wind power could be economical, even including the costs of transport to Europe. One problem to be overcome is that wind energy by nature is a variable resource and cannot be scheduled like conventional power plants. However, the variability significantly decreases when the wind power is harvested from a large area. Already Europe itself shows big prospects for a smoothing of wind power output trough the distribution of generation. Using efficient transmission systems (such as High Voltage Direct Current HVDC) to harvest wind power from areas outside Europe that have a very good wind resource is a viable option, even for large scale transfers of energy. This paper is to shed some light on the wind energy potentials in and around Europe, and the smoothing effects occurring due to the low correlation of wind farm output with distances of thousands of kilometres in between.
Unser heutiges Energieversorgungssystem wurde für die Aufgabe konzipiert, mit wenigen großen, zen... more Unser heutiges Energieversorgungssystem wurde für die Aufgabe konzipiert, mit wenigen großen, zentralen Erzeugungsanlagen eine große Anzahl räumlich verteilter Lasten, bzw. Verbraucher zuverlässig und kostengünstig mit Energie zu versorgen. Diese Aufgabe wurde in Europa noch bis vor wenigen Jahren von Versorgungsunternehmen wahrgenommen, die in geschützten, monopolistischen Märkten von der Energieerzeugung und -übertragung bis hin zur -verteilung an den Endkunden für die
paper available online at: http://www. iset. uni-kassel …, 2006
Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung / Kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien, 2005
Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Um... more Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt.
Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich.
In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien.
Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit.
Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert.
Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen.
Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse.
In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten.
Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.
Diminishing natural resources and global climate change are threatening the peaceful course of hu... more Diminishing natural resources and global climate change are threatening the peaceful course of human development. A fundamental prerequisite for alleviating these dangers is to convert our energy system to renewable generation technologies that neither consume exhaustible resources nor degrade environmental quality despite continuous operation. Therefore also the questions have to be answered how the future electricity system should be structured, which techniques should be used and, of course, how costly the shift to a renewable electricity might be. This also raises the question how far we can get with the existing technologies and what costs are to be expected if one applies them at their today's costs, as a worst case assumption. It is apparent, however, only taking into account currently available technologies at their actual costs would constitute a worst-case cost assumption, since future developments will unquestionably improve economic performance. But on the other hand...
In view of the resource and climate problems, it seems obvious that we must transform our energy ... more In view of the resource and climate problems, it seems obvious that we must transform our energy system into one using only renewable energies. But questions arise how such a system should be structured, which techniques should be used and, of course, how costly it might be. These questions were the focus of a study which investigated the cost optimum of a future renewable electricity supply for Europe and its closer Asian and African neighbourhood. The resulting scenarios are based on a broad data basis of the electricity consumption and for renewable energies. A linear optimisation determines the best system configuration and temporal dispatch of all components. The outcome of the scenarios can be considered as being a scientific breakthrough since it proves that a totally renewable electricity supply is possible even with current technology and at the same time is affordable for our national economies. In the conservative base case scenario, wind power would dominate the producti...
Die erschliesbaren Potenziale erneuerbarer Energien innerhalb Europas konnten einen grosen Teil u... more Die erschliesbaren Potenziale erneuerbarer Energien innerhalb Europas konnten einen grosen Teil unseres Strombedarfs decken. Die Windenergie z. B. stellt europaweit ein groses, relativ kostengunstiges Angebot. Aber durch die hohe Besiedelungsdichte sind dem Ausbau innerhalb der EU deutlich engere Grenzen gesteckt als in manchen fast menschenleeren Wusten, Steppen und Tundragebieten in ihrer Nachbarschaft.
Wasserdampf, tägl., 1°x 1°N CAR-NCEP-Reanalysis Prec.Water mm/m² Abbildung 1: Satellitenfernerkun... more Wasserdampf, tägl., 1°x 1°N CAR-NCEP-Reanalysis Prec.Water mm/m² Abbildung 1: Satellitenfernerkundung atmosphärischer Bestandteile wie Wolken, Aerosole, Wasserdampf, Ozon, Gase usw. als Funktion von Ort und Zeit am Beispiel Marokko. Angegeben ist die jeweilige Komponente sowie zeitliche und räumliche Auflösung der Daten.
Europe is the continent with the highest installed capacity of wind energy in the world. At the s... more Europe is the continent with the highest installed capacity of wind energy in the world. At the same time, the installation rates grow at about 30-40 %/year. This paper is to shed some light on the limits of integration. Using wind power data for one year from 50+ sites in Europe, the apparent smoothing effects within the dataset are shown. The resulting spatially averaged time series is then fed into a scheduling model for the whole European power system. The results are that, under certain assumptions, 20% of the European demand can be covered by wind energy even without changes to the power system. Additionally, Reanalysis data has been used to identify areas around Europe with good wind resource. Here, two areas will be shown where local measurements corrobate the quality of the resource: one on the north western shore of Africa, and another one in Egypt, at the south western Gulf of Suez. It is shown that under the assumptions given, wind energy from southern Morocco can be pro...
Europe currently has by far the highest installed wind power capacity of all regions in the world... more Europe currently has by far the highest installed wind power capacity of all regions in the world. However, this is not due to Europe being the best possible place to build wind power, but rather to a favourable political climate. There are areas with high resources around Europe where harvesting of wind power could be economical, even including the costs of transport to Europe. One problem to be overcome is that wind energy by nature is a variable resource and cannot be scheduled like conventional power plants. However, the variability significantly decreases when the wind power is harvested from a large area. Already Europe itself shows big prospects for a smoothing of wind power output trough the distribution of generation. Using efficient transmission systems (such as High Voltage Direct Current HVDC) to harvest wind power from areas outside Europe that have a very good wind resource is a viable option, even for large scale transfers of energy. This paper is to shed some light on the wind energy potentials in and around Europe, and the smoothing effects occurring due to the low correlation of wind farm output with distances of thousands of kilometres in between.
Unser heutiges Energieversorgungssystem wurde für die Aufgabe konzipiert, mit wenigen großen, zen... more Unser heutiges Energieversorgungssystem wurde für die Aufgabe konzipiert, mit wenigen großen, zentralen Erzeugungsanlagen eine große Anzahl räumlich verteilter Lasten, bzw. Verbraucher zuverlässig und kostengünstig mit Energie zu versorgen. Diese Aufgabe wurde in Europa noch bis vor wenigen Jahren von Versorgungsunternehmen wahrgenommen, die in geschützten, monopolistischen Märkten von der Energieerzeugung und -übertragung bis hin zur -verteilung an den Endkunden für die
paper available online at: http://www. iset. uni-kassel …, 2006