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Generation lulls from the future potential of wind and solar energy in Europe = Kalte Dunkelflauten der zukünftigen Potentiale der Wind- und Solarenergie in Europa
2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019
Druckausgabe: 2020. - Onlineausgabe: 2020. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-16
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-10968
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/805445/files/805445.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
geospatial analysis (frei) ; kalte Dunkelflaute (frei) ; lulls (frei) ; renewable energy (frei) ; solar energy (frei) ; wind energy (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Ein zukünftiges europäisches Energiesystem, das in erster Linie auf variable Erneuerbare Energien (VRES) wie Windkraftanlagen und Photovoltaikmodule (PV-Module) setzt, wird immer greifbarer. Dennoch könnte die Rolle, die VRES in Zukunft spielen könnte. Energiesysteme ist noch ungewiss. Neben den bekannten Unsicherheiten, die sich aus den folgenden ergeben von der Unterbrechung dieser Technologien, bleiben andere Fragen im Zusammenhang mit der ihr zukünftiges Design, ihre räumliche Verteilung und ihren erwarteten Betrieb. Zusätzlich gibt es dort ist eine Möglichkeit, dass sich Generationsschwächen gelegentlich über eine breite Region ausbreiten könnten. und damit das Energiesystem in ein Energiedefizit verwandeln. Es ist wenig bekannt über diese VRES wiegen, vor allem in Bezug darauf, wo und wie oft sie auftreten können, wie lange sie dauern werden und wie tief ihre Defizite sein werden. Vor der optimalen Zukunft Das Energiesystem kann entworfen werden, sowohl das VRES-Potenzial als auch die auftretenden Flauten. müssen auf einer tieferen Ebene verstanden werden. Daher ist das Ziel der aktuellen Arbeit, Folgendes zu erreichen das Potenzial der zukünftigen Wind- und PV-Erzeugung in Europa zu bewerten, indem sie Folgendes berücksichtigen ihre räumlichen, zeitlichen und zukünftigen Gestaltungsmerkmale detailliert darzustellen und darüber hinaus verwenden Sie die entwickelten Methoden, um das Auftreten von VRES-Lulls innerhalb der Kontext eines exemplarischen zukünftigen europäischen Energiesystems. Um diese Arbeit durchzuführen, werden Projektionen der räumlich sensiblen Zukunftsgestaltung von Onshore-Windturbinen, Freiflächen-PV-Parks und Aufdachanlagen unter Beobachtung von Trends der Vergangenheit und die Bewertung optimaler Systemkonfigurationen. Geographische Eignung von Flächen Einschränkungen werden für diese Technologien über die gesamte Lebensdauer hinweg eindeutig berücksichtigt. Europäischer Kontext, danach einzelne Turbinen, PV-Parks und Dachflächen in den Bereichen Resistenzgebiete werden identifiziert. Berechnungseffiziente Simulationswerkzeuge sind auch die Grundlage für die entwickelt, um stündlich aufgelöste Simulationen aller potentiellen Turbinen und Parks durchzuführen, und Dachflächen für die Wetterjahre 1980 bis 2016. Mit diesen Tools wird die Gesamtsumme der Kapazität und Erzeugungspotenzial von Onshore-Wind, Freiflächen-PV und Dach-PV in ganz Europa gefunden werden. VRES-Lulls werden schließlich durch die Rekonstruktion eines Szenario aus der Literatur für ein zukünftiges europäisches Energiesystem, das auf 100% ausgerichtet ist. die Abhängigkeit von erneuerbaren Energiequellen. Wiegenuntersuchungen werden für drei verschiedene Arten von Kontexte unter Berücksichtigung: nur die VRES-Erzeugung, Strombedarf ohne Netz Einschränkungen und schließlich der vollständige Betrieb des Energiesystems mit Netzanschluss. Einschränkungen und Backup-Orchestrierung durch Leistungsflussoptimierung. Als Ergebnis dieser Arbeiten beträgt das jährliche Gesamterzeugungspotenzial aus Onshore-Wind-, Freiflächen-PV- und Dach-PV-Erzeugung in Europa 58 PWh, von denen etwas mehr als 20 PWh zu Kosten unter 4 Euro-ct/kWh verfügbar sein werden. Im Hinblick auf die VRES-Schlafphasen zeigt sich, dass Wind und PV eine komplementäre Erzeugung bieten, die zu einer etwa 80% kürzeren Schlaflänge führt, als wenn eine Technologie unabhängig bewertet wird. Bei einer Aggregation auf europäischer Ebene ohne Netzüberlastung ergibt sich eine ununterbrochene Erzeugung aus VRES-Quellen in Höhe von 11% des Stundenmittelwertes über alle Jahre; dies zeigt, dass eine Basisgeneration aus VRES-Quellen in Europa realisierbar ist. Dennoch werden bei der Betrachtung der Stromnachfrage ohne Netzbegrenzung auf europäischer Ebene immer Flauten beobachtet, bis eine Reservekapazität von 102% des durchschnittlichen Stundenbedarfs zur Verfügung steht. Bei vollem Betrieb des Energiesystems wurden die in 1% der Jahre aufgetretenen Flauten auf nationaler Ebene durchgehend um die 20 Tage beobachtet, und es wurden europaweite Gesamtenergiedefizite von bis zu 8,56 TWh festgestellt. Ebenso wird in diesen seltenen Jahren eine gesamte VRES-Backup-Kapazität in ganz Europa von 501 GW, bei voller regionaler Zusammenarbeit, bis zu 738 GW, mit regionaler Eigenständigkeit, benötigt.A future European energy system that primarily relies on variable renewable energy sources (VRES) such as wind turbines and photo-voltaic (PV) modules is becoming increasingly conceivable. Nevertheless, the role that VRES could play in future energy systems is still uncertain. Besides the well-known uncertainties resulting from the intermittency of these technologies, other questions remain in relation to their future design, spatial distribution, and expected operation. Additionally, there is a possibility that generation lulls could occasionally align across a broad region and, as a result, cast the energy system into an energy deficit. Little is known of these VRES lulls, primarily in regards to where and how often they might occur, how long they will last, and how deep their deficits will be. Before the optimal future energy system can be designed, both VRES potential and the lulls that can occur need to be understood at deeper level. Therefore, the aim of the current work is to evaluate the potential of future wind and PV generation in Europe by considering in detail their spatial, temporal, and future design characteristics, and furthermore to use the developed methods to investigate the occurrence of VRES lulls within the context of an exemplary future European energy system.To perform this work, projections are made of the spatially-sensitive future design of onshore wind turbines, open-field PV parks, and rooftop PV systems by observing past trends and evaluating optimal system configurations. Geospatial land eligibility constraints are uniquely incorporated for these technologies over the entire European context, after which individual turbines, PV parks, and rooftop areas in residential zones are identified. Computationally efficient simulations tools are also developed to perform hourly-resolved simulations of all potential turbines, parks, and rooftop areas for the weather years 1980 until 2016. With these tools, the total capacity and generation potential of onshore wind, open-field PV and rooftop PV across Europe are found. VRES lulls are at last investigated by reconstructing a literature-sourced scenario of a future European energy system designed for 100% reliance on renewable energy sources. Lull investigations are performed for three contexts considering: only the VRES generation, electricity demand without grid limitations, and finally the full operation of the energy system complete with grid limitations and backup orchestration via power flow optimization.As a result of this work, total annual generation potential from onshore wind, open-field PV, and rooftop PV generation in Europe amounts to 58 PWh, of which slightly over 20 PWh will be available at a cost below 4 Euro-ct/kWh. In terms of VRES lulls, it is seen that wind and PV offer complementary generation leading to lull lengths around 80% shorter than when any technology is evaluated independently. When aggregated at the European level without grid congestion, uninterrupted generation from VRES sources is found equal to 11% of the hourly average over all years; indicating that a base generation from VRES sources in Europe is conceivable. Nevertheless when considering electricity demand then, without grid limitation, lulls are always observed at the European level until a back-up capacity of 102% of the average hourly demand is available. With full energy system operation, lulls occurring in 1% of years were consistently seen around 20 days at the national level, and total energy deficits across Europe were found up to 8.56 TWh. Similarly, in these rare years, total VRES backup capacity across Europe of 501 GW, with full regional cooperation, up to 738 GW, with regional self-reliance, is needed.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020648988
Interne Identnummern
RWTH-2020-10968
Datensatz-ID: 805445
Beteiligte Länder
Germany
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