Einflüsse von Klimavariabilität und -wandel auf Ausbau und Erzeugung im Europäischen Stromsystem

Gotzens, Fabian Paul; Allelein, Hans-Josef; Hoffschmidt, Bernhard

doi:40237

Einflüsse von Klimavariabilität und -wandel auf Ausbau und Erzeugung im Europäischen Stromsystem = Impacts of climate variability and climate change on expansion and generation in the European electricity system

Gotzens, Fabian Paul^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeFabian Paul Gotzens

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

ISBN978-3-95806-530-7

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 531

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Hoffschmidt, Bernhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03559
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/816937/files/816937.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Komponenten (DLR) (421010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Europa (frei) ; Klimavariabilität (frei) ; Klimawandel (frei) ; Strom (frei) ; erneuerbare Energie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Durch die Verbrennung fossiler Energieträger trägt der Mensch zu einer Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und damit zu einer steigenden Erderwärmung bei. Dies wird als anthropogener Klimawandel bezeichnet. Ein Instrument, um die Folgen des Klimawandels abzumildern, ist der Ausbau emissionsarmer Technologien wie der der Erneuerbaren Energien. Weniger erforscht ist dagegen die umgekehrte Wirkungsrichtung, d. h. ob und wie der Klimawandel das Energiesystem beeinflusst. Eng mit diesem Themengebiet verknüpft existiert neben dem langfristigen Klimawandel noch eine kurzfristige Klimavariabilität, die sich z. B. in wärmeren/kälteren oder windstärkeren/windschwächeren Jahren widerspiegelt. Ziel dieser Arbeit ist die angebots- und nachfrageseitige Analyse von Klimavariabilitäts- und Klimawandeleffekten auf den Ausbau (installierte Leistungen) und die Erzeugung (Energiemenge) im europäischen Stromsystem. Zu diesem Zweck wurde ein 28 Staaten umfassendes Erzeugungsausbauplanungsmodell entwickelt, das szenariobasierte Entwicklungspfade berechnen kann. Zum Vergleich mit verschiedenen Klimaszenarien wird zunächst ein allgemeines Referenzszenario modelliert, das sich auf Basis aller sonstigen Eingangsdaten und Annahmen ergibt. Klimavariabilität wird durch eine algorithmenbasierte Auswahl historischer Wetterjahre aus je einem über 30-jährigen Zeitraum von Wind- und Photovoltaikzeitreihen abgebildet. Weiterhin wird untersucht, wie der Klimawandel die Einspeisung von Windenergieanlagen sowie die Stromnachfrage unter steigenden Außentemperaturen in Europa beeinflusst. Dazu wird auf räumlich und zeitlich hochaufgelöste Projektionsdaten von Erdsystemmodellen unter verschiedenen Treibhausgaskonzentrationsszenarien zurückgegriffen. Dabei zeigt sich, dass Klimavariabilität die Modellergebnisse zwar in der Wirkungsrichtung plausibel beeinflusst, die Abweichungen zum Referenzszenario allerdings im niedrigen, einstelligen Bereich (< 3 %) liegen. Ein Einfluss von Klimawandeleffekten auf die Windkrafterzeugung kann ebenfalls nachgewiesen werden, jedoch zeigt sich räumlich keine eindeutige Tendenz in den untersuchten Szenarien. Räumlich eindeutig ist hingegen der Einfluss auf die Stromnachfrage, da höhere Außentemperaturen geringe Heizlasten in Nordeuropa und erhöhte Klimatisierungslasten in Südeuropa induzieren, die allerdings saisonal divergieren. Diese Erkenntnis sollte insbesondere bei der Dimensionierung des Ausbaus des europäischen Verbundnetzes sowie bei gesetzlichen Vorgaben in Bezug auf Dämmstandards für Gebäude beachtet werden.

Through the combustion of fossil fuels, humankind contributes to an increase in the concentration of CO2 in the earth’ atmosphere and, thus, to increasing global warming. This is known as anthropogenic climate change. One instrument for mitigating the consequences of climate change is the expansion of low-emission technologies such as renewable energies. Less research has, however, been done into the opposite direction of effect, i.e. whether and how climate change affects the energy system. Closely linked to this topic of long-term climate change is the so-called short-term climate variability, which is reflected e.g. in warmer/colder or windier/calmer years. The aim of this thesis is the supply and demand-side analysis of climate variability and change effects on the expansion (installed capacity) and the generation (amount of energy) in the European electricity system. For this purpose, a generation expansion planning model encompassing 28 countries has been developed, which is capable of calculating scenario-based development paths. For comparison with different climate scenarios, a general reference scenario has been modelled, which is based on all other input data and assumptions. Climate variability is represented by an algorithm-based selection of historical weather years from a more-than-30-year period of wind and photovoltaic time series. Furthermore, the study investigates how climate change affects the feed-in of wind turbines and the demand for electricity under rising ambient temperatures in Europe. This is done using spatially and temporally high-resolution projection data from Earth system models under various greenhouse gas concentration scenarios. It is shown that although climate variability plausibly influences the model results in the direction of impact, the deviations from the reference scenario are in the low, single-digit range (< 3%). An influence of climate change effects on wind power generation can also be demonstrated, but there is no clear spatial trend in the studied scenarios being found. However, the influence on electricity demand is spatially unambiguous, since higher outside temperatures induce lower heating loads in Northern Europe and increased air conditioning loads in Southern Europe, which, however, diverge seasonally. This insight should be taken into account in particular when dimensioning the expansion of the European interconnected grid as well as in legal requirements with regard to insulation standards for buildings.

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