A robust design of a renewable European energy system encompassing a hydrogen infrastructure

  • Robuste Auslegung eines erneuerbaren europäischen Energiesystems inklusive Wasserstoff-Infrastruktur

Çağlayan, Dilara Gülçin; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment 523
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xxii, 312 Seiten) : Illustrationen, DiagrammeReport-Nummer: D 82

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Rolle der variablen erneuerbaren Energiequellen (VRES) in zukünftigen Energiesystemen wird deutlich, wenn man die neuesten Trends bei den weltweit installierten Kapazitäten untersucht. Dennoch bleibt die Intermittenz dieser Technologien ein Hindernis für die hohe Verbreitung der VRES-Technologien. Um dies zu beheben, wird Wasserstoff oft als alternativer chemischer Energieträger im Energiesystemdesign vorgeschlagen, um Flexibilität im System zu gewährleisten. Obwohl Wasserstoff in vielen Studien berücksichtigt wird, die das Design zukünftiger Energiesysteme optimieren, sind die saisonale Speicherung und die internationale Wasserstoffübertragung in keiner Studie auf europäischer Ebene untersucht worden. Daher soll in dieser Arbeit ein zu 100 % erneuerbares europäisches Energiesystem mit Wasserstoffinfrastruktur durchgeführt werden. Für eine solche Analyse sind eingehende Bewertungen der Offshore-Windenergie sowie der unterirdischen Wasserstoffspeicherung in den Salzformationen in ganz Europa erforderlich, da es an einheitlichen Daten für ganz Europa mangelt. Eine Bewertung der Offshore-Windenergie wird für verschiedene Turbinenkonzepte durchgeführt, die aus einer kostenoptimalen Analyse abgeleitet werden. Wenn kostenoptimale Turbinenkonstruktionen in ganz Europa verwendet werden, liegen die geschätzten durchschnittlichen nivellierten Stromkosten (LCOE) bei 7 €ct kWh- 1, was 1,0 bis 3,5 €ct kWh-1 günstiger ist als bei einer einheitlich angewandten Einzel- Turbinenkonstruktion; in diesem Fall liegt der niedrigste erreichbare durchschnittliche Kostenwert bei 8 €ct kWh-1. Optimale Turbinenauslegungen führen zu einem Leistungs- und Erzeugungspotenzial von 8,6 TW und 39,9 PWh. Die Untersuchung des Speicherpotenzials von Salzkavernen in ganz Europa zeigt, dass eine Gesamtkapazität von 84,8 PWhH2 sowohl an Land als auch auf See möglich ist. Die Berücksichtigung von Onshore-Lagen führt nur zu einer Kapazität von 23,2 PWhH2, von denen sich fast 32% in einer Entfernung von 50 km vom Ufer befinden. Vor dem Entwurf des endgültigen Energiesystems wurden die wichtigsten betrieblichen Annahmen analysiert, wie z.B. die Anzahl der typischen Tage, die Anzahl der Gruppen für VRESTechnologien und die Veränderung der Ergebnisse in Bezug auf das ausgewählte Wetterjahr. Zusätzlich bietet die neuartige Kategorisierung jeder VRES-Technologie nach Kostenperzentil eine höhere Treue zum ultimativen Design; die Änderung ist jedoch nach 60 Gruppen pro Technologie unbedeutend. Auch wenn das System für einzelne Jahre zwischen 1980 und 2017 ausgelegt ist, sind große Unterschiede in der optimalen Systemkonfiguration zu beobachten. Daher wird ein neuartiger iterativer Ansatz vorgeschlagen, um ein robustes Energiesystemdesign über alle Wetterjahre hinweg zu erhalten. Ein Analysewert wird auch durchgeführt, um die Auswirkungen einzelner Technologien zu untersuchen, wobei der größte Impaktor die Windenergie ist, die, wenn sie nicht berücksichtigt wird, die Gesamtsystemkosten um 56,2% erhöhen könnte. Die zweitwirksamsten Technologien sind der Handel zwischen Ländern und dem Stromnetz. Am Ende wird ein europäisches Energiesystemdesign vorgeschlagen, das aus 842 GW Onshore- , 78 GW Offshore-Windenergie und 654 GW Photovoltaik besteht. Zusätzlich werden 154 GW Biomasse-Heizkraftwerke und 203 GW Wasserkraft genutzt. Das vorgeschlagene System verfügt über Gesamtspeicherkapazitäten von 130 TWh davon, 562 GWh und 587 GWh für Salzkavernen, Behälter sowie 587 GWh und Lithium-Ionen-Batterien. Die Gesamtkürzung wird auf 441 TWh a-1 geschätzt.

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