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Development of a global electricity supply model and investigation of electricity supply by renewable energies with a focus on energy storage requirements for Europe

Tröndle, Tobias Wolfgang

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Abstract

Electricity supply at present requires about 38% of the global primary energy demand and it is likely to rise further in the coming decades. Facing major problems, such as limited resources of fuels and an ongoing anthropogenic climate change, a sustainable electricity supply based on renewable energies is absolutely vital. Wind and solar power will play an extensive role in future supplies but require energy storage capacities to meet electricity demand. To investigate the relationship of power plant mix and required energy storage capacity, a computer model based on global weather data has been developed to enable the simulation of electricity supply scenarios by up to ten different power plant types for various regions.

The focus of the investigation has been on the energy storage requirements of an electricity supply for Europe by wind and solar power. The minimum required energy storage capacity for a totally weather dependent electricity supply occurs at a ratio of 30% wind and 70% photovoltaic (PV) power plant capacity installed. Thus, the required energy storage capacity rises from a transition of to-day's electricity supply to the afore-mentioned 100% renewable wind and PV scenario exponentially to about 150 TWh (3.8% of the annual electricity demand). The installation of additional excess wind and PV power plant capacity was seen to be an efficient way to reduce the required energy storage. Already 10% excess capacity lead to a reduction by 50% of the required storage capacity. To use different storage technologies in an optimised way in terms of storage capacity and efficiency, the storage tasks can be separated into a daily and a seasonal usage. While the seasonal storage capacity has to be about two orders of magnitude larger than the required capacity of the storage for the daily cycle, the sum of stored energy during one year is almost equal for the long and short time storage.

In summary, an electricity supply by wind and PV power was shown to be completely feasible regarding the required energy storage capacity together with the required land area for power plants, and with electricity generating costs of 0.09 EUR to 0.18 EUR per kWh depending on the power plant mix, excess capacity, and storage investment costs.

Translation of abstract (German)

Die Elektrizitätsversorgung hat einen Anteil von ca. 38% am weltweiten Primärenergie-bedarf und sie wird in den nächsten Jahrzehnten weiter wachsen. In Anbetracht von Problemen wie die Verknappung limitierter Brennstoffe und dem anthropogenen Klimawandel, ist eine nachhaltige Elektrizitätsversorgung durch die Nutzung erneuerbarer Energien nötigt. Wind- und Solarenergie werden als Hauptquellen für die zukünftige Elektrizitätsversorgung angesehen, jedoch werden Energiespeicher benötigt um die Elektrizitätsnachfrage decken zu können. Um die Abhängigkeiten vom Kraftwerkmix und Energiespeicherbedarf untersuchen zu können, wurde ein auf globalen Wetterdaten basierendes Computermodell entwickelt, das Simulationen von Elektrizitätsversorgungsszenarien mit bis zu zehn verschiedenen Kraftwerksarten für beliebige Regionen ermöglicht.

Der Fokus der Untersuchungen lag hierbei auf den Anforderungen an Energiespeicher für eine Elektrizitätsversorgung Europas durch Wind- und Solarenergie. Bei einem Mix aus 30% Wind- und 70% Photovoltaik- (PV) installierter Kraftwerkleistung fällt die geringste benötigte Energiespeicherkapazität für eine gänzlich vom Wetter abhängige Elektrizitätsversorgung an. Der Umstieg vom heutigen Elektrizitätsversorgungssystem auf das genannten 100% regenerative Wind und PV Szenario führt zu einem exponentiellen Anstieg der Energiespeicherkapazität auf rund 150 TWh (3,8% des jährlichen Elektrizitätsbedarfes). Das Installieren von Überkapazitäten an Wind- und PV- Kraftwerken zeigte sich als effektive Methode um den Energiespeicherbedarf zu reduzieren. Bereits 10% Überkapazität halbieren den Speicherbedarf. Um unterschiedliche Speichertechniken bezüglich ihrer Speicherkapazität und ihrem Wirkungsgrad effizient zu nutzen, können die Speicheraufgaben auf tägliche und saisonale Zeitskalen aufgeteilt werden. Hierbei ist die benötigte saisonale Speicherkapazität fast zwei Größenordnungen größer als die des Speichers für den Tagesverlauf bei gleichem Jahresenergieumsatz für den Lang- und Kurzzeitspeicher.

Letzten Endes kann man festhalten, dass die benötigten Energiespeicherkapazitäten, die Landfläche für die Kraftwerke und auch die Elektrizitätsgestehungskosten von 0,09 EUR bis 0,18 EUR pro kWh je nach Kraftwerkmix, Überkapazität und Speicherkosten für eine Versorgung Europas durch Wind- und PV- Energie realisierbar sind.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 12 December 2014
Date Deposited: 10 Mar 2015 09:23
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 330 Economics
530 Physics
550 Earth sciences
Controlled Keywords: Energiewende , Erneuerbare Energien, Energiespeicher, Windenergie, Solarenergie
Uncontrolled Keywords: Energy Storage, Renewable Energy, Wind Power, Solar Power
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