Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5065
Main Title: Decarbonizing the European electricity sector
Subtitle: modeling and policy analysis for electricity and CO2 infrastructure networks
Translated Title: Dekarbonisierung des Europäischen Stromsektors
Translated Subtitle: Modellierung und Politikanalyse von Strom- und CO2 Infrastrukturnetzwerken
Author(s): Oei, Pao-Yu Charly Robin
Advisor(s): Hirschhausen, Christian von
Referee(s): Kemfert, Claudia
Egging, Ruud
Müller-Kirchbauer, Joachim
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This dissertation uses three models to analyze different decarbonization strategies for combating global climate change: The cost minimizing mixed-integer model CCTS-Mod examines the economics of Carbon Capture, Transport, and Storage (CCTS) for the electricity and industry sector; the welfare maximizing quadratically constrained model ELMOD focuses on different trajectories for renewable energy sources (RES) and transmission grid expansions; and the equilibrium model ELCO combines the insights of the individual sectors to a combined CCTS and electricity investment and dispatch model. Modeling results show that an investment in CCTS is beneficial for the iron and steel sector once the CO2 certificate price exceeds 50 €/t CO2. The threshold is 75 €/t CO2 for the cement industry and 100 €/t CO2 for the electricity sector. Additional revenues from using CO2 for enhanced oil recovery (CO2-EOR) lead to an earlier adoption of CCTS in the North Sea region. The lack of economies of scale results in increasing CO2 storage costs of more than 30%, while transport costs even double. Research from the last years, however, indicates that CCTS is unlikely to play an important role in decarbonizing the electricity sector. The identified reasons for this are incumbents’ resistance to structural change, wrong technology choices, over-optimistic cost estimates, a premature focus on energy projects instead of industry, and the underestimation of transport and storage issues. Keeping global temperature rise below 2°C therefore implies the phase-out of fossilfueled power plants and, in particular, of CO2-intensive coal power plants. The low CO2 price established by the European Emissions Trading Scheme is insufficient to induce a fuel switch in the medium term. Therefore, supplementary national measures are necessary to reduce coal-based power generation; i.a. feed-in tariffs for RES, minimum CO2 prices, or emissions performance standards. Analyses for Germany show that a coal phase-out before 2040 is possible without risking resource adequacy at any point. Enabling a smooth transition encourages other countries to take the German Energiewende as a blueprint to combat global warming, even if this implies a coal phase-out.
Die vorliegende Arbeit untersucht und quantifiziert mit Hilfe drei verschiedener Modelltypen den möglichen Beitrag verschiedener Dekarbonisierungsoptionen: Das gemischt-ganzzahlige Modell CCTS-Mod berechnet, welchen Beitrag die Vermeidungstechnologie der CO2-Abscheidung, -Transport und -Speicherung (engl. carbon capture, transport, and storage, CCTS) im Stromsektor und in der Industrie erzielen kann; das Strommarktmodell ELMOD quantifiziert die Impliaktionen verschiedener Ausbaupfade erneuerbarer Energien (EE) und den hierfür benötigten Stromleitungsausbau; und das Modell ELCO verknüpft die Erkenntnisse des Strommarktes und der CCTS Technologie in einem Gleichgewichtsmodell. Modellergebnisse zeigen, dass CCTS in der Industrie eine mögliche Dekarbonisierungsoption darstellt, da sie sich im Stahlsektor bereits ab CO2-Zertifikatspreisen von 50 €/t CO2 und im Zementsektor bereits ab 75 €/t CO2 lohnt. Für den Stromsektor hingegen rentiert sich der Einsatz von CCTS erst ab CO2-Preisen jenseits von 100 €/t CO2. Zwar kann die Wirtschaftlichkeit in Einzelfällen durch die Nutzung der CO2-EOR (enhanced oil recovery) Technologie gesteigert werden. Der Verlust von Skaleneffekten führt allerdings zu einer Steigerung der CO2-Speicherkosten um 30% sowie zu einer Verdopplung der Transportkosten. Die Erfahrungen der letzten Jahre stellen daher in Frage, ob CCTS für den Stromsektor eine relevante Dekarbonisierungsoption darstellt. Die Gründe hierfür sind u.a. fehlende Anreize für betroffene Akteure, falsche Technologieauswahl, zu optimistische Kostenschätzungen, der Fokus auf Kraftwerke an Stelle von Industrieanlagen sowie die Vernachlässigung von Transport- und Speicherproblematiken. Ohne die Verfügbarkeit dieser Technologie ist zur Einhaltung der vereinbarten Klimaschutzziele deshalb ein Austieg aus der Kohleverstromung mittelfristig notwendig. Da der europäische Emissionshandel hierfür als alleiniges Instrument nicht ausreichend ist, werden auch in Zukunft nationale Zusatzmaßnahmen wie die Förderung von EE, ein möglicher CO2-Mindestpreis oder CO2-Grenzwerte notwendig sein. Analysen für Deutschland zeigen, dass ein solcher Kohleausstieg bis 2040 ohne Strukturbrüche und sozialverträglich möglich ist.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5390
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5065
Exam Date: 15-Dec-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 24-Mar-2016
DDC Class: DDC::300 Sozialwissenschaften::330 Wirtschaft::333 Boden- und Energiewirtschaft
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::510 Mathematik::518 Nummerische Analysis
Subject(s): CCS
modeling
electricity
energy transition
decarbonization
policy analysis
energy
coal
Strom
Modellierung
Energiewende
Dekarbonisierung
Politikanalyse
Energie
Kohle
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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