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European and German low-carbon energy transition

Hainsch, Karlo Benedikt

FG Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP)

This dissertation details possible pathways for the European and German energy transition. The open source Global Energy System Model (GENeSYS-MOD) is applied, a multisectoral long-term energy system model, to apply different methodologies accounting for uncertainty in the future energy system. With the goal of outlining challenges and opportunities of the energy system transformation, this dissertation provides common findings and no-regret options found across multiple studies. Part I of this dissertation focuses on decarbonization pathways and 100% renewable energy systems in Europe. Numerous energy system models are being used, raising the need to adequately assess their results if policy and decision makers should take well-informed decisions. The first chapter draws from previous experience of modeling 100% renewable energy systems and outlines lessons learned from these exercises. Various energy transition pathways are then analyzed and common findings are synthesized which are compared to the efforts of the European Green Deal (EGD). Thereafter, the effects that short sighted decision making could have on the energy system, especially regarding the problem of stranded assets. Key findings of this part highlight the need for open science and clear result communication. In Part II, challenges and opportunities for the German Energiewende are discussed. It starts by providing a comparison of five different energy system models and analyzes the impact of Germany’s 2030 climate targets on the power system. The following two Chapters explore the effects of key drivers and influential factors on the German energy transition and transportation transition, in particular. Parametric sensitivity analysis is performed, highlighting areas with high impact which policy makers should focus on. It can be shown that demand reductions, next to costs of renewables and carbon prices, have the highest effect on multiple indicators relevant to the success of the energy transition. Across all chapters of this dissertation, different methodologies to account for various types of uncertainty are applied. The results showcase that, despite uncertain future developments, common findings can be found and no-regret options formulated. In doing so, this dissertation contributes to the ongoing scientific and public debate by showcasing possible pathways, chances, and barriers of the European and German energy transition. In addition, the principles of open science are followed, allowing other researchers or practitioners to validate the findings and use the applied methodologies.
In dieser Dissertation werden mögliche Pfadverläufe für die europäische und deutsche Energiewende beschrieben. Das quelloffene Global Energy System Model (GENeSYS-MOD), ein multisektorales Langfrist-Energiesystemmodell, wird eingesetzt, um verschiedene Methoden zur Berücksichtigung von Unsicherheiten im zukünftigen Energiesystem anzuwenden. Mit dem Ziel, die Herausforderungen und Chancen der Energiewende zu skizzieren, leitet diese Dissertation gemeinsame Erkenntnisse aus mehreren Studien ab. Teil I dieser Dissertation analysiert Dekarbonisierungspfade und 100% erneuerbare Energiesysteme in Europa. Eine steigende Anzahl an Energiesystemmodellen erfordert eine angemessene Bewertung ihrer Ergebnisse, wenn Politiker:innen und Entscheidungsträger:innen gut informierte Entscheidungen treffen sollen. Das erste Kapitel stützt sich auf gesammelte Erfahrungen mit der Modellierung von 100% erneuerbaren Energiesystemen und umreißt die Lehren, die aus diesen Analysen gezogen wurden. Gemeinsame Erkenntnisse aus verschiedene Energiewendepfade werden zusammengefasst, die mit den Bemühungen des European Green Deal (EGD) verglichen werden. Danach werden die Auswirkungen kurzsichtiger Entscheidungsfindung auf das Energiesystem, insbesondere im Hinblick auf das Problem der stranded-assets, dargestellt. Die Ergebnisse dieses Teils unterstreichen die Notwendigkeit klarer Ergebniskommunikation und einer offenen Wissenschaft. In Teil II werden Herausforderungen und Chancen für die deutsche Energiewende diskutiert. Fünf verschiedenen Energiesystemmodelle werden verglichen und die Auswirkungen der 2030 Klimaziele auf das Stromsystem analysiert. Anschließend werden die Auswirkungen der wichtigsten Treiber und Einflussfaktoren auf die deutsche Energiewende und insbesondere die Verkehrswende untersucht. Es wird eine parametrische Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die Bereiche mit hohen Auswirkungen hervorhebt, auf die sich politische Entscheidungsträger: innen konzentrieren sollten. Es zeigt sich, dass Nachfragereduzierungen, neben den Kosten für erneuerbare Energien und den Emissionspreisen, den größten Einfluss auf mehrere für den Erfolg der Energiewende relevante Indikatoren haben. In allen Kapiteln dieser Dissertation werden unterschiedliche Methoden zur Berücksichtigung verschiedener Arten von Unsicherheit angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass trotz unsicherer zukünftiger Entwicklungen gemeinsame Erkenntnisse gefunden und no-regret Optionen formuliert werden können. Damit leistet diese Dissertation einen Beitrag zur laufenden wissenschaftlichen und öffentlichen Debatte, indem sie mögliche Pfade, Chancen und Barrieren der europäischen und deutschen Energiewende aufzeigt. Darüber hinaus wird den Prinzipien der offenen Wissenschaft gefolgt, die es anderen Forscher:innen ermöglicht, die Ergebnisse zu validieren und die angewandten Methoden zu nutzen.