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Climate change resilient energy systems for Southeast Asian island communities

Lammers, Katrin

FG Energieverfahrenstechnik und Umwandlungstechniken regenerativer Energien

Southeast Asia is one of the regions most affected by the impacts of climate change. This is particularly true for remote communities on the numerous small islands in the region, underscoring the urgency of building climate change resilience for these remote island communities. In addition, these island communities face the problem of limited and unreliable electricity supply. Access to electricity is a prerequisite for many adaptation measures and thus has the potential to help Southeast Asian island communities improve their resilience. Surprisingly, both aspects electricity access and climate resilience are rarely linked in current energy planning for these island communities. Energy planning in a region highly affected by climate change requires integrated and multidimensional approaches that take these risks into account. Thus, my research aims to enable climate-resilient planning of off-grid energy systems to support island communities' adaptation efforts. This thesis develops and applies an initial and holistic approach towards climate resilient energy system planning building on the literature review, data analysis, and empirical research. Therefore, (i) a climate change risk assessment for Southeast Asian islands is developed and conducted. Based on these results, (ii) site-specific adaptation measures are selected and considered for three representative case study islands through energy system modelling. Based on the literature review, four different climate change-related hazards that impact current and future energy systems are identified: temperature increase, fluctuation in precipitation patterns (leading to floods and droughts), sea-level rise, and extreme weather events (e.g. cyclones). The climate change risk assessment conducted with QGIS, R and Excel reveals significant frequency and severity of these risks to Southeast Asian islands, their communities, and (future) energy systems. Climate change hazards vary across the region, but patterns and characteristics can be identified: There is a strong, geographically attributable risk for cyclones, a high risk for sea-level rise for smaller islands (resulting in a higher proportion of land loss), and a higher risk of flooding for islands outside the tropical climate classification (K\"oppen-Geiger). Furthermore, site-specific climate change risk profiles and scales are developed for all islands and included in the analysis. A list of adaptation measures and associated additional investment costs to reduce site-specific climate risks on off-grid energy systems and climate change-adapted demand structures is then compiled based on the results of the expert interviews conducted. Various energy modelling scenarios run in HOMER helped to map different degrees of climate resilient planning and allow for comparison with common planning approaches (business as usual - BAU) for three case study islands. Evaluation of these scenarios, which simulate different frequencies and severities of climate change induced damage to the energy system, shows that climate-resilient energy system planning is feasible in most cases: for 6 - 8 out of 9 cases per island, the climate-resilient energy system planning approach shows lower COEs than BAU system planning. The higher the frequency and severity of damages caused by climate change, the more feasible it is to adopt a climate-resilient system planning approach. Resilient power system planning reduces the probability of power outages due to environmental disturbances and thus minimises the losses associated with outages. Comparing the difference in investment costs between BAU and climate resilient planning with the estimated costs of power outages on the case study islands, it is clear that resilient power system planning pays off quickly: after 23 to 66 days of power outages, the investment difference reaches break-even. This research provides an initial overview of the potential benefits and applicability of resilient energy system planning for areas threatened by climate change and offers an approach to integrating climate change risk analysis into energy system planning. The results highlight the importance of climate risk assessment and resilient energy system planning for climate change threatened regions such as Southeast Asia. The developed approach improves the long-term energy reliability of Southeast Asian island communities and increases their resilience in the face of the intertwined climate and energy challenges.
Südostasien ist eine der Regionen, die am stärksten von den Auswirkungen des Klimawandels betroffen sind. Dies gilt insbesondere für abgelegene Gemeinden auf den zahlreichen, kleinen Inseln in der Region. Die Dringlichkeit, die Resilienz dieser abgelegenen Inselgemeinden gegen die Folgen des Klimawandels zu stärken, wird immer deutlicher. Darüber hinaus sind diese Gemeinden mit dem Problem einer begrenzten und unzuverlässigen Stromversorgung konfrontiert. Der Zugang zu Elektrizität ist eine Grundvoraussetzung für viele Klimaanpassungsmaßnahmen und hat somit das Potenzial, den südostasiatischen Inselgemeinden dabei zu helfen, ihre Resilienz zu verbessern. Überraschenderweise werden beide Aspekte - Stromzugang und Klimaresilienz - in der aktuellen Energieplanung für diese Gebiete nur selten miteinander verknüpft. Die Energieplanung in einer vom Klimawandel stark betroffenen Region erfordert integrierte und multidimensionale Lösungen, die diese Risiken berücksichtigen. Meine Forschung zielt darauf ab, eine klimaresiliente Planung von netzfernen Energiesystemen zu ermöglichen, um südostasiatische Inselgemeinden bei ihren Bemühungen zur Anpassung an den Klimawandel zu unterstützen. Im Rahmen dieser Forschung wird ein erster Ansatz für eine klimaresiliente Energiesystemplanung entwickelt und angewandt, der auf Literaturrecherche, Datenanalyse und empirischer Forschung basiert. Dazu wird (i) eine Risikobewertung der Klimawandelfolgen für südostasiatische Inseln durchgeführt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden (ii) standortspezifische Anpassungsmaßnahmen ausgewählt und bei der Modellierung des Energiesystems für drei repräsentative Fallstudieninseln berücksichtigt. Auf der Grundlage der Literaturrecherche wurden vier verschiedene mit dem Klimawandel zusammenhängende Risiken identifiziert, die sich auf aktuelle und künftige Energiesysteme auswirken: Temperaturanstieg, Schwankungen von Niederschlagsmustern (die zu Überschwemmungen und Dürren führen), Anstieg des Meeresspiegels und extreme Wetterereignisse (z.B. Zyklone). Die mit QGIS, R und Excel durchgeführte Risikobewertung des Klimawandels zeigt eine erhebliche Häufigkeit und Schwere dieser Risiken für die südostasiatischen Inseln, ihre Gemeinden und die (zukünftigen) Energiesysteme. Die vom Klimawandel hervorgerufenen Risiken sind in der Region unterschiedlich ausgeprägt, aber es lassen sich Muster und Merkmale erkennen: Es besteht ein starkes, geografisch zuzuordnendes Risiko für Zyklone, ein hohes Risiko für den Anstieg des Meeresspiegels für kleinere Inseln (die einen höheren Anteil ihres Landes verlieren) und ein höheres Überschwemmungsrisiko für Inseln außerhalb der tropischen Klimaklassifikation (K\"oppen-Geiger). Für alle in dieser Analyse einbezogenen Inseln wurden standortspezifische Risikoprofile und -skalen erstellt. Basierend auf den Ergebnissen der durchgeführten Experteninterviews wird eine Auflistung von Anpassungsmaßnahmen und damit verbundenen, zusätzlichen Investitionskosten zur Verringerung der Auswirkungen der standortspezifischen Klimarisiken auf netzferne Energiesysteme und an den Klimawandel angepasste Energiebedarfe erstellt. Verschiedene Energiemodellierungsszenarien, die in HOMER ausgeführt wurden, helfen dabei, verschiedene Grade klimaresilienter Planung abzubilden und ermöglichen einen Vergleich mit gängigen Planungsansätzen für drei Fallstudieninseln. Die Auswertung dieser Szenarien, die unterschiedliche Häufigkeiten und Schweregrade von klimawandelbedingten Schäden am Energiesystem simulieren, zeigt, dass eine klimaresiliente Energiesystemplanung in den meisten Fällen von Vorteil ist: Für 6 - 8 von 9 Fällen pro Insel zeigt der Ansatz der klimaresilienten Energiesystemplanung niedrigere Elektrizitätskosten als die BAU-Systemplanung. Je höher die Häufigkeit und Schwere der durch den Klimawandel verursachten Schäden am Energiesystem ist, desto sinnvoller ist es, einen klimaresilienten Systemplanungsansatz zu verfolgen. Eine resiliente Energiesystemplanung verringert die Wahrscheinlichkeit von Stromausfällen aufgrund von Klimawandelfolgen und minimiert somit die mit den Stromausfällen verbundenen wirtschaftlichen Verluste. Vergleicht man die Differenz der Investitionskosten zwischen BAU und klimaresilienter Planung mit den geschätzten Kosten der Stromausfälle auf den Fallstudieninseln, so wird deutlich, dass sich eine resiliente Energiesystemplanung lohnt: Nach 23 bis 66 Tagen andauernder Stromausfälle erreicht die Investitionsdifferenz die Gewinnschwelle. Diese Forschungsarbeit gibt einen ersten Überblick über den potenziellen Nutzen und die Anwendbarkeit einer klimaresilienten Energiesystemplanung für vom Klimawandel bedrohte Gebiete und bietet einen Ansatz zur Integration der Klimarisikoanalyse in die Energiesystemplanung. Die Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung der Klimarisikobewertung und der darauf aufbauenden Planung eines resilienten Energiesystems für eine vom Klimawandel bedrohte Region wie Südostasien. Der entwickelte Ansatz verbessert die langfristige Energiezuverlässigkeit der südostasiatischen Inselgemeinden und kann so ihre Klimaresilienz steigern.
  • The printed version includes ISBN 978-3-948268-75-6.