Five Essays in Energy Economics: Numerical and Empirical Perspectives on the Decarbonization of the Energy Sector

Abstract

Diese Dissertation behandelt die Herausforderungen der Dekarbonisierung im Energiesektor aus verschiedenen Perspektiven mit unterschiedlichen Methoden. Kapitel 1 liefert Hintergrund und Motivation. Kapitel 2 analysiert die Beziehung zwischen geografischer und zeitlicher Flexibilität im Strommarkt in einem Szenario mit 100% erneuerbaren Energien in zwölf mitteleuropäischen Ländern. Unter Anwendung eines Energiesystemmodells und einer Faktortrennungsmethode werden die Auswirkungen des europäischen Stromverbunds auf die optimale Speicherkapazität untersucht. Es zeigt sich, dass sich der Speicherbedarf durch den Stromverbund um 30% verringert, was in erster Linie auf Unterschiede in den Erzeugungsprofilen der Windenergie zwischen verschiedenen Ländern zurückzuführen ist. In Kapitel 3 wird die Integration des Gebäude- und Wärmesektors in den Stromsektor untersucht, unter besonderer Berücksichtigung der Rolle von Wärmepumpen. Die Auswirkungen auf den Stromsektor in Deutschland von gut sechs Millionen zusätzlichen Wärmepumpen bis 2030 werden untersucht, unter besonderer Berücksichtigung von Wärmespeichern. Die Ergebnisse zeigen, dass zusätzliche Wärmepumpen mithilfe der Photovoltaik zu begrenzten Zusatzkosten eingesetzt werden können. Wärmespeicher spielen dabei eine wichtige Rolle, um den zusätzlichen Bedarf an Stromspeichern und Erzeugungskapazitäten zu verringern. Insgesamt kann mit der Einführung der Wärmepumpen eine erhebliche Reduzierung des Erdgasverbrauchs und der CO2-Emissionen erreicht werden. In Kapitel 4 wird die gleichzeitige Einführung von Wärmepumpen in mehreren europäischen Ländern untersucht. Es wird sowohl die Korrelation zwischen der Wärmenachfrage und der Residuallast untersucht, als auch die Auswirkungen auf Stromerzeugungskapazitäten. Aufgrund der Korrelation der Wärmenachfrage zwischen den untersuchten Ländern kann der europäische Stromverbund die zusätzlich benötigten Erzeugungskapazitäten der Wärmepumpen nicht wesentlich verringern. Die Ergebnisse dieses Kapitels heben wieder die positiven Eigenschaften von Wärmespeichern hervor und zeigen die Schwankungsbreite der Ergebnisse in Abhängigkeit des verwendeten Wetterjahres. Auch Kapitel 5 analysiert den Wärmesektor, nimmt aber eine empirische Perspektive ein und untersucht verhaltensbedingte Gaseinsparungen in Deutschland im Kontext einer drohenden Gasmangellage im Winter 2022/23. Mithilfe von offenen Daten und kausalem maschinellem Lernen werden signifikante verhaltensbedingte Gaseinsparungen durch Haushalte und Unternehmen quantifiziert, die zur Schließung der Versorgungslücke beitrugen. Das temperaturabhängige Einsparverhalten wird analysiert und die Bedeutung von zeitnah und öffentlich verfügbaren Daten wird unterstrichen, um die Öffentlichkeit und Politik adäquat zu informieren. Kapitel 6 schätzt die externen Effekte von Windkraftanlagen, insbesondere mögliche Gesundheitsauswirkungen. Daten deutscher Haushalte des Sozio-oekonomischen Panels (SOEP) werden mit Informationen zu Windkraftanlagen kombiniert. Mit einem Differenz-in-Differenzen-Ansatz werden die Effekte geschätzt. Hinweise auf negative gesundheitliche Auswirkungen können nicht gefunden werden.

This dissertation explores the challenge of decarbonization of the energy sector from different perspectives, applying various methods. Chapter 1 provides background and motivates the thesis. Chapter 2 assesses the relationship between geographical and temporal flexibility in a 100% renewable energy scenario across twelve central European countries. Applying a capacity expansion model and a factor separation method, it disentangles the impact of interconnection on optimal storage capacity. It can be shown that interconnection leads to a reduction of 30% in storage needs, primarily attributed to differences in wind power profiles between countries. Chapter 3 examines the integration of heating into the power sector, particularly the role of heat pumps. The power sector impacts of a substantial rollout of heat pumps in Germany by 2030 are assessed, considering buffer heat storage. The results indicate that even in scenarios with limited wind power expansion, heat pumps, accompanied by solar photovoltaics, can be deployed with limited additional costs. Importantly, heat storage proves effective in reducing the need for electricity storage and other generation capacities, while overall, a substantial reduction in natural gas consumption and CO2 emissions can be achieved. Chapter 4 expands the analysis to an international setting, studying a simultaneous rollout of heat pumps in several central European countries. Assessing the effects on electricity generation capacities, the chapter also explores the alignment of heating demand with renewable energy scarcities. Because of correlated heat demand between countries, geographical balancing does not substantially reduce the additional needed generation capacities. Confirming the results of the previous chapter, thermal energy storage capacities help reduce the need for additional generation capacities. The chapter also shows that results vary substantially between different weather years. Chapter 5 remains in the field of heating but takes an empirical perspective and studies behavioral gas savings in Germany during the 2022-23 heating season prompted by a potential gas supply shortage. Using open data and causal machine learning, significant behavioral gas savings by German households and businesses are quantified, contributing to closing the supply gap. Temperature-dependent saving dynamics are explored, emphasizing the importance of timely and accessible data for informing the public and policymakers. Continuing with the empirical perspective, Chapter 6 estimates the externalities of energy infrastructures, focusing on the potential health impacts of wind power plants. Data on German households of the Socio-Economic Panel (SOEP) is combined with geolocated data on wind power plants. Applying a staggered difference-in-difference estimation, the analysis finds no evidence of adverse health effects on nearby residents.