Five Essays in Energy System Analysis: Exploring the Dunkelflaute and Unintended Storage Cycling

Abstract

Die Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien ist essenziell, um Klimaneutralität zu erreichen. Da das Potenzial steuerbarer erneuerbarer Energien in den meisten Ländern begrenzt ist, werden zukünftige Energiesysteme voraussichtlich überwiegend mit Strom aus fluktuierender Wind- und Solarenergie betrieben. Der Ausgleich zwischen Stromnachfrage und wetterabhängiger, variabler Erzeugung erfordert ein hohes Maß an Systemflexibilität. Zeitlich oder räumlich wirksame Flexibilitätsoptionen wie Stromspeicher oder Stromnetze können diese Herausforderung bewältigen.Im ersten Teil dieser Arbeit werden sogenannte “Dunkelflauten” untersucht, also langanhaltende Perioden mit äußerst geringem Dargebot an Wind- und Solarenergie. Zunächst wird ein methodischer Überblick darüber erarbeitet, wie Dunkelflauten definiert und quantifiziert werden können. Darauf aufbauend werden Dunkelflauten charakterisiert, die in einem vollständig erneuerbaren europäischen Energiesystem auftreten könnten. Die Analyse zeigt, dass extreme Dunkelflauten aus mehreren zusammenhängenden Ereignissen bestehen, die unterschiedlich stark ausgeprägt sind und innerhalb längerer Perioden mit unterdurchschnittlichem Dargebot fluktuierender erneuerbarer Energien auftreten. Mithilfe eines europäischen Stromsektormodells wird anschließend der Bedarf an Langzeitspeichern untersucht, der für den Ausgleich solcher extremer Wetterereignisse erforderlich ist.Der zweite Teil dieser Arbeit beleuchtet das Modellierungsartefakt “Unintended Storage Cycling”. Dieses Artefakt kann in Energiesystemmodellen auftreten, die Ausbauziele für erneuerbare Energien über Mindestanteile an der Stromerzeugung oder dem Stromverbrauch abbilden. Unintended Storage Cycling führt zu gleichzeitigen Lade- und Entladevorgängen in Stromspeichern und verursacht dabei unbeabsichtigte Modelleffekte. Die zugrunde liegenden Mechanismen, Ursachen und Auswirkungen auf Modellergebnisse werden systematisch untersucht und Lösungsansätze vorgestellt. Die Analyse zeigt außerdem, dass das Artefakt auch in Modellen ohne explizite Ausbauziele auftreten kann und diskutiert, wie in diesen Fällen das Artefakt unterbunden werden kann.Die Ergebnisse des ersten Teils bieten politischen Entscheidungsträgern ein fundiertes Verständnis über die Eigenschaften von Dunkelflauten und den damit einhergehenden Flexibilitätsanforderungen eines erneuerbaren europäischen Energiesystems. Der zweite Teil leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Energiesystemanalyse, indem bislang unbekannte Modellierungsfehler identifiziert und behoben werden. Die vorgestellten Lösungsansätze erhöhen damit die Zuverlässigkeit und Aussagekraft modellgestützter energiepolitischer Handlungsempfehlungen.

To mitigate climate change, fossil fuels have to be replaced with renewable energy sources. Since the potential of firm renewable energy is limited in most countries, future energy systems will heavily rely on variable wind and solar power, exposing these systems to weather variability. Balancing demand with variable supply requires temporal and spatial system flexibility, including different types of electricity storage and geographical balancing via transmission.The first part of this thesis focuses on understanding the characteristics and power system implications of extreme periods of low wind and solar availability, also referred to as “variable renewable energy droughts” or the German term “Dunkelflaute”. It provides a comprehensive overview of how to define and quantify such drought periods and characterizes historical wind and solar droughts in Europe. Results reveal that extreme drought events comprise multiple contiguous drought events of varying severity that occur within long-lasting periods of renewable availability well below average. Using a European power sector model, the analysis further investigates the long-duration storage needs required to cope with extreme droughts.To facilitate the rapid expansion of renewable energy sources, governments often commit to binding renewable shares in gross electricity consumption or generation for specific target years. The second part of this thesis explores unintended effects in cost-minimizing energy modeling related to such targets, particularly the phenomenon of “Unintended Storage Cycling”. This modeling artifact can be detected in the case of simultaneous storage charging and discharging, which leads to flawed model outcomes. The analysis examines the mechanisms, drivers, and modeling implications of unintended storage cycling, and discusses various options for removing the artifact. Additionally, the analysis is extended to model settings without binding renewable targets, where unspecified techno-economic trade-offs that such models optimize may cause unintended storage cycling.The insights from the first part of this thesis provide policymakers and system planners with a deeper understanding of the characteristics of variable renewable energy droughts and the need for system flexibility for coping with such extreme periods. The second part advances energy system modeling by identifying and addressing unintended effects, thereby enhancing the reliability of model-based policy recommendations used to guide the transition to renewable energy systems.