Published March 11, 2018 | Version v1
Miscellaneous

Decentralization, regionalization and electricity grids. Meta-study on assumptions, insights and narratives for the Renewables Grid Initiative (RGI)

Description

In the discourse about infrastructure expansion that is robust and for which public acceptance is assured, the relationship between decentralization and the future demands on power grid infrastructures is a critical issue. It includes the whole spectrum of applicable interrelationships, the myriad areas of tension and complexities of centrality, decentralization and so-called ''cellular'' approaches. The issue of decentralization - which is often handled very vaguely and (too) often features rather crude narratives - requires a nuanced, differentiated analysis. In a first step the present study reviews and analyzes the different dimensions and aspects of decentralization of electricity generation based on literature reviews. This finds, first of all, that a purely technical approach to the relationship between decentralization and grid expansion (small vs. large installations, connected voltage level) is not a viable approach. A crucial factor in the context of grid expansion is, firstly, the proximity of power generation plants to electricity customers. If a large share of the power generation is decentralized, the pressures on the electricity grid can naturally be reduced. Secondly, the proximity of the flexibility options (e.g. demand flexibility, storage, back-up capacities) to the electricity customers is of major importance, since such flexibility options will play a fundamental role in an electricity system based on renewable energies. In a second step, data analyses (with a high spatial resolution) were conducted on the limits of potentials for absolute solar and wind power generation and on the corresponding demand structures (in both cases on a district level). These analyses initially completely exclude the cost or availability issues of flexibility options and contain only quantity balances with a high spatial resolution. They show that, firstly, there is a substantial concentration of demand in the industrial regions in the west and south and in the metropolitan regions of Germany. In a third step, a comparative analysis is conducted for a wide range of models of the German electricity system that have different designs and use very different methodologies. Scenarios that calculate a 20% to 50% lower need for grid expansion have the following characteristics: 1. The scenarios assume or determine a strong expansion of onshore wind energy in the ''South'' zone. The scope of the additional grid expansion resulting for 2030 and 2035 is three to four times, and in extreme cases six times, higher than the values assumed in the network development plans. 2. A disproportionate expansion of onshore wind energy in the ''West'' zone is predominantly assumed or calculated. The additional grid expansion amounts to a factor of 2 to 3, and in two extreme cases to a factor of 7, higher than that assumed in the network development plans. 3. Largely, albeit not consistently, a very strong expansion of solar power generation is assumed in the ''South'' zone. The capacities of PV systems in the ''South'' zone exceed that of the network development plans for 2030 and 2035 by a factor of 2 to 3. (4.) For 2030 the relationships between the remaining coal-fired power plant capacities and the necessary grid expansion depend to a great extent on how (additional) renewable power generation is regionalized. For 2035 the amount of coal-fired power generation no longer shapes the dimensions of electricity grid expansion. Viewing the three steps of the analysis overall, a number of recommendations for action can be derived in addition to the above-mentioned conclusions. Firstly, a structured discourse is needed to clarify whether and in which model or at what times decentralized (''cellular'') control approaches - aside from optimization of self-consumption - could be implemented or considered as a variant for grid expansion planning. Secondly, the assumptions for expansion limits of renewable power generation need to be validated. This is the case for onshore and offshore wind power capacities as well as PV power generation in high spatial resolution, at least for the zones and particularly the ''South'' and ''West'' zones in Germany. The real land potentiality and acceptance should receive special attention. Thirdly, there is an urgent need to develop a uniform assessment criteria for calculating all the costs and land requirements (for electricity generation plants, flexibility options and infrastructures) in order to enable comparability in future analyses. Fourthly, to improve the comparability of future studies, it would be helpful to develop a pragmatic metric that can be used to compare the grid expansion needs and take into account the different modeling approaches. The present metastudy is the first comprehensive attempt to analyze the complex fields of tension between decentralization and grid expansion, which have been shaped by different narratives and present many conceptual and data challenges. Further research needs to be conducted on these aspects.

Availability note (English)

Available from: https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Meta-Studie-Dezentralitaet-Regionalisierun g-und-Stromnetze.pdf

Abstract (German)

Im Diskurs um einen robusten und akzeptanzseitig abgesicherten Infrastrukturausbau bildet das Verhaeltnis zwischen Dezentralitaet und dem zukuenftigen Bedarf an Stromnetzinfrastrukturen einen kritischen Bereich. Dies betrifft sowohl die ganze Bandbreite der relevanten Zusammenhaenge als auch die vielfaeltigen Spannungsfelder und Abwaegungsfragen von Zentralitaet, Dezentralisierung und zellularen Ansaetzen. Das oft sehr vage und (zu) oft auf der Ebene von eher groben Narrativen bleibende Thema Dezentralitaet bedarf einer Abschichtung. Auf der ersten, qualitativen Untersuchungsebene der hier vorgelegten Studie werden die verschiedenen Dimensionen und Bewertungsaspekte von Dezentralitaet auf der Basis von Literaturauswertungen betrachtet. Dabei ergibt sich zunaechst, dass mit Blick auf den Zusammenhang zwischen Dezentralitaet und Netzausbau die rein technische Sicht (Klein- vs. Grossanlagen, angeschlossene Spannungsebene) keine tragfaehige Perspektive bildet. Einen entscheidenden Faktor hinsichtlich des Netzausbaus bildet erstens die Verbrauchsnaehe der Erzeugungsanlagen. Ein grosser Anteil von verbrauchsnahen Anlagen koennte den Netzbedarf naturgemaess verringern. Zweitens ist aber auch Verbrauchsnaehe der Flexibilitaetsoptionen (z.B. Nachfrageflexibilitaet, Speicher, Backup-Kapazitaeten) von erheblicher Bedeutung, da diese Flexibilitaetsoptionen in einem regenerativ gepraegten Stromsystem eine elementare Rolle spielen werden. Auf einer zweiten Untersuchungsebene wurden ergaenzende Datenanalysen zu den raeumlich hoch aufgeloesten Grenzen der Potenziale fuer die absolute Solar- und Windstromerzeugung sowie zu den entsprechenden raeumlichen Nachfragestrukturen (jeweils auf Ebene der Landkreise) durchgefuehrt. Diese Analysen blenden zunaechst Kosten- oder Verfuegbarkeitsfragen der Flexibilitaetsoptionen vollstaendig aus und umfassen allein raeumlich hoch aufgeloeste Mengenbilanzen. Sie zeigen, dass erstens eine erhebliche Konzentration der Nachfrage in den Industrieregionen im Westen und Sueden Deutschlands sowie in den Metropolregionen vorliegt. Auf einer dritten Untersuchungsebene wurde eine grosse Bandbreite von verschieden ausgerichteten und methodisch sehr unterschiedlich angelegten Modellierungen des deutschen Stromsystems einer vergleichenden Analyse unterzogen. Szenarien, die einen um 20 bis 50% geringeren Netzausbaubedarf errechnen, sind durch die folgenden Punkte charakterisiert. 1. Sie unterstellen oder ermitteln einen starken Ausbau der Onshore-Windenergie in der Zone Sued. Die Groessenordnungen dieses Mehrausbaus fuer den Zeithorizont 2030 und 2035 liegen beim Drei- bis Vierfachen, im Extremfall beim Sechsfachen der in den Netzentwicklungsplaenen angenommenen Werte. 2. Ganz ueberwiegend wird ein ebenfalls ueberproportionaler Ausbau der Onshore- Windenergie in den Zone West unterstellt oder errechnet. Hier liegt der Mehrausbau um den Faktor 2 bis 3, in zwei Extremfaellen um den Faktor 7 ueber den Annahmen der Netzentwicklungsplaene. 3. Ueberwiegend, wenn auch nicht durchgaengig, liegt ein sehr starker Ausbau der solaren Stromerzeugung in der Zone Sued zu Grunde. Das Kapazitaetsniveau der PVAnlagen in der Zone Sued uebertrifft das der Netzentwicklungsplaene fuer den Zeithorizont 2030 und 2035 um den Faktor 2 bis 3. (4.) Fuer den Zeithorizont 2030 haengen die Zusammenhaenge zwischen dem Umfang der verbliebenen Kohlekraftwerkskapazitaeten und dem notwendigen Netzausbau massgeblich davon ab, nach welchem Muster die (zusaetzliche) erneuerbare Stromerzeugung regionalisiert wird. Fuer den Zeithorizont 2035 hat der Umfang der Kohleverstromung keinen Erklaerungswert fuer die Dimensionierung des Netzausbaus mehr. In der Zusammenschau der drei Untersuchungsebenen laesst sich neben den genannten Erkenntnissen eine Reihe von Handlungsbedarfen und Handlungsempfehlungen ableiten. Diese betreffen erstens einen strukturierten Diskurs zur Klaerung der Frage, ob und in welchem Modell bzw. mit welchen Zeithorizonten dezentrale (zellulare) Steuerungsansaetze jenseits der Eigenverbrauchsoptimierung eingefuehrt bzw. als Variante fuer die Netzausbauplanung beruecksichtigt werden koennten. Zweitens beduerfen die Annahmen zu Ausbaugrenzen der regenerativen Stromerzeugung einer Validierung. Dies gilt fuer die Onshoreund Offshore-Windkraftkapazitaeten wie auch die PV-Stromerzeugung in hoher raeumlicher Aufloesung, zumindest aber auf Ebene der verschiedenen Zonen und insbesondere mit Blick auf die Zonen Sued und West. Die reale Flaechenerschliessbarkeit und Akzeptanz sollten hier in besonderem Masse Beruecksichtigung finden. Drittens sollten dringend einheitliche Bewertungsraster fuer die Bilanzierung aller Kosten und Flaechenbedarfe (jeweils fuer Erzeugungsanlagen, Flexibilitaetsoptionen und Infrastrukturen) entwickelt werden, um fuer zukuenftige Analysen auch hier Vergleichbarkeiten zu ermoeglichen. Viertens waere fuer bessere Vergleichbarkeit zukuenftiger Analysen die Entwicklung einer pragmatischen Metrik hilfreich, mit der unter Beruecksichtigung der unterschiedlichen Modellierungsansaetze der Umfang des Netzausbaubedarfs in vergleichbarer Weise beschrieben werden kann. Die hier vorgelegte Metastudie bildet einen ersten umfassenden Versuch, die komplexe, an vielen Stellen von Narrativen gepraegte sowie konzeptionell und datenseitig anspruchsvolle Materie im Spannungsfeld von Dezentralitaet und Netzausbau aufzuarbeiten. Eine Weiterfuehrung dieses Analysestrangs erscheint dringend geboten.

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Dezentralitaet, Regionalisierung und Stromnetze. Meta-Studie ueber Annahmen, Erkenntnisse und Narrative fuer die Renewables Grid Initiative (RGI)

Publishing Information

Imprint Pagination
87 p.

INIS

Country of Publication
Germany
Country of Input or Organization
Germany
INIS RN
49070744
Subject category
S29: ENERGY PLANNING, POLICY AND ECONOMY;
Resource subtype / Literary indicator
Non-conventional Literature
Descriptors DEI
ELECTRIC POWER; ENERGY POLICY; FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY; FORECASTING; GRIDS; MATHEMATICAL MODELS; POWER GENERATION; RECOMMENDATIONS; RENEWABLE ENERGY SOURCES; SIMULATION
Descriptors DEC
DEVELOPED COUNTRIES; ELECTRODES; ENERGY SOURCES; EUROPE; GOVERNMENT POLICIES; POWER; WESTERN EUROPE