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Erschienen in: Zeitschrift für Energiewirtschaft 2/2018

30.04.2018

Can Lignite Take a Back Seat?

The Impact of a Lignite Phase-out on Transmission Grid Extensions in the Context of the German Energy System Transformation

verfasst von: David Gunkel, Dominik Möst

Erschienen in: Zeitschrift für Energiewirtschaft | Ausgabe 2/2018

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Abstract

Transmission grid extension is a central aspect of the future energy system transition in Germany. This stems from the diverging occurrence of renewable energy feed-in and consumption as well as the targeted nuclear and currently discussed carbon phase-outs. After realizing the retirement of the domestic nuclear energy fleet by 2022, a next policy objective could be the phase-out of domestic lignite generation. The German electricity grid was not designed to accommodate these emerging challenges. Hence, the following paper addresses the impact of decommissioning lignite power plants on the most cost-effective grid extensions by 2030. To determine the optimal transmission grid design, efficient methods for techno-economic analysis are required. The challenge of conducting an analysis of grid extensions involves lumpy investment decisions and the non-linear character of several restrictions in a real-data environment. The following paper introduces the application of the Benders Decomposition, dividing the problem into an extension and a dispatch problem to reduce the degree of computational complexity. The results show that lignite phase-out can significantly increase the number of grid extensions in Germany. All scenarios simulating a lignite phase-out by 2030 lead to higher overall system costs but lower CO\({}_{2}\) emissions.

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Fußnoten
1
PDTF represents the power transmission and distribution factor approach. It provides an alternate method for computing flow calculations instead of using the approach of Schweppe et al. (1988); Stigler and Todem (2005).
 
2
The “Rheinisches Revier” is a lignite-mining region in Western Germany near the city of Cologne.
 
3
The “Mitteldeutsches Revier” is a middle German lignite-mining region close to Leipzig and “Lausitz” (Lusatia) represents a region spread across the German states of Brandenburg and Saxony.
 
4
As part of the ESA\({}^{2}\)-project, an alternative road-map for the transformation of the European energy system to a low carbon economy was computed. The outcome of the project was based on synergies arising from coupled and highly specified models for calculating the demand, investment in power plants and generation dispatch up to 2050. The EU-27+ countries were considered. It is assumed for this paper that the capacities of the neighboring countries are expanded along a similar path presented in the EU Roadmap. The central assumptions are analogous to those laid out in the Roadmap. The complete report is available at researchgate.​net.
 
5
To cope with network security requirements like the n‑1-criterion, a transmission reliability margin of 20% is assumed.
 
6
From a system perspective, the load at every node is to be supplied by RES at minimal costs. To accomplish this, new transmission capacities are required. This leads to the trade-off between adding a new line for transporting RES generation to other regions and curtailing regional excess supply.
 
7
The demolition or downgrading of existing lines is assumed to be impossible. The TSO can use these existing transmission capacities for transmission reliability measures.
 
8
The line upgrade component model entails binary decisions with respect to the voltage increase. This method is similar to the extension component model and thus not demonstrated here.
 
9
The installation of a further line additionally influences the corridor’s line parameters, e.g. conductance and susceptance, which are summarized in \(H\).
 
10
If the difference between the upper and lower bound falls below a tolerance level of 1%, the iteration process is halted. The level was selected after applying different sensitivities. Decreasing this level only leads to longer computational times but with the same results for each scenario. Due to the nonlinear character, (see e.g. Eqs. 12 and 13) the solution obtained does not contain a proven global optimum. The process does produce at least a local optimum.
 
11
If the grid extension come up to extreme delay and no further line would be added, the level of under supply would be \(18\,\text{TWh}\) in LPO-DE case.
 
12
An additional increase in cross-border transmission or further storage units for RES could mitigate this shortfall. These scenarios, however, are excluded from the current analysis.
 
13
An increase in additional lines above the cap of two can further reduce RES curtailment and improve the supply structure.
 
14
The German climate policy targets envisage a reduction in emission levels of \(74\,\text{Mio.\leavevmode\nobreak\ t}_{\text{CO}_{2}}\) by 2050.
 
15
The conventional generation units in Poland increase their annual production from \(148.6\,\text{TWh}\) (REF) to \(151.7\,\text{TWh}\) in scenario LPO-DE and Czech conventional generation growths from \(39.5\,\text{TWh}\) to \(44.3\,\text{TWh}\) while in LPO-Gas the level remains constant.
 
16
The influence of decentralized storage units are investigated in Gunkel and Möst (2015).
 
17
The calculated time slices account for different combinations of wind and photovoltaic feed-in and an inelastic demand. Every time slice is weighted by the frequency of similar situations during a year. The authors have verified the adequate level of representation of the snapshot used of \(8760\,{{\text{h}}\,{\text{a}^{-1}}}\) by calibrating the model to reflect the annual conventional and intermittent generation of the reference year 2012.
 
Literatur
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Metadaten
Titel
Can Lignite Take a Back Seat?
The Impact of a Lignite Phase-out on Transmission Grid Extensions in the Context of the German Energy System Transformation
verfasst von
David Gunkel
Dominik Möst
Publikationsdatum
30.04.2018
Verlag
Springer Fachmedien Wiesbaden
Erschienen in
Zeitschrift für Energiewirtschaft / Ausgabe 2/2018
Print ISSN: 0343-5377
Elektronische ISSN: 1866-2765
DOI
https://doi.org/10.1007/s12398-018-0223-5

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