Universität zu Köln

Wohland, Jan ORCID: 0000-0001-8336-0009 (2019). Impacts of climate variability and climate change on renewable power generation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Anthropogenic climate change represents a major risk for human civilization and its mitigation requires reductions of greenhouse gas emissions. To stay consistent with the long-term temperature targets of international climate policy, global greenhouse gas emissions have to reach zero within a few decades. Such a dramatic transition towards sustainability in all sectors of human activity requires the decarbonization of power generation at an early stage. In absence of other viable technology choices and given the significant cost declines, renewable power generation forms the backbone of the decarbonization. In contrast to thermal power plants, most renewables are not dispatchable but their generation dynamics are governed by the weather. This dissertation adds to the quantification of impacts of climate variability on wind power generation on different time scales. In particular, it shows that inter-annual wind power generation variability already today has a strong influence on congestion management costs in Germany. Understanding this variability as a normal system feature helps to prevent short-sighted reactions in legislation and power system design. Moreover, it is shown that relevant multi-decadal wind power generation variability exists. Owing to timescales of up to 50 years, these modes are not sufficiently sampled in any modern reanalysis (e.g., MERRA2 or ERA-Interim), which currently cover around 40 years. Consequently, power system assessments based on modern reanalyses may be flawed and should be complemented by multi-decadal assessments. In this context, I also show that 20th century reanalyses (ERA-20C, CERA20C, 20CRv2c) disagree strongly and systematically with respect to long-term wind speed trends. The discrepancy can be traced back to marine wind speed observations which also feature strong upward wind trends that are likely due to an evolving measurement technique. As a consequence, 20th century reanalyses should be employed with care and cross-validation of results is recommended. Due to their weather dependency, renewables are potentially vulnerable to climate change. Indeed, I show that the benefits of large-scale transmission infrastructure in Europe shrink under strong climate change (RCP8.5). The effect is robust across a five member EUROCORDEX ensemble and can be solidified in a larger CMIP5 ensemble. It is rooted in more homogeneous wind conditions over Europe that lead to less smoothing effects via large scale spatial integration. Lastly, the debate around negative emission technologies to enlarge the carbon budget currently focuses on land-based approaches such as Bioenergy with Carbon Capture and Storage. Based on a schematic integration of Direct Air Capture (DAC), we show that its flexibility complements renewable generation variability and can help to integrate large shares of renewables.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Der Einfluss von Klimavariabilität und Klimawandel auf Erneuerbare Stromerzeugung German
Translated abstract:	Abstract Language Menschengemachter Klimawandel stellt ein substantielles Risiko für die menschliche Zivilisation dar und seine Begrenzung erfordert eine Reduktion des Ausstoßes von Treibhausgasen. Um mit den langfristigen Temperaturzielen des Pariser Klimaabkommens konsistent zu bleiben, müssen die globalen Treibhausgasemissionen in den nächsten Jahrzehnten auf Null reduziert werden. Ein solch tiefgreifender Übergang zu mehr Nachhaltigkeit in allen Sektoren menschlicher Aktivität erfordert die Dekarbonisierung des Strombereiches als einen der ersten Schritte. Angesichts mangelnder vielversprechender alternativer Technologieoptionen und aufgrund des starken Rückgangs der Kosten stellen erneuerbare Energien das Rückgrat dieser Dekarbonisierung dar. Im Gegensatz zu den meisten konventionellen Kraftwerken, sind Erneuerbare allerdings nicht direkt steuerbar. Stattdessen wird die Dynamik erneuerbarer Energieerzeugung vom Wetter diktiert. Diese Dissertation trägt zur Quantifizierung von Einflüssen von Klimavariabilität auf Windenergieerzeugung bei und berücksichtigt dabei unterschiedliche Zeitskalen. Insbesondere zeigt sie auf, dass interannuale Variabilität von Windenergieerzeugung bereits heute einen starken Einfluss auf die Kosten von Engpassmanagement hat. Diese Variabilität als eine normale Eigenschaft des Systems zu verstehen hilft dabei kurzsichtige Reaktionen im Bereich der Gesetzgebung und dem Design des Stromssystems zu verhindern. Darüber hinaus wird gezeigt, dass es relevante multi-dekadische Windenergieerzeugungsvariabilität gibt. Da diese Moden Zeitskalen von bis zu 50 Jahren aufweisen sind sie in allen modernen Reanalysen (z.B. MERRA-2 oder ERA-interim) nicht ausreichend abgebildet, da moderne Reanalysen nur etwa die letzten 40 Jahre umfassen. Daraus folgt, dass Stromsystemanalysen, die auf modernen Reanalysen basieren, fehlerbehaftet sein können und mit multi-dekadischen Analysen ergänzt werden sollten. In diesem Zusammenhang zeige ich außerdem, dass Reanalysen des 20. Jahrhunderts (ERA20C, CERA20C, 20CRv2c) sich hinsichtlich langfristiger Windtrends deutlich und systematisch widersprechen. Der Widerspruch kann auf marine Windbeobachtungen, die ihrerseits bereits deutliche Aufwärtstrends beinhalten, zurückgeführt werden. Der Grund für die Trends ist wahrscheinlich eine sich entwickelnde Messtechnik, insbesondere eine systematische Verschiebung der Höhe des Messung. Es folgt, dass Reanalysen des 20. Jahrhunderts vorsichtig verwendet werden sollten und dass eine Validierung der Ergebnisse durch Vergleich mehrerer Datenquellen zu empfehlen ist. Aufgrund ihrer Wetterabhängigkeit sind Erneuerbare potentiell gefährdet durch den Klimawandel. In der Tat zeigen wir, dass die Vorteile eines großskaligen Stromnetzes unter starkem Klimawandel (RCP8.5) reduziert werden. Der Effekt ist robust innerhalb eines EUROCORDEX Ensembles mit fünf Mitgliedern und kann weiter untermauert werden in einem größeren CMIP5 Ensemble. Der Effekt hat seinen Ursprung in gleichmäßigeren Windbedingungen über Europa, die weniger ausgleichende Effekte durch großskalige räumliche Integration ermöglichen. Als letzter Themenbereich wird die Debatte um negative Emissionen aufgegriffen, die benötigt werden um das geringe verbleibende CO2 Budget zu vergrößern. Diese Debatte konzentriert sich zum Großteil auf Bioenergie mit CO2 Abscheidung und Speicherung. Wir zeigen mittels eines schematischen Ansatzes zur Integration von CO2 Abscheidung aus der Luft (DAC), dass die Flexibilität von DAC und die Variabilität von Erneuerbaren sich ergänzen, sodass DAC helfen könnte große Anteile von Erneuerbaren in das Stromsystem zu integrieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wohland, Jan UNSPECIFIED orcid.org/0000-0001-8336-0009 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-98527
Date:	2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language renewables, power generation, wind energy, climate variability, climate change, redispatch, congestion English
Date of oral exam:	2019
Referee:	Name Academic Title Witthaut, Dirk JProf. Dr. Schadschneider, Andreas Prof. Dr. Brayshaw, David Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9852