Centralized and Decentralized Components in the Energy System

Centralized and Decentralized Components in the Energy System

Position Paper April 2020 Centralized and decentralized components in the energy system The right mix for ensuring a stable and sustainable supply “Energy Systems of the Future” is a project of: German National Academy of Sciences Leopoldina | www.leopoldina.org acatech – National Academy of Science and Engineering | www.acatech.de Union of the German Academies of Sciences and Humanities | www.akademienunion.de Imprint Series publishers acatech – National Academy of Science and Engineering (lead institution) Munich Office: Karolinenplatz 4, 80333 Munich, Germany | www.acatech.de German National Academy of Sciences Leopoldina Jägerberg 1, 06108 Halle (Saale), Germany | www.leopoldina.org Union of the German Academies of Sciences and Humanities e. V. Geschwister-Scholl-Straße 2, 55131 Mainz, Germany | www.akademienunion.de Edited by Julika Witte, acatech Translation Lodestar Translations Scientific coordination Dr. Berit Erlach, acatech Production coordination Marie-Christin Höhne, acatech Design and typesetting aweberdesign.de . Büro für Gestaltung, Berlin Printing Laser Line GmbH, Berlin Printed on acid-free paper, Printed in EC ISBN: 978-3-8047-4061-7 Bibliographical information from the German National Library The German National Library has listed this publication in the German National Bibliography; detailed bibliographic data are available online at http://dnb.d-nb.de. Centralized and decentralized components in the energy system The right mix for ensuring a stable and sustainable supply “Energy Systems of the Future” is a project of: German National Academy of Sciences Leopoldina | www.leopoldina.org acatech – National Academy of Science and Engineering | www.acatech.de Union of the German Academies of Sciences and Humanities | www.akademienunion.de 3 Preface The energy supply is undergoing change. Increasing numbers of private individuals, energy cooperatives and municipalities are operating their own solar systems, biogas plants or wind farms and so complementing the major suppliers and power stations. Cit- izens are increasingly becoming prosumers who heat their houses in a climate-friendly and efficient way with heat pumps and connect the photovoltaic systems on their roofs to their electric cars with battery banks. But will these decentralized systems alone be capable of meeting future energy needs? Since wind and solar power will increasingly also have to replace fossil energy carriers in the heat and transport sectors, power needs could double by 2050, as shown by the position paper “Coupling the different energy sectors – options for the next phase of the energy transition” which the Academies' Project “Energy Systems of the Future” (ESYS) published in 2017. Such a high level of demand can only be met by a four- to six-fold increase in wind power and solar system capacity. Achieving this will require not only decentralized plants but also large solar and wind farms capable of providing large volumes of power at low cost. So how can centralized and decentralized technologies be combined to create a func- tional overall system and enable a secure, climate-friendly and competitive energy supply? This is the question the German Academies of Sciences have addressed in the present publication. They have concluded that the energy transition can only succeed if it is supported by the population. Energy transition planning must therefore focus more on conflicts with nature conservation and residents. Moreover, citizens should have much greater opportunities than they have so far enjoyed to be actively involved in the planning and decision-making processes. Opportunities for financial and political participation can increase acceptance of the energy transition. It is, however, also clear that power grid expansion, which is unpopular among some sections of the population, is unavoidable even if the energy transition is given a highly decentralized orientation. Another finding is that digitalization will in future be indispensable for efficiently con- trolling a fragmented energy supply system. Another working group in the Academies' Project is addressing the question of how digitalization can be made secure. At the same time, practitioners are demanding a reliable regulatory framework for climate-friendly innovation and investment. We would like to express our sincere thanks to the scientists and reviewers for their commitment. Prof. Dr Jörg Hacker Prof. Dr Dieter Spath Prof. Dr Dr Hanns Hatt Past President President President German National Academy of acatech – National Academy of Union of the German Academies Sciences Leopoldina Science and Engineering of Sciences and Humanities 4 Contents Contents Preface ����������������������������������������������������������������������������������������3 Abbreviations and units ��������������������������������������������������������������������6 Glossary ���������������������������������������������������������������������������������������7 Summary ��������������������������������������������������������������������������������������8 1 Introduction ���������������������������������������������������������������������������� 16 2 So what is actually meant by decentralized? Dimensions of (de)centralized energy systems ����������������������������������� 20 3 Study overview: examples of centralized/decentralized scenarios ����������� 25 4 Major aspects of centralized and decentralized energy systems �������������� 30 4.1 Technical perspective ��������������������������������������������������������������������������������� 30 4.1.1 Wind and solar power systems ������������������������������������������������������������� 30 4.1.2 Short-term flexibility �������������������������������������������������������������������������� 34 4.1.3 Long-term flexibility ��������������������������������������������������������������������������� 35 4.1.4 Natural gas grid �������������������������������������������������������������������������������� 37 4.1.5 Grid expansion ��������������������������������������������������������������������������������� 38 4.1.6 Digitalization of the energy supply ��������������������������������������������������������� 39 4.1.7 Coordination level ����������������������������������������������������������������������������� 45 4.1.8 Resilience ���������������������������������������������������������������������������������������� 46 4.2 Economic perspective ��������������������������������������������������������������������������������� 48 4.2.1 Classification of economic aspects ��������������������������������������������������������� 48 4.2.2 Electricity generation costs ������������������������������������������������������������������ 49 4.2.3 Stakeholder structure from an economic perspective ��������������������������������� 50 4.2.4 Flexibility from an economic perspective ������������������������������������������������� 51 4.2.5 Prosumption ������������������������������������������������������������������������������������ 51 4.2.6 Grid costs and total costs �������������������������������������������������������������������� 53 4.3 Environmental and spatial planning perspective ������������������������������������������������ 54 4.3.1 Circumstances in natural regions and existing situations ����������������������������� 55 4.3.2 More (de)centralized spatial planning strategies ��������������������������������������� 56 4.4 Social perspective �������������������������������������������������������������������������������������� 57 4.4.1 “Centralized” versus “decentralized” in the debate in society ����������������������� 57 4.4.2 Technology-related conflicts ����������������������������������������������������������������� 60 4.4.3 Trust in energy transition stakeholders ��������������������������������������������������� 62 4.4.4 Political participation by citizens in the energy transition ���������������������������� 64 Contents 5 5 Options for action ��������������������������������������������������������������������� 67 5.1 Technical prerequisites for a secure and climate-friendly energy supply ������������������ 69 5.1.1 Grids ���������������������������������������������������������������������������������������������� 70 5.1.2 Flexibility ���������������������������������������������������������������������������������������� 71 5.2 (De)centralization in its overall legal and economic framework ����������������������������� 73 5.2.1 Strengthening the CO2 price ����������������������������������������������������������������� 73 5.2.2 Reducing complexity �������������������������������������������������������������������������� 74 5.3 Setting appropriate economic incentives for decentralized generating facilities ��������� 75 5.3.1 Options for local economic participation ������������������������������������������������� 76 5.3.2 Regulatory framework for prosumption �������������������������������������������������� 78 5.3.3 Grid fees ����������������������������������������������������������������������������������������� 81 5.3.4 Generator-side incentives for system-beneficial site selection ���������������������� 82 5.3.5 Coordination of decentralized components in the distribution network ���������� 84 5.4 Options for action in society ������������������������������������������������������������������������� 85 5.4.1 Spatial planning options for action ��������������������������������������������������������� 86 5.4.2 Design of public participation in planning ocedurespr ��������������������������������� 87 5.4.3 Expanding the

View Full Text

Details

  • File Type
    pdf
  • Upload Time
    -
  • Content Languages
    English
  • Upload User
    Anonymous/Not logged-in
  • File Pages
    108 Page
  • File Size
    -

Download

Channel Download Status
Express Download Enable

Copyright

We respect the copyrights and intellectual property rights of all users. All uploaded documents are either original works of the uploader or authorized works of the rightful owners.

  • Not to be reproduced or distributed without explicit permission.
  • Not used for commercial purposes outside of approved use cases.
  • Not used to infringe on the rights of the original creators.
  • If you believe any content infringes your copyright, please contact us immediately.

Support

For help with questions, suggestions, or problems, please contact us