Regional and temporal carbon intensity signals for the European power system

Abstract: Bei der gegenwärtigen Umgestaltung des Elektrizitätssystems werden konventionelle, kohlendioxidemissionsintensive Kraftwerke zunehmend durch erneuerbare Energiequellen ersetzt. Dabei ist ein großer Teil des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen volatil. In der Übergangsphase vom konventionellen System zum erneuerbaren System werden die Schwankungen daher überwiegend durch konventionelle Kraftwerke ausgeglichen. Dies wird die kurzfristigen Schwankungen der Treibhausgasemissionen der Stromerzeugung in Raum und Zeit erhöhen. Eine Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Auflösung der sich daraus ergebenden Erzeugungs- und Emissionsdaten ist von entscheidender Bedeutung. Die notwendige Verringerung der Treibhausgasemissionen kann nur erreicht werden, wenn genaue und transparente Informationen für Verbraucher, Regulierungsbehörden und Interessengruppen sichergestellt werden. Existierende Methoden vernachlässigen entweder indirekte Effekte, gehen von einer Erzeugungsperspektive aus oder beruhen auf Daten mit unzureichender jährlicher und länderspezifischer Auflösung. Ziel dieser Dissertation ist es, einen Ansatz zur Berechnung der Treibhausgasemissionsintensität von Elektrizität in einer räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Perspektive zu liefern. Aspekte wie die Wahl der Methode, die Allokationsperspektive und die Verfügbarkeit von Open-Source-Daten für europäische Länder werden diskutiert.

Der erste Teil der Dissertation behandelt die Bereitstellung dieser hochauflösenden Daten unseres Stromsystems. Derzeit sind auf europäischer Ebene keine konsolidierten, regional oder zeitlich hoch aufgelösten Daten für Strom-verbrauch, -erzeugung sowie Import- und Exportdaten verfügbar. Es wird eine neue Methode eingeführt, die ein Energiesystemmodell verwendet, um alle verfügbaren Informationen in verschiedenen Auflösungen zu sammeln und zu kombinieren. Das Energiesystemmodell bietet hierfür eine Umgebung, in der alle Informationen gesammelt und vereinheitlicht werden können. Diese Informationen werden anschließend als Randbedingungen in einer konventionellen Dispatch-Optimierung verwendet. Der resultierende Dispatch kann sowohl als eine Form der Regionalisierung wie auch als ein Indikator für die Genauigkeitsgrenzen des Energiesystemmodells betrachtet werden. Die Durchführbarkeit des Verfahrens wurde demonstriert, und es wurden hochauflösende Erzeugungs-, Verbrauchs-, Import- und Exportinformationen für das europäische Energiesystem generiert. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass das Verhalten des Energiesystems mit den öffentlich verfügbaren Energiesystemmodellen und -daten nur bedingt abgebildet werden kann.

Im zweiten Teil der Dissertation werden dynamische Stromnetz-Emissionsfaktoren untersucht, mit denen ein zeitlich aufgelöster Indikator für die Kohlenstoffintensität der Stromerzeugung innerhalb des Stromnetzes bereitgestellt wird. Aufgrund der oft begrenzten Verfügbarkeit von tatsächlichen Kohlendioxidemissionsmessungen wird dieses Signal aus systemspezifischen Emissionsfaktoren in Verbindung mit Zeitreihendaten zur Stromerzeugung abgeleitet. Es wurde eine Bottom-up-Methode entwickelt, um Emissionsfaktoren pro Land und pro Technologie für die europäischen Länder auf der Grundlage von anlagenspezifischen Zeitreihen für die Stromerzeugung und die gemeldeten Emissionen aus dem europäischen Emissionshandelsmechanismus abzuleiten. Aus dem verwendeten Datensatz wurden 42 individuelle Emissionsfaktoren abgeleitet, die sowohl technologie- als auch länderspezifisch sind. Diese Werte, die die historische Kohlenstoffintensität der Stromerzeugung in den einzelnen Ländern widerspiegeln, werden dann mit den Ergebnissen verglichen, die mit einem Top-down-Ansatz erzielt wurden. Diese alternative Methode stützt sich auf statistische Daten über Emissionen und Stromerzeugung auf nationaler Ebene. Alle Berechnungen beruhen auf öffentlich zugänglichen Daten, was die Transparenz der Analyse gewährleistet und die Reproduktion, die Änderung und die flexible Erweiterung der Methode ermöglicht.

Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit den Unterschieden der regional aufgelösten Emissionssignalen und der Emissionsbilanzierung innerhalb des europäischen Stromsystems. In diesem Teil werden die hochauflösenden Stromdaten aus dem ersten Teil mit den länder- und technologiespezifischen Emissionsfaktoren aus dem zweiten Teil dieser Arbeit kombiniert. Die Herausforderung bei der regionalen Emissionsbilanzierung besteht darin, dass es physisch nicht möglich ist, den Weg des Stroms von einem bestimmten Erzeuger zu einem bestimmten Verbraucher zu verfolgen. Daher zielt dieser Teil darauf ab, regionale Emissionssignale zu analysieren, indem eine Flusszuweisungsmethode verwendet wird, um regionale Erzeugungs- und Verbrauchswerte mit regional aufgelösten Energie- und Emissionsdaten zu verknüpfen. Insbesondere soll untersucht werden, wie sich produktionsbasierte Emissionssignale von verbrauchsbasierten Emissionssignalen unterscheiden und welchen Einfluss die Datenaggregation auf das resultierende Signal hat. Es konnte gezeigt werden, dass eine Reduzierung der Auflösung auf z.B. Länderebene und Jahresdurchschnitte zu einem erheblichen Informationsverlust führt. Eine detaillierte Analyse für Deutschland zeigt, dass die südlichen Regionen mehr Strom importieren als sie exportieren. Der importierte Strom hat eine hohe Emissionsintensität im Vergleich zur regionalen Intensität. Die nördlichen Regionen hingegen exportieren in der Regel mehr Strom als sie importieren, und der exportierte Strom hat eine niedrige Emissionsintensität. Daraus lässt sich schließen, dass eine rein produktionsbasierte Emissionsbewertung dem Gesamtbild nicht gerecht wird.

Die Arbeit unterstreicht den Bedarf an hochauflösenden Daten zur Emissionsbilanzierung im europäischen Stromsystem. Dabei werden die Herausforderungen der Datenverfügbarkeit aufgegriffen, genaue Emissionsfaktoren eingesetzt und ein verbrauchsbasierter Ansatz empfohlen, wodurch die Studie eine neuartige Methodik bereitstellt. Die neuartige Kombination aus disaggregierten Energie Daten und detaillierten Emissionsfaktoren bietet umfassende Einblicke in regionale Emissionsmuster und die Auswirkungen von Importen und Exporten. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer genauen räumlichen und zeitlichen Auflösung der Daten als wichtigen Beitrag für politische Entscheidungsträger, Forscher und Marktteilnehmer in Bezug auf die Emissionsbilanzierung im Stromsektor
Abstract: During the current transformation of the electricity system, conventional carbon\linebreak dioxide emission-intensive power plants will be replaced by renewable energy sources to an increasing degree. A large part of the electricity from renewable energy sources is volatile. Thus, in the transition phase from the conventional system to the renewable system, the fluctuations will mostly be compensated by conventional power plants. This will increase the short-term fluctuations in greenhouse gas emissions from electricity generation in space and time. Increasing temporal and spatial resolution of resulting generation and emission data is essential for achieving the necessary reduction in greenhouse gas emissions, ensuring accurate and transparent information for consumers, regulators, and stakeholders. Existing methods either neglect indirect effects, assume a generation perspective, or are based on data with insufficient annual as well as country-specific resolution. The aim of this dissertation is to provide an approach for calculating the greenhouse gas emission intensity of electricity in a high spatial as well as temporal perspective. Aspects such as the choice of method, the allocation perspective, and the availability of open-source data for European countries are addressed.

The first part of the dissertation focuses on the provision of these high-resolution data of our electricity system. Currently, on the European level, no consolidated, highly regionally or temporally resolved data for electricity consumption, generation, or import and export data is available. A new method that uses an energy system model to collect and combine all available information in different resolutions is introduced. The energy system model provides an environment in which all information can be collected and harmonized. This information is subsequently used as constraints in a conventional dispatch optimization. The resulting dispatch can be considered both as a form of regionalization and as an indicator of the accuracy limits of the energy system model. The feasibility of the method was demonstrated, and high-resolution generation, consumption, import, and export information were generated for the European energy system. On the other hand, it was shown that the behavior of the energy system can only be mapped to a limited extent with the publicly available energy system models and data.

The second part of the dissertation examines dynamic grid emission factors, providing a temporally resolved indication of the carbon intensity in electricity generation within the power system. Due to the often limited availability of actual carbon dioxide emission measurements, this signal is derived from system-specific emission factors in conjunction with time series data on power generation. A bottom-up method was developed to derive emission factors per country and per technology for the European countries on the basis of plant-specific time series for electricity generation and reported emissions from the European emissions trading mechanism. From the dataset employed, 42 individual emission factors specific to both technology and country are derived. These values, reflecting the historical carbon intensity of electricity generation per country, are then compared with results obtained through a top-down approach. This alternative method relies on statistical data concerning emissions and power generation at the national level. All calculations are based on publicly available data, ensuring transparency in the analysis and allowing for the method's replication, adjustment, and flexible expansion.

The third part of the dissertation addresses the differences in regionally resolved emission signals and emission accounting within the European power system. In this part, the high-resolution electricity data from the first part are combined with the country and technology-specific emission factors from the second part of this thesis. The challenge with regional emissions accounting is that it is physically unable to trace the path of the electricity from a specific producer to a specific consumer. Therefore, this part aims to analyze regional emission signals by using a flow allocation method to link regional production and consumption data using regionally resolved energy and emissions data. A particular focus is to investigate how production-based emission signals differ from consumption-based emission signals and what impact the data aggregation has on the resulting signal. It could be shown that a reduction of the resolution to, e.g., country level and annual averages results in a considerable loss of information. A detailed analysis for Germany shows that the southern regions import more electricity than they export. The imported electricity has a high emission intensity compared to the regional intensity. Northern regions, on the other hand, usually export more electricity than they import, and the exported electricity has a low emission intensity. It can be concluded that a purely production-based emissions assessment does not do justice to the overall picture.

The study underlines the critical need for high-resolution emission accounting data in the European electricity system. By addressing challenges in data accessibility, advocating for accurate emission factors, and promoting a consumption-based approach, the research provides a new methodology. The innovative combination of data disaggregation and precise emission factors offers detailed insights into regional emission patterns and the impact of imports and exports. The findings emphasize the importance of fine-grained spatial and temporal resolution, contributing significantly to policymakers, researchers, and market participants in relation to emissions accounting in the electricity sector

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
• Schlagwort: Kohlendioxidemission ; Erneuerbare Energien ; Emissionsverringerung ; Umweltzertifikathandel ; Emission ; Elektrisches Energiesystem ; Energieversorgung ; Europa ; Deutschland

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2024
• Urheber: Unnewehr, Jan Frederick
• Beteiligte Personen und Organisationen: Weidlich, Anke ; Victoria, Marta ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Professur für Technologien der Energieverteilung ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/249193
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2491933
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 14.08.2025, 10:46 MESZ