Hartner, M. (2016). Economic aspects of photovoltaic from a strategic, end user and electricity system perspective [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2016.39961
Photovoltaic systems; storage systems; electricity prices; power systems; renewable energy sources; climate change; solar radiation; Linear Optimierung
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Abstract:
In dieser Arbeit werden mehrere Aspekte der Integration von Photovoltaik in ein zukünftiges Energiesystem behandelt. Kosten und Nutzen von Photovoltaik werden aus strategischer Perspektive, aus Sicht des Stromsystems und aus der Perspektive der Endverbraucher analysiert. Simulations- bzw. Optimierungsmodelle sowie Methoden der Datenanalyse werden verwendet um unterschiedliche Effekte zu quantifizieren. Die quantitativen Analysen beziehen sich vorwiegend auf das Marktgebiet von Österreich und Deutschland. Aus Sicht des Stromsystems wird der Einfluss von Photovoltaik auf die Wirtschaftlichkeit von Stromspeichern analysiert. Es wird gezeigt, dass ein nicht-lineares Verhältnis zwischen Photovoltaik Ausbau und Speichereinnahmen besteht. Zunächst sinken die Einnahmen der Speicher bis zu einem Anteil von 5% Stromerzeugung aus Photovoltaik an der Stromerzeugung in Österreich und Deutschland. Erst bei höheren Anteilen (>10%) sind die Einnahmen für Speicher wieder höher als im Ausgangszustand ohne Photovoltaik. Weiters wird der Wert der Photovoltaik im Stromsystem untersucht und analysiert ob eine Abweichung vom energetisch optimalen Neigungswinkel bzw. des Azimut von PV Modulen zu höheren Marktwerten führen kann. Es wird gezeigt, dass die Marktwerte der Anlagen bei steigendem PV Anteilen an der Erzeugung sehr stark zurückgehen. Eine Anpassung der Winkel einer fest montierten PV Anlage ist auf Basis der Simulationsergebnisse nur bei sehr hohen Anteilen (> 10%) sinnvoll. In naher Zukunft sollten die Anlagen weiterhin so ausgerichtet werden, dass der energetische Output über ein Jahr maximiert werden. In den Analysen aus der Perspektive der Endkunden bzw. Käufer von Photovoltaik Anlagen im Bereich der Haushalte wird gezeigt, dass Fördermodelle und die Tarifgestaltung von Stromkosten und Überschusseinspeisungen Anreize für sehr kleine Anlagen (< 3 kW) schaffen können. Dies ist aus Sicht der Kosteneffizienz aufgrund nicht genutzter Skaleneffekte kritisch zu betrachten. Weiters wird in einer Analyse historischer PV Systempreise gezeigt, dass die Ausgestaltung der Förderungen signifikante Auswirkungen auf die realisierten Systempreise hatte. Die Gründe dafür werden analysiert und Lösungsvorschläge für ein effizienteres Fördersystem diskutiert. Der strategische Wert der Photovoltaik liegt vor allem im Potential zur Reduktion von Importen fossiler Energieträger sowie in der Vermeidung von CO2 Reduktionen und damit der Reduktion der Erderwärmung. Die Arbeit zeigt, dass es auch bei hohen PV Anteilen (> 10%) signifikante Potentiale sowohl zur CO2 Vermeidung als auch zur Reduktionen von fossilen Energieträgern gibt. Weiters wird Rolle des CO2 Preises für die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik diskutiert. Eine detailliertere Analyse der Importeffekte zeigt allerdings, dass es aufgrund der Importe von Anlagenkomponenten (PV Module) nur bei steigenden fossilen Energiepreisen sowie stark sinkenden PV Modulpreisen zu Reduktionen der Gesamtimporte kommt.
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This thesis addresses several aspects related to the economics of photovoltaic power plants (PV). The value of PV is discussed from different perspectives including an electricity system, end user and strategic perspective. Simulation and optimization models and empirical data for the market region of Austria and Germany are used to quantify various effects and to answer several research questions. In the analysis from an electricity system perspective it is shown that there is a nonlinear relationship between the share of PV in the electricity system and revenues for storage plants and that it is likely that currently (2016) a minimum for storage revenues has been reached in Austria and Germany expecting increasing returns in the future. Within the thesis it was also analyzed whether adjustments of installation angles can increase the market value of PV systems. It was found that the effect is only significant for very high shares of PV in the systems but not for the current state of the system and the near future at PV shares below 10% of total electricity generation. Following the analysis of market values in electricity systems the value of PV from an end user perspective is discussed with respect to policy making and support schemes. It is shown that support schemes focusing on the onsite consumption of electricity produced from PV can lead to very small PV system sizes (< 3 kW) which might be more inefficient than other support schemes from an overall cost perspective. It is also shown that the subsidy design and in particular subsidy levels influenced prices of PV systems in Austria with higher prices in districts with higher subsidies in place. Inefficiencies of the historical support scheme are discussed and suggestions for potential improvements are made. Finally the value of PV from a strategic or social planner perspective is analyzed. CO2 mitigation potentials and import reductions of fossil fuels are quantified for Austria and Germany in several scenarios showing the influence of PV shares in the system. It is shown that there is substantial potential to reduce both emissions and fossil fuel imports. However the marginal reductions induced by additional production from photovoltaic plants decrease substantially with increased shares of PV in the system. Also the question whether further deployment of PV would lead to overall reductions of monetary imports for Austria and Germany is discussed in this chapter. It is shown that the effect is not clear as there are also substantial imports of PV systems.
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Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zusammenfassung in deutscher Sprache