The Economics of Production, Integration and Efficient Use of Renewable Energy

Abstract

Die Auseinandersetzung mit der Klimakrise bringt drei Herausforderungen bezüglich der Produktion, der Integration und der effizienten Nutzung von Energie mit sich. Diese Herausforderungen werden in den drei Kapiteln dieser Dissertation analysiert. Erstens wird Energieeffizienz weithin sowohl als ein effektives Mittel zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Energien als auch als kosteneffiziente Lösung zu einer Dekarbonisierung der Wirtschaft anerkannt. Es gibt jedoch nur wenig empirische Analysen der Auswirkungen bestehender Effizienzpolitiken. Zweitens werden große Mengen erneuerbarer Energien benötigt, um fossile Energieträger im bestehenden Energiemix zu ersetzen. Mit der Ausweitung erneuerbarer Energien werden allerdings auch Fragen nach der Akzeptanz von Erneuerbaren wichtiger, insbesondere bei Technologien wie der Windkraft an Land. Politikmaßnahmen, die auf eine Erhöhung der Akzeptanz abzielen, können jedoch gleichzeitig auch dem Ausbau erneuerbarer Energien schaden. Drittens müssen erneuerbare Energien durch eine Nutzung von Flexibilitätsoptionen wie Demand Response in bestehende Energiesysteme integriert werden. Um von einer unelastischen zu einer flexiblen Nachfrage zu kommen, müssen jedoch eine Reihe von Barrieren in Strommärkten überwunden werden.In Kapitel 1 werden die Auswirkungen von Energieeffizienz-Netzwerken evaluiert. Das Ziel dieser Netzwerke ist die Förderung von Energieeffizienz in der Industrie. In den Netzwerken werden über mehrere Jahre in regelmäßigen Treffen innerhalb von Gruppen von Unternehmen Erfahrungen über Energieeinsparungen ausgetauscht. Die beteiligten Unternehmen führen Energieeffizienz-maßnahmen durch, um gemeinsam vereinbarte Energie- und CO2-Einsparziele zu erreichen. Energieeffizienz-Netzwerke gibt es in mehreren Ländern, wie z.B. Deutschland, Schweden und China. Bisherige Auswertungen dieser freiwilligen regionalen Netzwerke in Deutschland kamen zu dem Schluss, dass die Teilnehmer ihre Energieeffizienz doppelt so schnell steigern konnten wie der Industriedurchschnitt. Basierend auf amtlichen Mikrodaten des Verarbeitenden Gewerbes wird in Kapitel 1 untersucht, ob die Teilnahme an einem Energieeffizienz-Netzwerk einen kausalen Einfluss auf die Energieeinsparung und die CO2-Emissionen der Teilnehmer hatte. Für den durchschnittlichen Netzwerkteilnehmer lässt sich aufgrund der Netzwerkaktivitäten kein statistisch signifikanter Effekt auf Energieproduktivität und CO2-Emissionen der Teilnehmer feststellen. Obwohl möglicherweise ein kleiner Netzwerkeffekt existiert, zeigen Berechnungen zur Teststärke, dass dieser kleiner wäre als die Vorhersagen in der bisherigen Literatur. Es gibt jedoch einige Hinweise, dass Exporteure durch eine Reduzierung ihrer CO2-Emissionen von den Netzwerken profitiert haben.In Kapitel 2 wird gezeigt, dass universelle Mindestabstände verheerende Konsequenzen für die Windenergie an Land haben. In dem Kapitel werden die kausalen Effekte der Einführung gesetzlicher Mindestabstände auf die Genehmigungen von Windenergieanlagen in Bayern untersucht. Mehrere Länder und Regionen haben solche verpflichtenden Mindestabstände zu nahe gelegenen Wohngebieten eingeführt, um die Akzeptanz der Windenergie an Land zu erhöhen. In Deutschlands größtem Bundesland Bayern wurden 2014 gesetzliche Mindestabstände von der zehnfachen Höhe neuer Windräder eingeführt. Wir erstellen ein neues monatliches Panel der Genehmigungen von Windrädern in Deutschland von 2010 bis 2018. Mithilfe dieses Datensatzes evaluieren wir den kausalen Effekt der Einführung der bayerischen Mindestabstandsregel auf die Ausstellung von Baugenehmigungen für Windräder. Die Genehmigungen sinken aufgrund der Einführung der Mindestabstandsregel um bis zu 90 Prozent. Dieser Rückgang ist ähnlich groß wie die Reduktion der für die Windenergie ausgewiesenen Flächen. Die Ergebnisse stimmen mit anderen wissenschaftlichen Erkenntnissen überein, dass Mindestabstände die Akzeptanz von Windenergie nicht steigern, deren Ausbau aber hemmen. Andere Politikmaßnahmen sind besser geeignet, die Akzeptanz der Windenergie an Land zu erhöhen, ohne den Ausbau zu bremsen.In Kapitel drei wird die Rolle von Aggregatoren – Intermediäre zwischen Verbrauchern und den Energiemärkten – bei der Förderung von Demand Response in der Industrie analysiert. Basierend auf den Ergebnissen von semistrukturierten Interviews sowie einer breiteren Online-Umfrage unter Stakeholdern untersuchen wir die Rolle von deutschen Demand Response-Aggregatoren bei der Überwindung einer Reihe von Barrieren für Demand Response in der Industrie. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Erhöhen der Aufmerksamkeit für die Potenziale von Demand Response sowie die Unterstützung von deren Implementierung durch das Einbinden wesentlicher Akteure in den Unternehmen zentrale Rollen von Aggregatoren sind. Demand Response-Aggregatoren tragen somit zu organisatorischem Wandel bei. Wir entwickeln außerdem eine Taxonomie, mithilfe derer wir analysieren, wie die verschiedenen funktionalen Rollen der Aggregatoren ökonomischen Wert schaffen. Es gibt eine deutliche Heterogenität in der Art der durch die Aggregatoren angebotenen Leistungen, von denen viele erhebliche ökonomische Werte schaffen. Einige der derzeitigen Rollen von Aggregatoren könnten jedoch obsolet werden, wenn Marktbarrieren für Demand Response reduziert werden oder die Unternehmen zunehmend eigene Kompetenzen zu Demand Response aufbauen.

Dealing with the climate crisis requires tackling three challenges regarding the production, integration and efficient use of energy, addressed in the three chapters of this dissertation. First, energy efficiency is widely recognised as an effective means to reduce the consumption of fossil fuels, as well as a cost-efficient solution towards the decarbonisation of the economy. However, impact evaluations of existing energy efficiency policies are rare. Second, vast amounts of renewable energy are needed in order to replace fossil fuels in the energy mix. As renewable energies are being expanded, concerns about social acceptance of renewables become more pressing, especially for technologies like onshore wind power. On the other hand, policies intended to increase social acceptance may harm the expansion of renewable energy. Third, renewable energy needs to be integrated into the current energy systems using flexibility options such as demand response. However, a set of barriers needs to be overcome in power markets, in order to move from an inelastic demand side to flexible loads.Chapter 1 evaluates the impact of energy efficiency networks, an instrument designed to boost energy efficiency in industry. In energy efficiency networks, groups of firms exchange experiences on energy conservation in regular meetings over several years. The companies implement energy efficiency measures in order to reach commonly agreed energy savings and CO2 reduction goals. Energy efficiency networks exist in several countries, such as Germany, Sweden and China. Existing evaluations of such voluntary regional networks in Germany claim that participants improved energy efficiency at twice the speed of the industry average. Based on comprehensive data from the German manufacturing census, chapter 1 examines whether participation in energy efficiency networks has a causal impact on energy conservation and CO2 emissions. I demonstrate that for the average participant there is no statistically significant effect on energy productivity or CO2 emissions due to the network activities. While a small network effect may exist, power calculations show that this effect would be smaller than predicted by the previous literature. However, there is some indication that exporters may have benefitted from the networks by reducing their CO2 emissions.Chapter 2 shows that strict minimum distances have detrimental consequences for onshore wind power. The chapter evaluates the causal effect of the introduction of minimum distance regulation in Bavaria on construction permits for wind turbines. In order to increase public acceptance of wind power, several countries and regions have introduced mandatory minimum distances of wind turbines to nearby residential areas. Germany’s largest federal state Bavaria introduced such separation distances of ten times the height of new wind turbines in 2014. We construct a novel monthly district-level dataset of construction permits for wind turbines constructed in Germany between 2010 and 2018. We use this dataset to evaluate the causal effect of introducing the Bavarian minimum distance regulation on the issuance of construction permits for wind turbines. We find that permits decreased by up to 90 percent. This decrease is in the same order of magnitude as the reduction of land area available for wind turbines. The results are in line with findings indicating that minimum distances do not increase the public acceptance of wind power, but harm the expansion of onshore wind power. Alternative policies are better suited to facilitate acceptance without hampering the expansion of wind power.Chapter 3 analyses the role of aggregators – intermediaries between consumers and energy markets – in facilitating industrial demand response. Based on the results from semi-structured interviews with German demand response aggregators, as well as a wider stakeholder online survey, we examine the role of aggregators in overcoming a set of barriers to industrial demand response. We find that central roles for aggregators are to raise awareness for the potentials of demand response, as well as to support implementation by engaging key actors in industrial companies. Demand response aggregators thus drive organisational change. Moreover, we develop a taxonomy that helps analyse how the different functional roles of aggregators create economic value. We find that there is considerable heterogeneity in the kind of services that aggregators offer, many of which do create significant economic value. However, some of the current aggregator roles may become obsolete once market barriers to demand response are reduced or knowledge on demand response becomes more diffused.