This dissertation focuses on selected aspects of network congestion arising in liberalized electricity markets and their management methods with a special weight placed on the integration of increased renewable generation in Europe and Germany. In a first step, the theoretical concepts of congestion management are introduced complemented by a review of current management regimes in selected countries. In the second step, the European approach of managing congestion on international as well as national transmission links is analyzed and the benefits of an integrated congestion management regime are quantified. It is concluded that benefits can be achieved by a closer cooperation of national transmission system operators (TSOs). Thirdly, the German congestion management regime is investigated and the impact of higher renewable generation up to 2020 on congestion management cost is determined. It is shown that a homogeneous and jointly development of generation and transmission infrastructure is a prerequisite for the application of congestion alleviation methods and once they diverge congestion management cost tend to increase substantially. Lastly, the impact of intermittent and uncertain wind generation on electricity markets is analyzed. A stochastic electricity market model is described, which replicates the daily subsequent clearing of reserve, dayahead, and intraday market typical for European countries, and numerical results are presented.

This dissertation focuses on selected aspects of network congestion arising in liberalized electricity markets and their management methods with a special weight placed on the integration of increased renewable generation in Europe and Germany. In a first step, the theoretical concepts of congestion management are introduced complemented by a review of current management regimes in selected countries. In the second step, the European approach of managing congestion on international as well as national transmission links is analyzed and the benefits of an integrated congestion management regime are quantified. It is concluded that benefits can be achieved by a closer cooperation of national transmission system operators (TSOs). Thirdly, the German congestion management regime is investigated and the impact of higher renewable generation up to 2020 on congestion management cost is determined. It is shown that a homogeneous and jointly development of generation and transmission infrastructure is a prerequisite for the application of congestion alleviation methods and once they diverge congestion management cost tend to increase substantially. Lastly, the impact of intermittent and uncertain wind generation on electricity markets is analyzed. A stochastic electricity market model is described, which replicates the daily subsequent clearing of reserve, dayahead, and intraday market typical for European countries, and numerical results are presented.

Durch den Ausbau an Wind- und PV-Anlagen in Deutschland wird der Flexibilitätsbedarf im Stromsystem steigen. Der Flexibilitätsbedarf kann zum einen durch verschiedene Technologien, z.B. Speicher oder Netze, und zum anderen durch die Stromnachfrage bereitgestellt werden. Eine gezielte Steuerung der Stromnachfrage wird als Demand Side Management (DSM) bezeichnet. Der zunehmend wetterabhängigen und fluktuierenden Stromerzeugung in Deutschland steht jedoch eine bis heute weitgehend unelastische Nachfrage gegenüber. In der Literatur sind verschiedene Arbeiten zu finden, die das Potential zur Lastabschaltung und verschiebung in Deutschland untersuchen. Hierbei liegt der Fokus auf absoluten Werten. Saisonale oder tageszeitliche Unterschiede bleiben dabei häufig unberücksichtigt. Die vorliegende Dissertation greift an dieser Stelle an und untersucht das Potential ausgewählter DSM-Anwendungen in stündlicher Auflösung. Die Ergebnisse zeigen, dass das verfügbare Potential starken saisonalen und tageszeitlichen Schwankungen unterliegt. Dementsprechend wird das DSM-Potential überschätzt, wenn nur absolute Werte betrachtet werden. Darüber hinaus zeigt die Autorin, welche Entwicklungen in den nächsten Jahren hinsichtlich der Verfügbarkeit des DSM-Potentials zu erwarten sind. Basierend auf der Potentialermittlung wird in der Dissertation die Rolle von DSM in einem EE-geprägten Stromsystem modellbasiert untersucht. Hierfür wird das lineare Optimierungsmodell ELTRAMOD, das den deutschen und europäischen Strommarkt abbildet, weiterentwickelt. Anhand verschiedener Szenarien wird zum einen der Beitrag von DSM zur Systemintegration von erneuerbaren Energien in Deutschland und zum anderen die Wechselwirkungen mit anderen Flexibilitätsoptionen (z.B. Speicher) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die DSM-Kategorien Lastabschaltung und verschiebung nur kurzzeitig auftretende Schwankungen der Einspeisung aus erneuerbaren Energien ausgleichen können. Zum Ausgleich großer Überschussmengen aus erneuerbaren Energien sind hingegen Power-to-X-Technologien, z.B. Power-to-Heat, besser geeignet.

Zur Umsetzung der Energiewende ist in den kommenden Jahren ein substantieller Netzausbau notwendig, der jedoch regional unterschiedlich stark ausfallen wird. Nach gegenwärtiger Gesetzeslage werden die folglich sehr unterschiedlich hohen Netzkosten von den Endkunden des jeweiligen Netzgebietes über die Netznutzungsentgelte getragen. Mittels eines detaillierten Modells der Kostenbestandteile der Netzkosten in den einzelnen Regionen wurden unter Berücksichtigung des erwarteten Netzausbaus sowie der demographischen Entwicklung die Netznutzungsentgelte, geschlüsselt nach den Kundengruppen Haushalt und Gewerbe sowie Industrie bis zum Jahr 2023 prognostiziert. Die anschließende Analyse eines bundesweiten Wälzens von Übertragungs- und Verteilungsnetzbestandteilen der Entgelte kommt zu dem Ergebnis, dass in Zukunft neben den ostdeutschen Flächenländern auch die Küstenländer Schleswig-Holstein und Niedersachsen sowie Teile Bayerns von einem bundeseinheitlichen Entgelt profitieren würden. Dabei stellt sich eine asymmetrische Verteilung von Be- und Entlastungen dar. Den zum Teil erheblichen jährlichen Entlastungen von bis zu 130 EUR pro 3-Personenhaushalt stehen in den süd- und westdeutschen Flächenländern vergleichsweise geringe Mehrbelastungen von maximal 30 EUR gegenüber. Gleichzeitig zeigt die Analyse, dass ein alleiniges Wälzen der Übertragungsnetzkosten zum heutigen Stand für Industriekunden in Ostdeutschland zwar merkliche Entlastungen mit sich bringen würde, diese aber zukünftig abnehmen und im Haushaltskundenbereich sehr gering ausfallen. Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen der Analyse schlussfolgern, dass die regionale Ungleichverteilung der Netzkosten tendenziell zunimmt und es Regionen in Deutschland gibt, in denen hohe Netzausbaukosten, eine negative demographische Entwicklung und eine geringe Kaufkraft zusammentreffen und so Privathaushalte sowie Industriebetriebe stark belasten.

Zur Umsetzung der Energiewende ist in den kommenden Jahren ein substantieller Netzausbau notwendig, der jedoch regional unterschiedlich stark ausfallen wird. Nach gegenwärtiger Gesetzeslage werden die folglich sehr unterschiedlich hohen Netzkosten von den Endkunden des jeweiligen Netzgebietes über die Netznutzungsentgelte getragen. Mittels eines detaillierten Modells der Kostenbestandteile der Netzkosten in den einzelnen Regionen wurden unter Berücksichtigung des erwarteten Netzausbaus sowie der demographischen Entwicklung die Netznutzungsentgelte, geschlüsselt nach den Kundengruppen Haushalt und Gewerbe sowie Industrie bis zum Jahr 2023 prognostiziert. Die anschließende Analyse eines bundesweiten Wälzens von Übertragungs- und Verteilungsnetzbestandteilen der Entgelte kommt zu dem Ergebnis, dass in Zukunft neben den ostdeutschen Flächenländern auch die Küstenländer Schleswig-Holstein und Niedersachsen sowie Teile Bayerns von einem bundeseinheitlichen Entgelt profitieren würden. Dabei stellt sich eine asymmetrische Verteilung von Be- und Entlastungen dar. Den zum Teil erheblichen jährlichen Entlastungen von bis zu 130 EUR pro 3-Personenhaushalt stehen in den süd- und westdeutschen Flächenländern vergleichsweise geringe Mehrbelastungen von maximal 30 EUR gegenüber. Gleichzeitig zeigt die Analyse, dass ein alleiniges Wälzen der Übertragungsnetzkosten zum heutigen Stand für Industriekunden in Ostdeutschland zwar merkliche Entlastungen mit sich bringen würde, diese aber zukünftig abnehmen und im Haushaltskundenbereich sehr gering ausfallen. Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen der Analyse schlussfolgern, dass die regionale Ungleichverteilung der Netzkosten tendenziell zunimmt und es Regionen in Deutschland gibt, in denen hohe Netzausbaukosten, eine negative demographische Entwicklung und eine geringe Kaufkraft zusammentreffen und so Privathaushalte sowie Industriebetriebe stark belasten.

Die Begriffe Energiewende, Energieautarkie, Bioenergieregionen, nachhaltige Energieversorgung und Energieautonomie genießen in den aktuellen Debatten zum Thema Energiepolitik eine erhöhte Aufmerksamkeit. Die Energieversorgung in Deutschland muss sich in Zukunft nach Einschätzung der Bundesregierung und der Fachwelt grundlegend ändern, um den Ansprüchen von Versorgungssicherheit, Umweltverträglichkeit und der Bezahlbarkeit genügen zu können. Das Konzept der Energieautonomie bzw. Energieautarkie kann diese Ansprüche am geeignetsten zusammenführen. Den Kommunen kommt bei der Energiewende eine besondere Rolle zu, da hier die Ursachen- und Wirkungszusammenhänge des menschlichen Handelns durch deren Kleinräumigkeit eng mit einander verbunden sind. Bisher ist die Frage nach Erfolgsfaktoren und hemmenden Faktoren von Energieautonomieprozessen noch relativ wenig erforscht. Im Zentrum dieser primär empirischen Arbeit steht daher die Frage, welche hemmende und fördernde Faktoren für die Durchführung einer kommunalen, energiepolitischen Transformation mit dem Ziel der Energieautonomie auf der Basis von 100% Erneuerbare Energien existieren. Der Fokus dieser Untersuchung liegt dabei auf dem Freistaat Sachsen, in welchem bisher keine Kommune eine vollständige Umsetzung des Konzeptes der Energieautonomie erreichen konnte. In einem ersten Schritt wurde mittels der Analyse von bereits zu dem Thema vorliegenden Leitfäden mögliche fördernde und hemmende Faktoren herausgearbeitet und strukturiert. Diese wurden in einem zweiten Schritt durch Experteninterviews ergänzt und zusammengeführt. Eine zweite Interviewrunde mit Akteuren aus fünf Beispielkommunen in Sachsen überprüfte im Anschluss daran, welche dieser Faktoren wirksam sind. Als Resultat dieser empirischen Forschungsarbeit konnten fünf fördernde und ein hemmender Faktor für die Entwicklung kommunaler Energieautonomieprozesse identifiziert und daraus Handlungsanweisungen für die Politik und interessierten Akteuren für eine Ausdehnung der energiepolitischen Bestrebungen in Richtung Energieautonomie abgeleitet werden.

Electricity grids require the ancillary services frequency control, grid operation, re-establishment of supply and voltage stability for a proper operation. Historically, conventional power plants in the transmission grid were the main source providing these services. An increasing share of decentralized renewable energy in the electricity mix causes decreasing dispatch times for conventional power plants and may consequently lead to a partial replacement of these technologies. Decentralized energy sources are technically capable of providing ancillary services. This work focuses on the provision of reactive power for voltage stability from decentralized sources. The aim is to answer the question of how voltage stability and reactive power management can be achieved in a future electricity system with increasing shares of decentralized renewable energy sources in an economical and efficient way. A methodology that takes reactive power and voltage stability in an electricity system into account is developed. It allows for the evaluation of the economic benefits of different reactive power supply options. A non-linear and a linearized techno-economic grid model are formulated for this purpose. The analysis reveals an increasing importance of reactive power from the distribution grid in future development scenarios, in particular if delays in grid extension are taken into account. The bottom-up assessment indicates a savings potential of up to 40 mio. EUR per year if reactive power sources in the distribution grid provide reactive power in a controlled manner. Although these savings constitute only a small portion of the total cost of the electricity system, reactive power from decentralized energy sources contributes to the change towards a system based on renewable energy sources. A comparison of different reactive power remuneration mechanisms shows that a variety of approaches exist that could replace the inflexible mechanisms of obligatory provision and penalized consumption of reactive power that are mostly in place nowadays.

The transition of the North African electricity system towards renewable energy technologies is analyzed in this thesis. Large potentials of photovoltaics (PV), concentrating solar power (CSP) and onshore wind power provide the opportunity to achieve a long-term shift from conventional power sources to a highly interconnected and sustainable electricity system based on renewable energy sources (RES). A multi-dimensional analysis evaluates the economic and technical effects on the electricity market as well as the socio-economic impact on manufacturing and employment caused by the large deployment of renewable energy technologies. The integration of renewable energy (RE) into the electricity system is modeled in a linear optimization model RESlion which minimizes total system costs of the long-term expansion planning and the hourly generation dispatch problem. With this model, the long-term portfolio mix of technologies, their site selection, required transmission capacities and the hourly operation are analyzed. The focus is set on the integration of renewable energy in the electricity systems of Morocco, Algeria, Tunisia, Libya and Egypt with the option to export electricity to Southern European countries. The model results of RESlion show that a very equal portfolio mix consisting of PV, CSP and onshore wind power is optimal in long-term scenarios for the electricity system. Until the year 2050, renewable energy sources dominate with over 70% the electricity generation due to their cost competiveness to conventional power sources. In the case of flexible and dispatchable electricity exports to Europe, all three RE technologies are used by the model at a medium cost perspective. The socio-economic impact of the scenarios is evaluated by a decision model (RETMD) for local manufacturing and job creation in the renewable energy sector which is developed by incorporating findings from expert interviews in the RE industry sector. The electricity scenarios are assessed regarding their potential to create local economic impact and local jobs in manufacturing RE components and constructing RE power plants. With 40,000 to 100,000 new jobs in the RE sector of North African countries, scenarios with substantial RE deployment can provide enormous benefits to the labor market and lead to additional economic growth. The deployment of renewable energy sources in North Africa is consequently accelerated and facilitated by finding a trade-off between an optimal technology portfolio from an electricity system perspective and the opportunities through local manufacturing. By developing two model approaches for evaluating the effects of renewable energy technologies in the electricity system and in the industrial sector, this thesis contributes to the literature on energy economics and energy policy for the large-scale integration of renewable energy in North Africa.

This dissertation focuses on selected issues in regard to the mathematical modeling of electricity markets. In a first step the interrelations of electric power market modeling are highlighted a crossroad between operations research, applied economics, and engineering. In a second step the development of a large-scale continental European economic engineering model named ELMOD is described and the model is applied to the issue of wind integration. It is concluded that enabling the integration of low-carbon technologies appears feasible for wind energy. In a third step algorithmic work is carried out regarding a game theoretic model. Two approaches in order to solve a discretely-constrained mathematical program with equilibrium constraints using disjunctive constraints are presented. The first one reformulates the problem as a mixed-integer linear program and the second one applies the Benders decomposition technique. Selected numerical results are reported.

Although the German framework of incentive-based energy regulation appears to be well-defined because it draws from international experience and eliminates several present drawbacks existing with revenue-cap regulation doubts of industry and politicians concerning the application of benchmarking techniques and more importantly, the future industry structure, remain. The regulation scheme is based on experience with energy sector reforms in the US due to it being a precursor in this regard, e.g. by introducing incentive-based regulation as early as 1994 and publishing the relevant data in a very detailed way. This thesis therefore brings together the two issues of certain efficiency measurement problems and the industry restructuring in Germany and the US in order to contribute to the current discussion of robust benchmarking and to provide political implications related to the industry’s structure. Therefore, the application of DEA and SFA constitutes the heart of the whole study. These techniques are applied on German electricity DSOs as well as on data for US electricity DSOs and US gas TSOs. The application to US data can then be used to derive information about business strategies and their success in a sector that is being restructured. The US experience will lead to relevant German policy implications with respect to the future structure of the energy industry in Germany. / Der deutsche Regulierungsansatz erscheint im Allgemeinen als ausgewogen, da er zum einen internationale Erfahrungen mit einbezieht und zum anderen bestehenden Schwächen der Erlös-Obergrenzenregulierung berücksichtigt. Dennoch bestehen Zweifel seitens Industrie- und Politvertretern bezüglich der Anwendung von Benchmarking-Techniken und noch bedeutsamer der zukünftigen Industriestruktur. Der regulatorische Rahmen basiert auf Erfahrungen aus der Regulierung der Energiewirtschaft aus den USA, da diese eine Vorreiterrolle in dieser Hinsicht innehaben, beispielsweise aufgrund der frühen Einführung der Anreizregulierung in 1994 und der sehr detaillierten Veröffentlichung der relevanten Daten. Diese Arbeit verknüpft daher diese zwei Aspekte zum einen der Existenz gewisser Problemfelder bei der Effizienzmessung als auch der Umstrukturierung der deutschen Industriestruktur in der Energiewirtschaft. Damit trägt sie zu der aktuellen Diskussion mit Bezug auf robustes Benchmarking bei und liefert zudem politische Implikationen bezüglich der Industriestruktur. Zu diesem Zweck steht die Anwendung der für die deutsche Regulierung der Energienetze relevanten Benchmarking-Techniken (Data Envelopment Analysis (DEA) und Stochastic Frontier Analysis (SFA)) im Zentrum der gesamten Studie. Die empirischen Analysen beziehen sich dabei auf deutsche Elektrizitätsverteilnetzbetreiber sowie auf Elektrizitätsverteilnetzbetreibern und Ferngasgesellschaften aus den USA. Die Analysen von US Daten können dann genutzt werden, um gehaltvolle Informationen über Unternehmensstrategien und deren Erfolg in einem restrukturierten Sektor zu gewinnen. Diese Erfahrungen münden dann in Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die deutsche Regulierung und Industriestruktur der deutschen Energienetzwirtschaft.