Spatial optimization of wind and solar power capacities in Europe

Abstract

As the European power mix transitions towards higher shares of variable renewable energy (VRE), such as wind and solar power, the power system becomes increasingly weather dependent. The weather follows seasonal and geographical patterns caused by the earth’s rotation and position to the sun. Increased weather dependence presents challenges in maintaining a safe, reliable, and affordable power system. This thesis investigates the wind and solar resources in Europe, both on a spatial and temporal scale. A case study is conducted where modern portfolio theory is used to find optimal allocations for wind and solar power capacities in Europe and to investigate the impact that different time resolutions have on the structure of optimal portfolios.

The weather analysis shows that wind and solar resources have a large negative correlation of -0.64 with a monthly time resolution. However, this relationship decreases as we move towards an hourly time resolution where the correlation coefficient becomes -0.05, indicating no statistical relationship. This is also the trend when comparing the volatility of wind and solar resources. There is a strong negative correlation for the occurrence of high and low volatility between wind and solar resources on a monthly time resolution, with a decreasing relationship as the time resolution increases.

The portfolio optimization shows that the existing fleet of wind and solar capacities is not the optimal distribution, given the assumptions in this study. Additionally, the portfolio optimization favors the regions in Portugal and Greece, which both have significantly higher wind output during summer months than the European average. By introducing significant wind power capacities in these regions, Europe will potentially have a more stable wind power output year-round.

The optimal portfolios outperform the existing fleet in both hourly, daily, weekly, and monthly time resolutions, with the most significant improvement at an hourly time resolution. Furthermore, the portfolios with lower time resolutions tend to favor higher shares (52%) of solar PV relative to portfolios with high time resolutions, receiving only 13% solar PV, indicating that solar PV is relatively more favorable in systems concerned about long-term volatility. At the same time, high shares of wind power are more beneficial in systems concerned about short-term volatility.

Etter hvert som den Europeiske kraftmiksen beveger seg mot høyere andeler av variabel fornybar energi, som vind- og solkraft, blir kraftsystemet stadig mer væravhengig. Været følger sesongmessige og geografiske mønstre forårsaket av jordens rotasjon og posisjon til solen. Økt væravhengighet kan by på utfordringer med å opprettholde et trygt, pålitelig og rimelig kraftsystem. Denne oppgaven undersøker vind- og solressursene i Europa, både i romlig og tidsmessig skala. Det gjennomføres en casestudie hvor moderne porteføljeteori brukes for å finne optimale allokeringer for vind- og solkraftkapasiteter i Europa og hvilken innvirkning ulike tidsoppløsninger har på strukturen til de optimale porteføljene. Væranalysen viser at vind- og solressurser har en negativ korrelasjon på -0.64 med månedlig tidsoppløsning. Imidlertid avtar dette forholdet når vi beveger oss mot en timebasert tidsoppløsning hvor korrelasjonskoeffisienten blir -0.05, noe som indikerer ingen sammenheng. Dette er også trenden når man sammenligner volatiliteten til vind- og solressurser. Det er en sterk negativ korrelasjon for når høy og lav volatilitet oppstår mellom vind- og solressurser på en månedlig tidsoppløsning, med avtagende sammenheng ettersom tidsoppløsningen øker. Porteføljeoptimaliseringen viser at den eksisterende flåten av vind- og solkapasitet ikke er den optimale fordelingen, gitt forutsetningene i denne studien. I tillegg favoriserer porteføljeoptimaliseringen regionene i Portugal og Hellas, som begge har betydelig mer vind i sommermånedene enn det europeiske gjennomsnittet. Ved å ha store mengder vindkraftkapasitet i disse regionene vil Europa som helhet ha en mer stabil vindkraftproduksjon året rundt. De mest optimale porteføljene utkonkurrerer den eksisterende flåten i både times-, daglig, ukentlig og månedlig tidsoppløsning, hvor den mest betydelige forbedringen ved timebasert tidsoppløsning. Videre har porteføljer med lavere tidsoppløsninger en tendens til å favorisere høyere andeler (52%) av solenergi i forhold til porteføljer med høy tidsoppløsning, som bare mottar 13% solenergi. Dette indikerer at høy andel solkraft er relativt mer gunstig i systemer som er bekymret for langsiktig volatilitet. Samtidig er høye andeler vindkraft mer fordelaktig i systemer som er opptatt av kortsiktig volatilitet.