Innovative energy technologies in energy-economy models [Elektronische Ressource] : assessing economic, energy and environmental impacts of climate policy and technological change in Germany / von Katja Schumacher

Katja Schumacher

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English

Extrait

INNOVATIVE ENERGY TECHNOLOGIES IN ENERGY-
ECONOMY MODELS

Assessing economic, energy and environmental impacts of climate policy
and technological change in Germany

DISSERTATION

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum politicarum
(Doktor der Wirtschaftswissenschaft)

eingereicht an der

Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät
der Humboldt-Universität zu Berlin

von

Diplom Volkswirtin Katja Schumacher
(geb. am 26. Nov. 1968 in Düsseldorf)



Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Christoph Markschies
Dekan der wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät
Prof. Oliver Günther, Ph.D.

Gutachter/Gutachterin: 1. Prof. Dr. Claudia Kemfert
2. Prof. Dr. Heinz Welsch

eingereicht: 18. April 2007
Tag des Kolloquiums: 18. Juli 2007
Abstract

Energy technologies and innovation are considered to play a crucial role in climate
change mitigation. Yet, the representation of technologies in energy-economy models, which
are used extensively to analyze the economic, energy and environmental impacts of
alternative energy and climate policies, is rather limited. This dissertation presents advanced
techniques of including technological innovations in energy-economy computable general
equilibrium (CGE) models. New methods are explored and applied for improving the realism
of energy production and consumption in such top-down models. The dissertation addresses
some of the main criticism of general equilibrium models in the field of energy and climate
policy analysis: The lack of detailed sectoral and technical disaggregation, the restricted view
on innovation and technological change, and the lack of extended greenhouse gas mitigation
options. The dissertation reflects on the questions of (1) how to introduce innovation and
technological change in a computable general equilibrium model as well as (2) what
additional and policy relevant information is gained from using these methodologies.
Employing a new hybrid approach of incorporating technology-specific information for
electricity generation and iron and steel production in a dynamic multi-sector computable
equilibrium model it can be concluded that technology-specific effects are crucial for the
economic assessment of climate policy, in particular the effects relating to process shifts and
fuel input structure. Additionally, the dissertation shows that learning-by-doing in renewable
energy takes place in the renewable electricity sector but is equally important in upstream
sectors that produce technologies, i.e. machinery and equipment, for renewable electricity
generation. The differentiation of learning effects in export sectors, such as renewable energy
technologies, matters for the economic assessment of climate policies because of effects on
international competitiveness and economic output.

Keywords: Energy technologies, electricity generation, iron and steel production,
technological change, learning-by-doing, general equilibrium modelling, hybrid modelling,
climate policy, international trade.
Zusammenfassung

Die Einführung neuartiger Energietechnologien wird allgemein als der Schlüssel zur
Senkung klimaschädlicher Treibhausgase angesehen. Allerdings ist die Abbildung derartiger
Technologien in numerischen Modellen zur Simulation und ökonomischen Analyse von
energie- und klimaschutzpolitischen Maßnahmen vielfach noch rudimentär. Die Dissertation
entwickelt neue Ansätze zur Einbindung von technologischen Innovationen in energie-
ökonomische allgemeine Gleichgewichtsmodelle, mit dem Ziel den Energiesektor
realitätsnäher abzubilden. Die Dissertation adressiert einige der Hauptkritikpunkte an
allgemeinen Gleichgewichtsmodellen zur Analyse von Energie- und Klimapolitik: Die
fehlende sektorale und technologische Disaggregation, die beschränkte Darstellung von
technologischem Fortschritt, und das Fehlen von einem weiten Spektrum an
Treibhausgasminderungsoptionen. Die Dissertation widmet sich zwei Hauptfragen: (1) Wie
können technologische Innovationen in allgemeine Gleichgewichtsmodelle eingebettet
werden? (2) Welche zusätzlichen und politikrelevanten Informationen lassen sich durch diese
methodischen Erweiterungen gewinnen? Die Verwendung eines sogenannten Hybrid-
Ansatzes, in dem neuartige Technologien für Stromerzeugung und Eisen- und
Stahlherstellung in ein dynamisch multi-sektorales CGE Modell eingebettet werden, zeigt,
dass technologiespezifische Effekte von großer Bedeutung sind für die ökonomische Analyse
von Klimaschutzmaßnahmen, insbesondere die Effekte hinsichtlich von Technologiewechsel
und dadurch bedingten Änderungen der Input- und Emissionsstrukturen. Darüber hinaus zeigt
die Dissertation, dass Lerneffekte auf verschiedenen Stufen der Produktionskette abgebildet
werden müssen: Für regenerative Energien, zum Beispiel, nicht nur bei der Anwendung von
Stromerzeugungsanlagen, sondern ebenso auf der vorgelagerten Produktionsstufe bei der
Herstellung dieser Anlagen. Die differenzierte Abbildung von Lerneffekten in
Exportsektoren, wie zum Beispiel Windanlagen, verändert die Wirtschaftlichkeit und die
Wettbewerbsfähigkeit und hat wichtige Implikationen für die ökonomische Analyse von
Klimapolitik.
Schlagwörter: Energietechnologien, Stromerzeugung, Eisen- und Stahlproduktion,
technologischer Wandel, Lerneffekte, allgemeine Gleichgewichtsmodelle,
Hybridmodellierung, Klimapolitik, internationaler Handel.

Table of Contents
1 Introduction ....................................................................................................................... 1
1.1 Energy-economy-environment modeling............................................................... 2
1.2 Innovation and technological change in energy-economy-environment models... 6
1.3 Goal and structure of dissertation......................................................................... 12
1.4 Acknowledgements.............................................................................................. 16
1.5 References............................................................................................................ 17
2 Electricity sector innovations in climate policy modeling for Germany.................... 23
2.1 Introduction.......................................................................................................... 23
2.2 German electricity sector...................................................................................... 25
2.3 SGM-Germany..................................................................................................... 29
2.4 Analysis and results.............................................................................................. 32
2.4.1 Technology choice................................................................................... 33
2.4.2 Electricity sector results........................................................................... 36
2.4.3 Economic and emissions results............................................................... 38
2.5 Summary and conclusions.................................................................................... 42
2.6 References............................................................................................................ 44
3 An innovative CGE approach for the inclusion of industrial technologies in
energy-economy models.................................................................................................. 46
3.1 Introduction.......................................................................................................... 46
3.2 Methods................................................................................................................ 50
3.2.1 Benchmark data........................................................................................ 51
3.2.2 Technology-based approach..................................................................... 52
3.2.3 Aggregate production function approach................................................. 55
3.2.4 CGE framework....................................................................................... 56
3.2.5 Technical change...................................................................................... 57
3.3 Iron and steel technologies ................................................................................... 58
3.3.1 Background on production routes ............................................................ 58
3.3.2 Production costs and energy use for iron and steel .................................. 64
3.4 Analysis and results.............................................................................................. 67
3.4.1 Technology-based analysis....................................................................... 68
3.4.2 Aggregate CES versus technology-based approach................................. 74
3.4.3 Economic and emissions results............................................................... 77
3.5 Conclusions...................................................................................................