Integration potentials of electrolytic hydrogen and synthetic fuels into the german energy system: a socio-techno-economic analysis

Abstract

Elektrolyse-Wasserstoff und strombasierten, synthetischen Kraftstoffen wird im Kontext der Energiewende eine Schlüsselrolle zugesprochen, um anteilig die Volatilität der erneuerbaren Stromerzeugung zu kompensieren und energieintensive Anwendungen außerhalb des Stromsektors mit erneuerbarer Energie zu versorgen. Möglichkeiten der Integration dieser auf Basis so genannter Power-to-Fuel Konzepte hergestellten erneuerbaren Energieträger in das Energiesystem unterliegen indes komplexen soziotechnischen und sozioökonomischen Zusammenhängen. Bis heute sind ausschließlich geförderte Pilotprojekte realisiert, da Geschäftsmodelle für die Produktion von Elektrolyse-Wasserstoff und strombasierten, synthetischen Kohlenwasserstoffen aller Art, wenn überhaupt, bislang nur in kleinen Nischenmärkten wirtschaftlich umzusetzen sind. Darüber hinaus gibt es bisher kaum Erfahrungswerte, wie flexibel entsprechende Anlagen auf ein fluktuierendes Stromangebot reagieren und dadurch Stromnetze entlasten können. Die vorliegende Dissertation setzt an diesem Status quo an und adressiert drei übergeordnete Fragestellungen: (1) Wie kann eine wirtschaftliche Integration von Power-to-Fuel Konzepten in Deutschland gelingen und unter welchen Bedingungen können erfolgreiche Geschäftsmodelle für den Betrieb der Anlagen entstehen? (2) Können Power-to-Fuel Konzepte so flexibel betrieben und so großskalig aufgebaut werden, dass Stromnetze entlastet und weite Teile nicht direkt elektrifizierbarer Anwendungen in den Sektoren Verkehr und Industrie mit Kraft- und Brennstoffen sowie Basischemikalien versorgt werden können? (3) Resultiert aus einer Integration von Power-to-Fuel Konzepten in Deutschland eine übermäßige finanzielle Belastung für private Haushalte und kommerzielle Verbraucher? Im Rahmen von vier Publikationen werden die drei Fragestellungen auf Basis ausgewählter Methoden wie unter anderem der Anwendung innovationstheoretischer Modelle, der agentenbasierten Modellierung und der Prozesssimulation adressiert und Erkenntnisse für eine erfolgreiche Integration erlangt. Die Ergebnisse zeigen deutlich auf, dass eine großskalige Integration in Deutschland und damit verbundene Treibhausgaseinsparungen auf volkswirtschaftlicher Ebene durch vermiedene Umweltfolgekosten deutliche Kostenvorteile gegenüber einer weitgehend auf fossilen Energieträgern basierenden Energieversorgung bietet. Auf betriebswirtschaftlicher Ebene ergeben sich bislang jedoch kaum Spielräume für die Entstehung von Geschäftsmodellen. Für eine umfängliche Integration in Deutschland sind daher umfangreiche Änderungen energiepolitischer Rahmenbedingungen erforderlich, um einen zügigen Markthochlauf zu initiieren. Ergebnisse der agentenbasierten Modellierung zeigen, dass insbesondere eine kurzfristige, sehr hohe Förderung von Power-to-Fuel Anlagen hohe private Investitionen auslöst, welche zu einer frühzeitigen Kostensenkung der Technologien führen können. Zusätzlich trägt eine Verschärfung und Ausweitung von Quoten zur Treibhausgasminderung für Unternehmen zur Steigerung der Nachfrage nach Elektrolyse-Wasserstoff und strombasierten, synthetischen Kraftstoffen bei. Demgegenüber rufen auch die kürzlich sehr stark gestiegenen Preise für konventionelle Energieträger noch keine unmittelbare Konkurrenzfähigkeit von Power-to-Fuel Produkten hervor. Ein flexibler Betrieb von Power-to-Fuel Anlagen in Abhängigkeit des erneuerbaren Stromangebotes ist grundsätzlich möglich, im Prozessschritt der Kohlenwasserstoffsynthese jedoch deutlich eingeschränkt. Die Niedertemperatur Wasser-Elektrolyse bietet indes ein in hohes Maß an Flexibilität und ermöglicht stromangebotsorientierte Betriebsstrategien. Im Vergleich zu Energiepreisentwicklungen in den vergangenen Jahrzehnten können etwaige kurz- bis mittelfristige Preissteigerungen für Verbraucher durch eine sukzessive Einführung von Elektrolyse-Wasserstoff und strombasierten, synthetischen Kraftstoffen als moderat eingestuft werden, während in der Langzeitperspektive Elektrolyse-Wasserstoff voraussichtlich deutlich kostengünstiger als konventionelle Energieträger verfügbar sein wird.