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Kriterien einer nachhaltigen Bereitstellung und klimagerechte Integration von erneuerbaren strombasierten Energieträgern

In der RED II sind Kriterien zum Strombezug von strombasierten Energieträgern definiert. Diese adressieren nur im begrenzten Maße die Herausforderungen der Nachhaltigkeit und systemischen Klimabetrachtung. Die systemischen Herausforderungen im Strommarkt werden zwar stärker adressiert, sind aber im Konkreten unklar. Existierende Analysen und Szenarien zur Entwicklung und Produktion strombasierter Energieträger implizieren potenzielle Konfliktfelder für eine nachhaltige ökologische und sozioökonomische Entwicklung. Mit der bereits absehbaren Importabhängigkeit von Europa bei strombasierten Energieträgern sind Chancen und Herausforderung im Hinblick auf eine nachhaltige Bereitstellung in möglichen Herstellungsregionen mit einem hohen Produktionspotenzial verbunden. Das Vorhaben dient zur Unterstützung und Beratung für die Bewertung, Ausarbeitung und mögliche Umsetzung klimagerechter und nachhaltiger Kriterien/Anforderungen an strombasierte erneuerbare Energieträger in Europa und für den Import nach Europa.

Überblick zur Kostenentwicklung von strombasierten erneuerbaren Energieträgern

Das vorliegende Kurzpapier aus dem Forschungsvorhaben „Kriterien für eine nachhaltige Bereitstellung und klimagerechte Integration von strombasierten Energieträgern“ analysiert Studien, die sich mit der Kostenentwicklung von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten befassen. Es werden die folgenden strombasierten, erneuerbaren Energieträger betrachtet: Wasserstoff, Ammoniak, Methan, Methanol, Fischer-Tropsch Kraftstoffe und Dimethylether, sowie die fossil basierten Energieträger blauer Wasserstoff und blauer Ammoniak. Die Kosten werden den Prozessen: Wasserstoff-Erzeugung, Derivatsynthese, Transport, sowie Rückwandlung und Verteilung zugeordnet. In einem gesonderten Kapitel wird der Einfluss der Kohlenstoffquelle für die Wasserstoff-Derivatsynthese betrachtet. Für die Analyse der Erzeugungskosten des Wasserstoffs und o.g. Wasserstoffderivate wurden Studien zu folgenden Regionen berücksichtigt: MENA, Subsahara-Afrika, Nordamerika, Südamerika, Australien, Nordeuropa, Iberische Halbinsel, restliches Europa (ohne Deutschland) und Deutschland. Es zeigt sich, dass es auch bei Betrachtung des gleichen Energieträgers aus der gleichen Erzeugungsregion zu teils starken Abweichungen bezüglich aktueller und zukünftiger Produktionskosten kommt. Die lässt sich auf grundlegende, methodische Ansätze der Studien, sowie die darin gesetzten Randbedingungen, z.B. zukünftige Entwicklung einer beteiligten Technik, zurückführen. Alle Ergebnisse sind in der o.g. Aufteilung in Übersichtsgrafiken unter Nennung der jeweiligen Quelle dargestellt.

Optionen und Potenziale für die Nutzung von biogenem CO₂ für die Herstellung von strombasierten erneuerbaren Energieträgern

Der Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger ist Grundlage für eine treibhausgasneutrale (netto) Zukunft, auch die Nutzung von fossilem CO₂ ist immer mit zusätzlichen Emissionen verbunden. Es stellt sich die Frage, woher kommt der Kohlenstoff, den wir auch in Zukunft noch benötigen werden, wenn auch in deutlich geringerem Umfang? Die Nutzung von Anbaubiomasse ist aufgrund des Flächenbedarfes und der Landnutzungsänderung keine nachhaltige Alternative. Können Rest- und Abfallstoffe aus Biomasse diese Kohlenstoffquelle sein und wie sind diese einzuordnen?Der vorliegende Zwischenbericht aus dem Forschungsvorhaben: Kriterien für eine nachhaltige Bereitstellung und klimagerechte Integration von strombasierten Energieträgern widmet sich dieser Frage. Zuerst werden Daten zu globalen Reststoffpotentialen aus Literaturquellen zusammengefasst. Nachfolgend werden CO₂-Bedarfe von technischen Prozessen für die Herstellung von Wasserstoffderivaten beleuchtet. Abschließend findet eine qualitative Nachhaltigkeitsbewertung der betrachteten CO₂-Punktquellen und ein Abgleich von globalem Potential und globaler Nachfrage statt.

Versorgungssicherheit in einem transformierten Stromsystem mit extremen Anteilen Erneuerbarer Energien und starker Sektorkopplung, Teilprojekt: KIT

Direkte Folgen der Sektorkopplung sind zukünftig stark steigende Stromnachfragemengen sowie veränderte Nachfrageprofile durch neue Stromanwendungen. Diese Stromnachfrage muss von einer zunehmend durch Windkraft und Photovoltaik geprägten und damit hochvolatilen Stromerzeugung gedeckt werden. Somit ergeben sich substantielle Herausforderungen, das aktuelle Niveau der Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten oder sogar weiter zu erhöhen. Aus diesem Grund werden verschiedene Maßnahmen und Technologien erforderlich sein, die nur in ihrer Gesamtheit ausreichend sein werden, um Angebot und Nachfrage jederzeit und effizient in Einklang zu bringen und die Versorgungssicherheit zu garantieren. Dies beinhaltet den regionalen und grenzüberschreitenden Ausgleich von erneuerbaren Energien innerhalb von Marktgebieten und zwischen Marktgebieten, den zeitlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage durch flexible Lasten oder Speichertechnologien sowie flexible Erzeugungseinheiten. Das genannte Maßnahmenbündel und die Auswirkungen der Einzelmaßnahmen auf die Versorgungssicherheit wird innerhalb des Forschungsvorhabens durch die Weiterentwicklung etablierter Energiesystemmodelle, die Entwicklung eines neuen Modells sowie die Kopplung dieser Modelle untersucht und bewertet.

Versorgungssicherheit in einem transformierten Stromsystem mit extremen Anteilen Erneuerbarer Energien und starker Sektorkopplung, Teilprojekt: TUD

Direkte Folgen der Sektorkopplung sind zukünftig stark steigende Stromnachfragemengen sowie veränderte Nachfrageprofile durch neue Stromanwendungen. Diese Stromnachfrage muss von einer zunehmend durch Windkraft und Photovoltaik geprägten und damit hochvolatilen Stromerzeugung gedeckt werden. Somit ergeben sich substantielle Herausforderungen, das aktuelle Niveau der Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten oder sogar weiter zu erhöhen. Aus diesem Grund werden verschiedene Maßnahmen und Technologien erforderlich sein, die nur in ihrer Gesamtheit ausreichend sein werden, um Angebot und Nachfrage jederzeit und effizient in Einklang zu bringen und die Versorgungssicherheit zu garantieren. Dies beinhaltet den regionalen und grenzüberschreitenden Ausgleich von erneuerbaren Energien innerhalb von Marktgebieten und zwischen Marktgebieten, den zeitlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage durch flexible Lasten oder Speichertechnologien sowie flexible Erzeugungseinheiten. Das genannte Maßnahmenbündel und die Auswirkungen der Einzelmaßnahmen auf die Versorgungssicherheit wird innerhalb des Forschungsvorhabens durch die Weiterentwicklung etablierter Energiesystemmodelle, die Entwicklung eines neuen Modells sowie die Kopplung dieser Modelle untersucht und bewertet.

Versorgungssicherheit in einem transformierten Stromsystem mit extremen Anteilen Erneuerbarer Energien und starker Sektorkopplung, Teilprojekt der ESA2 GmbH: Modellkopplung und FAIR-Data

Direkte Folgen der Sektorkopplung sind zukünftig stark steigende Stromnachfragemengen sowie veränderte Nachfrageprofile durch neue Stromanwendungen. Diese Stromnachfrage muss von einer zunehmend durch Windkraft und Photovoltaik geprägten und damit hochvolatilen Stromerzeugung gedeckt werden. Somit ergeben sich substantielle Herausforderungen, das aktuelle Niveau der Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten oder sogar weiter zu erhöhen. Aus diesem Grund werden verschiedene Maßnahmen und Technologien erforderlich sein, die nur in ihrer Gesamtheit ausreichend sein werden, um Angebot und Nachfrage jederzeit und effizient in Einklang zu bringen und die Versorgungssicherheit zu garantieren. Dies beinhaltet den regionalen und grenzüberschreitenden Ausgleich von erneuerbaren Energien innerhalb von Marktgebieten und zwischen Marktgebieten, den zeitlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage durch flexible Lasten oder Speichertechnologien sowie flexible Erzeugungseinheiten. Das genannte Maßnahmenbündel und die Auswirkungen der Einzelmaßnahmen auf die Versorgungssicherheit wird innerhalb des Forschungsvorhabens durch die Weiterentwicklung etablierter Energiesystemmodelle, die Entwicklung eines neuen Modells sowie die Kopplung dieser Modelle untersucht und bewertet.

Versorgungssicherheit in einem transformierten Stromsystem mit extremen Anteilen Erneuerbarer Energien und starker Sektorkopplung, Teilvorhaben: Auswirkungen von Sektorkopplung auf nachfrageseitige Akteure und Rückkopplungen auf das Stromsystem

Direkte Folgen der Sektorkopplung sind zukünftig stark steigende Stromnachfragemengen sowie veränderte Nachfrageprofile durch neue Stromanwendungen. Diese Stromnachfrage muss von einer zunehmend durch Windkraft und Photovoltaik geprägten und damit hochvolatilen Stromerzeugung gedeckt werden. Somit ergeben sich substantielle Herausforderungen, das aktuelle Niveau der Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten oder sogar weiter zu erhöhen. Aus diesem Grund werden verschiedene Maßnahmen und Technologien erforderlich sein, die nur in ihrer Gesamtheit ausreichend sein werden, um Angebot und Nachfrage jederzeit und effizient in Einklang zu bringen und die Versorgungssicherheit zu garantieren. Dies beinhaltet den regionalen und grenzüberschreitenden Ausgleich von erneuerbaren Energien innerhalb von Marktgebieten und zwischen Marktgebieten, den zeitlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage durch flexible Lasten oder Speichertechnologien sowie flexible Erzeugungseinheiten. Das genannte Maßnahmenbündel und die Auswirkungen der Einzelmaßnahmen auf die Versorgungssicherheit wird innerhalb des Forschungsvorhabens durch die Weiterentwicklung etablierter Energiesystemmodelle, die Entwicklung eines neuen Modells sowie die Kopplung dieser Modelle untersucht und bewertet.

Modellierung (De-)Zentraler Energiewenden: Wechselwirkungen, Koordination und Lösungsansätze aus systemorientierter Perspektive, Teilvorhaben: Modellierung von Flow-based Market Coupling, Power-to-Gas als zentrale Speichertechnologie und Anreizwirkungen durch Netzentgelte

Die Energiewende in Deutschland ist bisher durch den Ausbau von Onshore-Windkraft und PV-Anlagen geprägt. Durch den vermehrten Zubau von Offshore-Windkraft kommt es zu einer zentraleren Einspeisung fluktuierender Windenergie im Norden Deutschlands. Langfristig könnten sich allerdings ebenso dezentrale Erzeugungsstrukturen durchsetzen, z.B. in Form von der angestrebten, verstärkten Sektorenkopplung zur Steigerung der Flexibilität des Energiesystems und Reduktion fossiler Brennstoffbedarf im Wärme- und Transportsektor. Entsprechend werden sowohl zentrale als auch dezentrale Technologien und deren gezielte Zusammenführung zum Gelingen der Energiewende beitragen müssen. Aktuell bestehen hierbei allerdings zahlreiche Herausforderungen, welche ein verbessertes Verständnis der Koordination zwischen Technologieoptionen, sowie die Abstimmung verfügbarer Steuerungsinstrumente, auch über Sektorengrenzen hinweg, erfordern. Daher ist eine Analyse zukünftiger Energieszenarien und der sich daraus ergebenden technologischen Wechselwirkungen aus einer übergreifenden systemorientierten Perspektive notwendig, sowie die wissenschaftliche Methodenentwicklung. Das Ziel des Projekts ist es deshalb, die Bedingungen für eine bestmögliche Koordination (de-)zentraler Technologieoptionen zu erforschen und dadurch zu einer effizienten Umsetzung der Energiewende beizutragen. Dies erfordert ein verbessertes Verständnis der Systemintegration und Vernetzungsmöglichkeiten aller Technologieoptionen. Dabei sollen sektorinterne und -übergreifende Lösungsansätze analysiert und bewertet werden. Basierend auf diesen technologiefokussierten Analysen sollen ökonomische Ansätze zum Marktdesign sowie Steuerungsinstrumente zur adäquaten Anreizsetzung im Systemkontext untersucht werden. Dabei ist das Ziel zu analysieren, welche Anteile von zentralen und dezentralen Erzeugungs- und Sektorenkopplungselementen aus Systemsicht wünschenswert wären, was ein Untersuchen und Abwägen von Zielkonflikten erfordert.

Modellierung (De-)Zentraler Energiewenden: Wechselwirkungen, Koordination und Lösungsansätze aus systemorientierter Perspektive, Teilvorhaben: Modellierung von zentralen und dezentralen Technologien unter Berücksichtigung gekoppelter Strommärkte und regulatorischer Anreizmechanismen

Die Energiewende in Deutschland ist bisher durch den Ausbau von Onshore-Windkraft und PV-Anlagen geprägt. Durch den vermehrten Zubau von Offshore-Windkraft kommt es zu einer zentraleren Einspeisung fluktuierender Windenergie im Norden Deutschlands. Langfristig könnten sich allerdings ebenso dezentrale Erzeugungsstrukturen durchsetzen, z.B. in Form von der angestrebten, verstärkten Sektorenkopplung zur Steigerung der Flexibilität des Energiesystems und Reduktion fossiler Brennstoffbedarf im Wärme- und Transportsektor. Entsprechend werden sowohl zentrale als auch dezentrale Technologien und deren gezielte Zusammenführung zum Gelingen der Energiewende beitragen müssen. Aktuell bestehen hierbei allerdings zahlreiche Herausforderungen, welche ein verbessertes Verständnis der Koordination zwischen Technologieoptionen, sowie die Abstimmung verfügbarer Steuerungsinstrumente, auch über Sektorengrenzen hinweg, erfordern. Daher ist eine Analyse zukünftiger Energieszenarien und der sich daraus ergebenden technologischen Wechselwirkungen aus einer übergreifenden systemorientierten Perspektive notwendig, sowie die wissenschaftliche Methodenentwicklung. Das Ziel des Projekts ist es deshalb, die Bedingungen für eine bestmögliche Koordination (de-)zentraler Technologieoptionen zu erforschen und dadurch zu einer effizienten Umsetzung der Energiewende beizutragen. Dies erfordert ein verbessertes Verständnis der Systemintegration und Vernetzungsmöglichkeiten aller Technologieoptionen. Dabei sollen sektorinterne und -übergreifende Lösungsansätze analysiert und bewertet werden. Basierend auf diesen technologiefokussierten Analysen sollen ökonomische Ansätze zum Marktdesign sowie Steuerungsinstrumente zur adäquaten Anreizsetzung im Systemkontext untersucht werden. Dabei ist das Ziel zu analysieren, welche Anteile von zentralen und dezentralen Erzeugungs- und Sektorenkopplungselementen aus Systemsicht wünschenswert wären, was ein Untersuchen und Abwägen von Zielkonflikten erfordert.

Modellierung (De-)Zentraler Energiewenden: Wechselwirkungen, Koordination und Lösungsansätze aus systemorientierter Perspektive, Teilvorhaben: Abbildung der Interdependenzen zwischen internationaler Marktkopplung durch Flow-based Market Coupling und der Konzeption regionaler Erzeugungsmuster

Die Energiewende in Deutschland ist bisher durch den Ausbau von Onshore-Windkraft und PV-Anlagen geprägt. Durch den vermehrten Zubau von Offshore-Windkraft kommt es zu einer zentraleren Einspeisung fluktuierender Windenergie im Norden Deutschlands. Langfristig könnten sich allerdings ebenso dezentrale Erzeugungsstrukturen durchsetzen, z.B. in Form von der angestrebten, verstärkten Sektorenkopplung zur Steigerung der Flexibilität des Energiesystems und Reduktion fossiler Brennstoffbedarf im Wärme- und Transportsektor. Entsprechend werden sowohl zentrale als auch dezentrale Technologien und deren gezielte Zusammenführung zum Gelingen der Energiewende beitragen müssen. Aktuell bestehen hierbei allerdings zahlreiche Herausforderungen, welche ein verbessertes Verständnis der Koordination zwischen Technologieoptionen, sowie die Abstimmung verfügbarer Steuerungsinstrumente, auch über Sektorengrenzen hinweg, erfordern. Daher ist eine Analyse zukünftiger Energieszenarien und der sich daraus ergebenden technologischen Wechselwirkungen aus einer übergreifenden systemorientierten Perspektive notwendig, sowie die wissenschaftliche Methodenentwicklung. Das Ziel des Projekts ist es deshalb, die Bedingungen für eine bestmögliche Koordination (de-)zentraler Technologieoptionen zu erforschen und dadurch zu einer effizienten Umsetzung der Energiewende beizutragen. Dies erfordert ein verbessertes Verständnis der Systemintegration und Vernetzungsmöglichkeiten aller Technologieoptionen. Dabei sollen sektorinterne und -übergreifende Lösungsansätze analysiert und bewertet werden. Basierend auf diesen technologiefokussierten Analysen sollen ökonomische Ansätze zum Marktdesign sowie Steuerungsinstrumente zur adäquaten Anreizsetzung im Systemkontext untersucht werden. Dabei ist das Ziel zu analysieren, welche Anteile von zentralen und dezentralen Erzeugungs- und Sektorenkopplungselementen aus Systemsicht wünschenswert wären, was ein Untersuchen und Abwägen von Zielkonflikten erfordert.

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