Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI

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  • Publication
    European Hydrogen Infrastructure Planning
    ( 2024)
    Alibas, Sirin orcid-logo
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    Ausfelder, Florian
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    Ditz, Daniel
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    Ebner, Michael
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    Engwerth, Veronika
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    Fleiter, Tobias
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    Fragoso García, Joshua
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    Genge, Lucien
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    Greitzer, Maria
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    Haas, Sofia
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    Haendel, Michael
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    Hank, Christoph
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    Hauser, Philipp
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    Heneka, Maximilian
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    Heineken, Wolfram
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    Hildebrand, Jan
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    Isik, Volkan
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    Köppel, Wolfgang
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    Harper, Ryan
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    Jahn, Matthias
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    Klaassen, Bernhard
    ;
    Kneiske, Tanja Manuela
    ;
    Malzkuhn, Sabine
    ;
    Kuzyaka, Berkan
    ;
    Mielich, Tim
    ;
    Lux, Benjamin orcid-logo
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    Maghnam, Ammar
    ;
    Müsgens, Felix
    ;
    Mendler, Friedrich
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    Pleier, Amanda
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    Müller-Kirchenbauer, Joachim
    ;
    Isbert, Anne-Marie
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    Ruprecht, David
    ;
    Sadat-Razavi, Pantea
    ;
    Neuner, Felix
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Mohr, Stephan
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    Ragwitz, Mario
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    Scheffler, Marcel
    ;
    Solomon, Mithran Daniel
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    Voglstätter, Christopher
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    Weißenburger, Bastian orcid-logo
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    Ausfelder, Florian
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    Ragwitz, Mario
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    Förster, My Yen
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    Nolden, Christoph orcid-logo
    The white paper was developed by a selected authorship of the TransHyDE Project System Analysis. The contents of the TransHyDE publications are produced in the project independently of the Federal Ministry of Education and Research.
  • Publication
    Transformation der Gasinfrastruktur zum Klimaschutz. Abschlussbericht
    (UBA, 2023)
    Wachsmuth, Jakob
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    Duscha, Vicki
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    Wietschel, Martin
    ;
    Oberle, Stella orcid-logo
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    Herrmann, Ulrike
    ;
    Graf, Marieke Emilie Anna orcid-logo
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Sorayaei, Mona
    ;
    Brandes, Frederik
    ;
    Gehrmann, Stefan
    ;
    Rommelfanger, Janosch
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    Isik, Volkan
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    Köppel, Wolfgang
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    Heneka, Maximilian
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    Zubair, Asif
    ;
    Vayas, Louis
    Mit der Revision des Klimaschutzgesetzes im Jahr 2021 hat sich Deutschland u. a. verbindlich das langfristige Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2045 treibhausgasneutral zu werden. Dies bedeutet, dass die Nutzung von fossilen Energieträgern vollständig zu vermeiden ist, insbesondere durch ein Ausschöpfen von Energieeffizienzpotenzialen und einen vollständigen Umstieg auf erneuerbare Energiequellen. Diesbezüglich hat sich ein weitgehender Konsens entwickelt, dass eine THG-neutrale Energieversorgung, selbst im Fall von einem hohen Maß an Elektrifizierung, Effizienz, Flexibilität, Speicherung und Sektorkopplung, ergänzend auf THG-neutrale gasförmige Energieträger angewiesen sein wird. Es stellt sich daher die Frage, ob bezüglich der Nutzung von erneuerbaren Gasen bestimmte Pfade zu bevorzugen sind und wie das Ausphasen von fossilem Erdgas und die künftige Nutzung erneuerbarer Gase gestaltet werden kann. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Studie die Gasinfrastruktur und ihre Entwicklungsmöglichkeiten im Rahmen der Energie- und Klimaschutzziele der Bundesregierung beleuchtet sowie strategische Leitplanken für erforderliche infrastrukturelle Weichenstellungen für gasförmige Energieträger entwickelt. Ziel dieser Studie ist es, in kompakter Form einen Eindruck des Übergangs von Erdgas- zur Wasserstoffinfrastrukturen zu vermitteln. Dabei werden die wesentlichen Meilensteine, Hemmnisse, regulatorischen und technischen Anpassungsbedarfe im Verlauf des Transformationspfades dargestellt, unter Berücksichtigung der Anwendungsbreite von Wasserstoff und des Zeitpunkts des aufkommenden Wasserstoffbedarfs.
  • Publication
    Potentials of direct air capture and storage in a greenhouse gas-neutral European energy system
    ( 2023)
    Lux, Benjamin orcid-logo
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    Schneck, Niklas
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    Pfluger, Benjamin
    ;
    Männer, Wolfgang
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    Sensfuß, Frank
    Negative emission technologies will likely be needed to achieve the European Commission's goal of greenhouse gas neutrality by 2050. This article investigates the potential of reducing greenhouse gases in the atmosphere via the DACCS pathway, i.e., to capture CO2 from the ambient air and permanently store it in geological formations. Since the capture of CO2 from ambient air is energy-intensive, this study particularly models the integration of DACCS plants into a greenhouse gas-neutral European energy system. The model results show that DACCS in Europe 2050 could cost between 160 €/tCO2 and 270 €/tCO2 with very conservative techno-economic assumptions and between 60 €/tCO2 and 140 €/tCO2 using more progressive parameters. Annually capturing 5% of Europe's 1990 emissions with a fully electric DACCS system would increase the capacities of onshore wind by 80–119 GWel and PV by 85–126 GWel. In the model results, Sweden, the Iberian Peninsula, Norway, and Finland incorporate the essential characteristics for a successful deployment of capturing and storing CO2 from ambient air: Sufficiently large geological CO2 storage capacities and relatively low-cost, vacant renewable power generation potentials. The low DACCS costs could minimize the cost of combating climate change and prevent the implementation of more expensive mitigation strategies. On the other hand, a DACCS-based climate protection strategy is fraught with the risks of CO2 storage leaks, acceptance problems for the additional required expansion of renewable energies, and premature depletion of global CO2 storage potentials.
  • Publication
    Wissenschaftliche Transformationsstudie zur Dekarbonisierung der Wärmebereitstellung in der Region Hoyerswerda, Weißwasser und Spremberg bis 2050
    ( 2023)
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Hanßke, Anja
    ;
    Ragwitz, Mario
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    Sporleder, Maximilian orcid-logo
    ;
    Fritz, Markus orcid-logo
    ;
    Kirbach, Ronny
    ;
    Ruscheinski, Florian
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    Steinbach, Jan
    ;
    Popovski, Eftim
    ;
    Haller, Johannes
    Die Umsetzung des Kohleausstiegs bis zum Jahr 2038 erfordert in den vom Strukturwandel betroffe nen Regionen einen deutlich beschleunigten Dekarbonisierungsprozess, insbesondere im Wärmesek tor. Vor diesem Hintergrund haben sich die Fernwärmeversorger der Städte Hoyerswerda, Spremberg und Weißwasser zusammengeschlossen, um gemeinsam Lösungen für eine umsetzbare, ökolo gische, sozialverträgliche, wirtschaftliche und sichere Energieversorgung in der Region zu ent wickeln. Hierbei werden sie maßgeblich von einem Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrich tung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG und unter Mitwirkung des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung ISI, der Tilia GmbH und der IREES GmbH im Rahmen einer wis senschaftlichen Transformationsstudie unterstützt. Mit dieser Studie nimmt das Konsortium eine Vorreiterrolle in Ostdeutschland ein und liefert eine Blau pause für den Dekarbonisierungs- und Transformationsprozess der Wärmeversorgung, die bundesweit übertragbar ist. Im Zuge der Studie wurden zunächst die Rahmenbedingungen für die zukünftige Wärmeversorgung in der Lausitz identifiziert und somit der Lösungsraum für die angestrebte Transformation definiert. Maßgebliche Themen, die in der Betrachtung berücksichtigt wurden, sind beispielsweise die Bevölke rungsentwicklung in der Region, die Entwicklung der Energiepreise und die Verfügbarkeit von Flächen für den Aufbau neuer Anlagentechnik. Weiter wurde der Status Quo der Wärmeversorgung in den drei Städten festgestellt und mit Hilfe von Prognosemodellen die Entwicklung des zukünftigen Wär mebedarfs bis 2050 ermittelt. Gleichermaßen wurden das Vorhandensein lokaler und überregionaler Erneuerbarer Energiequellen und deren Potenzial zur Deckung des zukünftigen Wärmebedarfs unter sucht. Aufbauend auf den grundlegenden Analysen ermittelte das Konsortium sowohl die Potenziale für den Ausbau und die Verdichtung der Wärmenetze in den drei Städten als auch für die Integration erneu erbarer Wärmequellen in die Wärmeversorgung. Mit Hilfe von Optimierungsmethoden wurden Ver sorgungsvarianten entwickelt, die zum einen die Kombination unterschiedlicher Technologien wie Wärmepumpen und Speicher berücksichtigen und gleichermaßen auf geeignete Wärmequellen zu rückgreifen, so dass die Stadtwerke mit Vorliegen der Studienergebnisse über eine solide Planungs grundlage verfügen, die nicht nur aus energetischer, sondern auch aus wirtschaftlicher Sicht Lösungen für eine resiliente Wärmeversorgung liefert. Mit der abschließenden Entwicklung eines gesamtheitlichen Umsetzungsprogrammes stellte das Pro jektkonsortium gemeinsam mit den Stadtwerken einen Fahrplan auf, der als Wegweiser für den Auf bau einer sicheren und bezahlbaren Wärmeversorgung in den drei Lausitzer Städten dient und den Pfad in eine klimaneutrale Zukunft aufzeigt. Mit der Studie ist es gelungen, allgemein anwendbare Methoden für das Vorgehen bei der Umsetzung der Wärmewende zu entwickeln, die auf den überwiegenden Teil aller Städte und Kommunen in Deutschland übertragbar sind.
  • Publication
    Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem - eine systemische Analyse
    ( 2023)
    Köppel, Wolfgang
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    Wietschel, Martin
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    Gnann, Till orcid-logo
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    Fleiter, Tobias
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    Lux, Benjamin orcid-logo
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    Manz, Pia orcid-logo
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    Rehfeldt, Matthias orcid-logo
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    Speth, Daniel orcid-logo
    ;
    Steinbach, Jan
    ;
    Pfluger, Benjamin
    Im Rahmen des Teilprojektes 4 des DVGW-Forschungsvorhabens Roadmap Gas 2050 ist der verstärkte Einsatz von Wasserstoff in einem Wasserstoffszenario anhand einer systemanalytischen Bewertung untersucht worden; Details sind dem Deliverable 4.4 zu entnehmen. Hierfür wurde das deutsche Energiesystem in einem Verbund von Modellen für die Abschätzung der Energienachfragen in den Sektoren Mobilität, Gebäude und Industrie und für die Energiebereitstellung (Strom, Wärme, Kraftstoff und Gas) modelliert. Der Bilanzraum der Modellierung ist für die Nachfragemodelle Deutschland und für das Energieangebot EU und MENA mit Schwerpunkt Deutschland. Grundlage der Modellierung ist die Einhaltung der THG-Minderungsziele für die Sektoren entsprechend dem Klimaschutzgesetz von 2021. Ziel war es zum einen, die Bedingungen und Auswirkungen eines schnellen Hochlaufs der Nachfrage von Wasserstoff und weiteren EE-Gasen zu analysieren; zum anderen sollte auch die Bereitstellung der Gase beschrieben werden. Ein möglichst wahrscheinliches Szenario im Sinne einer Vorhersage zu entwerfen, war hingegen keine Zielsetzung des Vorhabens. Kriterien wie Handwerkermangel, Akzeptanz und betriebswirtschaftliche Überlegungen oder regulatorische Randbedingungen wurden vor diesem Hintergrund nicht betrachtet, was in der Realität zu einer langsameren Umsetzung führen kann. Umgekehrt könnte der russische Angriffskrieg auf die Ukraine und die damit verbundene Energiekrise zu administrativen Maßnahmen auf europäischer und nationaler Ebene führen, die zu einer Beschleunigung der Umsetzung führen.
  • Publication
    War in Ukraine: Implications for the European and German strategies for importing hydrogen and synthesis products. Position paper
    (Fraunhofer ISI, 2022-03)
    Wietschel, Martin
    ;
    Roth, Florian
    ;
    Fragoso García, Joshua
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    Herbst, Andrea
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    Kleinschmitt, Christoph
    ;
    Wittmann, Florian orcid-logo
    ;
    Breitschopf, Barbara orcid-logo
    ;
    Zheng, Lin orcid-logo
    ;
    Eckstein, Johannes
    ;
    Neuwirth, Marius orcid-logo
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Ragwitz, Mario
    ;
    Löschel, Andreas
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    Biesewig, Lars
    ;
    Thiel, Zarah
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    Voglstätter, Christopher
    ;
    Nunez, Almudena
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    Quitzow, Rainer
    ;
    Kunze, Robert
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    Stamm, Andreas
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    Strohmaier, Rita
    ;
    Lorych, Ludger
    Russia’s war of aggression against Ukraine has led many to question the formerly held certainty that close trade relations result in a stable energy supply. Hydrogen, which is expected to play an important role in the future, is particularly affected by this. Against this background, among other things, this position paper addresses new approaches to assessing partner countries for hydrogen imports, the development of import costs, and the potential for hydrogen production in the EU. The paper also addresses the future economic development of Ukraine through the production and transportation of hydrogen.
  • Publication
    The potential of a hydrogen economy: an economic and social perspective
    ( 2022)
    Wietschel, Martin
    ;
    Dütschke, Elisabeth orcid-logo
    ;
    Neuwirth, Marius orcid-logo
    ;
    Scherrer, Aline orcid-logo
    ;
    Zheng, Lin orcid-logo
    ;
    Gerhardt, Norman
    ;
    Herkel, Sebastian
    ;
    Jahn, Matthias
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    Lozanovski, Aleksandar
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    Pfluger, Benjamin
    ;
    Pieton, Natalia orcid-logo
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    Ragwitz, Mario
    ;
    Schnabel, Frieder
    In order to create a comprehensive overview of a future hydrogen economy, different climate target and energy demand scenarios will be considered and the key issues of economic relevance, value creation, climate protection, public support and demand for hydrogen will be examined. This chapter starts with a section on the economic relevance of hydrogen and hydrogen-based synthesis products and makes predictions as to how a potential hydrogen market may develop in the future. It then discusses the value chain that would result from a climate-neutral hydrogen economy and addresses the sales and labor market potential that chain would give rise to. Lastly, it highlights the opportunities this would present for German industry. Subsequently, the chapter focuses on how the use of hydrogen can help achieve climate and environmental targets, including an explanation of how hydrogen production can potentially help to reduce greenhouse gas generation, depending on which raw materials are used. Finally, three essential factors for achieving public support for and removing the barriers to a hydrogen economy will be discussed, followed by the challenges and opportunities that a hydrogen economy would present for the key demand sectors of industry, transportation, heating and energy.
  • Publication
    Wasserstoff und die Energiekrise: Fünf Knackpunkte
    (PIK, 2022)
    Odenweller, Adrian
    ;
    George, Jan orcid-logo
    ;
    Müller, Viktor Paul orcid-logo
    ;
    Verpoort, Philipp C.
    ;
    Gast, Lukas
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    Pfluger, Benjamin
    ;
    Ueckerdt, Falko
    Welche Rolle spielt Wasserstoff in der Energiekrise? Wie wettbewerbsfähig Wasserstoff aktuell ist, und ob genug verfügbar ist, um in der aktuellen Krise zu helfen, haben Ariadne-Forschende in einer neuen Analyse untersucht.