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
    ;
    Greitzer, Maria
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    Haas, Sofia
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    Haendel, Michael
    ;
    Hank, Christoph
    ;
    Hauser, Philipp
    ;
    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
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    Kneiske, Tanja Manuela
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    Malzkuhn, Sabine
    ;
    Kuzyaka, Berkan
    ;
    Mielich, Tim
    ;
    Lux, Benjamin orcid-logo
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    Maghnam, Ammar
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    Müsgens, Felix
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    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
    Wissenschaftliche Transformationsstudie zur Dekarbonisierung der Wärmebereitstellung in der Region Hoyerswerda, Weißwasser und Spremberg bis 2050
    ( 2023)
    Pfluger, Benjamin
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    Hanßke, Anja
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    Ragwitz, Mario
    ;
    Sporleder, Maximilian orcid-logo
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    Fritz, Markus orcid-logo
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    Kirbach, Ronny
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    Ruscheinski, Florian
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    Steinbach, Jan
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    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
    Transformation der Gasinfrastruktur zum Klimaschutz. Abschlussbericht
    (UBA, 2023)
    Wachsmuth, Jakob
    ;
    Duscha, Vicki
    ;
    Wietschel, Martin
    ;
    Oberle, Stella orcid-logo
    ;
    Herrmann, Ulrike
    ;
    Graf, Marieke Emilie Anna orcid-logo
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Sorayaei, Mona
    ;
    Brandes, Frederik
    ;
    Gehrmann, Stefan
    ;
    Rommelfanger, Janosch
    ;
    Isik, Volkan
    ;
    Köppel, Wolfgang
    ;
    Heneka, Maximilian
    ;
    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
    ;
    Schneck, Niklas
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Männer, Wolfgang
    ;
    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
    Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem - eine systemische Analyse
    ( 2023)
    Köppel, Wolfgang
    ;
    Wietschel, Martin
    ;
    Gnann, Till orcid-logo
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    Fleiter, Tobias
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    Lux, Benjamin orcid-logo
    ;
    Manz, Pia orcid-logo
    ;
    Rehfeldt, Matthias orcid-logo
    ;
    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
    ;
    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
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    Löschel, Andreas
    ;
    Biesewig, Lars
    ;
    Thiel, Zarah
    ;
    Voglstätter, Christopher
    ;
    Nunez, Almudena
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    Quitzow, Rainer
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    Kunze, Robert
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    Stamm, Andreas
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    Strohmaier, Rita
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    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
    Hintergrundpapier zu Gasinfrastrukturen im Lichte des russischen Angriffskriegs auf die Ukraine
    ( 2022)
    Graf, Frank
    ;
    Wachsmuth, Jakob
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Müller-Kirchenbauer, Joachim
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    Nolden, Christoph orcid-logo
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    Wietschel, Martin
    ;
    Heneka, Maximilian
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    Ausfelder, Florian
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    Lenivova, Veronika orcid-logo
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    Malzkuhn, Sabine
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    Ragwitz, Mario
    Die Erarbeitung des Positionspapiers erfolgte durch eine ausgewählte Autorenschaft des Verbundprojektes Systemanalyse aus dem Wasserstoffleitprojekt TransHyDE.
  • Publication
    Krieg in der Ukraine: Auswirkungen auf die europäische und deutsche Importstrategie von Wasserstoff und Syntheseprodukten. Impulspapier
    (Fraunhofer ISI, 2022)
    Wietschel, Martin
    ;
    Roth, Florian
    ;
    Fragoso García, Joshua
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    Herbst, Andrea
    ;
    Kleinschmitt, Christoph
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    Wittmann, Florian orcid-logo
    ;
    Breitschopf, Barbara orcid-logo
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    Zheng, Lin orcid-logo
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    Eckstein, Johannes
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    Neuwirth, Marius orcid-logo
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    Pfluger, Benjamin
    ;
    Ragwitz, Mario
    ;
    Löschel, Andreas
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    Biesewig, Lars
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    Thiel, Zarah
    ;
    Voglstätter, Christopher
    ;
    Nunez, Almudena
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    Quitzow, Rainer
    ;
    Kunze, Robert
    ;
    Stamm, Andreas
    ;
    Strohmaier, Rita
    ;
    Lorych, Ludger
    Der Angriffskrieg von Russland auf die Ukraine hat auf vielen Seiten zur Erkenntnis geführt, dass die bisher geltende Gewissheit, dass enge Handelsbeziehungen zu einer stabilen Energieversorgung führen, zu hinterfragen ist. Das Zukunftsthema Wasserstoff ist davon in besonderem Maße betroffen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich das Impulspapier unter anderem mit neuen Ansätzen der Bewertung von Partnerländern beim Wasserstoffimport, der Entwicklung von Importkosten und den Potenzialen für eine Wasserstoffherstellung in der EU. Zudem geht das Papier auf die künftige wirtschaftliche Entwicklung der Ukraine durch die Erzeugung und den Transport von Wasserstoff ein.
  • Publication
    Potenziale einer Wasserstoffwirtschaft aus wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Perspektive
    ( 2022)
    Wietschel, Martin
    ;
    Dütschke, Elisabeth orcid-logo
    ;
    Neuwirth, Marius orcid-logo
    ;
    Scherrer, Aline orcid-logo
    ;
    Zheng, Lin orcid-logo
    ;
    Gerhardt, Norman
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    Herkel, Sebastian
    ;
    Jahn, Matthias
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    Lozanovski, Aleksandar
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    Pfluger, Benjamin
    ;
    Pieton, Natalia orcid-logo
    ;
    Ragwitz, Mario
    ;
    Schnabel, Frieder
    Um ein umfassendes Gesamtbild für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft zu zeichnen, werden unterschiedliche Szenarien für Klimaziele und Energienachfrage betrachtet und die wesentlichen Themen wirtschaftliche Relevanz, Wertschöpfung, Klimabeitrag, Akzeptanz und Nachfrage von Wasserstoff beleuchtet. Das Kapitel startet mit einem Abschnitt zur wirtschaftlichen Relevanz von Wasserstoff sowie darauf basierenden Syntheseprodukten und gibt einen Ausblick auf den potenziellen Wasserstoffmarkt der Zukunft. Es zeigt die Wertschöpfungskette einer klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft auf und thematisiert resultierende Umsatz- und Arbeitsmarktpotenziale und letztlich die damit verbundenen Chancen für die deutsche Industrie. Im Anschluss wird der Beitrag zur Erreichung von Klima- und Umweltzielen durch den Einsatz von Wasserstoff diskutiert, wobei das Treibhausgasminderungspotenzial der Wasserstoffherstellung in Abhängigkeit seiner Rohstoffe beschrieben wird. Schließlich werden drei wesentliche Dimensionen für die Akzeptanz und den Abbau von Barrieren für eine Wasserstoffwirtschaft thematisiert und abschließend die Herausforderungen und Chancen einer Wasserstoffwirtschaft für die wesentlichen Nachfragesektoren Industrie, Verkehr, Wärme und Energie diskutiert.
  • Publication
    The role of hydrogen in a greenhouse gas-neutral energy supply system in Germany
    ( 2022)
    Lux, Benjamin orcid-logo
    ;
    Deac, Gerda orcid-logo
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    Kiefer, Christoph P. orcid-logo
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    Kleinschmitt, Christoph
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    Bernath, Christiane orcid-logo
    ;
    Franke, Katja
    ;
    Pfluger, Benjamin
    ;
    Willemsen, Sebastian
    ;
    Sensfuß, Frank
    Hydrogen is widely considered to play a pivotal role in successfully transforming the German energy system, but the German government’s current “National Hydrogen Strategy” does not specify how hydrogen utilization, production, storage or distribution will be implemented. Addressing key uncertainties for the German energy system’s path to greenhouse gas-neutrality, this paper examines hydrogen in different scenarios. This analysis aims to support the concretization of the German hydrogen strategy. Applying a European energy supply model with strong interactions between the conversion sector and the hydrogen system, the analysis focuses on the requirements for geological hydrogen storages and their utilization over the course of a year, the positioning of electrolyzers within Germany, and the contributions of hydrogen transport networks to balancing supply and demand. Regarding seasonal hydrogen storages, the results show that hydrogen storage facilities in the range of 42 TWhH2 to 104 TWhH2 are beneficial to shift high electricity generation volumes from onshore wind in spring and fall to winter periods with lower renewable supply and increased electricity and heat demands. In 2050, the scenario results show electrolyzer capacities between 41 GWel and 75 GWel in Germany. Electrolyzer sites were found to follow the low-cost renewable energy potential and are concentrated on the North Sea and Baltic Sea coasts with their high wind yields. With respect to a hydrogen transport infrastructure, there were two robust findings: One, a domestic German hydrogen transport network connecting electrolytic hydrogen production sites in northern Germany with hydrogen demand hubs in western and southern Germany is economically efficient. Two, connecting Germany to a European hydrogen transport network with interconnection capacities between 18 GWH2 and 58 GWH2 is cost-efficient to meet Germany’s substantial hydrogen demand.