Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI

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Potenziale von Stellplätzen an Wohn- und Nichtwohngebäuden zur Bereitstellung privater Ladeinfrastruktur

2024-02-15 , Kühnbach, Matthias , Plötz, Patrick , Stephan, Annegret , Kähler, Janis , Surmann, Arne , Biener, Wolfgang , John, Robert

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To charge or not to charge? Using Prospect Theory to model the tradeoffs of electric vehicle users

2024 , Pelka, Sabine , Bosch, Antonia , Chappin, Emile J.L. , Liesenhoff, Fabian , Kühnbach, Matthias , Vries, Laurens J. de

Electric vehicle (EV) users who aim to become flexibility providers face a tradeoff between staying in control of charging and minimizing their electricity costs. The common practice is to charge immediately after plugging in and use more electricity than necessary. Changing this can increase the EV's flexibility potential and reduce electricity costs. Our extended electricity cost optimization model systematically examines how different changes to this practice influence electricity costs. Based on the Prospect Theory and substantiated by empirical data, it captures EV users' tradeoff between relinquishing control and reducing charging costs. Lowering the need to control charging results in disproportionally large savings in electricity costs. This finding incentivizes EV-users to relinquish even more control of charging. We analyzed changes to two charging settings that express the need for control. We found that changing only one setting offsets the other and reduces its positive effect on cost savings. Behavioral aspects, such as rebound effects and inertia that are widely documented in the literature, support this finding and underline the fit of our model extension to capture different charging behaviors. Our findings suggest that service providers should convince EV-users to relinquish control of both settings.

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Export Potentials of Green Hydrogen - Methodology for a Techno-Economic Assessment

2023 , Pieton, Natalia , Abdel-Khalek, Hazem , Graf, Marieke Emilie Anna , Drechsler, Björn , Lenivova, Veronika , Nolden, Christoph , Bergup, Emily Felicitas , Sinha, Mohammad , Fragoso García, Joshua , Franke, Katja , Kleinschmitt, Christoph , Müller, Viktor Paul , Wietschel, Martin , Holst, Marius , Weise, Friedrich , Voglstätter, Christopher

This working paper describes the quantitative and model-based methodology used in HYPAT to assess hydrogen and Power-to-X (PtX) export potentials in the countries Morocco, Ukraine, Namibia, Turkey, United Arab Emirates, Kenya, Chile, Canada, Brazil, and New Zealand. The results of the techno-economic assessment are further used as a basis for a global hydrogen and PtX atlas, and as an indication of the price development of hydrogen and PtX.

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Prüfbericht zur Berechnung der deutschen Treibhausgasemissionen für das Jahr 2022

2023 , Henning, Hans-Martin , Knopf, Brigitte , Bettzüge, Marc O. , Heimer, Thomas , Schlomann, Barbara

In diesem gemäß Bundes-Klimaschutzgesetz (KSG) erstellten Bericht prüft und bewertet der Expertenrat für Klimafragen (ERK) die am 15. März 2023 vom Umweltbundesamt nach sieben Sektoren gegliederte Berechnung der Vorjahres-Treibhausgasemissionen von Deutschland. Der Expertenrat findet bis auf einen geringfügigen Korrekturbedarf bei den Emissionen des Verkehrssektors keinen Anhaltspunkt, dass das Umweltbundesamt bei der Berechnung der Vorjahresemissionen zu anderen Ergebnissen hätte kommen müssen. Danach sind die Emissionen im Jahr 2022 gegenüber 2021 von 760,4 auf 746,2 Mt CO2-Äq. um 1,9 % gesunken. Die berichteten Emissionswerte lagen – wie auch schon im Jahr 2021 – für den Verkehrs- und den Gebäudesektor oberhalb der jahresscharf im Klimaschutzgesetz vorgegebenen Zielwerte. Demnach müssen die für diese Sektoren zuständigen Ministerien innerhalb von drei Monaten ein Sofortprogramm vorlegen. Für die restlichen im Gesetz genannten Sektoren lagen die Emissionswerte unterhalb der Zielwerte. Dieses Jahr hat das Umweltbundesamt eine Umstellung auf eine stärker modellbasierte Methode vorgenommen, so dass sich das Vorgehen nun weitgehend mit demjenigen der offiziellen Emissionsberichterstattung an die Vereinten Nationen deckt. Unverändert birgt der frühe Zeitpunkt der Berechnung der Emissionsdaten des Vorjahres aber hohe Unsicherheiten, insbesondere auch in Verbindung mit den im Jahr 2022 stark veränderten Rahmenbedingungen. Das Emissionsgeschehen im Jahr 2022 war stark von der Energiepreiskrise geprägt. Nach einer Überschlagsrechnung hätten die Emissionen um rund 9 Mt CO2-Äq. höher gelegen, wenn das Wachstum der Wirtschaftsleistung nicht in Folge des Krieges in der Ukraine geringer als erwartet ausgefallen wäre. Insbesondere ist die deutliche Zielunterschreitung im Industriesektor im Jahr 2022 im Wesentlichen auf energiepreisbedingte Produktionsrückgänge in der energieintensiven Industrie zurückzuführen und könnte daher von temporärer Natur sein. Dies wird dadurch untermauert, dass letztes Jahr mit dem Wissen von heute und den aktualisierten Daten aus dem Inventarbericht auch für den Sektor Industrie ein Sofortprogramm notwendig gewesen wäre. Die Energiewirtschaft hat zwar das Sektorziel knapp unterschritten, gegenüber dem Vorjahr sind die THG-Emissionen allerdings in diesem Sektor um 10,7 Mt CO2-Äq gestiegen. Zudem wäre die Verfehlung des Sektorziels im Gebäudesektor ohne verschiedene für die Emissionsentwicklung günstige Effekte wie die milde Witterung und Einsparungen durch geändertes Heizverhalten noch deutlich größer ausgefallen. Im Verkehrssektor ist die notwendige Trendwende weiterhin nicht zu beobachten, die Emissionsentwicklung blieb auf gleichbleibend hohem Niveau. Auch verlief der Rückbau des fossilen Kapitalstocks und der Aufbau von nicht-fossilen Alternativen im Jahr 2022 deutlich langsamer als in den Zielen der Bundesregierung oder den Klimaneutralitätsszenarien anvisiert. Vor dem Hintergrund der Herausforderung der Zielerreichung in allen emissionsstarken Sektoren ordnet der Expertenrat auch die Eckpunkte aus dem Beschlusspapier des Koalitionsausschusses zur Novelle des Klimaschutzgesetzes ein. Während einige der geplanten Änderungen das Erreichen der Klimaschutzziele aus dem Klimaschutzgesetz erkennbar und nachhaltig unterstützen können, bergen andere die Gefahr einer Abschwächung der Gesetzeswirkung. Insgesamt empfiehlt der Expertenrat dem Gesetzgeber, die vorgeschlagenen Änderungen des Klimaschutzgesetzes sehr sorgfältig auf Vor- und Nachteile zu prüfen. Nachdrücklich plädiert der Expertenrat für eine Weiterverfolgung eines Budgetansatzes und eine klare Umsetzung dessen im Kontext der geplanten Novelle. Zudem weist der Expertenrat auf die tendenzielle Schwächung der Ressortverantwortung hin und liefert eine kritische Einordnung der veränderten Steuerungslogik. Eine abschließende Beurteilung der Überlegungen des Koalitionsausschusses ist allerdings aufgrund noch offener Fragen zur Ausgestaltung nur auf Basis der konkreten Ausformulierungen des Gesetzestextes möglich.

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European Hydrogen Infrastructure Planning

2024 , Alibas, Sirin , Ausfelder, Florian , Ditz, Daniel , Ebner, Michael , Engwerth, Veronika , Fleiter, Tobias , Fragoso García, Joshua , Genge, Lucien , Greitzer, Maria , Haas, Sofia , Haendel, Michael , Hank, Christoph , Hauser, Philipp , Heneka, Maximilian , Heineken, Wolfram , Hildebrand, Jan , Isik, Volkan , Köppel, Wolfgang , Harper, Ryan , Jahn, Matthias , Klaassen, Bernhard , Kneiske, Tanja Manuela , Malzkuhn, Sabine , Kuzyaka, Berkan , Mielich, Tim , Lux, Benjamin , Maghnam, Ammar , Müsgens, Felix , Mendler, Friedrich , Pleier, Amanda , Müller-Kirchenbauer, Joachim , Isbert, Anne-Marie , Ruprecht, David , Sadat-Razavi, Pantea , Neuner, Felix , Pfluger, Benjamin , Mohr, Stephan , Ragwitz, Mario , Scheffler, Marcel , Solomon, Mithran Daniel , Voglstätter, Christopher , Weißenburger, Bastian , Ausfelder, Florian , Ragwitz, Mario , Förster, My Yen , Nolden, Christoph

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.

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Implications of hydrogen import prices for the German energy system in a model-comparison experiment

2024 , Schmitz, Richard , Brandes, Julian , Nolte, Hannah , Kost, Christoph , Lux, Benjamin , Haendel, Michael , Held, Anne

With its ability to store and transport energy without releasing greenhouse gases, hydrogen is considered an important driver for the decarbonisation of energy systems. As future hydrogen import prices from global markets are subject to large uncertainties, it is unclear what impact different hydrogen and derivative import prices will have on the future German energy system. To answer that research question, this paper explores the impact of three different import price scenarios for hydrogen and its derivatives on the German energy system in a climate-neutral setting for Europe in 2045 using three different energy system models. The analysis shows that the quantities of electricity generated as well as the installed capacities for electricity generation and electrolysis increase as the hydrogen import price rises. However, the resulting differences between the import price scenarios vary across the models. The results further indicate that domestic German (and European) hydrogen production is often cost-efficient.

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Critical Materials for Climate Technologies in the EU. An overview of five renowned studies

2023-01 , Barkhausen, Robin , Schmidt, Patrick Alexander , Gervais, Estelle , Heumann, Johannes , Hofmann, Alexander

Against the backdrop of the climate crisis, countries worldwide agreed in the Paris agreement to keep global warming below 2°C compared to the pre-industrial era, ideally below 1.5°C. The EU set out the goal to reach carbon neutrality by 2050 - a goal for which the energy sector will play a central role, as the production and use of energy is responsible for more than 75% of greenhouse gas emissions. To transition to low carbon energy production, photovoltaic and wind turbines, coupled with energy conversion technologies such as electrolysers, fuel cells, and batteries, are believed to be key solutions. But these technologies require substantial amounts of scarce raw materials with EU import dependency and environmental and social problems connected to extraction and refining. The vulnerability of the EU energy sector became apparent in 2022 at the example of its dependency on Russian oil and gas. The supply chain for clean energy technologies could be equally vulnerable and jeopardise the achievement of EU climate targets. A plethora of studies dealing with resource scarcity has been performed. These studies, however, differ in their results regarding the most critical materials and often only provide vague recommendations on how to increase the resilience of the production and supply chains. Hence, it is of interest to synthesize the findings of major studies from renowned institutions, identify commonalities as well as differences, filter out areas with need for immediate action and create an overview of critical materials in climate technologies.

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Fortschrittsbericht zur Digitalisierung des Energiesystems

2024 , Bergsträßer, Jonathan , Berkhout, Volker , Klaiber, Stefan , Klobasa, Marian , Kohrs, Robert , Linnartz, Philipp , Naumann, Steffi , Nicolai, Steffen , Schmidt, Dietrich , Welisch, Marijke , Wende-von Berg, Sebastian , Wickert, Manuel , Wille-Haußmann, Bernhard

Die Digitalisierung ist ein hochgradig relevanter Schlüsselprozess für die Energiesystemtransformation - Details dazu hat der Fraunhofer Exzellenzcluster CINES im Jahr 2022 erforscht und in 14 Thesen zusammengefasst. In 2023 wurden in Zusammenarbeit mit Praxispartner:innen aus der Energiewirtschaft politische und regulatorischen Änderungen in der digitalen Energiewirtschaft analysiert und ausgewertet. Der Fortschrittsbericht zeigt die Fortschritte der Digitalisierung auf und erörtert Handlungsbedarfe und Weiterentwicklungspotenziale. Wichtige Erkenntnisse sind: Positive Fortschritte gibt es u.a. durch gesetzliche und regulatorische Neuerungen wie beispielsweise beim §14a EnWG oder dem Gesetz zum Neustart der Digitalisierung der Energiewende (GNDEW). Es mangelt an einem integrativen Zielbild - ein solches kann für mehr Klarheit und Orientierung bei der Digitalisierung des Energiesystems in Deutschland und Europa sorgen. Um Lücken, Handlungsbedarfe und positiven Fortschritt besser zu erkennen, erfordert es ein gemeinsames Verständnis für die Orientierung und Ausrichtung auf die Digitalisierung. Dafür ist es unter anderem notwendig ein handlungsanleitendes Zukunftsbild zu schaffen, die kommunikative Übersetzung und die Verständlichkeit von regulatorischen Änderungen zu verbessern, Kompetenzen für technologische Lösungen, bspw. für notwendige Cyberresilienz und kritischen Infrastrukturen, aufzubauen und Investitionen zu tätigen, um mehr finanzielle Mittel für die Digitalisierung der Energiesystemtransformation zur Verfügung zu haben.

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Assessing the conditions for economic viability of dynamic electricity retail tariffs for households

2024 , Stute, Judith , Pelka, Sabine , Kühnbach, Matthias , Klobasa, Marian

The success of the energy transition relies on effectively utilizing flexibility in the power system. Dynamic tariffs are a highly discussed and promising innovation for incentivizing the use of residential flexibility. However, their full potential can only be realized if households achieve significant benefits. This paper specifically addresses this topic. We examine the leverage of household flexibility and the financial benefits of using dynamic tariffs, considering household heterogeneity, the costs of home energy management systems and smart meters, the impact of higher electricity prices and price spreads and the differences between types of prosumers. To comprehensively address this topic, we use the EVaTar-building model, a simulation framework that includes embedded optimization designed to simulate household electricity consumption patterns under the influence of a home energy management system or in response to dynamic tariffs. The study's main finding is that households can achieve significant cost savings and increase flexibility utilization by using a home energy management system and dynamic electricity tariffs, provided that electricity prices and price spreads reach higher levels. When comparing price levels in a low and high electricity price scenario, with an increase of the average electricity price by 15.2 €ct/kWh (67% higher than the average for the year 2019) and an increase of the price spread by 8.9 €ct/kWh (494% higher), the percentage of households achieving cost savings increases from 3.9% to 62.5%. Households with both an electric vehicle and a heat pump observed the highest cost benefits. Sufficiently high price incentives or sufficiently low costs for home energy management systems and metering point operation are required to enable households to mitigate rising electricity costs and ensure residential flexibility for the energy system through electric vehicles and heat pumps.

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Vor-Ort-Systeme als flexibler Baustein im Energiesystem

2023-01 , Flemming, Sebastian , Bender, Tom , Surmann, Arne , Pelka, Sabine , Martin, Arne , Kühnbach, Matthias

Im Rahmen der Kurzstudie werden verschiedene Szenarien für den Einsatz von Flexibilitätsoptionen in Verbindung mit unterschiedlichen Ansätzen zur Quartiersbetriebsführung am Beispiel eines konkreten Wohnquartiers untersucht und ausgewertet. Jedes der Szenarien verfolgt die Zielstellung der Steigerung des lokalen EE-Eigenverbrauchs und -versorgung im Quartier. Die Szenarienunterschiede resultieren aus der Frage, welche Flexibilitätsoptionen (Elektromobilität, Wärmepumpen, Energiespeicher) genutzt und wann sie zeitlich in welcher Ausprägung zum Einsatz kommen. Im Rahmen einer KPI-gestützten Auswertung erfolgt zusätzlich die Betrachtung, wie das Quartier für das vorgelagerte Energiesystem in Erscheinung tritt. Die Studie fokussiert sich hierbei auf die technische Quantifizierung der Möglichkeiten zur Nutzung von energetischen Flexibilitätspotenzialen und die aus dem Betrieb resultierenden Auswirkungen für das Quartier und auf das vorgelagerte Energiesystem. Darüber hinaus erfolgt eine sozialwissenschaftliche Betrachtung hinsichtlich der Akzeptanzsteigerung im Quartier.

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