Levies and taxes on final energy prices for integrated energy systems – how they impact the cost competitiveness of sector coupling technologies, government revenues and energy-cost sensitive consumers – a case study of Germany

As the German electricity sector is transitioning towards greater shares of renewable energy technologies, the path to climate neutrality requires breaking down traditional barriers and coupling electricity with transportation, heating, and industry, forming an integrated energy system. Scenario studies on climate-neutrality pathways identify heat pumps, battery electric vehicles (BEV), and hydrogen electrolysis as key sector coupling technologies to integrate renewable electricity into these fossil fuel-dominated end-use sectors. However, the need for the market uptake of sector coupling technologies and the associated change in final energy demand poses several challenges, three of which are analysed in this dissertation.
First, a governing factor of the market diffusion of sector coupling technologies are the associated costs, as they face competition with established fossil fuel-based alternatives. The costs are partly determined by state-induced price components (SIPC), such as levies and taxes on retail prices of respective final energy carriers. As end-consumers, making decentralised investment decisions, may favour cheaper fossil-based alternatives, SIPC policies, including rising carbon prices, can serve as effective policy measures to close cost gaps.
Second, the increasing deployment of sector coupling technologies drives a shift in final energy demand by effectively replacing fossil fuels with electricity. Higher efficiencies (compared to conventional applications) additionally reduce the total quantity of final energy demand. This has implications on government revenues from SIPC on final energy carriers.
Third, these demand changes influence consumers' energy cost. Especially, energy-cost-sensitive consumers, such as energy-intensive industries or low-income and therefore vulnerable households, may face economic challenges that might arise from SIPC during the transition towards an integrated energy system.
Although several studies have examined individual effects of SIPC, no comprehensive analysis of the overall impact of the SIPC design within the context of the transition towards an integrated energy system has yet been conducted. This dissertation fills this research gap by using a case study of Germany under the overarching research question:
How do levies and taxes on final energy prices impact the path towards a climate-neutral integrated energy system in Germany until 2050?
The impacts of SIPC, in particular excise taxes, carbon prices, the renewable support levy, and grid fees are examined in three fields of research: first, on the cost competitiveness of sector coupling technologies, second, on government revenues and third, on energy-cost-sensitive consumers. To this end, the following five hypotheses are tested:
• SIPC on final energy prices substantially impact the cost competitiveness of sector coupling technologies in the transition towards an integrated energy system.
• The transition towards an integrated energy system causes a decline in government revenues from SIPC on final energy prices.
• SIPC on final energy prices increase the energy cost for energy-intensive industries in the transition towards an integrated energy system.
• SIPC on final energy prices increase on average energy poverty for vulnerable households in the transition towards an integrated energy system.
• Regulatory requirements for energy-related building modernisation are more effective to reduce the regressive effects of high carbon prices on heating fuels compared to a lump-sum revenue redistribution per-capita for tenant households.
The first field of research focuses on investigating the impact of SIPC on the cost competitiveness of sector coupling technologies from an investors' perspective. Micro-simulations are conducted to examine the development of the levelised cost of hydrogen (LCOH2), building heat (LCOH), and transport (LCOT) under various SIPC policy scenarios. To capture the range of possible cost trends, sensitivities across parameter configurations representing sector coupling and fossil-favourable settings are considered.
In detail, the cost competitiveness of electrolysis for hydrogen production is compared to steam methane reformation (SMR) without and with the option of carbon capture and storage (SMR+CCS). This analysis is conducted from the perspective of an industrial producer, for whom vast exemptions and reductions of SIPC on final energy prices apply. The cost competitiveness of heat pumps for decentralised on-site installations is compared to condensing boilers using natural gas. As a representative example for the transport sector, the cost development of battery electric vehicles (BEV) is analysed compared to gasoline-driven internal combustion vehicles (ICEV) of the compact class. The latter two technologies are investigated from the viewpoint of a household in two SIPC policy scenarios.
As a second field of research, the development of government revenues from SIPC during the transition towards an integrated energy system is simulated for two SIPC policy scenarios. The calculations are based on the final energy demand projections of the "TN Strom" scenario, known for having the lowest total system costs among the official German long-term scenario studies of the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Protection. The data used encompasses the total final energy demand across all end-use sectors. The revenues are simulated using a bottom-up approach, accounting for significant exemptions and reductions for various SIPC on final energy carriers.
The third field of research examines the cost impact of SIPC on energy-cost-sensitive consumers. Micro-simulations are conducted for two SIPC policy scenarios, analysing the development of average real unit energy costs for various energy-intensive industrial consumers and the average real energy cost shares for low-income households until 2050. Moreover, the research explores the market failure of the incentive effect of carbon prices on building heat for tenant households, known as the tenant-landlord dilemma. To address this, the micro-simulation takes into account detailed building characteristics matched with representative socio-economic data. The analysis compares the net cost impact on tenants across different equalised disposable income deciles, considering lump-sum redistribution of carbon price revenues per capita and net cost changes resulting from energy-efficient building modernisations.
Regarding sector coupling technologies, a comparison of the SIPC policy scenarios results allows to identify the impact of SIPC on their cost competitiveness. The results indicate a different impact of SIPC on the three technologies. For the cost competitiveness of green hydrogen, grid fees for electricity are a crucial SIPC. With the exemption of grid fees, the electrolysis is expected to achieve cost parity with SMR by 2030, considering the assumed development of carbon prices. In the long term, however, the SMR+CCS producing blue hydrogen sets the benchmark cost. For the cost competitiveness of decentral heat pumps as well as for BEV, recent regulatory policies, namely the abolishment of the renewable support levy on electricity and the introduction of the national carbon price (nETS) for fossil heating and transport fuels, are favourable. As carbon prices rise, the LCOH for condensing boilers is expected to surpass the LCOH bandwidths for heat pumps in the medium and long term, even under fossil-favourable parameter constellations. In the context of private transport, the expected reduction in capital expenditure (CAPEX) plays a more pivotal role than SIPC in determining the cost competitiveness of BEV in the medium and long term.
Regarding the development of government revenues from SIPC, the increasing final energy demand for electricity and the decrease in fossil final energy lead to decisive income reductions in the long term. The analysis illustrates that revenues from excise taxes on fossil fuels reduce decisively after 2030 due to the decline in fossil final energy demand. The increasing use of electricity raises revenues from the excise tax on electricity. However, these revenues do not compensate for losses of excise taxes on fossil fuels. Rising carbon prices can lead to a total revenue increase until 2030. Afterwards, government revenues decrease by two-thirds compared to 2019 upon achieving carbon neutrality.
Impacts of SIPC on energy-cost-sensitive consumers vary in the results. Energy-intensive industries are likely to face cost burdens when current processes rely on a high share of cheap natural gas compared to electricity. The later the switch from fossil-fuelled to electrified applications occurs in the transition, the greater the impact of increasing carbon prices on the real unit energy cost. Costs from the excise tax on electricity do not increase when electrifying fossil processes, as most of them are exempted from this SIPC. Rising grid fees for industrial consumers only cause marginal cost increases in the long term. The energy cost development for all low-income households is expected to decrease on average in the transition towards an integrated energy system as the diffusion of sector coupling technologies and efficiency measures reduces total energy demand. Regarding the cost impact for tenant households, the results indicate that carbon prices on heating fuels cause regressive effects. These effects can be effectively reduced through regulatory requirements for building modernisation, surpassing the impact of lump-sum redistributions dependent on the rate of the modernisation levy. However, the effects of this measure vary substantially among households within the same income group due to the heterogeneous nature of the building landscape in Germany.
Overall, this dissertation extends the existing literature of impact analysis on SIPC by comprehensively examining three fields of research, encompassing the development of the cost competitiveness of sector coupling technologies, government revenues, and the energy cost burden faced by energy-cost-sensitive consumers in the transition to an integrated energy system. Based on the analysis results, policy implications in this transition are discussed.
The findings reveal that SIPC exert varying impact on the cost competitiveness of hydrogen electrolysers, decentralised heat pumps, and BEV. Tailored policies have the potential to address the distinct challenges of these technologies. Moreover, the analysis indicates a substantial decline in government revenues from existing SIPC measures in the medium to long term. Regarding energy-cost-sensitive consumers, the impact analyses yield different conclusions. Support policies to reduce energy costs may be required only for specific energy-intensive industries. As the integrated energy system develops, the average energy cost burden for low-income households is expected to decrease. Lastly, regulatory requirements for building modernisation can effectively mitigate the regressive effects of the carbon price on fossil heating fuels for tenant households.

Während der Anteil erneuerbarer Energien in der deutschen Stromerzeugung zunimmt, erfordert der nächste Schritt auf dem Weg zur Klimaneutralität die Elektrifizierung der Sektoren Verkehr, Wärme und Industrie. In Szenario Studien, die mögliche Pfade für klimaneutrale und integrierte Energiesysteme untersuchen, werden Wärmepumpen, batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV) und die Wasserstoff-Elektrolyse als Schlüsseltechnologien für die Sektorenkopplung identifiziert, um erneuerbaren Strom in die von fossilen Brennstoffen dominierten Endverbrauchssektoren zu integrieren. Der notwendige Markthochlauf von Sektorenkopplungstechnologien und die damit verbundene Veränderung der Endenergienachfrage bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich, von denen drei in dieser Arbeit analysiert werden.
Erstens stellen die mit der Marktdiffusion von Sektorenkopplungstechnologien verbundenen Kosten einen entscheidenden Faktor dar, da sie im Wettbewerb mit etablierten, auf fossilen Brennstoffen basierenden Alternativen stehen. Die Kosten werden zum Teil durch staatlich induzierte Preiskomponenten (State-induced price components (SIPC)) bestimmt, wie Abgaben und Steuern auf die Endkundenpreise der jeweiligen Endenergieträger. Da Endverbraucher, die dezentralisierte Investitionsentscheidungen treffen, günstigere fossile Alternativen bevorzugen könnten, bieten SIPC, einschließlich steigender Kohlenstoffpreise, ein effektives Politikinstrument, um Kostenunterschiede auszugleichen.
Zweitens führt der zunehmende Einsatz von Sektorenkopplungstechnologien zu einer Veränderung der Endenergienachfrage, da fossile Brennstoffe durch Strom ersetzt werden. Höhere Wirkungsgrade (im Vergleich zu konventionellen Anwendungen) reduzieren in Ergänzung zu Energieeffizienzmaßnahmen die Gesamtmenge der Endenergienachfrage. Dies hat Auswirkungen auf die staatlichen Einnahmen aus den SIPC auf Endenergiepreise.
Drittens wirken sich diese Nachfrageänderungen auf die Energiekosten der Verbraucher aus. Besonders energiekostensensible Verbraucher, wie energieintensive Industrien mit hohem Energieverbrauch oder einkommensschwache und daher armutsgefährdete Haushalte, können durch SIPC in der Energiewende hin zu einem integrierten Energiesystem vor zusätzliche wirtschaftliche Herausforderungen gestellt werden.
Obwohl mehrere Studien bereits einzelne Wirkungsbereiche von SIPC untersucht haben, wurde bisher noch keine übergreifende Analyse der Wirkung verschiedener SIPC im Rahmen der Energiewende hin zu einem integrierten Energiesystem durchgeführt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Forschungslücke anhand einer Fallstudie für Deutschland unter der übergeordneten Forschungsfrage:
Wie wirken sich Abgaben und Steuern auf Endenergiepreise auf den Pfad zu einem klimaneutralen, integrierten Energiesystem in Deutschland bis 2050 aus?
Die Auswirkungen von SIPC, insbesondere von Energie- und Stromsteuern, CO2-Preisen, der EEG-Umlage und Netzentgelten, werden in drei Forschungsfeldern untersucht: erstens in Bezug auf die Kostenwettbewerbsfähigkeit von Sektorenkopplungstechnologien, zweitens hinsichtlich der Staatseinnahmen und drittens bezüglich energiekostensensibler Verbraucher. Zu diesem Zweck werden die folgenden fünf Hypothesen getestet:
• SIPC von Endenergiepreisen wirken sich erheblich auf die Wettbewerbsfähigkeit von Sektorenkopplungstechnologien in der Transition zu einem integrierten Energiesystem aus.
• Die Transition zu einem integrierten Energiesystem verursacht einen Rückgang der staatlichen Einnahmen aus SIPC von Endenergiepreisen.
• SIPC von Endenergiepreisen erhöhen die Energiekosten für energieintensive Industrien in der Transition zu einem integrierten Energiesystem.
• SIPC von Endenergiepreisen erhöhen im Durchschnitt die Energiearmut für einkommensschwache Haushalte in der Transition zu einem integrierten Energiesystem.
• Regulatorische Anforderungen für die energetische Gebäudemodernisierung sind wirksamer, um regressive Auswirkungen hoher CO2-Preise für Brennstoffe zu verringern, als eine pauschale Umverteilung der Staatseinnahmen pro Kopf auf Mieterhaushalte.
Das erste Forschungsfeld konzentriert sich auf die Wirkungsanalyse von SIPC auf die Wettbewerbsfähigkeit von Sektorenkopplungstechnologien aus Investorensicht. Es werden Mikrosimulationen durchgeführt, um die Entwicklung der Gestehungskosten für Wasserstoff (LCOH2), Gebäudewärme (LCOH) und Mobilität (LCOT) in verschiedenen SIPC-Szenarien zu untersuchen. Um die Bandbreite möglicher Kostentrends abzubilden, werden sowohl sektorenkopplungs-begünstigende als auch fossil-begünstigende Parameterkonstellationen als Sensitivitäten berücksichtigt.
Im Einzelnen wird die Kostenwettbewerbsfähigkeit der Elektrolyse für die Wasserstoffproduktion mit der Dampfreformierung (SMR) ohne und mit der Option für CO2-Abscheidung und -Speicherung (SMR+CCS) verglichen. Diese Analyse wird aus der Perspektive eines industriellen Investors durchgeführt, für den umfangreiche Befreiungs- und Reduktionstatbestände von SIPC auf Endenergiepreise gelten. Die Kostenwettbewerbsfähigkeit dezentraler Wärmepumpen wird im Vergleich zu mit Erdgas befeuerten Brennwertkesseln analysiert. Als repräsentatives Beispiel für den Verkehrssektor wird die Kostenentwicklung von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) im Vergleich zu benzinbetriebenen Verbrennungsmotoren (ICEV) der Kompaktklasse aus der Sicht eines Haushalts in zwei SIPC-Szenarien untersucht.
Im zweiten Forschungsfeld wird die Entwicklung der Staatseinnahmen aus SIPC innerhalb der Transition zu einem integrierten Energiesystem für zwei SIPC-Politikszenarien simuliert. Die Berechnungen basieren auf der im "TN Strom"-Szenario dargestellten Entwicklung der Endenergienachfrage, welches in der deutschen Langfristszenarien-Studie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz die geringsten Gesamtsystemkosten aufweist. Die verwendeten Daten umfassen die gesamte Endenergienachfrage in allen Endverbrauchssektoren. Die Einnahmen werden anhand eines „Bottom-up-Ansatzes“ simuliert und berücksichtigen alle relevanten Befreiungs- und Reduzierungstatbestände für verschiedene SIPC auf Endenergiepreise.
Das dritte Forschungsfeld untersucht die Auswirkungen von SIPC auf energiekostensensible Verbraucher. Mikrosimulationen werden für zwei SIPC-Szenarien durchgeführt, um die durchschnittliche Entwicklung der realen Energiestückkosten für verschiedene energieintensive Industrieverbraucher sowie die für Energiekosten aufgewendeten Anteile des Nettoeinkommens einkommensschwacher Haushalte bis 2050 zu analysieren. Darüber hinaus wird das Marktversagen des Anreizeffekts von CO2-Preisen auf Gebäudeheizungen für Mieterhaushalte untersucht, bekannt als das Mieter-Vermieter-Dilemma. Dazu berücksichtigt die erstellte Mikrosimulation detaillierte Gebäudecharakteristika in Verbindung mit repräsentativen sozioökonomischen Daten. Die Analyse vergleicht die Nettokostenauswirkungen auf Mieter in verschiedenen Nettoäquivalenz- Einkommensdezilen unter Berücksichtigung der Rückverteilung von CO2-Preiseinnahmen und Mietsteigerungen, die aus energetisch effizienten Gebäudemodernisierungen resultieren.
In Bezug auf Sektorenkopplungstechnologien ermöglicht ein Vergleich der SIPC-Politikszenarien, den Einfluss der SIPC auf die Kostenwettbewerbsfähigkeit zu bestimmen. Dieser unterscheidet sich in Bezug auf die drei untersuchten Technologien. Für die Kostenwettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff sind Stromnetzentgelte ein entscheidender Faktor. Bei der Annahme einer Befreiung von dieser SIPC erreicht die Wasserstoffelektrolyse unter der angenommenen Entwicklung des CO2-Preises Kostenparität mit der Dampfreformierung in 2030. Langfristig setzt unter den getroffenen Annahmen die Herstellung von sogenanntem blauem Wasserstoff mittels SMR+CCS den Kostenreferenzwert. Hinsichtlich dezentraler Wärmepumpen und BEV erhöhen die in 2022 und 2021 vorgenommenen Änderungen der SIPC, konkret die Abschaffung der EEG-Umlage auf Strom und die Einführung des nationalen CO2-Preises (nETS) für fossile Heiz- und Kraftstoffe, deren Kostenwettbewerbsfähigkeit. Mit steigenden CO2-Preisen wird erwartet, dass die LCOH für Brennwertkessel mittel- und langfristig selbst unter fossil-begünstigenden Parameterkombinationen die LCOH-Bandbreiten von Wärmepumpen überschreitet. Bezüglich des privaten Individualverkehrs ist der erwartete Rückgang der Investitionshöhe (CAPEX) im mittel- und langfristigen Zeitraum entscheidender für die Wettbewerbsfähigkeit von BEV als die SIPC.
In Bezug auf die Entwicklung der staatlichen Einnahmen aus SIPC führt die steigende Stromnachfrage und der Rückgang fossiler Endenergienachfrage zu umfangreichen Einbußen. Die Analyse zeigt, dass die Einnahmen aus Verbrauchssteuern auf fossile Brennstoffe nach 2030 entscheidend zurückgehen, bedingt durch den Nachfragerückgang für fossile Endenergie. Der zunehmende Einsatz von Strom führt zu höheren Einnahmen aus der Stromsteuer, jedoch kompensieren diese nicht die Verluste aus Energiesteuern auf fossile Brennstoffe. Steigende CO2-Preise können bis 2030 zu einer Gesamtsteigerung der Einnahmen führen. Anschließend verringern sich die Staatseinnahmen aus SIPC um zwei Drittel im Vergleich zu 2019, sobald die Klimaneutralität erreicht wird.
Die Auswirkungen von SIPC auf energiekostensensible Verbraucher variieren. Energieintensive Industrien werden voraussichtlich mit zusätzlichen Kosten belastet, wenn gegenwärtige Prozesse einen hohen Anteil an günstigem Erdgas im Vergleich zu Strom aufweisen. Je später der Wechsel von fossilen zu klimaneutralen Anwendungen erfolgt, desto stärker wirken sich steigende CO2-Preise auf die Energiestückkosten aus. Eine deutliche Kostensteigerung durch die Stromsteuer ist bei der Elektrifizierung von Industrieprozessen nicht zu beobachten, da diese zumeist von der Stromsteuer befreit sind. Steigende Stromnetzentgelte können langfristig zu geringen Kostensteigerungen für Industrieverbraucher führen. Die Belastung durch die Energiekosten für alle einkommensschwachen Haushalte wird voraussichtlich in der Transition zu einem integrierten Energiesystem abnehmen, da die Verbreitung von Sektorenkopplungstechnologien und Effizienzmaßnahmen den Endenergiebedarf insgesamt reduziert. In Bezug auf die Kostenbelastung für Mieterhaushalte zeigen die Ergebnisse, dass CO2-Preise auf Heizbrennstoffe regressive Verteilungseffekte verursachen. Diese Effekte können effektiv durch regulatorische Anforderungen zur Modernisierung von Gebäuden reduziert werden. Abhängig von der Höhe der Modernisierungsumlage kann die regressive Wirkung stärker reduziert werden als dies eine pauschale Rückverteilung pro Kopf ermöglicht. Die Auswirkungen variieren jedoch erheblich zwischen Haushalten innerhalb derselben Einkommensgruppe aufgrund der heterogenen Beschaffenheit der Gebäudelandschaft in Deutschland.
Insgesamt erweitert diese Dissertation die Wirkungsanalysen zu SIPC durch einen umfassenden Blick in drei Forschungsfelder hinsichtlich der Entwicklung der Kostenwettbewerbsfähigkeit von Sektorenkopplungstechnologien, der Staatseinnahmen und der Energiekostenbelastung energiekostensensibler Verbraucher in der Energiewende hin zu einem integrierten Energiesystem. Aufbauend auf den Ergebnissen der Analysen werden politische Implikationen für die Gestaltung von Regulierungen für die Energiewende hin zu einem integrierten Energiesystem diskutiert.
Es wird festgestellt, dass SIPC einen unterschiedlichen Einfluss auf die Kostenwettbewerbsfähigkeit von Wasserstoffelektrolyseuren, dezentralen Wärmepumpen und BEV haben. Individuelle Politikmaßnahmen haben das Potenzial, den verschiedenen Herausforderungen dieser Technologien effektiv zu begegnen. Darüber hinaus zeigen die Analysen, dass mittel- bis langfristig mit einem deutlichen Rückgang von Staatseinnahmen aus SIPC zu rechnen ist. Die Wirkungsanalysen zu energiekostensensiblen Verbrauchern lassen unterschiedliche Schlussfolgerungen zu. Nur für ausgewählte energieintensive Branchen erscheinen Fördermaßnahmen zur Energiekostenreduktion notwendig. Die Energiekostenbelastung für einkommensschwache Haushalte wird mit einem zunehmenden Ausbau des integrierten Energiesystems geringer. Schließlich können regulatorische Anforderungen für die Gebäudemodernisierung regressive Wirkungen des CO2-Preises auf fossile Brennstoffe für Mieterhaushalte reduzieren.