Biomasse und Wasserstoff für industrielle Prozesswärme: Ein techno-ökonomischer Vergleich und Bewertung

Die Dekarbonisierung der industriellen Prozesswärme ist entscheidend für das Erreichen der Klimaziele, da dieser Bereich einen wesentlichen Anteil am Endenergiebedarf der Industrie ausmacht. Während Technologien wie Wärmepumpen oder Elektrodenkessel bereits Anwendung finden, gelten Biomasse und Wasserstoff als vielversprechende Alter-nativen – insbesondere dort, wo die Elektrifizierung technisch oder wirtschaftlich be-grenzt ist. Im Zentrum dieser Arbeit steht die Entwicklung einer wissenschaftlich fundierten, szena-rienbasierten Methodik zur systematischen und vergleichenden Bewertung von Biomasse und Wasserstoff für die industrielle Prozesswärmeversorgung. Dazu wurde mit Hilfe von oemof.solph ein lineares Optimierungsmodell auf Basis von Energie- und Stoffbilanzen entwickelt, mit dem 192 parametrisierte Szenarien analysiert wurden. Diese Szenarien variieren zentrale Einflussgrößen wie den Wasserstofftyp (grau oder grün), den Trockensubstanzgehalt der Biomasse, die Einbeziehung oder Abwesen-heit von CO2-Bepreisung und Fördermechanismen sowie das Wärmebedarfsprofil (kon-stant oder schwankend). Auch vorhandene Infrastruktur – etwa bestehende Gaskessel – sowie die Möglichkeit zur Einbindung elektrischer Kessel wurden berücksichtigt. Für jedes Szenario berechnet das Modell die kostenoptimale Systemkonfiguration unter Einbezug von Investitions- und Betriebskosten, Brennstoffpreisen und CO2-Emissionen. Die Methodik umfasst zudem Sensitivitätsanalysen und die Bewertung extremer Parame-terkonstellationen, um die Modellrobustheit zu prüfen und zentrale Einflussfaktoren zu identifizieren.
Die Ergebnisse zeigen nicht einen grundsätzlich überlegenen Energieträger, sondern ver-deutlichen, wie Systementscheidungen in Abhängigkeit von Parametern und Rahmenbe-dingungen variieren. Das Modell liefert keine absoluten Handlungsempfehlungen, son-dern ermöglicht eine strukturierte Interpretation techno-ökonomischer Zusammenhänge und macht sichtbar, unter welchen Voraussetzungen Biomasse oder Wasserstoff jeweils vorteilhaft sein können. Der methodische Mehrwert liegt in der transparenten, szenarien-basierten Entscheidungsgrundlage für den Vergleich konkurrierender Energieträger unter realitätsnahen Bedingungen. Diese Arbeit leistet damit einen Beitrag zur angewandten Energiesystemforschung, indem sie zeigt, wie szenarienbasierte Modellierung eine strukturierte Technologiebewertung im Kontext der industriellen Energiewende unterstützen kann.

The decarbonization of industrial process heat is crucial for achieving climate targets, as this sector accounts for a significant share of industrial final energy demand. While tech-nologies such as heat pumps or electrode boilers are already in use, biomass and hydrogen are considered promising alternatives, especially in cases where electrification is techni-cally or economically limited. This thesis focuses on the development of a scientific, scenario-based methodology to systematically and comparatively evaluate the use of biomass and hydrogen for process heat supply in industrial applications.
A linear, energy-balance-based optimization model was developed using oemof.solph to assess 192 parameterized scenarios. These scenarios cover variations in key parameters such as the type of hydrogen used (grey or green), the dry matter content of biomass, the presence or absence of CO2 pricing and subsidy schemes, and the nature of the heat de-mand profile (constant or fluctuating). Additionally, the scenarios consider existing infra-structure, such as the availability of gas boilers, as well as the option to integrate electric boilers into the system. For each scenario, the model calculates the cost-optimal system configuration for process heat supply, considering investment costs, operational costs, fuel prices and CO2 emis-sions. The methodology also includes sensitivity analyses and the evaluation of extreme scenarios to test model robustness and identify key drivers. The model’s results do not point to a universally superior energy carrier but rather high-light how system decisions shift depending on parameter settings and boundary condi-tions. Instead of producing absolute recommendations, the model enables a structured interpretation of techno-economic trade-offs, revealing how specific parameters influence the relative viability of biomass and hydrogen. This emphasizes the methodological value of the approach: it provides a transparent, scenario-based decision framework capable of systematically comparing energy carriers under varying real-world conditions.
This work contributes to applied energy systems research by demonstrating how scenario-based modeling can support structured technology assessment in the industrial energy transition.