Recycling- und Defossilisierungsmaßnahmen der energieintensiven Industrie Deutschlands im Kontext von $CO_{2}$-Reduktionsstrategien

Kullmann, Felix; Stolten, Detlef; Gries, Thomas

doi:10.18154/RWTH-2023-00529

Recycling- und Defossilisierungsmaßnahmen der energieintensiven Industrie Deutschlands im Kontext von $CO_{2}$-Reduktionsstrategien = Recycling and defossilization measures of Germany’s energy intensive industry in the context of $CO_{2}$ reduction strategies

Kullmann, Felix^RWTH*

2022 & 2023

VerantwortlichkeitsangabeFelix Kullmann

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek, Verlag 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 598

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2022. - Onlineausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Gries, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-06-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00529
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/862520/files/862520.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CO2-Reduktion (frei) ; Defossilisierung (frei) ; Energiesystemanalyse (frei) ; Industrietransformation (frei) ; Klimaziele (frei) ; Recycling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dem „European Green Deal“ fordert die Europäische Kommission eine Mobilisierung der Industrie für eine saubere und kreislauforientierte Wirtschaft. Um Klimaneutralität zu erreichen, müssen die Synergien zwischen der Kreislaufwirtschaft und der Verringerung von Treibhausgasemissionen verstärkt werden. Mithilfe der Kreislaufwirtschaft sollen sowohl bisher nicht ausgeschöpfte Emissionsminderungspotenziale der Ressourceneffizienz erschlossen werden als auch die stoffliche Nachfrage der chemischen Industrie vollständig auf erneuerbare Rohstoffe umgestellt werden (Defossilisierung). Gleichzeitig sieht das nationale Klimaschutzgesetz eine drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen vor, um langfristig Treibhausgasneutralität zu erreichen. Da alle potenziellen Maßnahmen zur Emissionsminderung durch Wechselwirkungen miteinander verknüpft sind, ist die Bewertung einzelner Maßnahmen in Hinblick auf Kosteneffizienz, Effektivität und Einhaltung von Klimaschutzzielen komplex und bedarf daher einer modellgestützten Analyse, die das gesamte Energiesystem in den Blick nimmt. Diese Arbeit zielt auf eine Weiterentwicklung eines nationalen Energiesystemmodells ab. Somit wird durch umfassende Modellierung industrieller Prozesse und die Implementierung von Recyclingoptionen ermöglicht, dass der Einfluss von Recyclingmaßnahmen und Strategien der Defossilisierung der chemischen Industrie im Kontext nationaler Treibhausgasminderungsstrategien analysiert und bewertet werden können. Die Auswertung der berechneten Szenarien zeigt einen großen Effekt auf das Gesamtenergiesystem sowohl für unterschiedliche Recyclingmaßnahmen als auf für Strategien zur Defossilisierung. So führt ein Verzicht auf Recyclingmaßnahmen zu einem Anstieg der Transformationskosten, die zur Umgestaltung des Energiesystems bis zum Jahr 2050 notwendig sind, um 84%. Müsste das heutige Energiesystem ohne Recycling auskommen, wäre mit jährlichen Mehrkosten von 13 Mrd. € zu rechnen. Dies verdeutlicht die große Bedeutung von Recycling für das heutige Energiesystem und insbesondere für Treibhausgasminderungsstrategien der Zukunft. Die Defossilisierung der chemischen Industrie stellt neben der Treibhausgasminderung eine zusätzliche harte Randbedingung für die Transformation des Energiesystems dar. Insbesondere durch den 40% höheren Wasserstoffbedarf liegen die Transformationskosten im Vergleich zum Referenzfall um ein Drittel höher. Ohne den Import von wasserstoffbasierten Energieträgern muss der gesamte Wasserstoffbedarf inklusive des Bedarfs für erneuerbare Rohstoffe inländisch produziert werden. Dies führt in Summe zu kumulierten Mehrkosten der Transformation, die um 72% höher als im Referenzszenario liegen. Die Analysen verdeutlichen, dass eine autarke, annährend treibhausgasneutrale Energieversorgung, die eine Defossilisierung miteinschließt, eine wirtschaftliche und technologische Herausforderung ist. Als Schlüsseltechnologie für die Defossilisierung der chemischen Industrie können die Fischer-Tropsch-Synthese und die Methanol-to-Olefins Route identifiziert werden.

In the "European Green Deal", the European Commission calls for mobilizing the industry for a clean and circular economy. To achieve climate neutrality, the synergies between the circular economy and the reduction of greenhouse gas emissions must be strengthened. With the help of the circular economy, both previously idle emission reduction potentials of resource efficiency are to be exploited and the material demand of the chemical industry is to be completely switched to renewable raw materials (defossilization). At the same time, the national climate protection law stipulates that greenhouse gas emissions must be drastically reduced to achieve greenhouse gas neutrality in the long term. Since all potential emission reduction measures are linked by interactions, the evaluation of individual measures in terms of cost efficiency, effectiveness, and compliance with climate protection targets is very complex and requires a model-based analysis that considers the entire energysystem. This work aims to further develop an energy system model so that through comprehensive modeling of industrial processes and the implementation of recycling options, it is possible to analyze and evaluate the impact of both recycling measures and strategies of defossilization of the chemical industry in the context of national greenhouse gas mitigation strategies.The evaluation of the calculated scenarios shows that both different recycling measures and strategies for defossilization have large effects on the overall energy system. Abandoning recycling measures leads to an increase in transformation costs of 84%. If the current energy system had to manage without recycling, additional annual costs of €13 billion would be necessary. This illustrates the great importance of recycling for today’s energy system but also, for greenhouse gas reduction strategies of the future. The defossilization of the chemical industry represents an additional hard constraint to greenhouse gas reduction. A replacement of fossil-based feedstocks by renewable feedstocks leads to a significant increase in hydrogen demand by +40% compared to the reference scenario. This is also reflected in the cumulative costs of the transformation, which are almost one-third higher. Without the import of hydrogen-based energy carriers, the entirehydrogen demand, including the demand for renewable raw materials, must be produced domestically. This leads to cumulative additional costs of the transformation that are 72% higher than those of the reference scenario. The analyses make it clear that a selfsufficient, almost greenhouse gas neutral energy supply, which includes defossilization, is an economic and technological challenge. Fischer-Tropsch synthesis and the methanol-to-olefins route can be identified as key technologies for the defossilization of the chemical industry.

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