Strategieentwicklung zur Umsetzung der Klimaschutzziele im Verkehrssektor mit dem Fokus Kraftstoffe

Decker, Maximilian; Stolten, Detlef; Mohrdieck, Christian

doi:HT030608625

Strategieentwicklung zur Umsetzung der Klimaschutzziele im Verkehrssektor mit dem Fokus Kraftstoffe = Strategy development for the transition to a climate goal compliant transport sector with a focus on fuels

Decker, Maximilian^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeMaximilian Decker

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95806-714-1

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment ; 613

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2023. - Onlineausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Mohrdieck, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-12-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11151
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974012/files/974012.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist eine Untersuchung der Rolle von Kraftstoffen im Kontext der Energiewende. Dabei wurde ein besonderes Licht auf das Power-to-Fuel Konzept zur Herstellung strombasierter synthetischer Kraftstoffe gerichtet. Den Rahmen der Untersuchung bildet der Verkehrssektor in seiner Gesamtheit, um unter verschiedenen Szenarienentwicklungen Wege zur Reduktion von Treibhausgasen aufzuzeigen. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine auf verschiedenen quantitativen Analysen basierende Strategie für den Einsatz von synthetischen Kraftstoffen zur Umsetzung der Klimaschutzziele im Verkehrssektor. Als Grundlage der Analysen wurde die Rahmenentwicklung des Verkehrssektors anhand von Marktentwicklungsprognosen des Fahrzeugbestandes beschrieben. Aus den Ergebnissen wurden zwei Szenarien zur Beschreibung der Fahrleistung und des Kraftstoffbedarfs aufgestellt, welche neben Literaturszenarien als Referenzentwicklung des Verkehrs herangezogen wurden. Zusammen mit den definierten Zielen für die Reduktion von Treibhausgasen dienen die Szenarien als Rahmenbedingungen für die anschließend angewandten Optimierungsmodelle zur Abschätzung der Marktpotenziale von synthetischen Kraftstoffen. In einem weiteren Optimierungsmodell wurden konkrete Ansätze zur Berechnung von Herstellungskosten synthetischer Kraftstoffe in Produktionsanlagen implementiert. So wurde eine Produktionsinfrastruktur zur Bereitstellung der notwendigen Kraftstoffmengen mit konkreten Anlagenstandorten ausgelegt und in mehreren Fallstudien analysiert. Darüber hinaus wurde ein Konzept für ein Produktionssystem von synthetischen Kraftstoffen in Inselbetrieb ausgelegt. Durch einen netzunabhängigen Betrieb mit integrierter Stromerzeugung kann eine ökonomische Umsetzung auf kurze Sicht hergestellt werden. Die Auswertungen aller Untersuchungen wurden abschließend mit Hilfe der S-Kurvenmethode zusammengeführt, um die Eckpunkte einer Kraftstoffstrategie zur Umsetzung der Klimaschutzziele abzuleiten. Je nach Szenario schwankt der berechnete Bedarf synthetischer Kraftstoffe bis zum Jahr 2050 zwischen 55 und 980 PJ. Dabei bilden die untere und obere Grenze die Szenarien mit extrem geringen bzw. hohen angenommenen Ausbreitungsraten elektrischer Fahrzeuge. Im Referenzfall wurden Bedarfe synthetischer Kraftstoffe von rund 220 PJ berechnet. Dabei ist zu beachten, dass der Bedarf im Jahr 2030 auf einem ähnlichen Niveau liegt. Durch einen Vergleich mit historischen Daten der chemischen Grundstoffindustrie in Deutschland wurden mögliche Entwicklungen der Produktionskapazität synthetischer Kraftstoffe abgeschätzt und mit dem berechneten Bedarf verglichen. Während die historischen Daten darauf hinweisen, dass die benötigten Produktionskapazitäten für 2050 erreicht werden können, entsteht eine Produktionslücke für die Bereitstellung synthetischer Kraftstoffe in 2030. Dies legt eine Strategie für den Import aus Vorzugsregionen nahe. Eine inländische Umsetzung von Produktionskapazitäten synthetischer Kraftstoffe kann jedoch in einer Phase des Markthochlaufs attraktiv sein.

The subject of this thesis is the investigation of the role of fuels in context of the transition to renewable energy systems. Hereby, a special focus is set on the Power-to-Fuel concept for the production of electricity based synthetic fuels. The frame of the investigations is set by the transport sector in its entirety, for which pathways for the reduction of climate gases are elaborated under different development scenarios. This thesis yields a strategy for the deployment of synthetic fuels for the transition to a transport sector in compliance with climate protection goals, based on quantitative analyses. Foundation for all system analyses is the general development of the transport sector by means of vehicle market developments. Two scenarios were elaborated to describe the development of vehicle mileage and energy demand until 2050. These were used next to three literature scenarios to describe the general development of the transport sector and, in combination with the CO2 reduction goals, set the framework for the applied system optimization programs to determine fuel demands. In a subsequently developed optimization model, approaches for calculating the economic performance of fuel synthesis plants were additionally implemented. In this manner, a production infrastructure for supplying the synthetic fuel demand including concrete locations for the production plants was calculated and evaluated by means of different case studies. Furthermore, a production concept for producing synthetic fuels in an off-grid system was developed to show the economic viability of the implementation in a short- to mid-term scenario. All investigations and results are ultimately merged using the s-curve method yielding the outline of a fuel strategy for a transition to a sustainable transport sector. Depending on the used scenario, the demand for synthetic fuels is calculated to be between 55 and 980 PJ for the year 2050. The lower and upper boundaries of these results are respectively given by scenarios with strongly optimistic and pessimistic market penetration rates of electric vehicles. In the reference scenario a synthetic fuel demand of 220 PJ has been calculated for 2050, and it should be considered, that the demand for 2030 is within a very similar range. Based on a comparison with historic development data of the base chemical industry in Germany, possible developments of the production capacity of synthesis plants were derived and compared with the previously calculated fuel demands. This analysis leads to the conclusion, that the market driven development can meet production demand for the year 2050. However, the necessary production capacity to supply synthetic fuel demand in 2030 is not reached. This suggests constructing a plan for import of fuel deficiencies from advantageous production regions. The implementation of production capacities in Germany can however be attractive in the phase of market launch.

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