Modellgestützte Analyse treibhausgasneutraler Transformationsstrategien für Deutschland

Schöb, Thomas Franz; Stolten, Detlef; Müller-Kirchenbauer, Joachim

doi:urn:nbn:de:hbz:5:2-1406247

Modellgestützte Analyse treibhausgasneutraler Transformationsstrategien für Deutschland = Model-based analysis of greenhouse gas neutral transformation strategies for Germany

Schöb, Thomas Franz^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeThomas Franz Schöb

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource (XII, 228 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 646

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

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

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Müller-Kirchenbauer, Joachim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10501
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1406247
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/996309/files/996309.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Energiesystemanalyse (frei) ; Klimaschutzgesetz (frei) ; Transformationskosten (frei) ; Treibhausgasneutralität (frei) ; Wasserstoff (frei) ; energy system analysis (frei) ; federal climate change act (frei) ; greenhouse gas neutrality (frei) ; hydrogen (frei) ; negative Emissionen (frei) ; negative emissions (frei) ; transformation costs (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Bundes-Klimaschutzgesetz verpflichtet Deutschland bis zum Jahr 2045 die Netto-Treibhausgasneutralität zu erreichen, um auf der Grundlage des Pariser Klimavertrages die globale Klimaerwärmung auf deutlich unter 2°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Die Einhaltung der Emissionsreduktionsziele erfordert dabei eine umfassende Transformation des Energiesystems. Zur Bewertung der notwendigen Treibhausgasreduktionsmaßnahmen und ihrer vielfältigen Wechselwirkungen ist eine modellgestützte Analyse unerlässlich, die die gesamte Energieversorgung mit all ihren Verflechtungen untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Weiterentwicklung eines Energiesystemmodells, um damit Transformationspfade hin zur Treibhausgasneutralität analysieren zu können. Durch die Abbildung aller Treibhausgasemissionen und der Implementierung von technischen Optionen zur Bereitstellung von negativen Emissionen, die zum Ausgleich der verbleibenden Restemissionen bei Treibhausgasneutralität benötigt werden, können mit dem Energiesystemmodell konsistente, kostenoptimale Transformationsstrategien erstellt werden. Die Ergebnisse der Optimierungsrechnungen zeigen, dass bei Treibhausgasneutralität im Jahr 2045 nicht vermeidbare Restemissionen in Höhe von etwa 77 Mio. t CO2äq verbleiben, wovon etwa 48 Mio. t CO2äq in der Landwirtschaft und etwa 22 Mio. t CO2äq im Industriesektor entstehen. Diese Restemissionen müssen durch negative Emissionen in gleicher Höhe ausgeglichen werden. Die direkte Abscheidung von etwa 57 Mio. t CO2 aus der Luft und anschließende permanente geologische Speicherung stellt dabei ein Schlüsselelement zum Erreichen der Treibhausgasneutralität dar. Insgesamt wird eine Einspeichermenge von 90 Mio. t CO2 benötigt, da auch abgeschiedenes CO2 aus biomassegefeuerten Kraftwerken und der Zementindustrie dauerhaft gespeichert wird. Im Zuge der Transformation steigt der Stromverbrauch auf etwa 1216 TWh im Jahr 2045 an, wobei etwa 665 TWh auf Maßnahmen der Sektorenkopplung wie beispielsweise Elektrolyseure oder Wärmepumpen entfallen. Zur Deckung des Strombedarfs ist ein Ausbau der installierten Leistung von Photovoltaik und Windenergie auf insgesamt etwa 734 GW im Jahr 2045 erforderlich. Für die Versorgungssicherheit in einem treibhausgasneutralen Energiesystem ist es dabei von zentraler Bedeutung, dass die Stromnachfrage flexibel wird und sich der Betrieb von Stromnachfragern an der volatilen Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien orientiert. Zudem müssen etwa 86 GW an regelbarer Kraftwerksleistung zur Überbrückung von Dunkelflauten installiert werden. Die Nutzung von Wasserstoff stellt ein zentrales und robustes Element der Transformationsstrategien dar. Der Wasserstoffbedarf von etwa 412 TWh im Jahr 2045 entfällt hauptsächlich auf die Industrie sowie den Verkehrssektor und wird zu etwa 53% inländisch durch Elektrolyse gedeckt. Insgesamt entstehen für die Transformation kumulierte Gesamtsystemkosten von etwa 1,0 Billionen €. Sowohl aus ökonomischer als auch aus technischer Sicht ist die Treibhausgasneutralität bis zum Jahr 2045 somit erreichbar.

The Federal Climate Change Act obligates Germany to achieve net greenhouse gas neutrality by the year 2045. This goal is set in accordance with the Paris Agreement in order to limit global warming to well below 2°C above the pre-industrial level. Meeting these emission reduction targets requires a profound transformation of the German energy system. To evaluate the necessary greenhouse gas reduction measures and their various interactions, a model-based analysis which examines the entire energy supply with all its interdependencies is essential. The aim of this work is the expansion of an energy system model in order to enable the analysis of transformation pathways towards greenhouse gas neutrality. By considering all greenhouse gas emissions and implementing technical options to provide negative emissions, which are needed to offset the remaining residual emissions at greenhouse gas neutrality, the energy system model can be used to develop consistent, cost-optimal transformation strategies towards greenhouse gas neutrality. Optimization results show that at greenhouse gas neutrality in the year 2045 unavoidable residual emissions of about 77 Mt CO2eq remain, which mainly originate from the agricultural sector with about 48 Mt CO2eq and from the industrial sector with about 22 Mt CO2eq. These residual emissions need to be offset by negative emissions of the same amount. Thus, direct air capture of CO2 and subsequent permanent geological storage is a key element for reaching greenhouse gas neutrality, as it supplies negative emissions of about 57 Mt CO2. In total an annual CO2 storage volume of 90 Mt CO2 is required, as additional CO2, which is captured form the use of biomass in power plants and from the cement production, must be stored permanently. In the course of the transformation, electricity consumption increases to about 1216 TWh in 2045, with about 665 TWh accounted for by sector coupling measures such as electrolysis or heat pumps. To meet the electricity demand, an expansion of the installed capacity of photovoltaics and wind energy to a total of about 734 GW in the year 2045 is required. Furthermore, it is crucial for the security of supply in a greenhouse gas neutral energy system that the electricity consumption becomes flexible and the operation of electrolyzers and heat pumps is in line with the volatile electricity generation from renewable energies. Besides, about 86 GW of controllable power plant capacity must be installed to bridge dark lulls with little energy generation from wind and solar power. The usage of hydrogen is a central and robust element of the transformation strategies. In the year 2045 about 412 TWh of hydrogen are used, mainly in industry and the transport sector. About 53% of the needed hydrogen is produced domestically via electrolysis. Overall, the transformation leads to additional cumulated system costs of about 1.0 trillion €. Both from an economic and a technical point of view, the goal of greenhouse gas neutrality by the year 2045 is achievable.

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