Supplying Europe with Hydrogen and Negative Emissions – A Model-Based Assessment

Elektrolysewasserstoff und aus der Umgebungsluft abgeschiedenes und anschließend eingespeichertes CO2 (DACCS) sind zwei Optionen für die Umsetzung ambitionierter Klimaschutzstrategien in Deutschland und Europa. Strombasierter Wasserstoff kann dabei potentiell fossile Energieträger in vielen Prozessen und Anwendungen der klassischen Energienachfragesektoren ersetzen und im Umwandlungssektor als saisonaler Energiespeicher fungieren. Negative Emissionen mittels DACCS können unvermeidbare Restemissionen, z. B. aus der Landwirtschaft, kompensieren und in ökonomische Konkurrenz mit alternativen Treibhausgasminderungsstrategien treten. ... mehrBeide Optionen interagieren stark mit einem im Wandel befindlichen Energieangebotssystem. Ziel dieser Dissertation ist deshalb die quantitative Analyse der Wechselwirkungen des Wasserstoffsystems mit dem Umwandlungssektor und der Bereitstellung von Negativemissionen mittels DACCS im Kontext eines treibhausgasneutralen europäischen Energiesystems.
Zur Adressierung des Forschungsgegenstandes wird das auf die Abbildung von Strom- und Wärmebereitstellung ausgerichtete Kostenminimierungsmodell Enertile zu einem multidirektionalen Energieangebotsmodell erweitert. Kern der methodischen Weiterentwicklung ist die Modellierung der Interaktionen von Wasserstoff- und DACCS-Technologien mit zukünftig auf erneuerbare Energien ausgelegten Strom- und Wärmesystemen. An Hand von Szenariostudien werden Potentiale von Wasserstoff und DACCS bestimmt und wesentliche Treiber für ihre Nutzung identifiziert.
Für Wasserstoff zeigen die Modellergebnisse, dass Europa ein substantielles Wasserstofferzeugungspotential hat und sich in großen Teilen kosteneffizient selbstversorgen kann. Elektrolyseure und Wasserstoffkraftwerke werden zu zentralen Flexibilitätsgebern im optimierten erneuerbaren Stromsystem. Die Wasserstofferzeugung folgt dabei der kostengünstigen erneuerbaren Stromerzeugung. In der Kostenminimierung übernehmen Wasserstoffspeicher mit einem saisonalen und Wasserstofftransportnetze mit einem überregionalen Ausgleich von Angebot und Nachfrage fundamentale Aufgaben im Energiesystem.
In den Modellergebnissen für Europa gibt es DACCS-Potentiale zu Kosten zwischen 60 und 270 €/tCO2. Im Literaturvergleich können diese technischen Negativemissionen mit vergleichsweise teuren, alternativen Treibhaugasminderungsoptionen konkurrieren. In der Optimierung erfüllen Schweden, die Iberische Halbinsel, Norwegen, und Finnland zentrale Voraussetzungen für geeignete DACCS-Standorte: Ungenutzte Stromerzeugungs- und geologische Speicherpotentiale.
Diese Dissertation wurde im Rahmen meiner Forschungsarbeit am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) erstellt und von Prof. Dr. Martin Wietschel am Institut für industrielle Produktion (IIP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) betreut. Dr. rer. pol. ist der angestrebte Abschluss.

Electrolytic hydrogen and captured and subsequently stored CO2 from ambient air (DACCS) are two options for implementing ambitious climate protection strategies in Germany and Europe. Electricity-based hydrogen can potentially replace fossil fuels in many processes and applications of the classical energy demand sectors and act as seasonal energy storage in the conversion sector. Negative emissions via DACCS can compensate for unavoidable residual emissions, e.g., from agriculture, and compete economically with alternative greenhouse gas mitigation strategies. Both options interact strongly with a transforming energy supply system. ... mehrTherefore, this dissertation aims to quantitatively analyze the interactions of hydrogen systems with the conversion sector and the provision of negative emissions via DACCS in the context of a greenhouse gas-neutral European energy system.
To address this research topic, the cost minimization model Enertile, which used to focus on the representation of electricity and heat supply, is extended to a multidirectional energy supply model. The core of the methodological development is modeling the interactions of hydrogen and DACCS technologies with future renewable electricity and heat systems. The potentials of hydrogen and DACCS and essential drivers for their use are determined in scenario studies.
For hydrogen, the model results show that Europe has a substantial hydrogen production potential and can largely supply itself cost-efficiently. Electrolysis and hydrogen power plants become central flexibility providers in the optimized renewable electricity system. Hydrogen production follows cost-efficient renewable power generation. In cost minimization, hydrogen storage – with a seasonal balancing of supply and demand – and hydrogen transport networks – with a supraregional balancing of supply and demand – fulfill fundamental tasks in the energy system.
In the model results for Europe, there are DACCS potentials at costs between 60 and 270 €/tCO2. Compared to the literature, these technical negative emissions can compete with relatively expensive alternative greenhouse gas abatement options. In the optimization, Sweden, the Iberian Peninsula, Norway, and Finland fulfill key requirements for suitable DACCS sites: vacant electricity generation and geological storage potentials.
This dissertation is based on my research conducted at the Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI) and supervised by Prof. Dr. Martin Wietschel at the Institute for Industrial Production (IIP) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Dr. rer. pol. is the envisaged degree.