Fossile Energieträger nachhaltig ersetzen
Erdgas spielt in Europa derzeit noch eine wichtige Rolle. Zudem trägt ein florierender globaler Handel mit Flüssiggas (LNG) dazu bei, dass regional orientierte Märkte zunehmend zusammenwachsen. Das EWI untersucht die Rolle von gasförmigen Energieträgern im Energiesystem der Zukunft in Deutschland, Europa und auf dem Weltmarkt. Dafür müssen bestehende Erdgas-Infrastrukturen umgerüstet und ein zentrales Wasserstoffnetz aufgebaut werden. In der Analyse von Gasmärkten simulieren wir künftige Erdgas- und Wasserstoffflüsse, auch in Krisensituationen wie globalen Marktdisruptionen. Außerdem modellieren wir Netzengpässe, beispielsweise in Spitzenlastsituationen, und deren Wirkungen auf die Märkte.
Wir nutzen dazu die EWI-eigenen Modelle COLUMBUS (globaler Gasmarkt), ERIKSSON (globaler Markt für Wasserstoff und Derivate) und TIGER (europäische Gas- und Wasserstoffinfrastruktur). Die Modelle COLUMBUS und ERIKSSON ermöglichen die Simulation von Szenarien zur globalen Preisentwicklung und zur langfristigen Entwicklung der globalen Märkte für stoffliche Energieträger sowie Analysen zu Marktmacht und Importstrukturen. TIGER bildet den europäischen Markt und dessen Infrastruktur mit einem hohen Detailgrad ab.
Heimische Produktion und Import
Die heimische Produktion von Wasserstoff erfordert innovative Projekte. Wir analysieren Investitions- und Betriebsbedingungen sowie Kosten für die Produktion von Wasserstoff in Deutschland. Die modellgestützten Analysen mit dem EWI-Modell SOPHIAA ermöglichen z. B. die Simulation des Betriebs von Elektrolyseuren unter Berücksichtigung marktlicher und technischer Einschränkungen. Da der künftige Wasserstoffbedarf in Deutschland voraussichtlich nicht allein heimisch gedeckt werden kann, untersucht das EWI zudem das globale Potenzial zur Wasserstoffproduktion sowie verschiedene Transportrouten aus techno-ökonomischer Sicht, z. B. mit dem EWI Global PtX Cost Tool.
Strategien für die Dekarbonisierung der Verbrauchssektoren
Um den hohen CO2-Ausstoß in den Verbrauchssektoren Industrie, Verkehr und Gebäude zu senken, müssen diese drei Sektoren stärker auf erneuerbare Energien umgestellt werden. Hierfür gibt es mehrere Strategien: Elektrifizierung, klimaneutrale Brennstoffe oder CO2-Abscheidung und -Speicherung. Wir untersuchen die techno-ökonomischen Rahmenbedingungen wie Marktreife, Kosten und Infrastrukturbedarf für diese Dekarbonisierungsoptionen.
Dabei steht der Industriesektor vor mehreren Herausforderungen. Prozessbedingte Emissionen lassen sich nicht immer durch eine Umstellung auf erneuerbare Energien mindern. Hinzu kommt: Die Industrie in Deutschland und Europa steht im internationalen Wettbewerb. Kosten für die Minderung von Emissionen können deshalb nur eingeschränkt an Endkunden weitergegeben werden. Die Elektrifizierung verschiedenster Industrieprozesse führt zu einem deutlichen Anstieg der Stromnachfrage. Wo nicht elektrifiziert werden kann, werden Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe eingesetzt. Die Industrie würde dadurch zum größten Wasserstoffabnehmer im dekarbonisierten Energiesystem. Künftige Bedarfsmengen und Kosten sind dabei zwei zentrale Fragen, die das EWI untersucht.
Wärmewende kosteneffizient und klimafreundlich gestalten
Im Gebäudesektor sind die zwei wichtigsten Treiber der Dekarbonisierung die energetische Sanierung von Gebäuden sowie die Umstellung der Heizungsanlage auf erneuerbare Energiequellen. Fossile, klimaschädliche Energieträger decken bisher den Großteil des Wärmebedarfs. Wärmepumpen, die Strom und Umweltwärme nutzen, sind inzwischen verbreitet und gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz als Schlüsseltechnologien im Gebäudesektor. In Ballungsräumen ist der Einsatz von (klimaneutraler) Fernwärme häufig die kostenoptimale Lösung.
Die Herausforderungen, die wir in diesem Gebiet untersuchen, sind vielfältig: Die Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen erfordert eine integrierte Systemplanung, die regenerative Wärmequellen und Abwärmepotenziale miteinander verbindet. Dieser Fragestellung gehen wir mit dem Institutseigenen Modell DINO nach. Die zunehmende Elektrifizierung der Gebäudewärme führt zu einem höheren Stromverbrauch, wodurch Verteilnetze stärker belastet werden. Die Investitionszyklen sind lang und die Kosten für neue Heizungssysteme hoch, wie das EWI-Wärmekosten-Tool anschaulich darstellt. Vermieterinnen und Vermieter haben kaum Anreize, effizientere und klimafreundlichere Heizungen einzubauen und Gebäude zu sanieren, da von den künftigen Einsparungen vor allem Mietende profitieren (sogenanntes Mieter-Vermieter-Dilemma).
Zusammenarbeit mit den anderen Research Areas des EWI
Wasserstoff ist ein wichtiges Bindeglied zwischen den Sektoren. Deswegen wird der Energieträger in allen Forschungsfragen des künftigen Energiesystems behandelt. Weiterhin führt eine zunehmende Elektrifizierung der Endverbraucher zu einem erhöhten Strom- und Netzausbaubedarf. So ergeben sich starke Verzweigungen mit der Research Area Electricity hinsichtlich der (systemdienlichen) Produktion von Wasserstoff mit heimischen Elektrolyseuren und der Dekarbonisierungsoptionen der Endverbrauchssektoren. In Zusammenarbeit mit der Research Area Regulation untersuchen wir regulatorische Fragestellungen beim Wasserstoffmarkthochlauf und der Wärmewende.
Im Rahmen des Forschungsprogramm Wasserstoffs widmet sich das EWI umfassenden Fragen zur Zukunft von Energieträgern. Mit dem Forschungsprogramm Wärmewende befasst sich das EWI mit den wichtigen Aspekten der klimaneutralen Wärmeversorgung. Beide Forschungsprogramme werden gefördert durch die Gesellschaft zur Förderung des EWI e.V. Ziel der Forschungsprogramme ist eine gemeinwohlorientierte und angewandte Forschung auf höchstem wirtschaftswissenschaftlichem Niveau.
