The role of sector coupling in the energy transition

Abstract

Die Pariser Klimaziele verlangen nach einer Energiewende, bei der die effiziente Nutzung variabler erneuerbarer Energiequellen aus Wind und Sonne von großer Bedeutung sein wird. Die fortschreitende Elektrifizierung vieler Wirtschaftssektoren führt zu neuen Stromabnehmern, deren Nachfrage optimal integriert werden muss. Die Sektorkopplung beschreibt die Nutzung von erneuerbarem Strom in allen Endverbrauchssektoren. Das Hauptziel dieser Arbeit ist eine eingehende techno-ökonomische Analyse der erfolgreichen Integration von variablen Erneuerbaren durch Sektorkopplung in CO2-intensiven Endverbrauchssektoren: Heizen und Kühlen, Verkehr und Industrie. Diese Arbeit basiert hauptsächlich auf vier wissenschaftlichen Veröffentlichungen, von denen sich ein Review Paper mit dem Stand der Technik in der Sektorkopplung befasst und sich drei Artikel mit spezifischen Forschungsfragen auseinandersetzen, wie mit i) dem Speicherbedarf, um eine starke Korrelation zwischen den stündlichen erneuerbaren Profilen und dem temperaturabhängigen Wärme- und Kältebedarf zu erreichen, ii) dem effizienten Management des steigenden Strombedarfs für den Individualverkehr und iii) Strategien zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff für die Industrie. Der erste Beitrag basiert auf einer statistischen Analyse der Zusammenhänge zwischen wetterabhängigen Variablen und den jeweiligen Heiz- und Kühlgradtagen. Individuelle Optimierungsmodelle vergleichen Lastmanagementlösungen für batterieelektrische Fahrzeuge und verschiedene Betriebsstrategien für die Elektrolyse von erneuerbarem Wasserstoff. Die Ergebnisse zeigen, dass Sektorkopplung in allen drei Fällen eine wichtige Rolle spielt und die angewandten Methoden wertvolle Lösungen bieten: i) erneuerbare Energie kann stark mit Heiz- und Kühlgradtagen auf verschiedenen Zeitskalen korrelieren, ii) Lastmanagementlösungen für das Laden von batterieelektrischen Fahrzeugen können die erforderliche Stromanschlussleistung vor Ort im Vergleich zu ungesteuertem Laden um 62 % reduzieren, iii) und konstante Nachfrage und ebenso konstante Produktion erzielen die niedrigsten Kosten für erneuerbaren Wasserstoff. Sektorkopplung ist ein Teil der Lösung in der Energiewende, um erneuerbare Energien für Prozesse bereitzustellen, die bislang auf fossilen Brennstoffen basierten. Das Konzept fördert die lokale Energieerzeugung und Wertschöpfung und die Unabhängigkeit von Energieimporten. Dennoch bleiben einige Herausforderungen und Unsicherheiten bestehen, die klare Richtlinien für erneuerbare Technologien erfordern, um Investitionsentscheidungen zu unterstützen. Darüber hinaus müssen die historisch gewachsenen Marktbedingungen und Energienetze für eine sektorübergreifende Integration angepasst werden, um die Energiewende zu erreichen.

The climate goals imposed by the Paris Agreement call for an energy transition in which the efficient use of large-scale, variable renewable energy sources (VRE) from wind and sun will be of great importance. The ongoing electrification brings about new electricity demand sources that must be managed. Sector Coupling (SC) describes using renewable power in all end-consumption sectors. The core objective of this thesis is an in-depth techno-economic analysis of successful VRE integration through SC in major CO2 emitting end-consumption sectors: heating and cooling, transport and industry. This thesis mainly builds on four contributions, of which a review elaborates on the state of the art of sector coupling, and three articles answer specific research questions concerning i) the storage needs to achieve a strong correlation between hourly VRE profiles and temperature-dependent heating and cooling needs, ii) efficient management of increasing electricity demand for individual transport, and iii) renewable hydrogen production strategies for the industry. The first contribution presents a statistical analysis of the interrelations between weather-dependent variables and respective heating and cooling degree-days. Individual optimisation models compare load-management solutions for battery-electric vehicles (BEVs) and different electrolyser operation strategies. The results show that SC plays a major role in all three cases and the applied methods provide valuable solutions: i) VRE can strongly correlate with heating and cooling degree-days on different time scales, ii) load-management solutions for BEV charging can reduce the required power-connection on-site by 62 % compared to uncontrolled charging, iii) and constant demand and just-in-time production achieve the lowest renewable hydrogen production cost. SC represents part of the solution in the energy transition, making renewable energy available to former fossil-fuel-based processes. The concept promotes local production, value creation, and independence from energy imports. Nevertheless, several challenges and uncertainties remain, which call for clear regulatory guidelines for renewable technologies to support decision-making and investments. Furthermore, historically grown market frameworks and energy grids must adapt for cross-sectoral integration to achieve the energy transition.