Published May 2021 | Version v1
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Long-term scenarios for the transformation of the energy system in Germany 3. Short report: 3 main scenarios

Description

The project "Long-term scenarios for the transformation of the energy system in Germany" examines the techno-economic impacts of alternative paths for decarbonising the energy system and how Germany can achieve the goal of greenhouse gas neutrality. Specifically, this report summarises three scenarios. Decarbonisation requires climate-neutral energy sources. Essentially, these are electricity, hydrogen and/or synthetic hydrocarbons. For this first report, we have modelled one scenario with very heavy use of each energy carrier (TN-Electricity, TN-H2-G, TN-PtG/PtL). Further scenarios will follow. The following basic insights can be gained from the comparison of the present scenarios. The industrial sector is facing a profound transformation in many industries and value chains. Without large quantities of CO2-neutral energy sources (electricity, H2, PtG/PtL), the transformation is not possible. Energy-intensive primary industries in particular are facing a comprehensive conversion of their plant stock. In addition, the capture and possibly the use of CO2 from process emissions, e.g. in the cement industry, with the corresponding transport infrastructures, is an issue that becomes relevant in all scenarios. Based on current knowledge, an increase in direct electricity use in the areas of providing heat in heat grids, a significant number of buildings (heat pumps) and as an energy source in significant parts of car & transport transport is a robust strategy. According to current knowledge, air and maritime transport is also dependent on hydrocarbons in the long term, which can be provided from biogenic sources or possibly in the form of synthetic hydrocarbons (PtG/PtL). For long-distance transport, process heat, poorly insulated buildings and industrial processes, various technical solutions are conceivable, but with different consequences. For the poorly insulated buildings, the following options exist: Use of expensive synthetic hydrocarbons or, to a very limited extent, biomass; use of hydrogen with corresponding effort in converting appliances and supply infrastructure, and direct use of electricity with re-insulation, if possible. In all scenarios, a high expansion of renewable energies in Germany and Europe is central. The central challenge lies in the provision of land and securing the necessary acceptance for this. The electricity grids - both at transmission and distribution grid level - must still be significantly expanded in all scenarios, even after 2030. Efficient sector coupling and a transformation of the heating grids are central elements for the integration of renewable energies. Germany will continue to import energy in the long term. However, the imported energy sources will change. The land requirement abroad for German energy supply is considerable, especially for PtG/PtL imports. Energy efficiency is an important component of the energy transition to reduce the land pressure from electricity generation from renewables at home and abroad. The development of a European hydrogen network is part of a robust strategy for many possible scenarios. In this context, adapting the gas grid to declining methane demand and the transport of hydrogen is an important task. Speculating on a large-scale use of synthetic hydrocarbons would be a risky strategy, as this scenario is only conceivable under very specific conditions in terms of its economic impact mechanisms. Furthermore, our analyses show that, according to current knowledge, greenhouse gas emissions in Germany cannot be completely reduced to zero. For this reason, the research and development of technologies for negative emissions should be accelerated.

Availability note (English)

Available from: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-637806.html

Abstract (German)

Das Projekt "Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland" untersucht, welche techno-ökonomischen Auswirkungen alternative Pfade zur Dekarbonisierung des Energiesystems haben und wie Deutschland das Ziel der Treibhausgasneutralität erreichen kann. Konkret werden in diesem Bericht drei Szenarien zusammengefasst. Die Dekarbonisierung benötigt klimaneutrale Energieträger. Im Wesentlichen sind dies Strom, Wasserstoff und/oder synthetische Kohlenwasserstoffe. Wir haben für diesen ersten Bericht jeweils ein Szenario mit sehr starker Nutzung des jeweiligen Energieträgers modelliert (TN-Strom, TN-H2-G, TN-PtG/PtL). Weitere Szenarien werden folgen. Aus dem Vergleich der vorliegenden Szenarien lassen sich die folgenden grundlegende Erkenntnisse gewinnen. Der Industriesektor steht vor einer tiefgreifenden Transformation in vielen Branchen und Wertschöpfungsketten. Ohne große Mengen CO2-neutraler Energieträger (Strom, H2, PtG/PtL) ist die Transformation nicht möglich. Besonders energieintensive Grundstoffindustrien stehen vor einem umfassenden Umbau des Anlagenbestandes. Zusätzlich ist die Abscheidung und ggf. die Nutzung von CO2 aus Prozessemissionen, z.B. in der Zementindustrie, mit den entsprechenden Transportinfrastrukturen ein Thema, das in allen Szenarien relevant wird. Nach heutigen Kenntnistand ist eine Steigerung der direkten Stromnutzung in den Bereichen der Bereitstellung von Wärme in Wärmenetzen, einer signifikanten Anzahl von Gebäuden (Wärmepumpen) und als Energieträger in bedeutenden Teilen der Pkw- & Transportverkehre eine robuste Strategie. Der Luft- und Seeverkehr ist nach heutigem Kenntnisstand auch langfristig auf Kohlenwasserstoffe angewiesen, die aus biogenen Quellen oder ggf. in Form von synthetischen Kohlenwasserstoffen (PtG/PtL) bereitgestellt werden können. Bei Langstreckenverkehren, Prozesswärme, schlecht gedämmten Gebäuden und industriellen Prozessen sind verschiedene technische Lösungen denkbar, aber mit unterschiedlichen Konsequenzen verbunden. Bei den schlechter gedämmten Gebäuden bestehen folgende Optionen: Nutzung von teuren synthetischen Kohlenwasserstoffen oder in sehr begrenztem Umfang von Biomasse; Nutzung von Wasserstoff mit entsprechendem Aufwand bei der Umstellung der Geräte und der Versorgungsinfrastruktur, sowie der direkten Stromnutzung mit einer Nachdämmung, wenn möglich. In allen Szenarien ist ein hoher Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland und Europa zentral. Die zentrale Herausforderung liegt in der Flächenbereitstellung und der Sicherung der dafür notwendigen Akzeptanz. Die Stromnetze müssen – sowohl auf Übertragungs- als auch Verteilnetzebene – in allen Szenarien auch nach 2030 noch deutlich ausgebaut werden. Effiziente Sektorkopplung und eine Transformation der Wärmenetze sind zentrale Elemente für die Integration erneuerbarer Energien. Deutschland wird auch langfristig weiterhin Energie importieren. Die importierten Energieträger werden sich jedoch ändern. Der Flächenbedarf im Ausland für die deutsche Energieversorgung ist insbesondere bei PtG/PtL-Importen erheblich. Energieeffizienz ist ein wichtiger Baustein der Energiewende, um den Flächendruck durch die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im In- und Ausland zu reduzieren. Der Aufbau eines europäischen Wasserstoffnetzes ist für viele mögliche Szenarien Bestandteil einer robusten Strategie. In diesem Zusammenhang ist eine Anpassung des Gasnetzes auf rückläufigen Methanbedarf und den Transport von Wasserstoff eine wichtige Aufgabe. Die Spekulation auf einen großflächigen Einsatz von synthetischen Kohlenwasserstoffen wäre eine riskante Strategie, da dieses Szenario in seinen ökonomischen Wirkungsmechanismen nur unter sehr speziellen Bedingungen denkbar ist. Weiterhin zeigen unsere Analysen, dass nach derzeitigem Kenntnisstand die Treibhausgasemissionen in Deutschland nicht komplett auf null gesenkt werden können. Aus diesem Grund sollten die Erforschung und Entwicklung von Technologien für negative Emissionen vorangetrieben werden.

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Original title (German)
Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland 3. Kurzbericht: 3 Hauptszenarien

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30 p.