Title (eng)
Decarbonizing the steel industry: how does a 100% renewable powered steel production influence electricity system structure and costs in Austria and Germany?
Parallel title (deu)
Dekarbonisierung der Stahlindustrie: wie beeinflusst eine 100% erneuerbare Stahlproduktion die Struktur und die Kosten des Stromsystems in Österreich und Deutschland?
Author
Simon Manuel Büttner
Advisor
Thilo Hofmann
Assessor
Thilo Hofmann
Abstract (deu)
Die Dekarbonisierung der Eisen- und Stahlindustrie stellt nationale Energiesysteme vor die Herausforderung große Mengen an treibhausgasneutraler Energie bereitstellen zu müssen, die Ausschließlich aus erneuerbaren oder treibhausgasneutralen Energiequellen gewonnen werden dürfen. Eine derartige vollständige Dekarbonisierung des aktuell sehr kohlenstoffintensiven Hauptprozesses der Stahlerzeugung, der Eisenerzreduktion, kann nach derzeitigem Wissensstand nur über eine wasserstoffbasierte Eisenerzdirektreduktion oder über strombasierte Eisenerzelektrolyse erfolgen. Während die Produktion von grünem Wasserstoff erhebliche Energieverluste mit sich bringt und somit große Mengen erneuerbarem Strom benötigt, erfordert die strombasierte Eisenerzelektrolyse ausreichend verfügbaren Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Dieser muss zudem praktisch jederzeit für die Stahlproduktion verfügbar sein, was das Stromsystem besonders in Zeiten geringer erneuerbarer Stromproduktion vor große Herausforderungen stellt. Die vorliegende Studie simuliert die Auswirkungen einer wasserstoffbasierten und einer strombasierten Eisenerzreduktion auf den Aufbau und die Kosten vollständig erneuerbarer Stromsysteme in Deutschland und Österreich. Dabei untersucht diese Studie die Auswirkungen verschiedener Ausbaubeschränkungen für Wind- und Solarenergie sowie die Auswirkungen verschiedener Wasserstoffimportpreise auf die jeweiligen Energiesysteme. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoffelektrolyseure im deutschen Stromsystem eine wichtige Rolle spielen werden, um Erzeugungsspitzen volatiler Stromerzeuger abzufangen und dass dadurch eine wasserstoffbasierte Stahlerzeugung kosten- und energieefizient darstellbar ist. Eine strombasierte Stahlerzeugung würde in Deutschland hingegen die benötigten Kapazitäten teurer und ineffizienter Wasserstoffkraftwerke deutlich erhöhen, weshalb Eisenerzelektrolyse ein 100 % erneuerbares deutsches Stromsystem verteuern und sogar energieineffizienter machen würde. Das österreichische Stromsystem besitzt hingegen bereits große flexible Stromspeicherkapazitäten durch Wasserspeicherkraftwerke, weshalb Wasserstoffelektrolyseure keinen Zusatznutzen im Stromsystem erfüllen. In Österreich würde eine strombasierte Eisenerzreduktion daher die Kosten des Stromsystems reduzieren und gleichzeitig die Energieeffizienz des Stromsystem verbessern.
Abstract (eng)
As energy systems need to be urgently decarbonized to meet climate protection targets, electricity systems must cope with the electrification of fossil-fuel powered processes. Simultaneously, they need to integrate increasing quantities of intermittent renewable electricity generation to achieve net zero greenhouse gas emissions. This poses an enormous challenge to existing electricity systems as they are designed for high shares of flexible fossil fuel based electricity generation. Operating completely renewable electricity systems, however, requires large flexibility to balance intermittent electricity generation with electricity demand without relying on readily available fossil fuels. In particular, electrifying large energy consumers such as the iron and steel (I & S) industry can therefore become a challenge for renewable electricity systems as they can fundamentally influence the operations of the electricity system. This study investigates the effects of directly or indirectly electrifying steel production on a completely renewable Austro-German electricity system. Thus, it represents an exploratory case study of how to successfully decarbonize the tightly coupled energy and industry sectors. The results indicate that flexibly-run H2 electrolyzers, flexible H2 gas power plants and utility-scale batteries will become crucial elements of a renewable electricity system in Germany in order to provide the necessary flexibility in the system to balance electricity generation and demand. In Austria, on the other hand, electrolyzers and H2 gas power plants are likely not required as central elements of a completely renewable electricity system as Austria possesses sufficiently flexible hydro storage units that are even able to supply inflexible electricity consumers at times of low intermittent electricity generation. Furthermore, the results show that the cost and energy efficiency of using a technology in individual plants may differ to the overall system costs and system energy efficiency as supposedly cheap and more energy efficient technology might require additional infrastructure on a system level to function.
Keywords (deu)
Erneuerbare EnergienStahlindustrieDekarbonisierungWasserstoffStromsystem
Keywords (eng)
Renewable energysteel industrydecarbonizationhydrogenelectricity system
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1657332
rdau:P60550 (deu)
iv, 46 Seiten : Illustrationen
Number of pages
52
Association (deu)
Title (eng)
Decarbonizing the steel industry: how does a 100% renewable powered steel production influence electricity system structure and costs in Austria and Germany?
Parallel title (deu)
Dekarbonisierung der Stahlindustrie: wie beeinflusst eine 100% erneuerbare Stahlproduktion die Struktur und die Kosten des Stromsystems in Österreich und Deutschland?
Author
Simon Manuel Büttner
Abstract (deu)
Die Dekarbonisierung der Eisen- und Stahlindustrie stellt nationale Energiesysteme vor die Herausforderung große Mengen an treibhausgasneutraler Energie bereitstellen zu müssen, die Ausschließlich aus erneuerbaren oder treibhausgasneutralen Energiequellen gewonnen werden dürfen. Eine derartige vollständige Dekarbonisierung des aktuell sehr kohlenstoffintensiven Hauptprozesses der Stahlerzeugung, der Eisenerzreduktion, kann nach derzeitigem Wissensstand nur über eine wasserstoffbasierte Eisenerzdirektreduktion oder über strombasierte Eisenerzelektrolyse erfolgen. Während die Produktion von grünem Wasserstoff erhebliche Energieverluste mit sich bringt und somit große Mengen erneuerbarem Strom benötigt, erfordert die strombasierte Eisenerzelektrolyse ausreichend verfügbaren Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Dieser muss zudem praktisch jederzeit für die Stahlproduktion verfügbar sein, was das Stromsystem besonders in Zeiten geringer erneuerbarer Stromproduktion vor große Herausforderungen stellt. Die vorliegende Studie simuliert die Auswirkungen einer wasserstoffbasierten und einer strombasierten Eisenerzreduktion auf den Aufbau und die Kosten vollständig erneuerbarer Stromsysteme in Deutschland und Österreich. Dabei untersucht diese Studie die Auswirkungen verschiedener Ausbaubeschränkungen für Wind- und Solarenergie sowie die Auswirkungen verschiedener Wasserstoffimportpreise auf die jeweiligen Energiesysteme. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoffelektrolyseure im deutschen Stromsystem eine wichtige Rolle spielen werden, um Erzeugungsspitzen volatiler Stromerzeuger abzufangen und dass dadurch eine wasserstoffbasierte Stahlerzeugung kosten- und energieefizient darstellbar ist. Eine strombasierte Stahlerzeugung würde in Deutschland hingegen die benötigten Kapazitäten teurer und ineffizienter Wasserstoffkraftwerke deutlich erhöhen, weshalb Eisenerzelektrolyse ein 100 % erneuerbares deutsches Stromsystem verteuern und sogar energieineffizienter machen würde. Das österreichische Stromsystem besitzt hingegen bereits große flexible Stromspeicherkapazitäten durch Wasserspeicherkraftwerke, weshalb Wasserstoffelektrolyseure keinen Zusatznutzen im Stromsystem erfüllen. In Österreich würde eine strombasierte Eisenerzreduktion daher die Kosten des Stromsystems reduzieren und gleichzeitig die Energieeffizienz des Stromsystem verbessern.
Abstract (eng)
As energy systems need to be urgently decarbonized to meet climate protection targets, electricity systems must cope with the electrification of fossil-fuel powered processes. Simultaneously, they need to integrate increasing quantities of intermittent renewable electricity generation to achieve net zero greenhouse gas emissions. This poses an enormous challenge to existing electricity systems as they are designed for high shares of flexible fossil fuel based electricity generation. Operating completely renewable electricity systems, however, requires large flexibility to balance intermittent electricity generation with electricity demand without relying on readily available fossil fuels. In particular, electrifying large energy consumers such as the iron and steel (I & S) industry can therefore become a challenge for renewable electricity systems as they can fundamentally influence the operations of the electricity system. This study investigates the effects of directly or indirectly electrifying steel production on a completely renewable Austro-German electricity system. Thus, it represents an exploratory case study of how to successfully decarbonize the tightly coupled energy and industry sectors. The results indicate that flexibly-run H2 electrolyzers, flexible H2 gas power plants and utility-scale batteries will become crucial elements of a renewable electricity system in Germany in order to provide the necessary flexibility in the system to balance electricity generation and demand. In Austria, on the other hand, electrolyzers and H2 gas power plants are likely not required as central elements of a completely renewable electricity system as Austria possesses sufficiently flexible hydro storage units that are even able to supply inflexible electricity consumers at times of low intermittent electricity generation. Furthermore, the results show that the cost and energy efficiency of using a technology in individual plants may differ to the overall system costs and system energy efficiency as supposedly cheap and more energy efficient technology might require additional infrastructure on a system level to function.
Keywords (deu)
Erneuerbare EnergienStahlindustrieDekarbonisierungWasserstoffStromsystem
Keywords (eng)
Renewable energysteel industrydecarbonizationhydrogenelectricity system
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1791853
Number of pages
52
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