From Niche to Market—An Agent-Based Modeling Approach for the Economic Uptake of Electro-Fuels (Power-to-Fuel) in the German Energy System
Abstract
:1. Introduction
2. Current State of Affairs of P2F in Germany and Methodological Approach
- Reduction of investment costs
- High conversion efficiencies
- High utilization rates
- Reasonable legal framing conditions
2.1. Defining Framing Conditions with the Help of the Turtle Model
2.2. Conceptualization of the Agent-Based Model
2.3. General Model Description
3. Scenario Description with Consideration of Potential Markets and Legal Aspects for P2F
3.1. Legal Aspects
3.2. Description of Scenarios
4. Results and Discussion
4.1. Model Calibration and Base Scenario
4.2. Moderate Policy Scenario
- ○
- Conventional energy price rise of 2% a−1
- ○
- Conventional energy price rise of 4% a−1
- ○
- 3000 full load hours in relation to electrolysis capacity
- ○
- 6000 full load hours in relation to electrolysis capacity
4.3. EnergiewendePlus (EW+) Scenario: Optimizing Parameters for an Ambitious Energy System Transformation
4.3.1. EEG—Fee Exemption
4.3.2. Biofuel Recognition
4.3.3. High Willingness-to-Pay
4.3.4. Strong Legal Regulations
- High EU ETS certificate price of 100 € ton CO₂−1 from 2021 on
- Strong start-up subsidization of 60 million € a−1 until 2025
- Strong GHG reduction quotas for industrial companies leading to a WTP of up to 30%.
4.4. Discussion of Model Results in Comparison to External Studies
5. Conclusions
Author Contributions
Funding
Acknowledgments
Conflicts of Interest
Appendix A
Operators | ||||
---|---|---|---|---|
Operator Group | Customer Base | Techs | Budget/Scale | Investment Criterion |
Progressive Car Manufacturers | Mobility | All | Medium | Strategic |
Conservative Car Manufacturers | Mobility | All | Large | Profitable |
Progressive Industry | Industry | All | Medium | Strategic |
Conservative Industry | Industry | All | Large | Profitable |
Strategic P2F investor | Broad | All | Medium | Strategic |
Wind park operators (big) | Broad | All | Medium | Profitable |
Wind park operators (small) | Broad | P2H2/P2M | Small | Profitable |
Electricity provider | Broad | P2H2/P2M | Medium | Profitable |
Refinery-hydrogen investments | Refineries | P2H | Large | Strategic |
Refinery—liquid investments | Refineries | P2L | Medium | Strategic |
Progressive gas provider | Households | P2H2/P2M | Medium | Strategic |
Conservative gas provider | Households | P2H2/P2M | Large | Profitable |
Customers | ||||
Customer Group | Substitute | Product | Potential Demand | Incentive |
Green households | Hydrogen, methane | Gas | Medium | Willing to pay |
Green+ households | Hydrogen, methane | Gas | Very small | Willing to pay |
Green car drivers | Methane, liquid fuel | Liquid fuel | Small | Willing to pay |
Fuel cell mobility | Hydrogen | Fossil hydrogen | Small | Willing to pay |
Green H2 industry | Hydrogen | Fossil hydrogen | Small | Willing to pay |
Green gas industry | Hydrogen, methane | Gas | Small | Willing to pay |
Green liquid industry | Liquid fuel | Mineral oil | Small | Willing to pay |
H2-oriented refineries | Hydrogen | Biofuel | Large | Quota |
Liquid-oriented refineries | Liquid fuel | Biofuel | Large | Quota |
Gas-based car industry | Methane | Biofuel | Medium | Quota |
Liquid-based car industry | Liquid fuel | Biofuel | Medium | Quota |
Subsidizer | ||||
Subsidizer Group | Substitute | Subsidy per Year | ||
Power-to-hydrogen subsidizer | Hydrogen | 3 million euro | ||
Power-to-methane subsidizer | Methane | 3 million euro | ||
Power-to-liquid subsidizer | Liquid fuel | 2 million euro | ||
Technology Classes | ||||
Technology Class | Initial Relative Investment Cost | Initial Efficiency | Pre-Existing (Input) Capacity | |
Power-to-hydrogen | 1500 €/kW | 65% | 12 MW | |
Power-to-methane | 3000 €/kW | 55% | 8 MW | |
Power-to-liquid | 3500 €/kW | 50% | 1 MW | |
Environment | ||||
Environment Variable | Status | Initial Value | ||
Fixed operating costs in % of investment | 4% | |||
Individual relative fixed operating cost reduction per year of experience | 2% | |||
Maximum individual relative fixed operating cost reduction | 20% | |||
Tax per kWh related to legal status of P2F operators | End Consumer: | 0.1306 €/kWh | ||
Energy-Intensive Industry: | 0.0765 €/kWh | |||
Storage: | 0.0665 €/kWh | |||
Locally produced RE: | 0.0254 €/kWh | |||
Legal status of P2F operators | End Consumer | |||
EU ETS certificate price | 6.5 €/tonCO2eq | |||
Average utilization of renewable energy plants | 22% | |||
Biofuels quota for refineries | 6% | |||
Electricity price | 0.02 €/kWh |
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Energy Carrier in Markets | Demand in TWh a−1 | Energy Carrier in Markets | Price in € kWh−1 |
---|---|---|---|
Natural Gas | Natural Gas | ||
Private households | 289 | Private households | 0.072 |
Industry | 225 | Industry | 0.036 |
Transport | 2.47 | ||
Mineral Oil | 0.073 | ||
Hydrogen | |||
Industry | 60 | Biofuels | |
Traffic | 0.025 (Own assumptions based on registered fuel cell vehicles in Germany. Assumed fuel consumption: 1 kgH2 per 100 km. At 15,000 km a−1 the total consumption equals 25 GWh a−1.) | Gas | 0.08 |
Diesel | 0.078 | ||
Mineral Oil | Petrol | 0.07 | |
Industry | 36 | ||
Transport | 681 | Hydrogen | |
Households | 157 | Industry | 0.06 (Own calculation of production costs for H2 via steam methane reformation at a gas price of 3 ct kWh−1.) |
Transport | 0.28 (Price information of Clean Energy Partnership (CEP).) |
2015 | 2029 | |||
---|---|---|---|---|
Investment Costs [€ kW−1] | Production Costs [ct kWh−1] | Investment Costs [€ kW−1] | Production Costs [ct kWh−1] | |
P2H2 | 1500 | 25.7 | 1292 | 23.6 |
P2M | 3000 | 34.0 | 2630 | 30.4 |
P2L | 3500 | 38.7 | 3500 | 38.7 |
2015 | 2029 | |||
---|---|---|---|---|
Investment Costs [€ kW−1] | Production Costs [ct kWh−1] | Investment Costs [€ kW−1] | Production Costs [ct kWh−1] | |
P2H2 | 1500 | 25.7 | 520 | 12.8 |
P2M | 3000 | 34.0 | 1000 | 15.4 |
P2L | 3500 | 38.7 | 1000 | 15.4 |
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© 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
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Schnuelle, C.; Kisjes, K.; Stuehrmann, T.; Thier, P.; Nikolic, I.; von Gleich, A.; Goessling-Reisemann, S. From Niche to Market—An Agent-Based Modeling Approach for the Economic Uptake of Electro-Fuels (Power-to-Fuel) in the German Energy System. Energies 2020, 13, 5522. https://doi.org/10.3390/en13205522
Schnuelle C, Kisjes K, Stuehrmann T, Thier P, Nikolic I, von Gleich A, Goessling-Reisemann S. From Niche to Market—An Agent-Based Modeling Approach for the Economic Uptake of Electro-Fuels (Power-to-Fuel) in the German Energy System. Energies. 2020; 13(20):5522. https://doi.org/10.3390/en13205522
Chicago/Turabian StyleSchnuelle, Christian, Kasper Kisjes, Torben Stuehrmann, Pablo Thier, Igor Nikolic, Arnim von Gleich, and Stefan Goessling-Reisemann. 2020. "From Niche to Market—An Agent-Based Modeling Approach for the Economic Uptake of Electro-Fuels (Power-to-Fuel) in the German Energy System" Energies 13, no. 20: 5522. https://doi.org/10.3390/en13205522
APA StyleSchnuelle, C., Kisjes, K., Stuehrmann, T., Thier, P., Nikolic, I., von Gleich, A., & Goessling-Reisemann, S. (2020). From Niche to Market—An Agent-Based Modeling Approach for the Economic Uptake of Electro-Fuels (Power-to-Fuel) in the German Energy System. Energies, 13(20), 5522. https://doi.org/10.3390/en13205522