title: Transforming the European energy system: the impact of building efficiency and green hydrogen production
Creators: name: Zeyen, Elisabeth
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: buildinig efficiency
subject: green hydrogen
subject: energy system modelling
subject: decarbonisation
subject: cost optimisation

description: The European energy system must undergo a transformation to a low-carbon system in the upcoming years if it is to mitigate the consequences of climate change. This thesis deals with crucial aspects of this transformation, building renovation and the cost and regulation of green hydrogen production. These areas are analysed by considering their interactions and integration within the entire energy system. In the first part of this thesis, strategies to cost-effectively reduce heating demand peaks in a highly renewable European energy system are investigated. A new approach is presented, which co-optimises supply and efficiency measures, including building renovation, thermal energy storage and hybrid heat pumps. It reveals that building renovation, driven by seasonal heat peaks, can significantly reduce costs and eliminate the need for individual gas boilers. The second part of this thesis addresses the role and the costs of green hydrogen production in the European energy system. The paper overcomes previous modelling limitations by incorporating endogenous cost reductions of electrolysis and renewable capacities. It demonstrates that an accelerated scale-up of electrolysis and renewable generation is cost-optimal for stringent climate targets, significantly reducing hydrogen production costs and favouring green over blue hydrogen. Further, it shows that not considering the dynamics of technology learning leads to higher system costs and delayed investments. The third part of this thesis explores the impact of various standards for certifying green hydrogen production. Different electricity procurement strategies and their cost and emission implications are compared. It concludes that flexible operation of the electrolysis is key to minimise emission and hydrogen production costs. Hourly matching of renewable generation and electrolysis demand provides a safeguard to hinder an increase in emissions. These papers contribute to understanding the complex dynamics of Europe's energy system transition and highlight the interplay between building efficiency, renewable energy integration, and hydrogen's role. The thesis not only addresses the technical and economic dimensions of the energy transition but also considers the social and policy-related implications to provide holistic insights into how to navigate the path to a low-carbon energy future.
description: Das europäische Energiesystem muss in den kommenden Jahren auf ein emissionsarmes System umgestellt werden, wenn die Folgen des Klimawandels eingedämmt werden sollen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zentralen Aspekten dieser Transformation: der Gebäudesanierung, sowie den Kosten und der Regulierung der grünen Wasserstoffproduktion. Diese Bereiche werden unter Berücksichtigung ihrer Wechselwirkungen und ihrer Integration in das Gesamtenergiesystem analysiert. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Strategien zur kosteneffizienten Reduzierung von Wärme Nachfragespitzen in einem europäischen Energiesystem mit hohem Anteil erneuerbarer Energien untersucht. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, bei dem Versorgungs- und Effizienzmaßnahmen, einschließlich Gebäudesanierung, thermische Energiespeicherung und Hybridwärmepumpen, gemeinsam optimiert werden. Es zeigt sich, dass Gebäudesanierungen, die durch saisonale Wärmespitzen angetrieben wird, die Kosten erheblich senken und den Bedarf an dezentralen Gaskesseln beseitigen kann. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Rolle und den Kosten der grünen Wasserstoffproduktion im europäischen Energiesystem. Die Studie überwindet frühere Modellierungsbeschränkungen, indem es endogene Kostensenkungen bei der Elektrolyse und bei den erneuerbaren Kapazitäten berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ein beschleunigter Ausbau der Elektrolyse und der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Hinblick auf strenge Klimaziele kostenoptimal ist, da er die Kosten für die Wasserstofferzeugung erheblich senkt und grüner Wasserstoff gegenüber blauem Wasserstoff bevorzugt wird. Außerdem wird gezeigt, dass eine Nichtberücksichtigung der Dynamik des technologischen Lernens zu höheren Systemkosten und verzögerten Investitionen führt. Im dritten Teil dieser Arbeit werden die Auswirkungen verschiedener Normen für die Zertifizierung der grünen Wasserstoffproduktion untersucht. Es werden unterschiedliche Strombeschaffungsstrategien und ihre Auswirkungen auf Kosten und Emissionen verglichen. Aus der Analyse geht hervor, dass ein flexibler Betrieb der Elektrolyse entscheidend ist für die Minimierung von Emissionen und Wasserstoffproduktionskosten. Der stündliche Ausgleich zwischen der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen und dem Elektrolysenachfrage bietet eine Garantie, dass Emissionen im Gesamtsystem nicht ansteigen.