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Durch das in Paris beschlossene Ziel, die globale mittlere Temperatur auf deutlich unter 2 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, ist ein Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger und Rohstoffe bis zum Jahr 2050 notwendig (WBGU 2016). Daher hat sich die Bundesregierung das Ziel gesetzt, bis zur Mitte des Jahrhunderts eine weitgehende Treibhausgasneutralität zu erreichen. Hierzu ist neben einer Steigerung der Energieeffizienz in allen Sektoren ein Ausbau erneuerbaren Energien notwendig. Dies beinhaltet hauptsächlich den Zubau von Wind‐ und Solarstromanlagen. Somit gewinnt die Sektorkopplung immer mehr an Bedeutung und wird in Zukunft eine tragende Rolle für die Defossilisierung des Energiesystems spielen (BMUB 2016). Als zentrales Element der Sektorkopplung gilt Strom, der über Power‐to‐X (PtX) sowohl energetisch im Wärme‐, und Verkehrssektor als auch stofflich in der Industrie und vor allem im Chemiesektor eingesetzt werden kann (Ausfelder et al. 2018a). Im Rahmen des P2X‐Vorhabens der Kopernikus Forschungsinitiative wird die Sektorkopplung durch die Umwandlung von Strom mittels elektrochemischer Prozesse in stoffliche Ressourcen wie Wasserstoff, Synthesegas oder Kohlenstoffmonoxid untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der Kopplung von Strom und Verkehr sowie Strom und Chemie und der Untersuchung von Prozessen und Pfaden, die aus ökologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Sicht vorteilhaft sind. Eine vergleichende Einordnung in den Gesamtkontext der Energiewende mit Abwägung zahlreicher Alternativen und Konkurrenztechnologien ist dort allerdings nicht vorgesehen. Zudem werden einige relevante PtX‐Technologien wie Power‐to‐Heat nicht betrachtet. Aus diesem Grund wurden in SPIKE ergänzende PtX‐Technologiepfade aus systemanalytischer Sicht untersucht. Dies sind Power‐to‐Heat (PtH) und Power‐to‐Gas (PtG) über Elektrolyse und optionaler anschließender Methanisierung sowie die Herstellung ausgewählter Pfade der strombasierten Herstellung von Produkten der energieintensiven Industrie. Ziel des Forschungsvorhabens war die Analyse von PtX‐Technologien und Pfaden, deren vergleichende Einordnung im Gesamtkontext der Energiewende sowie die Unterstützung des P2X Roadmapping Prozesses und die Ableitung von Handlungsempfehlungen. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf dem Einsatz von PtX im Industriesektor. Für das Vorhaben wurden Arbeitspakete (AP) erstellt, die Untersuchungen zu Technologie, Potenzial, Ökonomie und Ökologie von PtH (AP 1), PtG (AP 2), Power‐to‐Ammoniak, Power‐to‐Ethen und Power‐to‐Propen (AP 3) umfassten. Daraus wurde in AP 4 ein Systemvergleich mit Einordnung von PtX in die Energiewende durchgeführt. Auf dieser Basis und der Identifizierung regulatorischer Rahmenbedingungen für PtX (AP 5) wurde das deutsche Energiesystem samt PtX‐Pfaden in einem Energiesystemmodell abgebildet (AP 6). Die Ergebnisse flossen in das Roadmapping ein (AP 7). Zudem erfolgte ein Austausch mit den Projektpartnern und das Verfassen wissenschaftlicher Abhandlungen (AP 8).

In this study, a pilot-scale trickle-bed reactor for biological methanation and various scale-up scenarios for 2023 and 2050 were investigated using LCA. A best- and worst-case scenario for technology development until 2050 was evolved using cross consistency analysis and morphological field, based on which the data for the ecological models were determined.The results show that the plant scale-up has a very positive effect on the ecological consequences of methanation. In the best-case scenario, the values are a factor of 23-780 lower than those of the actual plant today. A hot-spot analysis showed that especially electrolysis operation has a large impact on total emissions. The final Monte-Carlo simulation shows that the technology is likely to achieve a low GWP with a median of 104.0 kg CO2-eq / MWh CH4.