Strategische Planung von Wertschöpfungsnetzwerken zur Produktion von synthetischen Kraftstoffen auf Basis erneuerbarer Energien : ein Ansatz unter Berücksichtigung saisonaler Schwankungen der Inputs

  • Strategic supply chain planning of synthetic fuels based on renewable energies : an approach considering seasonal supply fluctuations of the inputs

Doré, Larissa Alexandra; Walther, Grit (Thesis advisor); Fröhling, Magnus (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Gegenstand der vorliegenden Dissertation sind die Entwicklung eines Ansatzes zur strategischen Planung von Wertschöpfungsnetzwerken für synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien (Wind, Solar, Biomasse) und die Validierung dieses Ansatzes anhand einer europäischen Fallstudie. Als Grundlage für die Konzeptionierung des Planungsansatzes werden zunächst die rechtlichen, ökonomischen, ökologischen, technischen und logistischen Rahmenbedingungen analysiert, welche die Gestaltung von Wertschöpfungsnetzwerken für synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien determinieren. Auf Basis dieser Analyse können die folgenden Anforderungen an einen Planungsansatz abgeleitet werden: Für die Produktion der synthetischen Kraftstoffe existieren die drei Prozesspfade Biomass-to-Liquid, Power-to-Liquid und Power and Biomass-to-Liquid, welche sich hinsichtlich der verarbeiteten Inputs sowie der Art und Anzahl der erforderlichen Prozessschritte unterscheiden. Um die ökonomisch vorteilhaften Prozesspfade unter Berücksichtigung geografisch und zeitlich begrenzter Inputpotenziale zu identifizieren, sind alle Prozesspfade simultan in einem Planungsansatz zu berücksichtigen. Die Inputs Biomasse und erneuerbar erzeugter Strom sind durch eine saisonal fluktuierende Verfügbarkeit gekennzeichnet. Folglich sind Speicher entlang des Wertschöpfungsnetzwerkes zum Ausgleich der unterjährigen Schwankungen zu berücksichtigen. Für die Speicherung sowie den Transport von Stoffen im Netzwerk existieren verschiedene Speichertechnologien bzw. Transportmodi. Diese sind entsprechend im Planungsansatz abzubilden. Für Produktionsanlagen, Speicher und den Transportmodus Pipeline können Größendegressionseffekte bei großen Kapazitäten realisiert werden, welche ebenfalls im Planungsansatz zu berücksichtigen sind. Darüber hinaus ist es notwendig, dynamische Entwicklungen auf strategischer sowie auf taktischer Ebene abzubilden, um sowohl dem zukünftigen Nachfrageanstieg nach synthetischen Kraftstoffen als auch den saisonalen Schwankungen der Inputs Rechnung zu tragen. Anschließend werden bestehende Ansätze im Bereich der Wertschöpfungsnetzwerkplanung für synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien analysiert. Basierend auf dieser Analyse können geeignete Modellierungsoptionen zur Erreichung der Anforderungen des vorliegenden Planungsproblems identifiziert werden. Allerdings wird deutlich, dass kein Ansatz in der Literatur alle in dieser Arbeit definierten Anforderungen erfüllt. Basierend auf den abgeleiteten Anforderungen und den identifizierten Modellierungsoptionen wird ein Planungsansatz zur Gestaltung von Wertschöpfungsnetzwerken für synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien konzipiert. Das Planungsproblem wird als gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell zur Technologie-, Kapazitäts- und Standortplanung umgesetzt. Die Zielfunktion des Modells maximiert den Kapitalwert des Wertschöpfungsnetzwerkes. Es werden strategische und taktische Zeitperioden modelliert, um sowohl langfristige Entwicklungen als auch saisonale Inputschwankungen berücksichtigen zu können. Zwecks Reduktion der Modellkomplexität werden dabei mehrere Jahre zu einer strategischen Periode aggregiert. Die in den Produktionsanlagen stattfindenden Stoff- und Energietransformationen werden durch eine aktivitätsanalytische Formulierung abgebildet. Anschließend wird der entwickelte Ansatz anhand einer Fallstudie für die Europäische Union für einen Planungszeitraum von 2025 bis 2050 validiert. Dabei werden fünf Szenarien untersucht, um Unsicherheiten in den Bereichen Inputverfügbarkeit, Kraftstoffnachfrage und ökonomische Parameter der Produktionsanlagen analysieren zu können. Die Fallstudienergebnisse zeigen auf, dass zukünftig allen drei Prozesspfaden Biomass-to-Liquid, Power-to-Liquid und Power and Biomass-to-Liquid eine Bedeutung zukommen kann. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer integrierten Planung aller drei Prozesspfade und impliziert für Politik, potenzielle Investoren sowie Akteure aus Forschung und Entwicklung Technologieoffenheit zu wahren und alle Technologiepfade weiterzuentwickeln. Allerdings verdeutlichen die Ergebnisse, dass die synthetische Kraftstoffproduktion auf Basis erneuerbarer Energien unter den aktuellen Rahmenbedingungen für kein Szenario ökonomisch vorteilhaft wäre. Dies gilt auch für sehr optimistische Annahmen hinsichtlich des Strompreises und der ökonomischen Parameter der Produktionsanlagen. Entsprechend sind politische Anreize, z. B. in Form von Subventionen oder CO2-Emissionsvorgaben, notwendig, um Investitionen in die Kraftstoffproduktionsanlagen zu fördern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird erstmals ein Ansatz zur Wertschöpfungsnetzwerkplanung für synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien entwickelt, welcher alle Charakteristika der vorliegenden Planungssituation adäquat abbildet. Insbesondere werden erstmalig alle drei Prozesspfade integriert analysiert. Damit stellt der entwickelte Ansatz eine wichtige Basis für die Kopplung von Wertschöpfungsnetzwerkmodellen für synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien mit Stromsystemmodellen dar.

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