Modellgestützte Wirtschaftlichkeitsbewertung von Betriebskonzepten für Elektrolyseure in einem Energiesystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien

Um die internationalen Klimaschutzziele zu erreichen, ist es notwendig, Strom verstärkt aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Gleichzeitig bedarf es flexibler Verbraucher zum Ausgleich der schwankenden Stromeinspeisung. Da nicht alle Anwendungen vollständig auf die direkte Nutzung von Strom umgestellt werden können, werden weitere Energieträger als Speichermedium benötigt. Wasserstoff, der über die flexibel steuerbare Elektrolyse aus Strom und Wasser gewonnen werden kann, ist ein vielfältig nutzbarer Energieträger, z.B. für die chemische Industrie oder für Brennstoffzellenfahrzeuge. Heute ist der Einsatz des Elektrolyseurs noch nicht wirtschaftlich, da die Wasserstoffgestehungskosten über denen konkurrierender Verfahren liegen. Bei geänderten Rahmenbedingungen und fortschreitender Entwicklung der Elektrolysetechnologie kann sich dies jedoch ändern, weshalb sich die Frage stellt: Kann ein Elektrolyseur im deutschen Energiesystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien zukünftig wirtschaftlich betrieben werden? Zur Beantwortung der Fragestellung wird zunächst auf Stromhandelsplätze und die aktuelle Marktsituation für flexible Technologien am Strommarkt eingegangen und Entwicklungen im Bereich der Wasserstoffproduktion und -nachfrage werden vorgestellt. Um zukünftige Strombörsenpreise für verschiedene Szenarien zu bestimmen, wird anschließend ein fundamentales Simulationsmodell erstellt. Zwei Handelsplätze, die für den Elektrolyseurbetrieb von Bedeutung sind, stehen im Fokus: der Spotmarkt für den kurzfristigen Stromhandel und der Regelleistungsmarkt für die Vermarktung flexibler Lasten. Für den Regelleistungsmarkt werden Preise anhand eines Opportunitätskostenansatzes bestimmt. Die simulierten Marktpreise werden als Eingangsdaten für ein Optimierungsmodell verwendet, das den Deckungsbeitrag für den Betrieb eines Elektrolyseurs unter Berücksichtigung technischer Restriktionen maximiert. Verschiedene Betriebskonzepte werden hierbei untersucht, die den direkten Absatz von Wasserstoff, dessen Rückverstromung oder auch die Regelleistungsvorhaltung berücksichtigen. Anhand der erzielten Erlöse und Kosten lassen sich die Konzepte bewerten und die Forschungsfrage beantworten. Anhand von drei aus der Literatur ausgewählten Szenarien werden Entwicklungspfade des Energiesystems sowie verschiedene Ausprägungen techno-ökonomischer Parameter des Elektrolyseurs bis zum Jahr 2050 festgelegt. Die Szenarien unterscheiden sich u.a. hinsichtlich des Ausbaus erneuerbarer Energien und der Energieträgerpreise. Es zeigt sich, dass ein wirtschaftlicher Betrieb, wenn überhaupt, erst langfristig, d.h. voraussichtlich nach dem Jahr 2030, möglich ist. Dafür muss die Investition in den Elektrolyseur deutlich sinken und der Wirkungsgrad steigen oder die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen müssen eine hohe Auslastung mit niedrigen Strombezugskosten ermöglichen. Als wirtschaftlich gilt der Elektrolyseurbetrieb, wenn Wasserstoff kostengünstiger hergestellt werden kann als mit konventionellen Verfahren. Dies gelingt v.a. dann, wenn zusätzlich Regelleistung vorgehalten wird. Die Rückverstromung von Wasserstoff ist in den meisten Fällen nicht rentabel. Soll die Elektrolyse früher Einsatz finden, da sie möglicherweise für das Erreichen der Klimaschutzziele unumgänglich wird, bedarf es hierfür gezielter Anreize.:1 Einleitung 1 1.1 Ausgangslage und Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung und Lösungsweg 5 2 Rahmenbedingungen im Stromsektor und in der Wasserstoffwirtschaft 9 2.1 Entwicklungen im Stromsektor 9 2.1.1 Flexibilitätsbedarf zur Integration erneuerbarer Energien 10 2.1.2 Ausgestaltung von Stromhandelsplätzen 16 2.1.3 Heutiges und zukünftiges Marktumfeld für Flexibilitätsoptionen 19 2.2 Entwicklungen im Bereich der Wasserstoffwirtschaft 24 2.2.1 Nutzung von Wasserstoff 25 2.2.2 Produktionsverfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff 33 2.2.3 Techno-ökonomischer Vergleich ausgewählter Produktionsverfahren 37 2.3 Einsatz eines Elektrolyseurs am Strommarkt 45 3 Modellierung von Spotmarktpreisen 49 3.1 Funktionsweise des Spotmarktes 49 3.2 Vergleich und Auswahl eines Modellierungsansatzes für Spotmarktpreise 51 3.2.1 Anforderungen an die Modellierung 51 3.2.2 Bestehende Modellierungsansätze für Spotmarktpreise 53 3.2.3 Auswahl des Modellierungsansatzes 57 3.2.4 Ansätze zur Modellierung von Preisspitzen und negativen Preisen 59 3.3 Entwicklung eines Modellierungsansatzes für Spotmarktpreise 63 3.3.1 Aufbau des Fundamentalmodells 63 3.3.2 Optimierung des Speichereinsatzes 69 3.3.3 Regime-Switching-Ansatz zur Modellierung von Preisspitzen und negativen Preisen 73 3.3.4 Zusammenfassung des Modellierungsansatzes 79 3.4 Modellvalidierung anhand historischer Daten 81 3.4.1 Eingangsdaten 81 3.4.2 Validierung der simulierten Spotmarktpreise 83 3.4.3 Validierung der simulierten Zusammensetzung der Stromerzeugung 87 3.4.4 Validierung der simulierten CO2-Emissionen 88 3.4.5 Schlussfolgerungen aus der Validierung 89 4 Modellierung von Sekundärregelleistungspreisen 91 4.1 Ausgestaltung des Regelleistungsmarktes 91 4.1.1 Regulatorischer Rahmen 92 4.1.2 Bedarf an Regelleistung 95 4.1.3 Anbieter von Regelleistung 96 4.1.4 Teilnahme eines Elektrolyseurs am Regelleistungsmarkt 97 4.2 Modellierungsansätze für Regelleistungspreise 99 4.2.1 Anforderungen an die Modellierung 100 4.2.2 Bestehende Modellierungsansätze 100 4.2.3 Auswahl eines Modellierungsansatzes 103 4.2.4 Berechnung der Opportunitätskosten für Erzeugungs- und Nachfrageeinheiten 104 4.2.5 Aufbau des Opportunitätskostenansatzes zur Ermittlung der Leistungspreise 109 4.3 Validierung des Opportunitätskostenansatzes anhand historischer Daten 110 4.4 Zusammenfassung des Modellierungsansatzes 114 5 Wirtschaftlichkeitsbewertung eines Elektrolyseurs im zukünftigen Stromsystem 117 5.1 Grundlegende Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsberechnung 117 5.2 Energieszenarien für den Stromsektor 119 5.2.1 Energieszenarien ausgewählter Studien 120 5.2.2 Auswahl von Energieszenarien für die weitere Analyse 124 5.3 Entwicklung des Stromsektors in den gewählten Energieszenarien 129 5.3.1 Entwicklung am Spotmarkt 129 5.3.2 Entwicklung der Sekundärregelleistungspreise 134 5.4 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbewertung 136 5.4.1 Wasserstoffgestehungskosten des Elektrolyseurs in den Szenarien 137 5.4.2 Zielwerte für techno-ökonomische Parameter des Elektrolyseurs 143 5.4.3 Bestimmung und Modellierung von Betriebskonzepten 148 5.4.4 Wirtschaftlichkeitsbewertung der Betriebskonzepte 152 5.4.5 Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsbewertung 170 5.5 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit des Elektrolyseurbetriebs 172 6 Zusammenfassung, kritische Würdigung und Ausblick 175 6.1 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 175 6.2 Kritische Würdigung des verwendeten Ansatzes 182 6.3 Ausblick 184The international climate targets can only be achieved by generating more electricity using renewable energy sources. At the same time, flexible electricity consumers are needed to balance the fluctuating generation from renewables. As not all the electricity produced can be used directly, additional energy carriers are required as storage medium. Hydrogen that is produced by the flexible and controllable electrolysis of electricity and water is a versatile energy carrier, e.g. for the chemical industry or fuel cell electric vehicles. So far, this is not yet profitable, because the hydrogen production costs using electrolysis exceed those of competing methods. This could change under altered framework conditions and given the ongoing advances in electrolysis technology, which begs the question: Could hydrogen production using electrolysis be profitable in a future German energy system with high shares of renewable energies? To answer this question, electricity markets and the current market situation for flexible technologies are examined and developments in the field of hydrogen production and demand are presented. A fundamental simulation model is constructed to determine the future development of electricity market prices in different scenarios. The focus lies on two markets of relevance for operating electrolysers: the spot market for short-term electricity trading and the market for balancing power that allows the marketing of flexible loads. The prices on the market for balancing power are calculated using an approach based on opportunity costs. The simulated prices serve as input to an optimization model that maximizes the contribution margin of an electrolyser taking technical constraints into account. Different concepts are considered that include the direct sale of hydrogen, its reconversion into electricity as well as the provision of balancing power. The concepts are evaluated using the revenues and costs and the results used to answer the research question. Three scenarios selected from the literature depict different development pathways of the energy system as well as different values for the electrolyser’s techno-economic parameters up to the year 2050. The scenarios differ with regard to the deployment of renewable energy sources and the prices for energy carriers among other criteria. It becomes clear that profitable operation of electrolysers will, if at all, only be possible in the long term, probably from 2030 onwards. To achieve this, the electrolyser’s specific investment has to decrease and its efficiency has to increase or the framework conditions in the energy system must allow high full load hours of the electrolyser at low electricity costs. Operation is considered profitable if hydrogen can be produced via electrolysis at lower costs than conventional production methods. This is achieved in particular if the electrolyser is used to provide balancing power. Reconverting hydrogen into electricity is not profitable in most cases. However, electrolysis may become essential at an earlier point in time to meet climate targets. In this case, specific incentives are needed for its use.:1 Einleitung 1 1.1 Ausgangslage und Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung und Lösungsweg 5 2 Rahmenbedingungen im Stromsektor und in der Wasserstoffwirtschaft 9 2.1 Entwicklungen im Stromsektor 9 2.1.1 Flexibilitätsbedarf zur Integration erneuerbarer Energien 10 2.1.2 Ausgestaltung von Stromhandelsplätzen 16 2.1.3 Heutiges und zukünftiges Marktumfeld für Flexibilitätsoptionen 19 2.2 Entwicklungen im Bereich der Wasserstoffwirtschaft 24 2.2.1 Nutzung von Wasserstoff 25 2.2.2 Produktionsverfahren zur Bereitstellung von Wasserstoff 33 2.2.3 Techno-ökonomischer Vergleich ausgewählter Produktionsverfahren 37 2.3 Einsatz eines Elektrolyseurs am Strommarkt 45 3 Modellierung von Spotmarktpreisen 49 3.1 Funktionsweise des Spotmarktes 49 3.2 Vergleich und Auswahl eines Modellierungsansatzes für Spotmarktpreise 51 3.2.1 Anforderungen an die Modellierung 51 3.2.2 Bestehende Modellierungsansätze für Spotmarktpreise 53 3.2.3 Auswahl des Modellierungsansatzes 57 3.2.4 Ansätze zur Modellierung von Preisspitzen und negativen Preisen 59 3.3 Entwicklung eines Modellierungsansatzes für Spotmarktpreise 63 3.3.1 Aufbau des Fundamentalmodells 63 3.3.2 Optimierung des Speichereinsatzes 69 3.3.3 Regime-Switching-Ansatz zur Modellierung von Preisspitzen und negativen Preisen 73 3.3.4 Zusammenfassung des Modellierungsansatzes 79 3.4 Modellvalidierung anhand historischer Daten 81 3.4.1 Eingangsdaten 81 3.4.2 Validierung der simulierten Spotmarktpreise 83 3.4.3 Validierung der simulierten Zusammensetzung der Stromerzeugung 87 3.4.4 Validierung der simulierten CO2-Emissionen 88 3.4.5 Schlussfolgerungen aus der Validierung 89 4 Modellierung von Sekundärregelleistungspreisen 91 4.1 Ausgestaltung des Regelleistungsmarktes 91 4.1.1 Regulatorischer Rahmen 92 4.1.2 Bedarf an Regelleistung 95 4.1.3 Anbieter von Regelleistung 96 4.1.4 Teilnahme eines Elektrolyseurs am Regelleistungsmarkt 97 4.2 Modellierungsansätze für Regelleistungspreise 99 4.2.1 Anforderungen an die Modellierung 100 4.2.2 Bestehende Modellierungsansätze 100 4.2.3 Auswahl eines Modellierungsansatzes 103 4.2.4 Berechnung der Opportunitätskosten für Erzeugungs- und Nachfrageeinheiten 104 4.2.5 Aufbau des Opportunitätskostenansatzes zur Ermittlung der Leistungspreise 109 4.3 Validierung des Opportunitätskostenansatzes anhand historischer Daten 110 4.4 Zusammenfassung des Modellierungsansatzes 114 5 Wirtschaftlichkeitsbewertung eines Elektrolyseurs im zukünftigen Stromsystem 117 5.1 Grundlegende Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsberechnung 117 5.2 Energieszenarien für den Stromsektor 119 5.2.1 Energieszenarien ausgewählter Studien 120 5.2.2 Auswahl von Energieszenarien für die weitere Analyse 124 5.3 Entwicklung des Stromsektors in den gewählten Energieszenarien 129 5.3.1 Entwicklung am Spotmarkt 129 5.3.2 Entwicklung der Sekundärregelleistungspreise 134 5.4 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbewertung 136 5.4.1 Wasserstoffgestehungskosten des Elektrolyseurs in den Szenarien 137 5.4.2 Zielwerte für techno-ökonomische Parameter des Elektrolyseurs 143 5.4.3 Bestimmung und Modellierung von Betriebskonzepten 148 5.4.4 Wirtschaftlichkeitsbewertung der Betriebskonzepte 152 5.4.5 Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsbewertung 170 5.5 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit des Elektrolyseurbetriebs 172 6 Zusammenfassung, kritische Würdigung und Ausblick 175 6.1 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 175 6.2 Kritische Würdigung des verwendeten Ansatzes 182 6.3 Ausblick 18

Experimental Evaluation of Gene Silencing As New Therapeutic Option in the Treatment of Gemcitabine-chemoresistant Non-small-cell Lung Cancer

The evolution of technological and therapeutic applications of siRNA since the description of the interference process in 2006 has been extremely rapid and very productive. Currently, at least ten tumor entities and ten viral infections in which siRNA-based therapy might play an auspicious role have been described. Because of the very poor prognosis of NSCLC, we examined and proposed a new therapeutic alternative for the treatment of gemcitabine-resistant lung cancer via siRNA-specific silencing of six important molecules involved in lung carcinogenesis.Methods: One hundred thousand gemcitabine-chemoresistant A549 cell lines were cultured in a humidified atmosphere containing 5 % CO2 at 37°C and were transfected with specific siRNA targeting HIF1, HIF2, STAT3, SRF, E2F1 and Survivin. The relative expression of these molecules was examined via qRT-PCR and the viability of the chemoresistant cells after siRNA transfection was analyzed using a CASY system 72 hours after specific transfection.Results: The relative expression of the examined target molecules was suppressed by up to 73 % after specific transfection, and the CASY system demonstrated a concentration-dependent reduction in the viability of chemoresistant A549 cells of up to 61 %. Therefore the obtained results were significantly better in comparison to the control group.Conclusions: siRNA complexes may induce accurate suppression of various target molecules involved in lung tumor growth, in particular in gemcitabine- chemoresistant adenocarcinoma. Therefore, siRNA-based nanotechnology might represent a productive platform for the development of new chemotherapeutic agents for advanced stages of lung cancer in the context of a personalized multimodality regimen

Resurgence of an international hepatitis A outbreak linked to imported frozen strawberries, Germany, 2018 to 2020

Following outbreaks linked to frozen strawberries in Sweden and Austria in 2018, 65 cases linked to the same hepatitis A virus strain were detected in Germany between October 2018 and January 2020, presenting in two waves. Two case-control studies and a comparison of cases' consumption frequencies with purchase data from a large consumer panel provided strong evidence for frozen strawberry cake as the main vehicle of transmission. Of 46 cases interviewed, 27 reported consuming frozen strawberry cake and 25 of these identified cake(s) from brand A spontaneously or in product picture-assisted recall. Trace back investigations revealed that the Polish producer involved in the previous outbreaks in Sweden and Austria had received frozen strawberries from Egypt via a wholesaler that also delivered frozen strawberries to manufacturer of brand A. Phylogenetic analyses linked the outbreak strain to similar strains formerly isolated from sewage, stool and strawberries in Egypt. Complete trace back and timely recall of products with strong evidence of contamination is important to control an outbreak and prevent later resurgence, particularly for food items with a long shelf life. Continued molecular surveillance of hepatitis A is needed to identify outbreaks and monitor the success of food safety interventions

Heart rhythm in vitro: measuring stem cell-derived pacemaker cells on microelectrode arrays

BackgroundCardiac arrhythmias have markedly increased in recent decades, highlighting the urgent need for appropriate test systems to evaluate the efficacy and safety of new pharmaceuticals and the potential side effects of established drugs.MethodsThe Microelectrode Array (MEA) system may be a suitable option, as it provides both real-time and non-invasive monitoring of cellular networks of spontaneously active cells. However, there is currently no commercially available cell source to apply this technology in the context of the cardiac conduction system (CCS). In response to this problem, our group has previously developed a protocol for the generation of pure functional cardiac pacemaker cells from mouse embryonic stem cells (ESCs). In addition, we compared the hanging drop method, which was previously utilized, with spherical plate-derived embryoid bodies (EBs) and the pacemaker cells that are differentiated from these.ResultsWe described the application of these pacemaker cells on the MEA platform, which required a number of crucial optimization steps in terms of coating, dissociation, and cell density. As a result, we were able to generate a monolayer of pure pacemaker cells on an MEA surface that is viable and electromechanically active for weeks. Furthermore, we introduced spherical plates as a convenient and scalable method to be applied for the production of induced sinoatrial bodies.ConclusionWe provide a tool to transfer modeling and analysis of cardiac rhythm diseases to the cell culture dish. Our system allows answering CCS-related queries within a cellular network, both under baseline conditions and post-drug exposure in a reliable and affordable manner. Ultimately, our approach may provide valuable guidance not only for cardiac pacemaker cells but also for the generation of an MEA test platform using other sensitive non-proliferating cell types

Single HA2 Mutation Increases the Infectivity and Immunogenicity of a Live Attenuated H5N1 Intranasal Influenza Vaccine Candidate Lacking NS1

Our finding suggests that an efficient intranasal vaccination with a live attenuated H5N1 virus may require a certain level of pH and temperature stability of HA in order to achieve an optimal virus uptake by the nasal epithelial cells and induce a sufficient immune response. The pH of the activation of the H5 HA protein may play a substantial role in the infectivity of HPAIVs for mammals

GPR4 in the pH ‐dependent migration of melanoma cells in the tumor microenvironment

Due to its high metastatic potential, malignant melanoma is one of the deadliest skin cancers. In melanoma as well as in other cancers, acidification of the tumor microenvironment (=TME, inverse pH-gradient) is a well-known driver of tumor progression and metastasis. Membrane-bound receptors, such as the proton-sensitive GPCR (pH-GPCR) GPR4, are considered as potential initiators of the signalling cascades relevant to malignant transformation. In this study, we investigated the pH-dependent migration of GPR4 wildtype/overexpressing SK-Mel-28 cells using an impedance-based electrical wounding and migration assay and classical Boyden chamber experiments. Migration of GPR4 overexpressing SK-Mel-28 cells was enhanced in a range of pH 6.5–7.5 as compared to controls in the impedance-based electrical wounding and migration assay. In Boyden chamber experiments, GPR4 overexpression only increased migration at pH 7.5 in a Matrigel-free setup, but not at pH 6.5. Results indicate that GPR4 is involved in the migration of melanoma cells, especially in the tumor periphery, and that this process is affected by pH in the TME

The Initiation Factor TFE and the Elongation Factor Spt4/5 Compete for the RNAP Clamp during Transcription Initiation and Elongation

TFIIE and the archaeal homolog TFE enhance DNA strand separation of eukaryotic RNAPII and the archaeal RNAP during transcription initiation by an unknown mechanism. We have developed a fluorescently labeled recombinant M. jannaschii RNAP system to probe the archaeal transcription initiation complex, consisting of promoter DNA, TBP, TFB, TFE, and RNAP. We have localized the position of the TFE winged helix (WH) and Zinc ribbon (ZR) domains on the RNAP using single-molecule FRET. The interaction sites of the TFE WH domain and the transcription elongation factor Spt4/5 overlap, and both factors compete for RNAP binding. Binding of Spt4/5 to RNAP represses promoter-directed transcription in the absence of TFE, which alleviates this effect by displacing Spt4/5 from RNAP. During elongation, Spt4/5 can displace TFE from the RNAP elongation complex and stimulate processivity. Our results identify the RNAP “clamp” region as a regulatory hot spot for both transcription initiation and transcription elongation

Repurposing of the antibiotic nitroxoline for the treatment of mpox

The antiviral drugs tecovirimat, brincidofovir, and cidofovir are considered for mpox (monkeypox) treatment despite a lack of clinical evidence. Moreover, their use is affected by toxic side‐effects (brincidofovir, cidofovir), limited availability (tecovirimat), and potentially by resistance formation. Hence, additional, readily available drugs are needed. Here, therapeutic concentrations of nitroxoline, a hydroxyquinoline antibiotic with a favourable safety profile in humans, inhibited the replication of 12 mpox virus isolates from the current outbreak in primary cultures of human keratinocytes and fibroblasts and a skin explant model by interference with host cell signalling. Tecovirimat, but not nitroxoline, treatment resulted in rapid resistance development. Nitroxoline remained effective against the tecovirimat‐resistant strain and increased the anti‐mpox virus activity of tecovirimat and brincidofovir. Moreover, nitroxoline inhibited bacterial and viral pathogens that are often co‐transmitted with mpox. In conclusion, nitroxoline is a repurposing candidate for the treatment of mpox due to both antiviral and antimicrobial activity

In-situ estimation of ice crystal properties at the South Pole using LED calibration data from the IceCube Neutrino Observatory

The IceCube Neutrino Observatory instruments about 1 km3 of deep, glacial ice at the geographic South Pole using 5160 photomultipliers to detect Cherenkov light emitted by charged relativistic particles. A unexpected light propagation effect observed by the experiment is an anisotropic attenuation, which is aligned with the local flow direction of the ice. Birefringent light propagation has been examined as a possible explanation for this effect. The predictions of a first-principles birefringence model developed for this purpose, in particular curved light trajectories resulting from asymmetric diffusion, provide a qualitatively good match to the main features of the data. This in turn allows us to deduce ice crystal properties. Since the wavelength of the detected light is short compared to the crystal size, these crystal properties do not only include the crystal orientation fabric, but also the average crystal size and shape, as a function of depth. By adding small empirical corrections to this first-principles model, a quantitatively accurate description of the optical properties of the IceCube glacial ice is obtained. In this paper, we present the experimental signature of ice optical anisotropy observed in IceCube LED calibration data, the theory and parametrization of the birefringence effect, the fitting procedures of these parameterizations to experimental data as well as the inferred crystal properties.</p