MCDA for sustainability assessment – insights to Helmholtz Association activities

The "MCDA for sustainability assessment – insights to Helmholtz Association activities" Working Paper aims to compile and reflect previous and on-going work within the Helmholtz Association related to MCDA, in particular, to present use cases and key methodological aspects. It has a focus on but is not limited to energy technologies and systems and is mainly based on the presentations held at the online workshop “Multi criteria decision analysis for sustainability assessment of energy technologies and systems”. The workshop was organized within the activities of the Helmholtz program ESD Topic 1 "Energy System Transformation" and took place on November 22nd, 2021

Forschungsinitiative Energiewende im Verkehr, Kurzbericht zur „Roadmap für strombasierte Kraftstoffe“ 03EIV116A-G

Synthetische Kraftstoffe können die Defossilisierung des Verkehrssektors mit vorantreiben. Besonders bei hohen Transportvolumina oder für große Entfernungen sind diese Kraftstoffe eine vielversprechende Option, etwa in der Luft- und Schifffahrt oder zu Teilen im Schwerlastverkehr. Auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien hergestellte Kraftstoffe sollen in Zukunft entscheidend dazu beitragen, die CO2-Bilanz zu verbessern und Klimaneutralität im Verkehrssektor zu erreichen. Die Forschung dockt damit an die Schnittstelle zwischen Energie- und Verkehrssektor an. Im Rahmen der BMWK-Forschungsinitiative Energiewende im Verkehr (EiV) haben von 2018 bis 2023 insgesamt 16 industriegeführte F&E-Projekte die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe für den Luft-, See- und Straßenverkehr deutlich vorangebracht. In den Projekten wurde eine Vielzahl verschiedener Kraftstoffe, Herstellverfahren und Anwendungen betrachtet. Dabei war es die Aufgabe der „Begleitforschung Energiewende im Verkehr“ (BEniVer), als einer der 16 EiV-Projektverbünde, die Projektergebnisse der technischen Forschungsvorhaben der Förderinitiative auf Basis eigenständiger wissenschaftlicher Analysen vergleichbar zu machen. Dazu wurden einheitliche Rahmenannahmen und Methodikleitfäden entwickelt. Die Ergebnisse der Forschungsprojekte wurden in einer Gesamtbetrachtung zusammengeführt und dienten als Grundlage für technische, ökonomische und ökologische Bewertungen. Dabei beruhten die technologie-orientierten Bottom-Up-Analysen auf den neuesten Forschungsarbeiten. Diese wurden mit systemorientierten Top-Down-Analysen des Energie- und Verkehrssystems sowie möglichen Transformationspfaden auf dem Weg zur Klimaneutralität kombiniert. Weitere Analysen zur Akzeptanz und zur Markteinführung adressieren zudem gesellschaftliche Dimensionen und Auswirkungen der Einführung von strombasierten Kraftstoffen. Auf Basis der ganzheitlichen Analysen wurden Schlussfolgerungen abgeleitet. Als Ergebnis der langjährigen und fachübergreifende Begleitung der EiV-Forschungsvorhaben ist mit der Roadmap für strombasierte Kraftstoffe ein Leitfaden entstanden mit Handlungsoptionen für die Erforschung, Entwicklung, Produktion und Markteinführung dieser Kraftstoffe

Roadmap für strombasierte Kraftstoffe 03EIV116A-G

Synthetische Kraftstoffe können die Defossilisierung des Verkehrssektors mit vorantreiben. Besonders bei hohen Transportvolumina oder für große Entfernungen sind diese Kraftstoffe eine vielversprechende Option, etwa in der Luft- und Schifffahrt oder zu Teilen im Schwerlastverkehr. Auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien hergestellte Kraftstoffe sollen in Zukunft entscheidend dazu beitragen, die CO2-Bilanz zu verbessern und Klimaneutralität im Verkehrssektor zu erreichen. Die Forschung dockt damit an die Schnittstelle zwischen Energie- und Verkehrssektor an. Im Rahmen der BMWK-Forschungsinitiative Energiewende im Verkehr (EiV) haben von 2018 bis 2023 insgesamt 16 industriegeführte F&E-Projekte die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe für den Luft-, See- und Straßenverkehr deutlich vorangebracht. In den Projekten wurde eine Vielzahl verschiedener Kraftstoffe, Herstellverfahren und Anwendungen betrachtet. Dabei war es die Aufgabe der „Begleitforschung Energiewende im Verkehr“ (BEniVer), als einer der 16 EiV-Projektverbünde, die Projektergebnisse der technischen Forschungsvorhaben der Förderinitiative auf Basis eigenständiger wissenschaftlicher Analysen vergleichbar zu machen. Dazu wurden einheitliche Rahmenannahmen und Methodikleitfäden entwickelt. Die Ergebnisse der Forschungsprojekte wurden in einer Gesamtbetrachtung zusammengeführt und dienten als Grundlage für technische, ökonomische und ökologische Bewertungen. Dabei beruhten die technologie-orientierten Bottom-Up-Analysen auf den neuesten Forschungsarbeiten. Diese wurden mit systemorientierten Top-Down-Analysen des Energie- und Verkehrssystems sowie möglichen Transformationspfaden auf dem Weg zur Klimaneutralität kombiniert. Weitere Analysen zur Akzeptanz und zur Markteinführung adressieren zudem gesellschaftliche Dimensionen und Auswirkungen der Einführung von strombasierten Kraftstoffen. Auf Basis der ganzheitlichen Analysen wurden Schlussfolgerungen abgeleitet. Als Ergebnis der langjährigen und fachübergreifende Begleitung der EiV-Forschungsvorhaben ist mit der Roadmap für strombasierte Kraftstoffe ein Leitfaden entstanden mit Handlungsoptionen für die Erforschung, Entwicklung, Produktion und Markteinführung dieser Kraftstoffe

Wasser für die Wasserstoffwirtschaft in der Nordwestregion Deutschlands: Herausforderungen und Potentiale

Norddeutschland plant im Zuge der Norddeutschen Wasserstoffstrategie bis 2030 eine Elektrolyseleistung von 5 GW zur Herstellung von grünem Wasserstoff zu installieren. Insbesondere die Nordwestregion bietet hierfür gute Bedingungen (u.a. hohes EE-Potenzial, Küstennähe), allerdings erhöht die Produktion grünen Wasserstoffs auch den Wasserbedarf entsprechend. Obwohl sich der Wasserbedarf in der Nordwestregion durch die Elektrolyse in 2030 voraussichtlich im niedrigen einstelligen Prozentbereich erhöhen wird, kann dies aufgrund regional und saisonal unterschiedlicher Wasserressourcen sowie einer zusätzlichen klimawandelbedingten Verringerung des Wasserdargebots zu Versorgungsengpässen führen. Es existieren verschiedene Optionen zur geeigneten Wasserbereitstellung für Elektrolyseure, die mittelfristig hinsichtlich der Aspekte Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, synergetische Nutzung, gesellschaftliche Akzeptanz und regulatorischem Rahmen zu bewerten sind

Prospective Life Cycle Assessment of Future Propulsion Systems for Aviation: A Fuel-cell Based Auxiliary Unit for a Commercial Aircraft

According to the Air Transport Action, in 2020 the aviation sector represented around 3,5 % of all anthropogenic climate impact. However, this figure is expected to grow in the future due to the increasing demand for commercial flights. Therefore, there is a need to reduce the environmental impacts of aviation in the long term and to start evaluating the environmental performance of novel lower-emission propulsion technologies. In this context, the project EXACT of the German Aerospace Center (DLR) investigates different aircraft concepts to achieve sustainable a commercial flight by 2040. One of the conceptual aircrafts considers gas turbines combusting hydrogen for propulsion, supported by fuel cells generating electric energy for auxiliary onboard power. Although this system has already been successfully demonstrated for small electric loads in commercial aircraft, there are still some challenges that need to be addressed until the technology reaches maturity and becomes competitive. For instance, the fuel cell system should have a low system mass but also be able to achieve a high efficiency. To investigate the potential environmental impacts of such emerging technologies in the future, different prospective methods are employed within the context of a life cycle assessment. Based on this specific aircraft concept, we conducted a prospective life cycle assessment for the production phase of the fuel cell-based auxiliary power unit. As the commercial aircraft is expected to enter the market in 2040, uncertainty arises and should be considered in the analysis. Thus, our contribution demonstrates the application of prospective methods and uncertainty analysis in this specific use case, by: • Describing the methodology used to conduct a prospective life cycle assessment of the production phase of a PEM fuel cell-based auxiliary power unit for a hydrogen-powered commercial aircraft • Identifying environmental hotspots in terms of climate change, resource availability, water scarcity, ecotoxicity, etc. within the production phase of the system • Depicting the approaches used to characterize the uncertainty present in the life cycle inventory data • Including parameter uncertainty of the foreground and background system in the analysis and interpretation of the result

Sustainable aviation fuel from forestry residue and hydrogen. A techno-economic and environmental analysis for an immediate deployment of the PBtL process in Europe

Sustainable aviation fuels offer the opportunity to reduce the climate impact of air transport while avoiding a complete overhaul of the existing fleet. For Europe, the domestic production of sustainable aviation fuel would even lead to a reduced dependency on energy imports. Biomass-based fuel production in Europe is limited by the availability of sustainable biomass. This limitation can be alleviated by the Power and Biomass to Liquid (PBtL) process, which attains near full biogenic carbon conversion to Fischer–Tropsch fuel by the addition of electrolytic hydrogen. This study evaluates the economic feasibility and environmental impact of the sustainable aviation fuel production from European forest residue based on a region-specific analysis. As of 2020, only a few sweet spots, such as Norway or Sweden, could serve as production sites for sustainable PBtL fuel when the electrical energy for the electrolysis is supplied by the national grid. The grid mix for many other countries is too carbon intensive to justify producing PBtL fuel there. Yet, with the direct usage of renewable electricity sources, a fuel output of 25 Mt a−1 can be reached assuming 33% of all forest residue can be used for fuel production. Under these conditions, the EU goal of providing 32% of the total aviation fuel demand with sustainable aviation fuel in 2040 could be met

Environmental and economic analysis of sector-coupling battery energy storage systems used for frequency containment reserve

Battery energy storage systems (BESSs) are advocated as crucial elements for ensuring grid stability in times of increasing infeed of intermittent renewable energy sources (RES) and are therefore paving the way for more sustainable energy systems. Providing frequency containment reserve (FCR) is an attractive business model for capital intensive stationary BESSs, but the current German FCR regulative framework restricts the BESS usage for other applications as capacity shares have to be reserved (FCR energy capacity requirement). Hence, stationary BESSs operating at the FCR market are not fully utilised from an economic and environmental perspective. Linking BESSs with other sectors as potential sinks such as power-to-heat modules or electrolysers, enables unlimited energy infeed and is discussed as potential means to diminish this constraint. Whilst, a couple of studies investigated the economic advantages of such sector-coupling BESSs, their environmental consequences were hardly analysed so far. Based on the life cycle thinking approach, the environmental and economic impacts of FCR provision in Germany by standalone and sector-coupling BESSs (i.e. with power-to-heat unit or electrolyser) were studied in this work. The sector-coupling BESSs were considered regarding different FCR energy capacity requirements (E/P ratios). It was shown that the CAPEX for the sector-coupling unit were primarily critical for the economic performance of BESSs favouring power-to-heat over electrolysers and standalone BESSs. The results of the environmental life cycle assessment indicated to potential benefits due to the reduced battery capacities depending on the varied FCR energy capacity requirement. The environmental implications of the operational stage showed that electrolysers can increase the environmental impacts by up to 10 % due to higher conversion losses compared to power-to-heat units. Finally, it was concluded that future energy system and market designs should foster the implementation of sustainable sector-coupling solutions considering technology-specific economic and environmental characteristics