Economic Perspectives on the Decarbonization of Hard-to-Abate Sectors

Die Klimakrise bedroht zunehmend Ökosysteme und Lebensgrundlagen weltweit. Um der globalen Erwärmung entgegenzuwirken, ist die Substitution fossiler Brennstoffe unvermeidlich. Erneuerbare Energien sind zwar essentiell für die Energiewende, ihr Dekarbonisierungspotential ist jedoch in bestimmten Sektoren wie der Stahlproduktion oder der Luftfahrt begrenzt. Für diese sogenannten „schwer reduzierbaren“ Sektoren, die rund 40 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verursachen, bietet grüner Wasserstoff eine vielversprechende Alternative. Neben dem Dekarbonisierungspotential hat grüner Wasserstoff auch zahlreiche wirtschaftliche Implikationen. Die vorhandene Literatur hat sich hauptsächlich auf techno-ökonomische Aspekte von grünem Wasserstoff konzentriert, um die höheren Kosten im Vergleich zu fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Mit den zu erwartenden Lernkurven und Skaleneffekten dürften sich die Kosten in den kommenden Jahren verringern, was die Nutzung von grünem Wasserstoff attraktiver macht. Dies wirft Fragen zu den weiterreichenden wirtschaftlichen Auswirkungen von grünem Wasserstoff auf, wie z. B. sektorübergreifende Verflechtungen, Beschäftigungspotentiale und Auswirkungen auf der Nachfrageseite. Diese Aspekte sind nicht nur für politische Entscheidungsträger von Bedeutung, sondern auch für die Förderung der öffentlichen Akzeptanz von grünem Wasserstoff. Obwohl die Relevanz der makroökonomischen Effekte in vielen Studien erwähnt wird, sind diese noch wenig erforscht. Vor diesem Hintergrund nimmt diese Arbeit eine makroökonomische Perspektive auf grünen Wasserstoff und seine Wertschöpfungsketten ein. In der Literatur wurden bereits zahlreiche andere Dekarbonisierungsoptionen wie Erneuerbare Energien oder Biokraftstoffe untersucht, während es wenig Evidenz zu den gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen von grünem Wasserstoff gibt. Darüber hinaus verwenden die wenigen vorhandenen Studien meist Datensätze mit nur begrenzten sozioökonomischen Details. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, die Analyse um die Verwendung umfassender makroökonomischer Daten zu erweitern, welche die sozioökonomische Dimension angemessen abbilden. Darüber hinaus berücksichtigt die Dissertation die räumliche Dimension der Lieferketten für grünen Wasserstoff und untersucht die wirtschaftlichen Auswirkungen auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene. Insgesamt werden vier übergeordnete Ziele verfolgt: (1) Entwicklung und Anwendung von Ansätzen, welche die Integration von grünen Wasserstoff-Lieferketten in makroökonomische Datensätze mit sozioökonomischen Details ermöglichen. (2) Quantifizierung der wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der grünen Wasserstoffinfrastruktur auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene. (3) Analyse des Einflusses wirtschaftlicher Bedingungen auf das Ausmaß und die Verteilung der Auswirkungen durch die Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff. (4) Untersuchung der Rolle von Regulatorik, Preisinstrumenten und Partnerschaften bei der Förderung der grünen Wasserstoffwirtschaft. Die übergeordneten Ziele werden durch konkrete Fragestellungen in einer Reihe von Forschungsarbeiten behandelt, die als einzelne Kapitel in dieser Dissertation enthalten sind. Ein Schwerpunkt liegt auf grünen Wasserstoff-Lieferketten und Anwendungstechnologien für die Luftfahrt, die bedeutend für wirtschaftlichen und kulturellen Austausch ist. Gleichzeitig ist die Luftfahrt für 2-3 % der globalen Kohlenstoffemissionen verantwortlich und aufgrund der spezifischen technischen Anforderungen einer der am schwierigsten zu dekarbonisierenden Sektoren. Kapitel 1 liefert die Motivation für das Thema und stellt den konzeptionellen Rahmen, die übergeordneten Ziele der Dissertation und die verwendeten Methoden vor. Darüber hinaus enthält Kapitel 1 eine kurze Zusammenfassung jedes Kapitels, einschließlich der jeweiligen Forschungsziele, der wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen. Abschließend wird ein Überblick über die in der Dissertation enthaltenen Forschungsarbeiten mit dem jeweiligen Beitrag des Autors und zusätzlichen Veröffentlichungen gegeben. Kapitel 2 und 3 konzentrieren sich auf regionale Analysen. Anhand der Fallstudie Niedersachsen befasst sich Kapitel 2 mit der Herausforderung der begrenzten Verfügbarkeit regionaler Wirtschaftsdaten. Die Studie greift zwei gängige, Ansätze zur Regionalisierung auf und vergleicht diese: die Cross Hauling Adjusted Regionalization Method und den Location Quotient Ansatz. Es werden zwei regionale Input-Output-Tabellen erstellt und anschließend mit etablierten Analyseinstrumenten untersucht. Die Ergebnisse variieren aufgrund von methodischen Unterschieden: die Cross Hauling Adjusted Regionalization Method konzentriert sich auf die Bereitstellung von importierten Produkten und berücksichtigt konsuminduzierte Effekte, während der Location Quotient Ansatz detailliertere Informationen über regionale Produktionsstrukturen liefert. Die Unterschiede sind in Sektoren mit einem hohen Importanteil generell ausgeprägter. Darüber hinaus liefert die Studie Einblicke in die niedersächsische Wirtschaft: Verkehr, Finanzdienstleistungen und Energieversorgung werden in beiden Ansätzen als Schlüsselbranchen identifiziert. Außerdem werden die Bedeutung der Lebensmittelproduktion und des Kraftfahrzeugbaus hervorgehoben, deren hypothetischer Wegfall die Gesamtproduktion in Niedersachsen erheblich reduzieren würde. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Ansätze komplementäre Perspektiven bieten. Die Verfügbarkeit regionaler Wirtschaftsdaten sollte verbessert werden, um regionale Schlüsselbranchen zu identifizieren und effektiv zu stärken. Kapitel 3 baut auf den in Kapitel 2 entwickelten regionalen Daten auf und untersucht die wirtschaftlichen Auswirkungen der Windenergie in Niedersachsen. Der Datensatz wird durch techno-ökonomische und branchenspezifische Daten ergänzt, gefolgt von einem Rebalancing-Ansatz zur Integration der Windkraftindustrie. Die Analyse quantifiziert den wirtschaftlichen Fußabdruck sowohl der Onshore- als auch der Offshore-Windenergie in Niedersachsen. Während die Onshore-Windenergie größere Gesamteffekte pro Euro Output erzielt, hat die Offshore-Windenergie größere Auswirkungen pro erzeugter Stromeinheit. Indirekte und induzierte Effekte tragen bis zu mehr als der Hälfte der Gesamtwirkungen bei. Die Szenarioanalyse zeigt, dass die wirtschaftlichen Vorteile des Ausbaus der Windenergie massiv von der regionalen Komponentenfertigung abhängen. Die Substitution fossiler Elektrizität durch Windenergie erzeugt eine positive Bruttowertschöpfung und Umweltvorteile, führt jedoch zu einem Netto-Beschäftigungsrückgang. Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, detaillierte regionalisierte Daten mit branchenspezifischen Daten zu kombinieren. Die Studie verdeutlich außerdem, dass Windenergie als Motor für die regionale Wirtschaftsentwicklung wirken kann, die Politik sollte jedoch die Integration regionaler Wertschöpfungsketten sicherstellen und den Strukturwandel auf dem Arbeitsmarkt steuern. Die Kapitel 4, 5 und 6 erweitern die Perspektive auf die nationale Ebene. Am Beispiel der wasserstoffbetriebenen Luftfahrt in Deutschland kombiniert Kapitel 4 die techno-ökonomische und makroökonomische Perspektive und entwickelt einen Ansatz zur Integration neuartiger Kraftstoffversorgungsketten in makroökonomische Datensätze. Die Studie erstellt eine Sozialrechnungsmatrix für Deutschland und analysiert die Rolle der Luftfahrt innerhalb der Gesamtwirtschaft. Anschließend werden drei mögliche Lieferketten für die Versorgung mit flüssigem Wasserstoff untersucht und in den makroökonomischen Datensatz integriert. Mehrere makroökonomische Sektoren profitieren von Flüssigwasserstoff-Lieferketten, beispielsweise der Fahrzeug- und Maschinenbau. Die Ergebnisse zeigen, dass der Import von gasförmigem Wasserstoff mit anschließender inländischer Verflüssigung zwar die kostengünstigste Versorgungsroute ist, eine vollständig inländische Lieferkette jedoch den größten Einfluss auf die heimische Wirtschaft hat. Darüber hinaus wird in einer literaturbasierten Diskussion das hohe Beschäftigungspotential einer grünen Wasserstoffwirtschaft hervorgehoben. Die Studie liefert Einblicke in die makroökonomischen Verflechtungen von wasserstoffbasierter Luftfahrt und biete eine methodische Grundlage für weitere wirtschaftliche Analysen zu wasserstoffbasierten Lieferketten. Kapitel 5 konzentriert sich auf Power-to-Liquid-Kraftstoffe, welche zu den nachhaltigen Flugkraftstoffen zählen und eine weitere wasserstoffbasierte Anwendung für den Luftverkehrssektor darstellen. Auf der Grundlage einer Sozialrechnungsmatrix wendet die Studie Multiplikator-Modelle verschiedener Endogenitäten an, um die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der Infrastruktur zur Power-to-Liquid-Kraftstoffproduktion in Deutschland abzuschätzen. Dabei wird zwischen Errichtungs- und Betriebsphase unterschieden. Für die Errichtungsphase werden höhere Beschäftigungseffekte festgestellt, während der Betrieb stärkere Produktionseffekte erzielt. Die Ergebnisse zeigen zudem starke interindustrielle Verflechtungen der Power-to-Liquid-Kraftstoffinfrastruktur innerhalb der deutschen Wirtschaft. Die Einbeziehung von einkommens- und investitionsinduzierten Effekten zeigt weitere Impulse für andere Sektoren außerhalb der Lieferkette. In vorgelagerten Sektoren werden negative Umwelteinflüsse ermittelt, während die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die Art der erneuerbaren Energiequellen einen massiven Einfluss auf die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen hat. Die Politik sollte heimische Industriecluster stärken, um das wirtschaftliche Potenzial nachhaltiger Flugkraftstoffe zu erschließen. Gleichzeitig müssen die Bemühungen zur Dekarbonisierung auf alle Sektoren ausgeweitet und Rahmenbedingungen für erneuerbare Kraftstoffe nicht-biologischen Ursprungs gefördert werden. Kapitel 6 erweitert die Analyse von Power-to-Liquid-Kraftstoffen um die Auswirkungen auf der Nachfrageseite. Auf der Grundlage eines allgemeinen Gleichgewichtsmodells wird die Einführung von Beimischungsquoten, wie von der Europäischen Union vorgesehen, am Beispiel Deutschlands untersucht. Darüber hinaus werden verschiedene Preisinstrumente getestet und eine detaillierte Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Während niedrige Quoten zu einem moderaten Nachfragerückgang führen, zeigen die Ergebnisse für hohe Quoten eine erhebliche Reduktion der Nachfrage nach Luftfahrtleistungen. Außerdem wirken sich hohe Beimischungsquoten auf andere Branchen aus und führen zu leicht negativen makroökonomischen Effekten. Kraftstoffsubventionen und Importe aus Niedrigkostenregionen können den Rückgang der Luftverkehrsnachfrage abmildern, verstärken jedoch die makroökonomischen Verluste. Darüber hinaus werden Preiselastizitäten und Power-to-Liquid -Produktionskosten als wesentliche Einflussgrößen für das Ausmaß der Effekte identifiziert. Die Studie verdeutlicht, dass Beimischungsquoten wahrscheinlich makroökonomische Kosten verursachen, solange die Kraftstoffproduktionskosten nicht wettbewerbsfähig sind. Förderinstrumente sollten sorgfältig abgewogen und mögliche Kompromisse zwischen sektoralen Interessen und fiskalischen Belastungen berücksichtigt werden. Kapitel 7 verlagert die Analyse nachhaltiger Kraftstoffe in den internationalen Kontext und untersucht das Zusammenspiel klimapolitischer Maßnahmen im Luftverkehrssektor der Europäischen Union. Die Studie präsentiert ein partielles Gleichgewichtsmodell, das mehrere Kraftstoffoptionen und verschiedene Marktsegmente des innereuropäischen Flugverkehrs abdeckt. Basierend auf einem Mixed Complementarity Ansatz untersucht das Modell die Auswirkungen von Kohlenstoff-Bepreisung, Beimischungsquoten und einem Fördermechanismus für nachhaltige Kraftstoffe auf den Luftverkehr. Während das EU-Emissionshandelssystem allein keinen Einsatz nachhaltiger Kraftstoffe bewirkt, werden im Rahmen der Beimischungsverpflichtungen bis 2030 nur Biokraftstoffe verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass der auf Zertifikaten basierende Fördermechanismus die Einführung von Power-to-Liquid-Kraftstoffen fördern kann, die Anzahl der Zertifikate jedoch nicht ausreicht, um eine dauerhafte Nutzung bis zur Einführung von Unterquoten zu gewährleisten. Die Politik sollte daher eine Erhöhung der Zertifikate prüfen. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass techno-ökonomische Annahmen hauptsächlich die Substitution zwischen verschiedenen nachhaltigen Kraftstofftypen beeinflussen, während der Zertifikatspreis der Haupttreiber für Emissions- und nachfrageseitige Effekte ist. Die Studie liefert Erkenntnisse über die wirtschaftlichen Dynamiken regulatorischer und preisbasierter Maßnahmen für den europäischen Luftverkehr. Kapitel 8 untersucht bilaterale Partnerschaften für grünen Wasserstoff. Am Beispiel Marokkos und Deutschlands kombiniert die Studie eine techno-ökonomische und makroökonomische Analyse und betrachtet insbesondere die Rolle länderspezifischer und technologiespezifischer Investitionsrisiken. Basierend auf dem geschätzten Wasserstoffbedarf Deutschlands für 2035 und 2050 werden drei potenzielle Lieferwege und verschiedene Kooperationsszenarien bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Berücksichtigung der länderspezifischen gewichteten durchschnittlichen Kapitalkosten die heimische Produktion kostengünstiger ist als der Import von Wasserstoff aus Marokko. Die makroökonomische Analyse zeigt, dass Deutschland über gute industrielle Bedingungen verfügt, um von der Komponentenfertigung zu profitieren, während Marokko erhebliche einkommensinduzierte Effekte in anderen Sektoren erzielen kann. Obwohl beide Länder technisch in der Lage wären, den Wasserstoffbedarf Deutschlands zu decken, reduzieren Szenarien mit gemischter Versorgung den Flächenbedarf und generieren gleichzeitig wirtschaftliche Vorteile in beiden Ländern. Die Effekte, die Deutschland durch den Export von Komponenten nach Marokko erzielt, sind jedoch vergleichsweise gering. Die Studie unterstreicht die Notwendigkeit, Partnerschaften für grünen Wasserstoff nicht nur aus techno-ökonomischer Perspektive zu betrachten, sondern auch Investitionsrisiken, makroökonomische Potentiale und Auswirkungen auf die Flächennutzung einzubeziehen. Die Politik sollte sich auf die Verringerung der Investitionsrisiken in Regionen mit hohem Potenzial konzentrieren und bei der Gestaltung der Industriepolitik die strukturellen Bedingungen des Landes berücksichtigen. Kapitel 9 untersucht die makroökonomischen Effekte internationaler Flüssigwasserstoff-Versorgungsnetze mit Schwerpunkt auf Europa, dem Nahen Osten und Nordafrika. Die Analyse umfasst die Erstellung von Sozialrechnungsmatrizen für fünf ausgewählte Länder und die Europäische Union. Zur Integration neuer Flüssigwasserstoff-Industrien in das Multiplikator-Modell wird ein mehrstufiges Verfahren unter Verwendung einer detaillierten Lieferkettenanalyse und einer Konstruktion synthetischer Sektoren angewendet. Die Ergebnisse identifizieren Wegbereiter-Branchen für Flüssigwasserstoff-Versorgungsnetzwerke und zeigen, dass Europa über günstige strukturelle Bedingungen für die Wertschöpfung verfügt. Der Ausbau der Kapazitäten für Erneuerbare Energien und Elektrolyse sind die wichtigsten wirtschaftlichen Treiber in einer Transitionsphase, die durch vorübergehende Beschäftigungsspitzen gekennzeichnet ist. Die Länder im Nahen Osten und Nordafrika können vor allem von unterstützenden Aktivitäten bei der Installation und dem Betrieb profitieren. Darüber hinaus werden verschiedene Szenarien untersucht, die verdeutlichen, dass Importabhängigkeiten und die Versorgung mit ausländischem Kapital die wirtschaftlichen Effekte beeinflussen. Die Studie zeigt, dass die strukturellen Bedingungen das wirtschaftliche Potential eines Landes in Flüssigwasserstoff-Versorgungsnetzen stark beeinflussen. Schlüsselindustrien für kritische Technologien sollten langfristig gesichert werden, um resiliente Versorgungsketten und technologische Unabhängigkeit zu gewährleisten. Außerdem sollte die Politik internationale Kooperationen auf Augenhöhe fördern. Kapitel 10 betrachtet das „Henne-Ei-Problem“ der grünen Wasserstoffwirtschaft aus einer globalen Perspektive und untersucht Finanzierungsmechanismen, Treiber und Barrieren. Dabei werden verschiedene Review-Ansätze und eine Methodik zur Strukturierung von Einflussfaktoren kombiniert. Die Ergebnisse zeigen, dass grüner Wasserstoff derzeit von öffentlicher Finanzierung und unterstützenden politischen Maßnahmen abhängig ist. Zwar entstehen zunehmend marktbasierte öffentliche Instrumente, doch fehlt es nach wie vor an privatem Kapital. Darüber hinaus finden sich in der Literatur eine Vielzahl von Treibern und Barrieren, wobei zwischen den Einflussfaktoren zahlreiche Wechselwirkungen bestehen. Zwar lassen sich einige Erkenntnisse aus der Literatur zu Erneuerbaren Energien übertragen, doch steht grüner Wasserstoff vor speziellen Herausforderungen, die gezielte politische Maßnahmen erfordern. Empfehlungen für die Politik umfassen die Festlegung internationaler Standards, die Förderung von Forschung und Entwicklung, die Ausweitung von Instrumenten auf der Nachfrageseite und die Stärkung des öffentlichen Bewusstseins und der Transparenz hinsichtlich ökologischer und wirtschaftlicher Potentiale von grünem Wasserstoff.