Sektorenkopplung zwischen Industrie und Energiesystem ist ein wichtiger Hebel auf dem Weg zur Klimaneutralität und wird in wissenschaftlichen Studien bereits betrachtet. In diesen Studien wird jedoch entweder die Entwicklung der Industrie oder die Entwicklung des Energiesystems exogen vorgegeben und ist unveränderlich. Dadurch werden potenzielle Wechselwirkungen zwischen den beiden Sektoren nicht betrachtet. An dieser Lücke setzt das Promotionsprojekt an, indem ein gemeinsames techno- ökonomisches Optimierungsmodell des Industriesektors und des Energiesystems auf deutscher Ebene entwickelt wird, in dem Transformationen in beiden Sektoren variabel sind. Als Referenzfall dient eine ungekoppelte Version des Modells. Durch einen Vergleich zwischen gekoppelter und ungekoppelter Optimierung werden die Wechselwirkungen zwischen den Transformationen der Sektoren quantifiziert. Hierbei stehen Unterschiede in der Technologiewahl, in der Standortwahl und in den Zeitpunkten und der Reihenfolge der Transformationen im Mittelpunkt.
Für das integrierte Optimierungsmodell wird das Open-Source-Energiesystemmodell PyPSA-Eur mit einem Industriesystemmodell erweitert. Das Industriesystemmodell umfasst Prozessrouten und Technologieoptionen für die energieintensiven Branchen Chemie, Stahl, Zement und Papier. Die Wahl der Prozessroute und des Standorts sind in jedem Schritt des Transformationspfades variabel. In der gekoppelten Optimierung wird die Entwicklung des Energiesystems und der Industrie so kombiniert, dass sich im Gesamtsystem minimale Kosten ergeben und gleichzeitig alle Bedingungen (z.B. CO2-Budget, Produktionsmengen, Energiebilanz) eingehalten werden. In der ungekoppelten Optimierung werden die Sektoren einzeln optimiert.
Der Beitrag der Doktorarbeit für die Wissenschaft liegt in methodischen Weiterentwicklungen in der Energiesystemmodellierung, durch die eine integrierte Untersuchung der Transformationspfade des Energiesystems und des Industriesektors mit allen Wechselwirkungen möglich sind. Der Beitrag für den Klimaschutz ist ein schrittweiser Transformationspfad, der offenlegt, welche Maßnahmen zu welchem Zeitpunkt umgesetzt werden müssen, um Treibhausgasneutralität mit minimalen Kosten zu erreichen. Synergien und gegenseitige Abhängigkeiten in der Energiesystem- und Industrietransformation werden identifiziert, sowie die Bedingungen, unter denen Investitionen in bestimmte Klimaschutzmaßnahmen sinnvoll sind.