Data-driven techno-economic evaluation of energy-flexible hydrogen technologies

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Förster, Robert:
Data-driven techno-economic evaluation of energy-flexible hydrogen technologies.
Bayreuth , 2026 . - VI, 57 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Rechts- und Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät)

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Abstract

The accelerating momentum and magnitude of negative environmental disruptions emphasize the necessity to significantly reduce greenhouse gas emissions and limit the adverse consequences of climate change. Renewable hydrogen is considered a pivotal component for holistic greenhouse gas emission mitigation. Despite manifold strategies, such as REPowerEU and the German National Hydrogen Strategy, establishing a sustainable hydrogen economy poses considerable techno-economic challenges for involved energy policymakers, investors, and operators who must reach informed decisions in highly complex and multifaceted contexts. Given the need for energy-flexible operation to sufficiently utilize fluctuating renewable electricity, increasingly complex and hybrid technology stacks, and regulatory uncertainties, significant techno-economic hurdles for hydrogen production are not adequately addressed. Embedded in the Business and Information Systems Engineering discipline, this thesis focuses on techno-economic evaluation methodologies, as well as an energy policy perspective, to leverage information systems in the exploration of alternative regulatory frameworks that facilitate a sustainable hydrogen economy. The dissertation comprises five research papers that collectively develop methodological instruments and data-driven assessments to support decision-making among energy policymakers, investors in energy-flexible hydrogen technology, and system operators. First, it assesses the economic and ecological value of energy-flexible operation under volatile electricity prices. Second, it presents a techno-economic methodological framework for synergetic electricity procurement utilizing power purchase agreements with battery energy storage systems to reduce the levelized cost of hydrogen. Further, it introduces an optimization approach for the design and operation of multi-energy microgrids that simultaneously provide fast charging and on-site hydrogen production and refueling services for mobility applications. Finally, it explores alternative regulatory pathways for the Renewable Energy Directive by examining configurations for geographical correlation between renewable electricity generation and electrolysis, as well as wholesale market-integrated electricity procurement strategies. The major objective of this thesis is to advance both theoretical and practical knowledge towards energy-flexible operated hydrogen technologies embedded in not yet fully defossilized energy systems. Thus, this thesis provides a conceptual framework to conduct techno-economic evaluations of design and operational strategies for energy-flexible hydrogen infrastructures, supporting real-world decision-making for investments and deployment under evolving regulatory frameworks. By addressing these challenges, this research contributes to a sustainable hydrogen economy ramp-up and to mitigating greenhouse gas emissions, thereby aligning with international, European, and German policies.

Abstract in weiterer Sprache

Die zunehmende Dynamik und das Ausmaß negativer Umweltauswirkungen unterstreichen die Notwendigkeit, Treibhausgasemissionen signifikant zu reduzieren und die nachteiligen Folgen des Klimawandels zu begrenzen. Erneuerbarer Wasserstoff gilt als zentrale Komponente für eine ganzheitliche Minderung der Treibhausgasemissionen. Trotz vielfältiger Strategien wie REPowerEU und der Nationalen Wasserstoffstrategie stellt der Aufbau einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft die involvierten energiepolitischen Akteure, Investoren und Anlagenbetreiber vor erhebliche techno-ökonomische Herausforderungen, da diese fundierte Entscheidungen in hochkomplexen und vielschichtigen Kontexten treffen müssen. Angesichts der Notwendigkeit eines energieflexiblen Betriebs zur hinreichenden Nutzung fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung, zunehmend komplexer und hybrider Technologie-Stacks sowie regulatorischer Unsicherheiten sind wesentliche techno-ökonomische Hürden der Wasserstoffproduktion bislang nicht adäquat adressiert. Eingebettet in die Disziplin der Wirtschaftsinformatik fokussiert sich diese Dissertation auf techno-ökonomische Bewertungsmethoden sowie auf eine energiepolitische Perspektive mit dem Ziel, Informationssysteme bei der Untersuchung alternativer regulatorischer Rahmenbedingungen zu nutzen, um eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zu fördern. Die Dissertation umfasst fünf Forschungspapiere, die in ihrer Gesamtheit methodische Instrumente und datengetriebene Bewertungen entwickeln, um die Entscheidungsfindung von energiepolitischen Akteuren, Investoren in energieflexible Wasserstofftechnologien und Anlagenbetreibern zu unterstützen. Erstens wird der ökonomische und ökologische Wert eines energieflexiblen Betriebs unter volatilen Strompreisen bewertet. Zweitens wird ein techno-ökonomischer methodischer Rahmen für eine synergetische Strombeschaffung unter Nutzung von Power Purchase Agreements in Kombination mit Batteriespeichersystemen vorgestellt, um die Wasserstoffgestehungskosten zu senken. Darüber hinaus wird ein Optimierungsansatz für die Auslegung und den Betrieb von Multi-Energie-Microgrids präsentiert, die sowohl Schnelllademöglichkeiten sowie Vor-Ort-Wasserstoffproduktion und -betankung für Mobilitätsanwendungen bereitstellen. Schließlich werden alternative regulatorische Pfade für die Erneuerbare-Energien-Richtlinie (Renewable Energy Directive, kurz RED) untersucht, indem verschiedene Konfigurationen für die geografische Korrelation zwischen erneuerbarer Stromerzeugung und Elektrolyse sowie in den Großhandelsmarkt integrierte Strombeschaffungsstrategien analysiert werden. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, das theoretische und praktische Wissen über energieflexibel betriebene Wasserstofftechnologien, die in noch nicht vollständig defossilierte Energiesysteme eingebettet sind, zu erweitern. Somit liefert diese Arbeit einen konzeptionellen Rahmen zur Durchführung techno-ökonomischer Bewertungen von Auslegungs- und Betriebsstrategien für energieflexible Wasserstoffinfrastrukturen und unterstützt damit die reale Entscheidungsfindung hinsichtlich Investitionen und Implementierung unter sich wandelnden regulatorischen Rahmenbedingungen. Durch die Adressierung dieser Herausforderungen leistet die vorliegende Forschung einen Beitrag zum Hochlauf einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft und zur Minderung von Treibhausgasemissionen und steht somit im Einklang mit internationalen, europäischen und deutschen strategischen energiepolitischen Zielen.