Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050?

Transkript

1 Studie zur Frage Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050? Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und in Abstimmung mit der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW).

2 Impressum Erarbeitet von: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Steffen Joest Tel.: +49 (0) Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Dr. Maximilian Fichtner Tel.: +49 (0) Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) Prof. Dr. Martin Wietschel Tel.: +49 (0) Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Prof. Dr. Ulrich Bünger, Christoph Stiller, Patrick Schmidt Tel.: +49 (0) Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH Frank Merten Tel.: +49 (0) Im Auftrag des: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) Nilgün Parker In Abstimmung mit: Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) Dr. Ing. Klaus Bonhoff Bei dem vorliegenden Dokument handelt es sich um die Zu sammenfassung der Studienergebnisse. Alle Rechte sind vorbehalten. Die Nutzung steht unter dem Zustimmungsvorbehalt der Erarbeiter sowie der Auftraggeber. Stand: August 2009 Gestaltung: Panatom, Berlin 2 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

3 Inhalt. Tabellen 4 Abbildungen 5 Abkürzungen 7 0 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Zusammenfassung Schlussfolgerungen 11 1 Hintergrund Ausgangslage und Motivation Zielsetzung und Aufgabenstellung Rolle und Vorgehensweise von GermanHy 13 2 Szenarien und Annahmen Szenarien Annahmen 16 3 Herstellungspfade von Wasserstoff und Anwendungsoptionen Herstellungsoptionen Potenziale fossiler Energien inklusive CCS für die Herstellung von Wasserstoff Verfügbarkeit fossiler Primärenergien Potenziale zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid Potenziale erneuerbarer Energien und Nutzungskonkurrenzen Potenziale erneuerbarer Energien Biomassepotenziale Biomasse-Nutzungskonkurrenzen Potenziale erneuerbarer Energien für Strom und Wärme Importe 25 4 Wasserstoff im Verkehr Annahmen zum Verkehrssektor Markteinführung von Wasserstofffahrzeugen 30 5 Wasserstoffherkunft und Infrastrukturaufbau Methodik Aspekte einer Einführungsphase Aspekte des Aufbaus des Wasserstoffproduktions-, Transport- und Verteilsystems Aspekte des langfristigen Wasserstoff- Infrastrukturaufbaues Wasserstoffkosten und CO 2 -Emissionen Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff in Abhängigkeit von den Fahrzeugen 43 6 Energiemarkt Plausibilisierung der Einführung von Wasserstoff in den Straßenverkehr Entwicklung der Endenergienachfrage in den verschiedenen Szenarien und Sektoren Entwicklung der Kraftstoffnachfrage Deckung der Energienachfrage Primärenergieeinsatz Potenziale fossiler und erneuerbarer Energien und ihre Nutzung Energieimporte Minderung der CO 2 -Emissionen Schlussfolgerungen aus dem Energiemodell 55 7 Weiterer Forschungsbedarfsbedarf Bereitstellung von Wasserstoff Nutzung und Verteilung von Wasserstoff Energiewirtschaftliche Aspekte von Wasserstoff Politische Aspekte 59 8 Literatur 60 3

4 Tabellen Tabellen. Tabelle Entwicklung relevanter Eckdaten für die GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 Tabelle CO 2 -Preise der Szenarien Tabelle Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger in den Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz von 2000 bis 2050 Tabelle Abweichende Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger im Szenario Ressourcenverknappung von 2000 bis 2050 Tabelle Schlüsseldaten von für Deutschland relevanten Wasserstoff-Produktionsprozessen Tabelle Entwicklung der spezifischen Kraftstoffverbräuche von PKW in MJ/km in den drei GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 Tabelle Entwicklung der spezifischen Kraftstoffverbräuche von LKW in MJ/km in den drei GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 Tabelle Entwicklung der spezifischen Kraftstoffverbräuche von Bussen in MJ/km in den drei GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 Tabelle Infrastruktur-Investitionen und CO 2 -Emissionen in Varianten für 2030 und 2050 im GermanHy-Szenario Moderate Entwicklung Tabelle Schlüsseldaten von Wasserstoff- und Strom- Transport- und Verteiltechnologien Tabelle Biomasseverfügbarkeit in Deutschland bei 1,8 ( min ) bis 4,0 ( max ) Millionen Hektar Ackerfläche 4 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

5 Abbildungen Abbildungen. Abbildung Ziele für den Verkehrssektor in Deutschland Abbildung Wasserstoff-Roadmap für Deutschland bis 2050 Abbildung Zentrale Hintergründe und wesentliche Annahmen der drei GermanHy-Szenarien Abbildung Für Deutschland relevante Wasserstoff- Produktions- und Verteilungspfade Abbildung Portfolio-Darstellung für Wasserstoff- Bereitstellungspfade für Hybrid-Brennstoff - zellenfahrzeuge (Well-To-Wheel) für 2020 und 2030 (Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz ) Abbildung Verfügbarkeit fossiler Energieträger in Deutschland im Szenario Ressourcenverknappung zwischen 2000 und 2050 Abbildung Verfügbarkeit von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien in Deutschland Abbildung Entwicklung der Bestände von PKW, LNF und Bussen bei hoher Marktpenetration von Wasserstoff-KFZ von 2000 bis 2050 Abbildung Anteil der Wasserstofffahrzeuge am Bestand in Europa für die Szenarien der IEA und des HyWays-Projektes von 2010 bis 2050 Abbildung Neuzulassungen von Wasserstofffahrzeugen in Deutschland von 2010 bis 2050 Abbildung Struktur des H 2 GIS-MOREHyS-E-Modellsystem Abbildung Entwicklung eines Kostenrasters für den Bau von Wasserstoffpipelines Abbildung Überblick über die analysierten, in Konkurrenz stehenden Wasserstoff-Versorgungsoptionen Abbildung Anschlussjahr für Regionen an die Wasserstoffinfrastruktur und Anteil der Wasserstoff-PKW am PKW-Bestand für 2030 Abbildung Entwicklung der Wasserstofftankstellen von 2015 bis 2030 Abbildung Wasserstoffproduktionsmix absolut und relativ von 2015 bis 2050 in den drei GermanHy- Szenarien Abbildung Flüssigwasserstofftransport in 2015 und 2030 Abbildung Entwicklung des Wasserstoff-Pipelinenetzes in 2030 und 2050 Abbildung Entwicklung der Transportoptionen (absolut und relativ) von 2015 bis 2050 für zwei Strompreisvarianten Abbildung Zusammensetzung der durchschnittlichen Wasserstoffkosten an der Tankstelle von 2020 bis 2050 in den drei GermanHy-Szenarien 5

6 Abbildungen Abbildung Konkurrenzfähigkeit von Wasserstoff- Brennstoffzellen-PKW zu herkömmlichen Verbrennungsmotor-PKW in Abhängigkeit von Fahrzeugmehrkosten Abbildung Funktionsschema des Energiemodells Abbildung Entwicklung der Endenergienachfrage in den GermanHy-Szenarien und der sektoralen Endenergienachfrage im Szenario Ressourcenverknappung von 2015 bis 2050 Abbildung Entwicklung der Endenergienachfrage des Verkehrssektors in den GermanHy-Szenarien und der sektoralen Endenergienachfrage im Szenario Ressourcenverknappung von 2000 bis 2050 Abbildung Entwicklung der Kraftstoffnachfrage nach Menge und Art von 2000 bis 2050 im Vergleich der drei GermanHy-Szenarien Abbildung Wärmebereitstellung nach Erzeugungstyp von 2000 bis 2050 für Szenario Klimaschutz mit CCS Abbildung Wärmebereitstellung nach Erzeugungstyp von 2000 bis 2050 für Szenario Ressourcenverknappung mit CCS Abbildung Ressourcenverfügbarkeit und Primärenergiebedarf von 2000 bis 2050 für die Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz mit CCS Abbildung Ressourcenverfügbarkeit und Primärenergiebedarf von 2000 bis 2050 für das Szenario Ressourcenverfügbarkeit Abbildung Primärenergieversorgung in Deutschland von 2010 bis 2050 am Beispiel der Szenarien Moderate Entwicklung und Ressourcenverfügbarkeit Abbildung Entwicklung der CO 2 -Emissionen (ohne Vorkette) im PKW-Bestand von 2010 bis 2050 Abbildung Stromerzeugung nach Erzeugungstyp für von 2000 bis 2050 für das Szenario Moderate Entwicklung Abbildung Stromerzeugung nach Erzeugungstyp von 2000 bis 2050 für das Szenario Klimaschutz mit CCS Abbildung Stromerzeugung nach Erzeugungstyp von 2000 bis 2050 für das Szenario Ressourcenverfügbarkeit Abbildung Wärmebereitstellung nach Erzeugungstyp von 2000 bis 2050 für Szenario Moderate Entwicklung 6 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

7 Abkürzungen Abkürzungen. A a AWEA AWEO Jahr (anno) American Wind Energy Association Alternative World Energy Outlook F FL Fahrleistung B bbl BIP BTL BMU BMVBS BWE BMWi BZ One Barrel of Oil Bruttoinlandsprodukt Biomass to Liquid (Biokraftstoff der 2. Generation) Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Bundesverband WindEnergie e.v Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Brennstoffzelle G GJ Gt GWh GW H h HGÜ H 2 H 2 A Gigajoule Gigatonne Gigawattstunde Gigawatt Stunde Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung Wasserstoff Hydrogen Analysis C CCS CCSMAX CGH 2 CEP CO 2 ct D D DOE Carbon Capture and Sequestration (dt. CO 2 -Abscheidung und -Speicherung) Intensive Nutzung CCS Compressed Gaseous Hydrogen (dt. Druckwasserstoff, auch GH 2 ) Clean Energy Partnership Kohlendioxid Euro-Cent (auch Cent ) Deutschland (auch Dtl.) U.S. Department of Energy E E Spanien EU Europäische Union EUR Euro ( ) EWEA European Wind Energy Association EWI Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln I IE IEA IFEU J JRC K KFZ kg KLI km kwh KWK L LBST LEV LH 2 Lkw LNF Institut für Energetik und Umwelt, Leipzig International Energy Agency Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Joint Research Centre Kraftfahrzeug Kilogramm Szenario Klimaschutz Kilometer Kilowattstunde Kraft-Wärme-Kopplung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Low Emission Vehicle Liquid Hydrogen (dt. Flüssigwasserstoff) Lastkraftwagen Leichte Nutzfahrzeuge 7

8 Abkürzungen M Max Maximum (auch max ) U UBA Umweltbundesamt Min Minimum (auch min ) UK United Kingdom Mio. Million USA United States of America MJ Megajoule MOD Szenario Moderate Entwicklung MPA Mrd. Megapascal Milliarde V VES Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie Mt Megatonne VM Verbrennungsmotor MWel Megawatt-elektrisch MWh Megawattstunden W WtW Well-to-Wheel Analyse N N Niederlande NFZ Nutzfahrzeug (auch NF) NIP Nationales Innovationsprogramm Wasserstoffund Brennstoffzellentechnologie Nm 3 Normkubikmeter NO Norwegen NOW Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie P PE Primärenergie PJ Petajoule Pkm Personenkilometer PKW Personenkraftwagen RES Szenario Ressourcenverknappung RME Rapsölmethylester S SNF Schwere Nutzfahrzeuge T t Tonne tkm tausend Kilometer Tsd. Tausend 8 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

9 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 0 0 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Zusammenfassung Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft. Durch seinen Einsatz wird eine erhebliche Verringerung der Abhängigkeit von zunehmend knapper und teurer werdenden fossilen Energieressourcen, sowie eine Reduzierung von Treibhausgasen und anderen Luftschadstoffen möglich. Wasserstoff kann aus einer Vielzahl von Energiequellen hergestellt werden und ist vergleichsweise gut speicherbar. Der Einsatz in der Brennstoffzelle ermöglicht die hocheffiziente und emissionsfreie Bereitstellung von Nutzenergie. Insbesondere für den sehr stark von fossilem Öl abhängigen Bereich der kraftfahrzeuggestützten individuellen Mobilität (PKW, Nutzfahrzeuge) wird deshalb mittel- und langfristig Wasserstoff als Alternativkraftstoff gesehen [BUNDESREGIERUNG 2004]. Auf Basis der Annahme, dass Wasserstoff künftig eine bedeutende Rolle als Kraftstoff im Straßenverkehr spielt, untersucht German- Hy auf der Grundlage von drei unterschiedlichen Szenarien die Perspektiven einer künftigen Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger in Deutschland bis Ausgangspunkt ist die Analyse möglicher Entwicklungen des Kraftstoffmarkts als Teil des Energiemarkts. Das heißt, der energiewirtschaftliche Kontext wird berücksichtigt. Ziel ist die Erarbeitung einer deutschen Wasserstoff-Roadmap unter Einbeziehung von Ressourcenverfügbarkeit, Energieeffizienz, Kosten, CO 2 -Minderungspotenzialen und Importabhängigkeit. Darin enthalten ist die Analyse des kostenoptimalen Aufbaus der Infrastruktur für Wasserstoff-Produktion, -Transport und -Verteilung. Die Entwicklung anderer alternativer Antriebskonzepte (zum Beispiel Strom und Batterie) ist nicht Teil dieser Studie. Ziele für die Mobilität von Morgen Die Emissionen aus dem Verkehr senken Die Abhängigkeit vom Erdöl verringern Die Energieeffizienz steigern Den Anteil erneuerbarer Energien steigern Die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie stärken Warum Wasserstoff? Wasserstoff (H 2 ) selbst ist ein kohlenstofffreier Energieträger Wasserstoff ist aus allen Energiequellen herstellbar H 2 ermöglicht die Nutzung der hocheffizienten Brennstoffzelle (BZ) Wasserstoff ist ein Energiespeicher für erneuerbare Energien H 2 und BZ haben als Schlüsseltechnologien ein großes Potenzial für Wertschöpfung Kraftstoffstrategie der Bundesregierung: Wasserstoff kann künftig eine bedeutende Rolle als Kraftstoff im Straßenverkehr spielen Abbildung 0-1: Ziele für den Verkehrssektor in Deutschland 9

10 0 Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die zentralen Fragestellungen zur Einführung von Wasserstoff im Verkehrssektor lassen sich zusammenfassend wie folgt beantworten: Welchen Anteil am zukünftigen Kraftstoffbedarf kann Wasserstoff übernehmen? Wasserstoff kann bis 2050 im Verkehrssektor ein wesentlicher Energieträger werden und im betrachteten Szenario Ressourcenverfügbarkeit bis zu 40 Prozent des Energie bedarfs im Verkehrssektor abdecken. Innerhalb der beiden anderen Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz können bis zu 23 Prozent abgedeckt werden. Je nach Rahmenbedingungen kann Wasserstoff bis 2050 bis zu 70 Prozent der PKW und Leichten Nutzfahrzeuge (LNF) versorgen. Dies ist auch bei starker fossiler Ressourcenverknappung darstellbar. Aus welchen Energiequellen lässt sich Wasserstoff wirtschaftlich bei steigendem Bedarf (Zeithorizonte 2020, 2030, Ausblick auf 2050) herstellen? Bei drastischem Rückgang fossiler Energieimporte (German- Hy-Szenario Ressourcenverfügbarkeit ) müssen verstärkt erneuerbare Energien eingesetzt, höhere Effizienzsteigerungen erreicht und energiesparendes Verhalten umgesetzt werden. Zur Herstellung von Wasserstoff wird ein Primärenergiemix verwendet. Dabei können kurzfristig Nebenprodukt-Wasserstoff, Erdgasreformierung onsite und Biomassevergasung eine Rolle spielen. Langfristig überwiegt die Herstellung aus Kohle mit CO 2 -Abscheidung und Speicherung (CCS) und Windenergie. Mögliche Risiken bestehen im Ausfall der CCS-Technologie und einer Verzögerung beim Ausbau der erneuerbaren Energien. Wie lässt sich Wasserstoff vom Ort der Produktion zu den Verbrauchern transportieren? In der Übergangsphase ergänzen regional verfügbarer Wasserstoff aus Industrieanlagen(Nebenprodukt), der nur über kurze Wege zu transportieren ist, beziehungsweise die Produktion vor Ort (Elektrolyse oder Reformierung). Der Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur erfolgt sukzessive, startend von Ballungszentren aus. Die Investitionskosten für den Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur bis 2030 liegen bei knapp 1 Mrd. Euro pro Jahr. Welche Wirkungen hat der Einsatz von Wasserstoff im Verkehrssektor auf Mobilitätskosten, Emissionen, Anteil erneuerbarer Energien und Abhängigkeit von Energieimporten? Mobilität mit Wasserstoff und Brennstoffzellen wird zu heutigen Kosten möglich sein, wenn die Entwicklungsziele bei Brennstoffzellenfahrzeugen erreicht werden. Nach einer Einführungsphase liegen die Wasserstoffkosten zwischen 3 und 4 Eurocent pro Kilometer. Wasserstoff kann die Kohlendioxid-Emissionen des Verkehrssektors um bis zu 80 Prozent reduzieren. Die Flottenemissionen (Wasserstoff-Brennstoffzellen-PKW) in Deutschland können bis auf 20 g CO 2 /km in 2050 reduziert werden (bei Verwendung von erneuerbaren Energien und Kohle mit CCS). Der Anteil erneuerbarer Energien an der Wasserstofferzeugung kann im Szenario Ressourcenverfügbarkeit bis 2050 auf über 60 Prozent gesteigert werden. Mit Importen erneuerbarer Energien ist eine noch höhere Quote möglich. Ein höherer Anteil erneuerbarer Energien führt im Szenario Moderate Entwicklung zu Mehrkosten von ca. 15 Prozent. Im Szenario Ressourcenverfügbarkeit sind erneuerbare Energien wettbewerbsfähig. Die Abhängigkeit des Verkehrssektors von Energieimporten kann von aktuell rund 95 Prozent auf je nach Szenario bis zu 75 Prozent gesenkt werden. Abbildung 0-2 zeigt zusammenfassend die Roadmap zur Einführung von Wasserstoff in Deutschland bis Bei der Verteilung von Wasserstoff dominieren die Lieferung von flüssigem Wasserstoff (Anfangsphase mit geringen Mengen) sowie die Versorgung mit Druckwasserstoff-Pipelines (ab 2030, kostengünstiger bei großen Mengen). 10 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

11 Ein höherer Anteil erneuerbarer Energien führt im Szenario Moderate Entwicklung zu Mehrkosten von ca. 15%. Im Szenario Ressourcenverfügbarkeit sind erneuerbare Energien wettbewerbsfähig. Die Abhängigkeit des Verkehrssektors von Energieimporten kann von aktuell rund 95 Prozent auf je nach Szenario bis zu 75 Prozent gesenkt werden. Zusammenfassung und Schlussfolgerung 0 Abbildung 0-1 zeigt zusammenfassend die Roadmap zur Einführung von Wasserstoff in Deutschland bis Abbildung 0-2: Wasserstoff-Roadmap für Deutschland bis 2050 Abbildung 0-2: Wasserstoff-Roadmap für Deutschland bis Schlussfolgerungen Aus den Analysen im Rahmen der drei GermanHy-Szenarien lassen sich folgende Schlussfolgerungen zur Bedeutung von Wasserstoff unter verschiedenen energiewirtschaftlichen und -politischen Rahmenbedingungen ziehen: Im Szenario Moderate Entwicklung ist der Einsatz von Wasserstoff sinnvoll aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, der CO 2 -Minderung und der Versorgungssicherheit. Im Szenario Klimaschutz ist Wasserstoff erforderlich, um den Beitrag des Verkehrssektors zur Senkung der CO 2 -Emissionen sicherzustellen und die erneuerbaren Energien in den Verkehr zu integrieren. Im Szenario Ressourcenverfügbarkeit ist Wasserstoff zwingend, um zumindest einen Teil der heutigen individuellen Mobilität auch künftig zu gewährleisten. Zentrale weitere energiewirtschaftliche und -politische Aspekte lassen sich wie folgt einordnen: Batterien sind eine notwendige Schlüsseltechnologie für zukünftige Mobilitätskonzepte. Batterieelektrische oder Plug-in Hybrid-Fahrzeuge sind eine komplementäre Lösung. Biokraftstoffe werden trotz der begrenzten Verfügbarkeit eine wichtige Rolle auch im Verkehrssektor spielen, insbesondere 10 jedoch für andere Verkehrsträger wie LKW, Flugzeuge und Schiffe. Wind ist wegen der unterstellten hohen Potenziale längerfristig die bedeutendste erneuerbare Energieressource für Wasserstoff. Die Einführung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie erfordert insbesondere in der Einführungsphase eine Flankierung durch entsprechende Rahmenbedingungen. Das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) trägt wesentlich dazu bei, die richtigen Voraussetzungen für die Markteinführung der Technologien zu schaffen. Weiterer Untersuchungsbedarf über die Ergebnisse von GermanHy hinaus ist in Kapitel 7 zusammenfassend dargestellt. In allen Szenarien und in allen Sektoren ist Energieeffizienzsteigerung notwendig. 11

12 1 Hintergrund 1 Hintergrund Ausgangslage und Motivation Die zentralen Herausforderungen für die Mobilität von Morgen sind auch für den Verkehrssektor Energieversorgungssicherheit und Klimaschutz. Die Ziele der Bundesregierung sind: Das Treibhausgasminderungsziel Deutschlands beträgt 40 Prozent bis 2020 (wenn die EU das Ziel von 30 Prozent ver abschiedet; Basisjahr jeweils 1990). Weitere Schadstoffemissionen (Stickoxide, Rußpartikel etc.) müssen ebenfalls gesenkt werden. Verringerung der Erdölabhängigkeit: aktuell importiert Deutschland 97 Prozent seines Erdölbedarfs. Steigerung der Energieeffizienz: die Energieproduktivität soll um 3 Prozent pro Jahr erhöht werden, 2007 stieg sie um 1,5 Prozent. Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien im Verkehr: Der Anteil an der Kraftstoffversorgung soll dafür von aktuell 6 auf 17 Prozent in 2020 steigen. Sicherung des Produktions- und Technologiestandortes: 250 Milliarden Euro Wertschöpfung pro Jahr; 2 Millionen direkte und indirekte Arbeitsplätze im Automobilbereich. Wasserstoff gilt als eine Option, diese Herausforderungen in besonderer Weise zu meistern und die Abhängigkeit vom Erdöl zu verringern. Die Vorteile des Wasserstoffs sind: Wasserstoff selbst ist ein kohlenstofffreier Energieträger, bei dessen Verbrennung keine Schadstoffe entstehen. Wasserstoff ist aus allen Energiequellen, insbesondere erneuerbaren Energien herstellbar. Wasserstoff ermöglicht die Nutzung der hocheffizienten Brennstoffzelle (doppelte Effizienz gegenüber herkömmlichem Verbrennungsmotoren). Wasserstoff ist ein Energiespeicher für erneuerbare Energien. Er kann fluktuierende erneuerbare Energien (Wind, Sonne) in der stationären Energieversorgung ausgleichen und diese zusätzlich jederzeit für den Verkehr ver fügbar machen. Wasserstoff und Brennstoffzellen haben als Schlüsseltechnologie ein großes Potenzial für Entwicklung und Wertschöpfung insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. In der Kraftstoffstrategie der Bundesregierung als Teil der Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie [BUNDESREGIERUNG 2004] stellt Wasserstoff deshalb eine wichtige mittel- bis langfristige Perspektive als Kraftstoff im Verkehrssektor dar. Ein flächendeckender Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur muss sich folgenden Herausforderungen stellen: Der Energieaufwand und die damit verbundenen Emissionen sind je nach Herstellungspfad sehr unterschiedlich. Die Einführung von Wasserstoff erfordert eine neue Produktions-, Transport- und Verteilungsinfrastruktur, was mit entsprechenden Investitionen verbunden ist. Es gilt, die Gesamtpotenziale verfügbarer Primärenergie sowie deren effizienteste energiewirtschaftliche Nutzung im Einzelfall zu betrachten. Sollte es zur Verknappung der Primärenergiequellen kommen, ist im Einzelfall politisch zu entscheiden, ob diese nicht an anderer Stelle effektiver eingesetzt werden können. Neben Wasserstofffahrzeugen werden zusätzlich andere Effizienztechnologien wie z. B. batteriebetriebene Elektrofahrzeuge in zukünftigen Mobilitätskonzepten zur Anwendung kommen. Hier gilt es integrierte Gesamtkonzepte für die Mobilität der Zukunft zu entwickeln. Die Studie GermanHy soll dazu beitragen, eine realistische Analyse über die Potenziale und Herausforderungen von Wasserstoff und seinen Alternativen zu erstellen. Da nicht alle Aspekte einer zukünftigen Energieversorgung im Rahmen von GermanHy beantwortet werden können, konzentriert sich GermanHy auf die Analyse der Einführung von Wasserstoff ins Energiesystem. Da der Verkehrssektor bislang die höchste Abhängigkeit von Erdöl und die geringste Energieumwandlungseffizienz hat und gleichzeitig durch hohe Wertschöpfung große Investitionspotenziale besitzt, konzentriert sich die Analyse auf die mögliche Einführung von Wasserstoff im Verkehrssektor. Da der Straßenverkehr den größten Anteil am Energieverbrauch des Verkehrssektors innehat und Flugzeug und LKW aufgrund des relativ hohen Speicherbedarfs von Wasserstoff weniger geeignet erscheinen, wird im Rahmen von GermanHy davon ausgegangen, dass Wasserstoff vornehmlich in PKW, leichten Nutzfahrzeugen und Bussen zum Einsatz kommt. 12 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

13 Hintergrund 1 Um Wasserstoff in größeren Mengen in die Energiesysteme zu integrieren, sind große Anstrengungen bei Forschung und Entwicklung sowie bei Investition und Anwendung nötig. Das NIP soll hier in den nächsten zehn Jahren wesentliche Impulse geben. Vor diesem Hintergrund hat das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) im Herbst 2007 die Erarbeitung der Studie GermanHy Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050? be auftragt. GermanHy soll der Nationalen Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (NOW) Entscheidungsgrundlagen für die Ausgestaltung des NIP im Bereich der Wasserstoffinfrastruktur (F&E-Bedarf, Demonstrations vorhaben) liefern Zielsetzung und Aufgabenstellung GermanHy untersucht die Perspektiven einer künftigen Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger für den Verkehr in Deutschland bis Dabei werden folgende zentrale Fragestellungen zur Einführung von Wasserstoff im Verkehrssektor beantwortet: Welchen Anteil am zukünftigen Kraftstoffbedarf kann Wasserstoff übernehmen? Aus welchen Energiequellen lässt sich Wasserstoff wirtschaftlich bei steigendem Bedarf (Zeithorizonte 2020, 2030, Ausblick auf 2050) herstellen? Wie lässt sich Wasserstoff vom Ort der Produktion zu den Verbrauchern transportieren? Welche Wirkungen hat der Einsatz von Wasserstoff im Verkehrssektor auf Mobilitätskosten, Emissionen, Anteil erneuerbarer Energien und Abhängigkeit von Energieimporten? Um diese Fragen zu beantworten: berücksichtigt GermanHy den allgemeinen energiewirtschaftliche Kontext, d. h. die möglichen Entwicklungen des Kraftstoffmarkts als Teil des Energiemarkts, untersucht GermanHy den kostenoptimalen Aufbau der Infrastruktur für Wasserstoff-Produktion, -Transport und -Verteilung und erarbeitet GermanHy eine deutsche Wasserstoff-Roadmap unter Einbeziehung von Energieeffizienz, Kosten, CO 2 - Minderungspotenzialen und Importabhängigkeit. GermanHy fokussiert auf die Einführung von Wasserstoff als alternativer Kraftstoff im Verkehrssektor. Dies erfolgt im gesamtenergiewirtschaftlichen Kontext Deutschlands. Die Entwicklung anderer alternativer Antriebskonzepte (zum Beispiel reine Batteriefahrzeuge) wird hier nicht betrachtet und muss gesondert untersucht werden. Auch im stationären Energiesektor kann Wasserstoff in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Hier tritt Wasserstoff jedoch zumindest kurz - und mittelfristig nicht als Energieträger in Erscheinung, da er zum größten Teil dezentral in Reformern hergestellt wird und weder zwischengespeichert noch über kürzere oder weitere Strecken transportiert werden muss. Eine weitere Option ist mittelfristig die Herstellung von Wasserstoff in sogenannten Pre-Combustion-Anlagen, die CO 2 aus fossilen Energien wie Kohle und Erdgas speicherbar machen. Auch hier fällt Wasserstoff in großen Mengen an. In Zukunft sind Kombinationen denkbar, in denen dieser Wasserstoff dem Verkehrssektor zugeführt wird und alternativ über Verbrennung in Gasturbinen oder Brennstoffzellen direkt zur Stromerzeugung dient. Mittel- bis langfristig kann eine Wasserstoff-Versorgungsinfrastruktur für den Verkehrssektor außerdem interessant werden, um Wasserstoff als speicherbaren Energieträger neben Strom insbesondere bei fluktuierendem Energieangebot (zum Beispiel Windenergie) für stationäre Anwendungen zu nutzen Rolle und Vorgehensweise von GermanHy Basis der Arbeiten sind zentrale deutsche energiewirtschaftliche Studien ( zum Beispiel BMWi Energiereport 2005, BMU Leitstudie 2007 ), zentrale europäische Analysen ( CONCAWE / EUCAR /JRC 2007 ), mit der Industrie abgestimmte Technologiedatebanken ( CONCAWE /EUCAR /JRC 2007, Forschungsprojekt Hyways ), aber auch eigene Arbeiten der an GermanHy beteilig ten Institute ( AWEO, [BMU 2007], Forschungsprojekt Hyways ). GermanHy setzt uf nationalen und internationalen Forschungs erkenntnissen zu Wasserstoff, insbesondere auf dem europäischen Roadmap-Forschungsprojekt HyWays [ auf. Über verschiedene Gremien und Veranstaltungen (CEP, VES, GermanHy- 13

14 1 Hintergrund Workshop] sowie die fachliche Begleitung durch die NOW GmbH ( wurden alle wesentlichen Akteure sowie aktuelle Planungen für Wasserstoffprojekte in Deutschland einbezogen. GermanHy orientiert sich an Aktivitäten ähnlicher Roadmap-Prozesse und -Erfahrungen (wie etwa in Frankreich (HyFrance) oder Norwegen (NorWays)) sowie an großen Modellierungsprojekten (zum Beispiel DOE H2A Analysis ( energy.gov/h2a_analysis.html in den USA)). An zentralen Stellen wurden neue, eigene Modelle erarbeitet oder weiterentwickelt (Energiemodell, Wasserstoff-Infrastrukturmodell). Kapitelübersicht und zentrale Aussagen: In Kapitel 2 werden drei GermanHy-Szenarien vorgestellt, die mit unterschiedlichen, in sich konsistenten Annahmen mögliche energiewirtschaftliche und energiepolitische Entwicklungen skizzieren und den Analyserahmen aufspannen. In Kapitel 3 werden die möglichen Herstellungspfade sowie die Primärenergiepotenziale analysiert, die für Wasserstoff genutzt werden können. In Kapitel 4 wird die mögliche Nachfrage nach Kraftstoffen und insbesondere Wasserstoff im Straßenverkehr (Wasserstoff-Penetration) dargestellt. Kapitel 5 analysiert den Aufbau einer Wasserstoff-Produktions-, Transport- und Verteilungsinfrastruktur. Kapitel 6 plausibilisiert die Bereitstellung der Primärenergien für die Wasserstoffproduktion durch Analyse des Gesamtenergiesystems (Endenergienachfrage und Primärenergieverfügbarkeit). Kapitel 7 stellt den weiteren Untersuchungsbedarf vor. 14 GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

15 Szenarien und Annahmen 2 2 Szenarien und Annahmen. GermanHy 2.1. Szenarien Das Szenario Moderate Entwicklung ist eine Fortschreibung längerfristiger, vergangener Entwicklungen im Sinne von Zur Beantwortung der Leitfrage dieser Studie Woher kommt business as usual. Das Szenario Moderate Entwicklung 2. der Szenarien Wasserstoff? wurden und Annahmen drei verschiedene, in sich jeweils wurde aus dem Referenz-Szenario der BMU-Leitstudie [BMU konsistente Szenarien für den Zeitraum von 2000 bis ] abgeleitet, welches auf der Trendprognose des Energiereports IV [EWI/prognos 2005] aufbaut. Die Daten wurden im 2.1. gewählt: Szenarien Moderate Entwicklung, Klimaschutz und Ressourcenverknappung. Die Szenarien unterscheiden sich Rahmen von GermanHy geringfügig angepasst und bis zum Zur durch Beantwortung unterschied liche der Annahmen Leitfrage dieser und Rahmensetzungen Studie Woher und kommt der Jahr Wasserstoff? 2050 fortgeschrieben, wurden dabei drei verschiedene, wurden einige wesentliche in bilden sich jeweils eine Bandbreite konsistente verschiedener Szenarien Entwicklungstrends für den Zeitraum ab. von 2000 Parameter bis 2050 an gewählt: aktuelle Moderate Entwicklungen angepasst. Zum Beispiel Entwicklung, Die Daten und Klimaschutz Annahmen für die und Szenarien Ressourcenverknappung. wurden aus vor - Die wurde Szenarien für das Jahr unterscheiden 2020 ein realer sich Ölpreis durch in Höhe von 54 $/ bbl liegenden anerkannten Studien übernommen, wo nötig angepasst und um eigene Daten und Annahmen ergänzt. Für die Annahme im GermanHy-Szenario folgt damit aber den Ex- unterstellt. Dies erscheint aus heutiger Sicht sehr niedrig. Die unterschiedliche Annahmen und Rahmensetzungen und bilden eine Bandbreite verschiedener Entwicklungstrends ab. Die Daten und Annahmen für die Szenarien wurden aus vorliegenden Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz dienten perten, die der Meinung sind, dass sich das Ölpreisniveau anerkannten die Analysen und Studien Szenarien übernommen, aus [EWI/prognos wo nötig 2005] angepasst und und um wieder eigene reduzieren Daten und wird, Annahmen dass die aktuellen ergänzt. Preisentwicklungen Für [BMU die 2007] Szenarien als Basis. Moderate Das Szenario Entwicklung Ressourcenverknappung und Klimaschutz dienten teilweise die spekulationsbedingt Analysen und Szenarien sind und aus bei höheren Preisen [EWI/prognos basiert angebotsseitig 2005] und (das[bmu heißt, die 2007] Verfügbarkeit als Basis. von Das Primärenergie betreffend) auf Analysen der LBST [LBST 2007c] und Zudem wurden konservative Mindestziele für die Reduktion Szenario Ressourcenverknappung bisher nicht wirtschaftliche Ölvorkommen basiert erschlossen werden. angebotsseitig (das heißt, die Verfügbarkeit von Primärenergie betreffend) auf Analysen der LBST (LBST nachfrageseitig (das heißt die Endenergienachfrage betreffend) von Treib hausgasen und die Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch unterstellt. Das 2007c) und nachfrageseitig (das heißt die Endenergienachfrage betreffend) auf [Prognos 2007; WI 2006]. auf [Prognos 2007; WI 2006]. Einen zusammenfassenden Überblick über die zentralen Hintergründe Szenario Moderate und Annahmen Entwicklung der drei ist Szenarien demnach durch geringen Einen zusammenfassenden Überblick über die zentralen Hintergründe und Annahmen der drei Szenarien gibt die folgende Steigerungen der Energieeffizienz und des Anteils erneuerbarer Änderungs- beziehungsweise Handlungsdruck und leichte gibt die folgende Abbildung wieder. Abbildung wieder. Energien gekennzeichnet. Moderate 1 2 Entwicklung Klimaschutz 3 Ressourcenverknappung Motivation Konservative Trendfortschreibung Ambitionierte Klimaschutzpolitik Massive Knappheit fossiler Ressourcen Energiepreise (Rohöl) 54 $/bbl in $/bbl in $/bbl in $/bbl in $/bbl in $/bbl in 2050 Treibhausgas- Minderungsziele -20% bis % bis % bis % bis % bis % bis 2050 Mehrkosten Brennstoffzellen-Auto Senkung der Antriebskosten des Brennstoffzellen-PKW/-NFZ auf das Niveau moderner Diesel-PKW/-NFZ Erneuerbare Energien mindestens 20% Anteil am Primärenergieverbrauch bis 2020 Abbildung 2-1: Zentrale 2-1: Hintergründe Zentrale und Hintergründe wesentliche Annahmen und der drei wesentliche GermanHy-Szenarien Annahmen der drei GermanHy-Szenarien Das Szenario Moderate Entwicklung ist eine Fortschreibung längerfristiger, vergangener Entwicklungen im Sinne von business as usual. Das Szenario Moderate Entwicklung wurde aus dem Referenz-Szenario der BMU-Leitstudie [BMU 2007] abgeleitet, welches auf der Trendprognose des 15

16 2 Szenarien und Annahmen Von allen drei Szenarien bietet es prinzipiell den größten Spielraum für die Herstellung von Wasserstoff für den Verkehrssektor. Das Szenario Klimaschutz ist gekennzeichnet durch schärfere Vorgaben bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen: bis 2020 müssen so die getroffene Annahme die CO 2 -Emissionen um 40 Prozent reduziert werden, bis 2050 um 80 Prozent (Basisjahr 1990). Wesentliche Parameter wie zum Beispiel Energiepreise und Verkehrsleistungen entsprechend den Annahmen des Szenarios Moderate Entwicklung. Demnach besteht im Vergleich zum Szenario Moderate Entwicklung ein größerer Handlungs- und Änderungsdruck in Richtung Klimaschutzmaßnahmen. Auf der Nachfrageseite werden in allen Sektoren deutlich mehr Anstrengungen und Erfolge bei der Steigerung der technischen Effizienz unterstellt, während auf der Angebotsseite ein stärkerer Ausbau erneuerbarer Energien beziehungsweise eine breite Einführung von Technologien zur Abscheidung und Speicherung von CO 2 (CCS) für die CO 2 -arme Nutzung fossiler Brennstoffe zur Strom- und ge gebenenfalls auch zur Wasserstoffproduktion angenommen wird. Das Szenario Klimaschutz wurde aus dem Leitszenario der BMU-Leitstudie [BMU 2007] abgeleitet und ebenfalls teilweise an aktuelle Entwicklungen sowie Anforderungen von GermanHy angepasst. Aus dem Klimaschutzziel für 2050 können sich in diesem Szenario Restriktionen für die Einführung und Herstellung von Wasserstoff ergeben (zum Beispiel kein Wasserstoff aus Kohle ohne CCS). Das Szenario Ressourcenverknappung geht von einer drastischen Reduktion der Primärenergiever fügbarkeit aus. Das heißt, stark steigende Energiepreise und nicht steigerbare Ölfördermengen. Von einer vollständigen Deckung der wachsenden Nachfrage nach Energierohstoffen kann im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Szenarien nicht mehr selbstverständlich ausgegang en werden. Die weitere Nutzung von fossilen Brennstoffen wird zunehmend stark eingeschränkt. So steht Erdöl in Deutschland ab 2030 nur noch sehr beschränkt zur Verfügung. Demzufolge wurden für dieses Szenario auf der Grundlage des aktuellen Preisniveaus stärker und schneller steigende Preise für fossile Primärenergieträger (zum Beispiel 248 $/bbl in 2020 beim Erdöl) angenommen (s. Tabelle 2-3 und Tabelle 2-4). Daraus folgt, dass erneuerbarer Energien in diesem Szenario deutlich schneller konkurrenzfähig werden als im Szenario Klimaschutz und daher intensiv ausgebaut werden. Zudem steigen die Anreize beziehungsweise Zwänge zur Umsetzung von Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, so dass parallel zum Ausbau erneuerbaren Energien mit einer noch intensiveren Erschließung der technischen Einsparungspotenziale (früher und in größerem Umfang) gerechnet wird. Das Szenario Ressourcenverknappung basiert auf Analysen zur Primärenergieverfügbarkeit von [LBST 2007]. Andere zentrale Szenarioannahmen wurden aus den vorgenannten Szenarien übernommen (zum Beispiel Mindest anforderungen an die CO 2 -Minderung aus dem Szenario Moderate Entwicklung ) Annahmen Alle drei Szenarien beruhen auf einem gemeinsamen Satz von relevanten ökonomischen und demografischen Eckdaten und deren Entwicklung bis zum Jahr 2050, die in Tabelle 2-1 zusammengefasst sind. Diese Eckdaten wurden aus [BMU 2007] und [UBA 2006] übernommen und bei Bedarf projektintern aktualisiert (zum Beispiel Wechselkurs US-Dollar zu Euro oder Zinssatz). Für den im Fokus dieser Studie stehenden Verkehrssektor wurden darüber hinaus weitere Annahmen getroffen, auf die im Kapitel 4.1 näher eingegangen wird. Darüber hinaus wurden für Deutschland folgende wesentliche Randbedingungen unterstellt, die von allen drei Szenarien erfüllt werden müssen: Die Anbaufläche für Energiepflanzen beträgt maximal 4 Millionen Hektar (etwa ein Drittel der Anbaufläche). Technologien zur Abscheidung und Speicherung von CO 2 (CCS) sind ab 2020 verfügbar. Der Anteil von Wind- und Photovoltaik-Strommengen beträgt maximal 50 Prozent. Wasserstoff wird mindestens zu 50 Prozent aus erneuerbaren Energien hergestellt. Der Anteil von KWK an der Stromerzeugung beträgt minimal 12 und maximal 40 Prozent. Für das Szenario Klimaschutz wurde außerdem angenommen, dass im Emissionshandel durchgängig etwa doppelt so hohe reale Preise für eine Tonne CO 2 zu zahlen sind (entsprechend den Emissionshandelspreisen des Preispfades C aus [BMU 2007]) und die minimalen Anteile von erneuerbaren Energien im Jahr GermanHy Woher kommt der Wasserstoff?

17 2.2. Annahmen Szenarien und Annahmen 2 Alle drei Szenarien beruhen auf einem gemeinsamen Satz von relevanten ökonomischen und demografischen Eckdaten und deren Entwicklung bis zum Jahr 2050, die in Tabelle 2.1 zusammengefasst sind. Diese Eckdaten wurden aus [BMU 2007] und [UBA 2006] übernommen und bei Bedarf projektintern aktualisiert (zum Beispiel Wechselkurs US-Dollar zu Euro oder Zinssatz). Für den im Fokus dieser Studie stehenden Verkehrssektor wurden darüber hinaus weitere Annahmen getroffen, auf die im Kapitel 4.1 näher eingegangen wird. Eckdatum Einheit Bevölkerung Mio. 82,2 82,4 81,4 79,4 77,3 75,1-3% -9% Erwerbstätige Mio. 38,8 38,9 39,0 37,5 37,0 35,8-3% -8% Haushalte Mio. 38,2 39,7 40,0 39,7 39,2 38,5 4% 1% BIP Mrd % 77% Anzahl PKW Mio. PKW 42,8 47,0 50,6 51,9 52,4 52,1 21% 22% Personenverkehr Mrd. Pkm % 31% Güterverkehr Mrd. tkm 490,0 607,0 748,0 843,0 918,0 980,0 72% 100% Güterverkehr auf Mrd. tkm 346,0 437,0 540,0 604,0 658,0 704,0 75% 103% der Straße Wechselkurs $US/ 1,4 konstant Zinssatz für Investitionen %/a 6,0 konstant Tabelle 2-1: Entwicklung relevanter Eckdaten für die GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 Tabelle 2-1: Entwicklung relevanter Eckdaten für die GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 GermanHy Darüber hinaus wurden für Deutschland folgende wesentliche Randbedingungen unterstellt, die von allen drei Szenario Szenarien erfüllt Einheit werden 2000 müssen: Quelle Die Anbaufläche für Energiepflanzen beträgt maximal 4 Millionen Hektar (etwa ein Drittel der MODERAT + EUR/t CO ,5 BMU, LEIT-06, Pfad "A" RESSOURCEN Anbaufläche) KLIMA Technologien EUR/t zur CO2 Abscheidung 0 0 und 10 Speicherung von CO 40 2 (CCS) 50 sind BMU, ab LEIT-06, 2020 verfügbar Pfad "C" Der Anteil von Winde- und Tabelle Photovoltaik-Strommengen 2-2: CO 2 -Preise der Szenarien beträgt maximal 50 Prozent Tabelle 2-2: Wasserstoff CO 2 -Preise der Szenarien wird mindestens zu 50 Prozent aus erneuerbaren Energien hergestellt Der Anteil von KWK an der Stromerzeugung beträgt minimal 12 und maximal 40 Prozent an Die der Entwicklung Strom- (2der 7 statt Energieträgerpreise 14 Prozent), Wärme- ist entscheidend (14 statt 7 Prozent) für die Wahl und technologischer teuersten Alternative Pfade zur mit großem Ausbaupotenzial an. Voraussetzung Auch ist allerdings, beeinflussen dass sie ein Wechsel zum Kraftstoff Wasser- Kraftstoffnachfrage Energieerzeugung im (17 Allgemeinen statt 10 Prozent) und zur deutlich Wasserstofferzeugung höher liegen im als Besonderen. in die Für den Verbraucherpreise das Szenario Klimaschutz beiden anderen wesentlich. wurde Szenarien Die (s. angenommenen außerdem angenommen, Tabelle 2-2). Energieträgerpreise dass im Emissionshandel stoff in den oder Szenarien durchgängig Strom Moderate in dieser Geschwindigkeit realisiert wird. Ist dies Entwicklung etwa doppelt und so hohe Klimaschutz reale Preise sind für in eine der Tabelle Tonne CO zusammengefasst. zahlen sind (entsprechend Sie nicht wurden der Fall, aus den bestehenden steigen die Rohölpreise nicht vorhersagbar weiter. Die Studien Emissionshandelspreisen Entwicklung übernommen der und Energieträgerpreise wo des nötig Preispfades im Rahmen C aus ist von [BMU entscheidend GermanHy 2007]) abgeschätzt und die minimalen (so orientieren Anteile von sich die Preise für erneuerbaren Stroh, die Wahl stärke-/zuckerhaltige Energien im Jahr technologischer Pflanzen, 2020 an Pfade zur Pflanzenöl der Strom- Energieerzeugung und (27 Ethanol statt 14 Prozent), im nun an dem Wärme- Den energetischen (14 statt 7 Prozent) und Hintergrund für die angenommenen Preissteigerungen fossiler Primärenergieträger im Szenario Ressourcenverknappung Allgemeinen Kraftstoffäquivalent Kraftstoffnachfrage und zur in (17 Relation statt 10 Wasserstofferzeugung zu Prozent) mineralischem deutlich im Heizöl). höher liegen als in den beiden anderen Szenarien (s. Besonderen. Tabelle 2-2). Auch beeinflussen sie die Verbraucherpreise wesentlich. Die bildet die unterstellte Verknappung auf dem Weltmarkt und angenommenen Energieträgerpreise in den Szenarien für Deutschland. Basis dieser Annahmen bilden die detaillierten Energieträger Jahr Referenzen Kapitel 3.2.1). Diese befassen sich mit Moderate Entwicklung und Klimaschutz sind in der Preise Tabelle in (ct/kwh) 2-3 Analysen der LBST 2050 (siehe zu Rohöl sammengefasst. Sie wurden aus bestehenden 3,0 Studien 1,7 2,4 3,0 den 3,9 weltweit 5,0 vorhandenen 65% 1) 18 Energiereserven, deren möglicher Erschließung übernommen Steinkohle und wo nötig im Rahmen von 1,0 GermanHy 0,6 abgeschätzt Erdgas (so für Industrie orientieren sich die Preise für Stroh, 1,1 stärke-/zucker- 1,1 2,0 2,7 potenzialen 3,3 4,6 von 316% Primärenergien 1) sowie den Handels bedingungen 0,7 0,8 0,9 1,1 im Zeitverlauf, 42% 1) den aktuellen und absehbaren Förder- Braunkohle 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3-36% 1) haltige Erdgas Pflanzen, für Haushalte Pflanzenöl und Ethanol nun 5,3 an dem 3,8 energetischen Holz Kraftstoffäquivalent in Relation zu mineralischem 1,0 1,6 1,6 Heizöl). 1,6 Erreichen 2,1 2,6 und Überschreiten 172% 2) des Fördermaximums ( peak oil, 4,9 5,9 auf 6,8 dem 8,4 Weltmarkt. 58% Die Verknappung 1) resultiert aus dem Stroh 0,9 0,9 1,0 1,3 1,6 2,1 135% 3) peak gas, etc.) und dem sich anschließenden Rückgang der Zucker-/Stärkehaltige Pflanzen 1,6 0,9 1,3 1,6 2,1 2,7 65% 3) Für (Weizen) das Szenario Ressourcenverfügbarkeit wurden aufgrund verfügbaren Menge des jeweiligen Energieträgers. Bei unveränderter 10,4 oder 11,9 wovon 20% in den 3) vergangenen Energies zenarien der Biogas unterstellten (Reststoffe Verknappung und fossiler Ressourcen 9,9 9,5 abweichende 9,8 10,1 Energiepflanzen) für Haushalte Energiepreise angenommen. Diese sind in Tabelle 2-4 aufgeführt. Ethanol (Import) Ein deutlich höheres Preisniveau haben 0,9 in 1,8 erster 2,6 Linie 3,2 Nachfrage 4,1 5,3 kommt 465% es zwangsläufig 3) und schnell zu enormen immer ausgegangen wurde sogar noch drastisch steigender Pflanzenöl 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 0% 3) die Wasserkraft fossilen Energieträger, (modernisierte aber auch diejenigen 4,8 erneuerbaren 6,2 6,9 6,9 Preissteigerungen. 6,9 6,6 38% Die Nachfrage 4) muss schließlich entweder auf Anlagen) Energieträger, die entweder indirekt über Wärmegutschriften geeignete Alternativen ausweichen oder aufgrund physischer Geothermie-Strom (KWK) für 3), 4) (Blockheiz Haushalte kraftwerke) oder direkt als biogene 21,0 Brennstoffe 19,7 10,7 an 9,8 Verknappungen 8,9 7,3-65% ebenfalls zurückgehen. Welche Möglichkeiten den Geothermie-Wärme Brennstoffmarkt (KWK) gekoppelt für sind. Der Preis für Erdöl steigt im konkreten Fall für den 3), deutschen 4) Markt bestehen beziehungsweise welche Strategien verfolgt werden, hängt von einer Viel- Haushalte 5,4 5,4 5,7 5,9 6,1 6,5 20% demnach bis 2020 etwa um den Faktor 3,7 (Basis 2000). Danach Windkraft-Strom (onshore) 9,7 7,4 5,6 5,3 5,3 5,3-46% 5) sinkt Windkraft-Strom er langsam (offshore) und zwar um 18 Prozent bis a) 6, b) 13,6 Dieses 5,3 auf 4,9 zahl 4,9 an Faktoren 4,9-28% (Welthandel, 5) Geopolitik, nationale Energie- und den Windkraft-Strom ersten Blick (Import paradoxe aus Verhalten resultiert 6,2 aus 4,8 der Annahme, 3,7 3,6 Wirtschaftspolitik 3,6 3,6-43% etc.) ab. 6) Mangels methodologisch geeigneter Skandinavien) dass Erdöl ab dem Jahr 2020 das Preisniveau der bis dato Modelle gibt es bisher keine adäquaten Untersuchungen über Photovoltaik-Strom (netzgekoppelt) 72,8 34,8 14,2 11,4 10,2 9,6-87% 4) teuersten Solarthermie-Strom Kraftstoffalter (Import) native Wasserstoff 14,5 aus Photovoltaik- 12,5 8,8 7,3 Preisentwicklungen 5,9 5,9-59% unter 3) dauerhafter und zunehmender Ressourcenverknappung. 4) nach [BMU 2007]; 5) nach Strom Referenzen: erreichen 1) und nach sogar [#HyWays-II]; übersteigen 2) nach [dena-btl]; würde. 3) Ab nach diesem eigenen Zeitpunkt passt 2000; sich #HyWays]; der Ölpreis a) Horns Rev; an die b) Butendiek; weitere 6 Preisentwicklung der Annahmen; [#BWE/Wind energy market survey 2000; #EWEA 2008; #AWEA 2004/Windforce]; 6) nach [#BWE/Wind energy market survey Tabelle 2-3: Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger in den Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz von 2000 bis

18 CO2 CO2 BMU, LEIT-06, BMU, LEIT-06, Pfad "A" Pfad "A" RESSOURCEN RESSOURCEN KLIMA KLIMA EUR/t CO2 EUR/t 0 CO BMU, 50 LEIT-06, BMU, LEIT-06, Pfad "C" Pfad "C" Tabelle Tabelle 2-2: CO 2 2-2: -Preise CO 2 der -Preise Szenarien der Szenarien 2 Szenarien und Annahmen Die Entwicklung Die Entwicklung der Energieträgerpreise der Energieträgerpreise ist entscheidend ist entscheidend für die Wahl für die technologischer Wahl technologischer Pfade zur Pfade zur Energieerzeugung Energieerzeugung im Allgemeinen im Allgemeinen und zur Wasserstofferzeugung und zur im Besonderen. im Besonderen. Auch beeinflussen Auch beeinflussen sie sie die Verbraucherpreise die Verbraucherpreise wesentlich. wesentlich. Die angenommenen Die angenommenen Energieträgerpreise Energieträgerpreise in den Szenarien in den Szenarien Moderate Moderate Entwicklung Entwicklung und Klimaschutz und Klimaschutz sind in der sind Tabelle in der 2-2 Tabelle zusammengefasst. 2-2 zusammengefasst. Sie wurden Sie aus wurden bestehenden aus bestehenden Studien übernommen Studien übernommen und wo nötig und wo im nötig Rahmen im Rahmen von GermanHy von GermanHy abgeschätzt abgeschätzt (so orientieren (so orientieren sich die sich Preise die Preise für Stroh, für stärke-/zuckerhaltige Stroh, Pflanzen, Pflanzen, Pflanzenöl Pflanzenöl und Ethanol und Ethanol nun dem nun energetischen an dem energetischen Kraftstoffäquivalent Kraftstoffäquivalent in Relation in Relation zu mineralischem zu mineralischem Heizöl). Heizöl). Energieträger Energieträger Jahr 2000 Jahr Referenzerenzen Refe- Preise in Preise (ct/kwh) in (ct/kwh) Rohöl Rohöl 3,0 1,7 3,0 2,4 1,7 3,0 2,4 3,9 3,0 5,0 3,9 65% 5,0 65% 1) 1) Steinkohle Steinkohle 1,0 0,6 1,0 0,7 0,6 0,8 0,7 0,9 0,8 1,1 0,9 42% 1,1 42% 1) 1) Braunkohle Braunkohle 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3-36% 0,3-36% 1) 1) Erdgas für Erdgas Industrie für Industrie 1,1 1,1 2,0 1,1 2,7 2,0 3,3 2,7 4,6 3,3 316% 4,6 316% 1) 1) Erdgas für Erdgas Haushalte für Haushalte 5,3 3,8 5,3 4,9 3,8 5,9 4,9 6,8 5,9 8,4 6,8 58% 8,4 58% 1) 1) Holz Holz 1,0 1,6 1,0 1,6 1,6 2,1 1,6 2,6 2,1 172% 2,6 172% 2) 2) Stroh Stroh 0,9 0,9 1,0 0,9 1,3 1,0 1,6 1,3 2,1 1,6 135% 2,1 135% 3) 3) Zucker-/Stärkehaltige Pflanzen Pflanzen 1,6 0,9 1,6 1,3 0,9 1,6 1,3 2,1 1,6 2,7 2,1 65% 2,7 65% 3) 3) (Weizen) (Weizen) Biogas (Reststoffe Biogas (Reststoffe und und 9,9 9,5 9,9 9,8 9,5 10,1 9,8 10,4 10,1 11,9 10,4 11,9 20% 20% 3) 3) Energiepflanzen) Energiepflanzen) für Haushalte für Haushalte Pflanzenöl Pflanzenöl 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 0% 0% 3) 3) Ethanol Ethanol (Import) (Import) 0,9 1,8 0,9 2,6 1,8 3,2 2,6 4,1 3,2 5,3 4,1 465% 5,3 465% 3) 3) Wasserkraft Wasserkraft (modernisierte (modernisierte 4,8 6,2 4,8 6,9 6,2 6,9 6,9 6,6 6,9 38% 6,6 38% 4) 4) Anlagen) GermanHy Anlagen) Geothermie-Strom Geothermie-Strom (KWK) für (KWK) für 3), 4) 3), 4) Haushalte Haushalte 21,0 19,7 21,0 10,7 19,7 9,8 10,7 8,9 9,8 7,3 8,9-65% 7,3-65% Geothermie-Wärme Für Geothermie-Wärme das Szenario (KWK) Ressourcenverfügbarkeit für (KWK) für wurden aufgrund der unterstellten Verknappung fossiler 3), 4) 3), 4) Haushalte Ressourcen Haushalte abweichende Energiepreise 5,4 angenommen. 5,4 5,7 5,4 Diese 5,9 5,7 sind in 6,1 Tabelle 5,9 6,5 6,1 2-3 aufgeführt. 20% 6,5 Ein 20% deutlich Windkraft-Strom Windkraft-Strom (onshore) (onshore) 9,7 7,4 9,7 5,6 7,4 5,3 5,6 5,3 5,3-46% 5,3-46% 5) 5) höheres Preisniveau haben in erster Linie die fossilen Energieträger, aber auch diejenigen erneuerbaren Windkraft-Strom Windkraft-Strom (offshore) (offshore) 6,8 a) 13,6 6,8 5,3 13,6 4,9 5,3 4,9 4,9-28% 4,9-28% 5) 5) Windkraft-Strom Energieträger, Windkraft-Strom (Import die aus (Import entweder aus indirekt über 6,2 Wärmegutschriften 4,8 6,2 3,7 4,8 (Blockheizkraftwerke) 3,6 3,7 3,6 3,6 oder -43% 3,6 direkt -43% als 6) biogene 6) Skandinavien) Brennstoffe Skandinavien) den Brennstoffmarkt gekoppelt sind. Der Preis für Erdöl steigt demnach bis 2020 etwa um Photovoltaik-Strom den Photovoltaik-Strom Faktor 3,7 (netzgekoppelt) (Basis (netzgekoppelt) 2000). Danach sinkt 72,8 er langsam 34,8 72,8 14,2 34,8 und zwar 11,4 14,2 um 18 10,2 11,4 Prozent 9,6 10,2 bis % 9,6 Dieses -87% 4) auf den 4) Solarthermie-Strom Solarthermie-Strom (Import) (Import) 14,5 12,5 14,5 8,8 12,5 7,3 8,8 5,9 7,3 5,9-59% 5,9-59% 3) 3) ersten Blick paradoxe Verhalten resultiert aus der Annahme, dass Erdöl ab dem Jahr 2020 das Referenzen: Referenzen: 1) nach [#HyWays-II]; 1) nach [#HyWays-II]; 2) nach [dena-btl]; 2) nach [dena-btl]; 3) nach eigenen 3) nach Annahmen; eigenen Annahmen; 4) nach [BMU 4) nach 2007]; [BMU 5) nach 2007]; 5) nach Preisniveau [#BWE/Wind [#BWE/Wind energy der bis market energy dato survey teuersten market 2000; survey #EWEA Kraftstoffalternative 2000; 2008; #EWEA #AWEA 2008; 2004/Windforce]; #AWEA Wasserstoff 2004/Windforce]; 6) nach aus [#BWE/Wind Photovoltaik-Strom 6) nach [#BWE/Wind energy market energy erreichen survey market survey 2000; #HyWays]; 2000; #HyWays]; a) Horns Rev; a) Horns b) Butendiek; Rev; b) Butendiek; 6 6 und sogar übersteigen würde. Ab diesem Zeitpunkt passt sich der Ölpreis an die weitere Preisentwicklung Tabelle Tabelle 2-3: Annahmen 2-3: Annahmen zur Entwicklung zur Entwicklung realer Preise realer der Preise Energieträger der Energieträger in den Szenarien in den Szenarien der teuersten Alternative mit großem Ausbaupotenzial an. Voraussetzung ist allerdings, dass ein Wechsel Moderate Moderate Entwicklung Entwicklung und Klimaschutz und Klimaschutz von 2000 von bis bis 2050 Tabelle zum Kraftstoff 2-3: Annahmen Wasserstoff zur Entwicklung oder realer Strom Preise in der dieser Energieträger Geschwindigkeit den Szenarien realisiert wird. Ist dies nicht der Fall, Moderate Entwicklung und Klimaschutz von 2000 bis 2050 steigen die Rohölpreise nicht vorhersagbar weiter. Energieträger Jahr Referenzen Preise in ct/kwh Rohöl 3,0 6,9 11,1 10,4 9,8 9,1 201% 1) Steinkohle 1,0 3,5 5,6 5,2 4,9 4,5 353% 2) Braunkohle 0,3 0,7 1,1 1,0 1,0 0,9 188% 2) Erdgas für Industrie 1,1 4,6 9,4 9,3 8,4 8,3 657% 1) Erdgas für Haushalte 4,1 7,3 12,3 12,5 11,9 12,1 197% 1) Holz 1,0 1,6 5,9 5,5 5,2 4,8 395% 3) Stroh 0,9 0,9 4,7 4,4 4,2 3,9 328% 2) Zucker-/Stärkehaltige 1,6 3,8 6,0 5,6 5,3 4,9 201% 2) Pflanzen (Weizen) Biogas (Reststoffe und 9,9 9,5 15,8 16,0 15,4 15,6 58% 3) Energiepflanzen) für Haushalte Pflanzenöl 7,6 7,6 11,1 10,4 9,8 9,1 19% 2) Ethanol (Import) 0,9 7,4 11,8 11,1 10,5 9,6 928% 2) Geothermie-Strom (KWK) 2) für Haushalte 20,5 15,5 1,7 1,7 2,7 2,7-87% Geothermie-Wärme (KWK) für Haushalte 5,5 6,4 7,7 7,7 7,5 7,5 37% 2) Referenzen: 1) nach [HyWays-II]; 2) eigene Annahmen Tabelle 2-4: Abweichende Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger im Szenario Tabelle 2-4: Abweichende Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger im Ressourcenverknappung von 2000 bis 2050 Szenario Ressourcenverknappung von 2000 bis Den Hintergrund für die angenommenen Preissteigerungen fossiler Primärenergieträger im Szenario Ressourcenverknappung bildet die unterstellte Verknappung auf dem Weltmarkt und für Deutschland. Basis dieser Annahmen bilden die detaillierten Analysen der LBST (siehe Kapitel 3.2.1). Diese befassen sich mit den weltweit vorhandenen Energiereserven, deren möglicher Erschließung im Zeitverlauf, den aktuellen und absehbaren Förderpotenzialen von Primärenergien sowie den Handelsbedingungen auf 18 dem Weltmarkt. GermanHy Die Verknappung Woher kommt resultiert der aus Wasserstoff? dem Erreichen und Überschreiten des Fördermaximums ( peak oil, peak gas, etc.) und dem sich anschließenden Rückgang der verfügbaren Menge des

19 Herstellungspfade von Wasserstoff und Anwendungsoptionen 3 anhy GermanHy 3 Herstellungspfade von Wasserstoff und Anwendungsoptionen. 3. Herstellungspfade von Wasserstoff und Anwendungsoptionen erstellungspfade Grundsätzlich von lässt sich Wasserstoff und aus Anwendungsoptionen allen Primärenergieträgern herstellen. Welche Energiequellen und technische Verfahren in Zukunft genutzt werden, hängt ab von Verfügbarkeit und Preis sowohl der sätzlich lässt technischen sich Wasserstoff Verfahren aus als allen auch Primärenergieträgern der Energieträger. Beides herstellen. wird in Welche den folgenden Energiequellen Unterkapiteln genauer chnische analysiert. Verfahren in Zukunft genutzt werden, hängt ab von Verfügbarkeit und Preis sowohl der 3.1. Herstellungsoptionen lediglich eine Anlieferung der Einsatzenergie über eine entsprechende Unterkapiteln Verteilungsinfrastruktur genauer erfordert, bedarf es bei regio- ischen Verfahren als auch der Energieträger. Beides wird in den folgenden siert. Eine Analyse der Herstellungsoptionen von Wasserstoff erfordert nalen und zentralen Herstelloptionen zusätzlicher, in Tabelle 3-2 Angaben 3.1. Herstellungsoptionen der spezifischen Wasserstoff-Herstellkosten sowie der gezeigter, Infrastruktur-Schlüsseltechnologien. möglichen Kosten und potenziellen Beiträge zur Treibhausgasreduktion. Für GermanHy wurden die im europäischen Das mit technischen Daten beschriebene Portfolio an möglichen Herstellungsoptionen Eine Analyse der Herstellungsoptionen von Wasserstoff erfordert Angaben der spezifischen Wasserstoff- Wasserstoff-Roadmap-Projekt Herstellkosten sowie der möglichen HyWays für Kosten Deutschland und potenziellen identifizierten Wasserstoff-Produktions- und Verteilungspfade ergänzt wie zum Beispiel Energiepreise und Mengengerüste ergänzt. Wasserstoff-Herstellungspfaden Beiträge zur Treibhausgasreduktion. wurde um Für aktuelle Annahmen nalyse der GermanHy Herstellungsoptionen wurden die im von europäischen Wasserstoff Wasserstoff-Roadmap-Projekt erfordert Angaben der spezifischen HyWays Wasserstoffellkosten sowie für Deutschland beziehungsweise aktualisiert [HyWays 2006]. Dabei basieren die Dann wurde eine Well-to-Wheels-Analyse für die Jahre 2010, Well-to-Wheel identifizierten der möglichen (WtW)-Analysen Wasserstoff-Produktions- Kosten und potenziellen von HyWays auf und mit Verteilungspfade Beiträge zur Treibhausgasreduktion. Industrie 2020 ergänzt und 2030 beziehungsweise Für durchgeführt, die aktualisiert die Kosten und Treibhausgasemissionen von anhy wurden [HyWays, die im und Politik abgestimmten 2006]. europäischen Dabei technisch-wirtschaftlichen basieren Wasserstoff-Roadmap-Projekt die Well-to-Wheel Annahmen (WtW)-Analysen HyWays für Deutschland jedes HyWays Kraftstoffpfads auf mit Industrie von der Quelle und bis zum Fahrzeug fizierten Wasserstoff-Produktions- Politik [CONCAWE abgestimmten 2007]. technisch-wirtschaftlichen und Verteilungspfade ergänzt Annahmen beziehungsweise [CONCAWE, darstellt. Bei der aktualisiert 2007]. Bewertung der Ergebnisse ist zu berück sichtigen, ays, 2006]. Dabei basieren die Well-to-Wheel (WtW)-Analysen von HyWays dass diese auf einen mit Industrie bereits etablierten und Markt darstellen. Das heißt, abgestimmten Abbildung Abb. 3-1 technisch-wirtschaftlichen zeigt 3-1 zeigt die die für für Deutschland Annahmen ausgewählten [CONCAWE, Wasserstoff-Bereitstellungspfade 2007]. anders als in Demonstrationsprojekten und Tabelle 3-1 mit die nur geringer Anlagenauslastung Diese und wurden dadurch auch höheren später Verlusten im beziehungsweise Wasserstoff-Bereitstellungspfade dazugehörigen Schlüsseldaten und der Tabelle Wasserstoff-Produktionsprozesse. 3-1 die dazugehörigen für Deutschland Schlüsseldaten (siehe 3-1 zeigt die Infrastrukturmodell ausgewählten der Kapitel Wasserstoff-Produktionsprozesse. Schlüsseldaten Diese wurden der auch Wasserstoff-Produktionsprozesse. später im Infrastrukturmodell Diese genommen, wurden auch dass später alle Anlagen im im Nennbetrieb und mit durch- 5) Wasserstoff-Bereitstellungspfade verwendet. deutlich und reduzierten Tabelle Anlagenwirkungsgraden 3-1 die wurde hier an- ehörigen trukturmodell (siehe (siehe Kapitel Kapitel 5) verwendet.während 5) verwendet. eine tankstellenseitige schnittlicher Auslastung betrieben werden. Wasserstoffherstellung Steinkohle keine Wasserstoffverteilung Vergaser sondern mit CCS Tankstelle Verflüssiger LKW CGH 2 Steinkohle Vergaser Reformer mit CCS zentral Tankstelle Verflüssiger LKW Erdgas CGH 2 Reformer Reformer Tankstelle zentral Erdgasnetz onsite CGH Erdgas 2 Restholz Energiepflanzen Vergaser Reformer Tankstelle Erdgasnetz (Kurzumtrieb) onsite CGH 2 Restholz Verteil Tankstelle Nebenprodukt Energiepflanzen Vergaser H 2 Rohrnetz CGH 2 (Kurzumtrieb) Nebenprodukt H 2 Windkraft (offshore, D, N) Strommix Windkraft (onshore, D) Windkraft (offshore, H 2 -Pipeline D, N) N D Strommix Elektrolyse Windkraft zentral (onshore, D) Solar (Spanien (E)) H Verteil Rohrnetz 2 -Pipeline N D Elektrolyse zentral Stromnetz Mittelspannung Elektrolyse zentral Stromnetz Mittelspannung Elektrolyse onsite HGÜ E D Tankstelle CGH 2 Elektrolyse onsite Tankstelle CGH 2 PKW (nicht-hybrid und hybrid) PKW Tankstelle CGH 2 PKW (nicht-hybrid und hybrid) PKW Solar (Spanien (E)) Elektrolyse zentral HGÜ E D Abbildung 3-1: Für Deutschland relevante Wasserstoff-Produktions- und Verteilungspfade Legende: D = Deutschland, N = Niederlande, E = Spanien bbildung 3-1: Für Deutschland relevante Wasserstoff-Produktions- und Verteilungspfade e: D = Deutschland, N = Niederlande, E = Spanien Abbildung 3-1: Für Deutschland relevante Wasserstoff-Produktions- und Verteilungspfade

20 3 Herstellungspfade von Wasserstoff und Anwendungsoptionen GermanHy Einsatzenergie Prozesstyp Anlagengröße Standort Nm³/h Nm³/h Zentral Dampfreformierung (zentral und und Erdgas Nm³/h Nm³/h Regional regional: mit mit CCS) CCS) GermanHy und und Nm³/h Nm³/h On-site Kohle Kohle Kohlevergasung (mit (mit CCS) CCS) Nm³/h Nm³/h Zentral Biomasse (Energiepflanzen, Biomassevergasung Nm³/h Nm³/h Regional Restholz) Einsatzenergie Prozesstyp Anlagengröße Standort Nm³/h Nm³/h Zentral Netzstrom Elektrolyse und und Nm³/h Nm³/h Zentral On-site Dampfreformierung (zentral und Erdgas Nm³/h Nm³/h Regional Windstrom (on- (on- und und offshore) regional: Elektrolyse mit CCS) Zentral und und Nm³/h Nm³/h On-site Kohle Kohlevergasung (mit CCS) Abhängig von Nm³/h von der der Nebenprodukt Zentral Zentral Biomasse (Energiepflanzen, Quelle Quelle Biomassevergasung Nm³/h Regional Restholz) Windkraft N + N + Elektrolyse Wasserstoff-Import Nm³/h Nm³/h Zentral Solarthermie E + E + Elektrolyse Nm³/h Zentral Netzstrom Elektrolyse 220 und 890 Nm³/h On-site Tabelle 3-1: 3-1: Schlüsseldaten von von für für Deutschland relevanten Wasserstoff-Produktionsprozessen Nm³/h Windstrom (on- und offshore) Elektrolyse Zentral 220 und 890 Nm³/h Abhängig von der Nebenprodukt Zentral Quelle Während eine eine Tankstellen-seitige Wasserstoffherstellung keine keine Wasserstoffverteilung sondern lediglich Windkraft N + Elektrolyse Wasserstoff-Import Nm³/h Zentral eine eine Anlieferung der der Einsatzenergie über Solarthermie über eine eine entsprechende E + Elektrolyse Verteilungsinfrastruktur erfordert, bedarf es es bei Tabelle bei regionalen 3-1: und Schlüsseldaten und zentralen Herstelloptionen von für Deutschland zusätzlicher, relevanten in in Tabelle Wasserstoff-Produktionsprozessen gezeigter, Infrastruktur- Schlüsseltechnologien. Tabelle 3-1: Schlüsseldaten von für Deutschland relevanten Wasserstoff-Produktionsprozessen Während eine Tankstellen-seitige Wasserstoffherstellung keine Wasserstoffverteilung sondern lediglich eine Anlieferung Technologie der Einsatzenergie über eine entsprechende Anlagenskalierung Verteilungsinfrastruktur Anlagenleistung erfordert, bedarf es bei regionalen Lokales Rohrnetz und zentralen Herstelloptionen zusätzlicher, 5 km 5 km in Tabelle 3-2 gezeigter, 2,7 Infrastruktur- 2,7 Mio. Mio. Nm³/a Nm³/a Transport-Pipeline km km (Transport) km 5 km (Verteilung) Mio. Mio. Nm³/a Nm³/a Schlüsseltechnologien. H 2 H 2 -Transport Pipeline N N D D km km 1 Mrd. 1 Mrd. Nm³/a Nm³/a H 2 H 2 Verflüssigung t LH2 t LH2 /d /d HGÜ-Transportleitung E E D D km km MW MW el el LH LH 2 2 -Tanksattelauflieger Ø 150 Ø 150 km km Distanz kg Technologie Anlagenskalierung Anlagenleistung LH2 kg LH2 /Lieferung CGH CGH 2 2 Tankstelle (für (für MPa) MPa) Kompression mit mit Booster und und t H2/a t H2/a anhy Legende: Lokales D = D Rohrnetz = Deutschland, N = N = Niederlande, E = E = Spanien, HGÜ HGÜ = 5 = km Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, 2,7 Mio. LH 2 LH Nm³/a = 2 = flüssiger Wasserstoff, Transport-Pipeline CGH CGH 2 = 2 = gasförmiger Wasserstoff 50 km (Transport) + 5 km (Verteilung) 80 Mio. Nm³/a Eine Eine H 2 -Transport Verteilung von von Pipeline Wasserstoff N mit D mit Tanklastzügen für für druckförmigen 650 km Wasserstoff wurde wurde für für Deutschland 1 nicht Mrd. nicht Nm³/a berücksichtigt. rhöhten Wirkungsgrad H 2 Verflüssigung von Brennstoffzellenfahrzeugen ein, jedoch nicht die zusätzlichen 216 t LH2 /d Tabelle HGÜ-Transportleitung Tabelle 3-2: 3-2: Schlüsseldaten 3-2: Schlüsseldaten von Wasserstoff- E D von von Wasserstoff und und km Strom- Transport- und und Verteiltechnologien MW eugkosten selber (vgl. Abbildung 5-11). und Strom- Transport- und Verteiltechnologien el LH 2 -Tanksattelauflieger Ø 150 km Distanz kg LH2 /Lieferung CGH 2 Tankstelle (für 70 MPa) Kompression mit Booster 120 und 480 t H2/a Legende: D = Deutschland, N = Niederlande, 50 /bble = Spanien, 100 HGÜ /bbl = Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, 150 /bbl LH 2 = flüssiger Das Wasserstoff, Das mit 200 mit CGH technischen 2 = gasförmiger Daten Daten Wasserstoff beschriebene Portfolio an an möglichen Wasserstoff-Herstellungspfaden wurde 2020 onsite Eine Verteilung von Wasserstoff mit Tanklastzügen für druckförmigen Wasserstoff wurde für Deutschland nicht berücksichtigt. um um 180 aktuelle Annahmen wie wie zum zum Beispiel Energiepreise und und Mengengerüste ergänzt. Dann Dann wurde eine eine zentral 2030 Well-to-Wheels-Analyse Tabelle : Schlüsseldaten für für die die Jahre von Jahre 2010, Wasserstoff- 2010, und Elektrolyse und Strom- durchgeführt, Transport- die die und die Verteiltechnologien Kosten und und (Strommix Dtl.) Treibhausgasemissionen Diesel/ Benzin 140 jedes jedes Kraftstoffpfades von von der der Quelle bis bis zum zum Fahrzeug darstellt. Bei Bei der der 135 g/km Bewertung 120 der der Ergebnisse ist ist zu zu berücksichtigen, dass dass die die Resultate Ergebnisse 120 g/km eines eines bereits etablierten Das Marktes mit 100technischen darstellen. Das Erdgas Daten Das heißt, ohne heißt, beschriebene CCS anders als als in Portfolio in Demonstrationsprojekten an möglichen Wasserstoff-Herstellungspfaden mit mit nur nur geringer Anlagenauslastung wurde und um und aktuelle 80 dadurch Annahmen höheren wie Verlusten zum Beispiel beziehungsweise Energiepreise deutlich und Mengengerüste reduzierten Anlagenwirkungsgraden ergänzt. Dann wurde wurde eine hier hier Well-to-Wheels-Analyse angenommen, 60 dass dass alle alle für Anlagen die Jahre im im 2010, Nennbetrieb 2020 und und mit 2030 mit durchschnittlicher durchgeführt, die die Auslastung Kosten und betrieben werden. Treibhausgasemissionen 40 jedes Erdgas Kraftstoffpfades mit CCS von der Quelle bis zum Fahrzeug darstellt. Bei der Nebenprodukt H Die Die spezifischen Treibhausgasemissionen 2 der der verschiedenen Wasserstoff-Herstellungspfade [g CO2 [g CO2 /km] /km] in in Bewertung 20 der Steinkohle Ergebnisse mit CCS ist zu berücksichtigen, dass Windkraft die Resultate Ergebnisse eines bereits etablierten Relation zu zu den Restholz/Kurzumbetrieb den spezifischen Kosten [ /km] sind offshore sind Abb. in Abb. onshore dargestellt. Die Die Kosten beziehen dabei dabei zwar zwar Marktes 0darstellen. Das heißt, anders als in Demonstrationsprojekten mit nur geringer Anlagenauslastung und dadurch 0,00 höheren 0,01Verlusten 0,02 beziehungsweise 0,03 deutlich 0,04 reduzierten 0,05 Anlagenwirkungsgraden wurde hier Kraftstoffkosten [ /km] angenommen, dass alle Anlagen im Nennbetrieb und mit durchschnittlicher Auslastung betrieben werden THG [g CO 2 -Äquivalent/km] Abbildung Die spezifischen 3-2: Portfolio-Darstellung Treibhausgasemissionen für Wasserstoff-Bereitstellungspfade der verschiedenen Wasserstoff-Herstellungspfade für Hybrid- [g CO2 /km] in Relation Brennstoffzellenfahrzeuge zu den spezifischen Kosten (Well-To-Wheel) [ /km] sind für in Abb und dargestellt (Szenarien Die Kosten Moderate beziehen dabei zwar Abbildung 3-2: Portfolio-Darstellung für Wasserstoff-Bereitstellungspfade für Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeuge (Well-To-Wheel) für 2020 und 2030 (Szenarien Moderate Entwicklung und Klimaschutz ) Entwicklung und Klimaschutz ) igt sich, dass 20 bei einem GermanHy Ölpreis Woher von 100 kommt /bbl der nahezu Wasserstoff? alle Wasserstoffpfade Kostengleichheit mit ntionellen Benzin- oder Diesel-PKW erzielen oder sogar deutlich günstiger sind. Gleichzeitig 23