Wirtschaftliche Aspekte von Öko-Wasserstoff Amela Ajanovic, Reinhard Haas, Nebojsa Nakicenovic

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1 TU-Wien Wirtschaftliche Aspekte von Öko-Wasserstoff Amela Ajanovic, Reinhard Haas, Nebojsa Nakicenovic

2 Wirtschaftliche Aspekte von Öko-Wasserstoff Überblick: 1. Einleitung 2. Kosten der Wasserstoff-Bereitstellung 3. Wirtschaftlichkeit 2005 stationär und mobil 4.Zukunftsperspektiven Mobilität 5. Schlussfolgerungen 2

3 Wirtschaftliche Aspekte von Öko-Wasserstoff Grundsätzliche Motivation: Bereitstellung von Energiedienstleistungen (Mobilität, helle und behaglich warme Räume, stromspezifische Anwendungen) S = f (E, η, L, CO 2 ) 3

4 1.Einleitung: Wasserstoffketten Primärenergie Wasserstofferzeugung Aufbereitung Verteilung Speicherung und Abgabe Mobile Wasserstoffnutzung Stationäre Wasserstoffnutzung 4

5 1.Einleitung: Wasserstoffpfade - Mobil Primärenergie Erzeugung Aufbereitung Verteilung Speicherung Abgabe Nutzung Wasserkraft PKW BSZ Windkraft Elektrolyse 5 bar Verdichtung 450 bar onsite H2-Tank 450 bar Tankstelle & Photovoltaik PKW H2-VKM Biogas Fermentation und Dampfreformierung Biomasse (Holz) Biomasse Vergasung Erdgas Dampfreformierung Verdichtung 450 bar LKW H2-Tank 450 bar Tankstelle PKW BSZ 5

6 1.Einleitung: Wasserstoffpfade - Stationär Primärenergie Erzeugung Aufbereitung Verteilung Speicherung Nutzung Wasserkraft Windkraft Elektrolyse 30 bar - Pipeline - BSZ Photovoltaik Biogas Fermentation und Dampfreformierung Verdichtung 30 bar Biomasse (Holz) Biomasse Vergasung Erdgas Dampfreformierung Verdichtung 30 bar Pipeline - BSZ 6

7 2. Berechnung der Wasserstoffkosten Wasserstoffkosten: Q. Menge H2 IK j...investitionskosten des Moduls j K B Betriebskosten α j.annuitätsfaktor des Moduls j K BE. Energiekosten (Strom, Erdgas, Biomasse) K BF...Fixe Betriebskosten K BS.Sonstige variable Betriebskosten n j= 1 IK k H 2 = + K Q K B = K BE j α + K Q BF j + K B BS Die Kosten für eingesetzte Primärenergie (Strom, Erdgas, Biomasse): K BE = k energie [ Euro/ kwh] P 2[ kg / d] V [ kwh/ kg] T[ h / a] H energie 7

8 2. Berechnung der Stromerzeugungskosten k Strom IK α + BK PB = + T H η v k Strom : Stromerzeugungskosten pro Energieeinheit [c/kwhele] U IK: α: BK: T V : P B : η: spezifische Investitionskosten pro installierter Leistung, z.b. [EUR/kWel] Annuitätenfaktor, berechnet aus Zinssatz z und Lebensdauer LD [-] spezifische Betriebskosten pro Kapazität und Jahr, z.b. [EUR/(a.kWel)] Volllaststunden pro Jahr [h/a] spezifische Brennstoffkosten pro Einheit Input [cent/kwhinput] Wirkungsgrad der Umwandlung von Energieinput zu Output H u : Unterer Heizwert (kwh/kg od. m 3 ) 8

9 2. Stromerzeugungskosten Stromerzeugungskosten SEK Photovoltaik c/kwh Biogas Biomasse SEK Min Bandbreite Wasserkraft Wind cent/kwh Strommarktpreis 9

10 2. Überblick: Wasserstofferzeugungskosten 2005 Erdgas 2005 Biogas 2005 Biomasse Dampfreformierung Fermentation und Dampfreformierung Biomasse Vergasung Elektrolyse 2005 Photovoltaik 2005 Windkraft 2005 Wasserkraft Wasserstoffkosten (Euro/kWh) 10

11 2.Kosten der Aufbereitung - Verdichtung kg H 2 =33.33 kwh Kosten (Euro/kg H2) Wasserstoffproduktionskapazität (kg/h) 30 bar 450 bar 880 bar 11

12 2.Kosten der Aufbereitung - Verflüssigung 8 7 Kosten (Euro/kg H2) Wasserstoffproduktionskapazität (kg/h) 12

13 2.Wasserstoffverteilung Kosten (Euro/kg) Wasserstoffproduktionskapazität (kg/h) LKW Flüssig-Transport LKW Gas-Transport Kosten (Euro/kg H2) Wasserstoffproduktionskapazität (kg/h)

14 2.Wasserstoffverteilung - Pipeline 14

15 2. Speicherung und Abgabe Kosten (Euro/kg H2) Wasserstoffproduktionskapazität (kg/h) 450 bar 880 bar LH2 15

16 2. Wasserstoffkosten der analysierten Pfade Kosten der Wasserstoffbereitstellung beim Endverbraucher 2005 Erdgas 2005 Biogas 2005 Biomasse 2005 Photovoltaik 2005 Windkraft 2005 Wasserkraft Euro/kWh Erzeugung Aufbereitung Verteilung Speicherung Abgabe 16

17 3. Kosten bei der mobilen Wasserstoffnutzung 2005 E-PKW Wasserkraft VKM-PKW Biodiesel VKM-PKW Diesel VKM-PKW GH Windkraft BZ-PKW GH Erdgas BZ-PKW GH Biogas H 2 BZ-PKW GH Biomasse BZ-PKW GH Photovoltaik BZ-PKW GH Windkraft BZ-PKW GH Wasserkraft Euro/km Brennstoffkosten Investitionskosten 17

18 3. Strom- bzw. Wärmegestehungskosten bei stationärer Nutzung 2005 Brennstoffzellen zur Strom/Wärme - Versorgung Strom&Wärme Wasserkraft Strom Wasserkraft + Holzpellets VKM-BHKW Erdgas BZ-BHKW GH Erdgas BZ-BHKWGH Biogas H 2 BZ-BHKW GH Biomasse BZ-BHKW GH PV BZ-BHKW GH Wind BZ-BHKW GH Wasserkraft Kosten (Euro/kWh) Euro/kWh-el Euro/kWh-th 18

19 3. Beispiel: Strom aus Wind versus Strom aus Wasserstoff aus Windstrom Windstrom - Erzeugungskosten Windstrom-Verbrauch Wasserstoff - Erzeugungskosten H2-Verbrauch c/kwh 19

20 3. Beispiel: Wärme aus Holz versus Wärme aus Wasserstoff aus Windstrom Wärme - Holzpellets Wasserstoff - Erzeugungskosten Wärme - Wasserstoff c/kwh 20

21 3. Strom- bzw. Wärmegestehungskosten bei stationären Brennstoffzellen Probleme der stationären Nutzung: 1. Derzeitiger Trend kwh Wärme Strom Zeit 2. Sommer/Winter Unterschied (kein Wärmebedarf im Sommer) 3. Monovalenzbetrieb? 21

22 4. Szenario: Zukünftige Wasserstoffkosten Kosten der Wasserstoffbereitstellung beim Endverbraucher, im Vergleich 22

23 4. Mögliche Szenarien für die Marktdurchdringung von BSZ-Fahrzeugen Kosten (Euro) LR-15% LR-20% LR-22% Kumulative Produktion 23

24 4. Eckdaten Mobilität 2005 VKM - Diesel/Biofuels BSZ VKM-H2 Leistung (kw) Verbrauch (kwh/km) Investitionskosten (Euro)

25 4. Szenarien Mobilität Kann ein Wasserstoff-System im Verkehr auf dem gleichen Energiedienstleistungsniveau wie heute bereitgestellt werden? (SUV, Four wheel, 150PS ) 25

26 4. Mobilität: Reduktion des Energiebedarfs und der Leistung Biofuels (80 kw) Diesel (80 kw) 0.5 VKM-H2 (80 kw) kwh/km BZ-H2 (80 kw) VKM-H2 (20 kw) 0 BZ-H2 (20 kw) Jahr 26

27 4. Mögliche Szenarien für die Marktdurchdringung von Fahrzeugtypen BSZ-Fahrzeuge - die verschiedene Marktwachstumrate 90,000,000 80,000,000 70,000,000 Anzahl der Fahrzeuge 60,000,000 50,000,000 40,000,000 30,000,000 20,000,000 30% Marktzuwachs pro Jahr 10 % 20% 30% 10,000, Jahr 27

28 4. Beispiel : H 2 Wind für Transport Investitionskosten pro Fahrzeug 0.2 Beispiel Transport: BZ-H2 vs VKM-H2 vs Diesel/Biofuels (MR=30%, LR=22%) 0.18 Investitionskosten pro Fahrzeug (Mio. Euro) BZ H2, 80 kw, MR=30% VKM H2, 80 kw, MR=30% 30% Marktzuwachs pro Jahr, 22% Learning rate 0.02 Diesel, Biofuels 80 kw VKM Jahr

29 4. Beispiel : H 2 Wind für Transport Investitionskosten pro gefahrenen km 2 Beispiel Transport: BZ-H2 vs VKM-H2 vs Diesel/Biofuels (MR=30%, LR=22%) Investitionskosten pro km (Euro/km) BZ H2, 80 kw, MR=30% VKM H2, 80 kw, MR=30% BSZ MR=30% VKM-H2 MR=30% VKM Diesel Diesel, Biofuels 80 kw VKM Jahr

30 4. Beispiel : H 2 Wind für Transport Treibstoffkosten pro gefahrenen km 0.35 Variable (Treibstoff) Kosten (Euro/km) BSZ VKM-H2 Biofuels - 2EUR (2050) VKM Diesel-6 EUR (2050) VKM Diesel, 80 kw VKM (6 EUR 2050) VKM Biofuels, 80 kw VKM (2 EUR 2050) VKM H2, 80 kw, MR=30% 0.05 BZ-H2, 80 kw, MR=30% Jahr

31 4. Beispiel : H 2 Wind für Transport Gesamtkosten pro gefahrenen km (ohne Servicereduktion) Gesamtkosten (Euro/km) BZ-H2, 80 kw, 30% MR VKM H2, 80 kw, 30% MR Diesel 80 kw VKM (6 EUR (2050) Biofuels 80 kw (2 EUR 2050) Jahr 31

32 4. Beispiel : H 2 Wind für Transport Gesamtkosten pro gefahrenen km (mit Servicereduktion von 80 auf 20 kw) Gesamtkosten (Euro/km) BZ-H2, 20 kw, 30% MR Diesel 80 kw VKM (6 EUR (2050) 0.4 Biofuels 80 kw (2 EUR 2050) 0 VKM H2, 20 kw, 30% Jahr 32

33 5. Schlussfolgerungen (1) Bei Öko H2: Deutlich höhere Investitionskosten (in der gesamten Kette) erforderlich im Vergleich zu direkter Nutzung EET, um dieselben Mengen an EDen bereitzustellen Strom aus Öko-H2: Kein ökonomisches Argument für den Umweg über H2 im Vergleich zur direkten Nutzung des Stromes aus Wasser-, Windkraft oder PV solange Netzkapazität ausreicht Nische: Wenn Stromüberschuss aus Wasser- oder Windkraft oder PV könnte H2 als Speicher fungieren und für mobile Anwendungen eingesetzt werden 33

34 5. Schlussfolgerungen (2) 2005: Öko-Wasserstoff ist weder im mobilen noch im stationären Bereich auf dem Markt wirtschaftlich konkurrenzfähig Die zukünftige Rolle von Öko-Wasserstoff hängt einerseits vom Anteil der erneuerbare Energie am Endenergieverbrauch und anderseits von den zukünftigen Wasserstoffkosten ab Wenn hohe Rohölpreise und politische Unsicherheit in der Nahost-Region weiter anhalten und wenn die Innovationsdynamik im Fahrzeugbau sowie die Entwicklung der Einstellung der Fahrzeugnutzer verstärkt in Richtung Reduktion von Gewicht, Verbrauch und Leistung der Autos gehen sollte, dann könnte die Markteinführung von Öko-Wasserstoff- Fahrzeugen beschleunigt werden. 34

35 Weitere Info s: to:

36 4. Beispiel : H 2 Wind für Transport Gesamtkosten pro gefahrenen km (ohne Servicereduktion) 2 Gesamtkosten (Euro/km) BSZ VKM H2 BSZ MR=10% BSZ MR=20% BSZ MR=30% VKM-H2 MR=10% VKM-H2 MR=20% VKM-H2 MR=30% Biofuels - 2EUR (2050) VKM Diesel-4 EUR (2050) VKM Diesel-6 EUR (2050) 0.4 Diesel 0 Biofuels Jahr 36