Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Deutschland

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1 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Deutschland Dr. Geert Tjarks Programm Manager Strombasierte Kraftstoffe, NOW GmbH Seminar Erneuerbare Energien Karlsruhe 30. Mai 2018

2 NOW GmbH Wer wir sind NOW: National Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie GmbH: Alleinige Gesellschafterin ist die Bundesrepublik Deutschland (vertreten durch BMVI) Gegründet 2008 zur Umsetzung des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) Heutiger Auftrag: Gestaltung, Koordination und Umsetzung nationaler Strategien und öffentlichprivater Programme im Technologiefeld nachhaltiger Mobilität und Energieversorgung Derzeit 41 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Fasanenstr Berlin Deutschland Telefon: Internet: 2

3 NOW GmbH Programme und Aufgaben der NOW Elektromobilität vor Ort Forschung & Entwicklung Beschaffung, Konzepte Förderrichtlinie Ladeinfrastruktur Flächendeckender Aufbau Normalladung Schnellladung NIP* Forschung & Entwicklung Beschaffung Koordination Umsetzung Netzwerke Akzeptanz Sichtbarkeit Mobilitäts- und Krafstoffstrategie Pilotprojekte * Nationales Innovationsprogramm für Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie Exportinitiative Umwelttechnologie Deutsch-Japanische Kooperation im Bereich PtG H 2 /BZ Technologie in der Entwicklungszusammenarbeit (Kooperation mit der GIZ) 3

4 Agenda Was sind die Ziele und Rahmenbedingungen für den Verkehrssektor? Warum kann die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie eine zentrale Rolle im Verkehrssektor einnehmen? Wie ist der aktuelle Stand der Wasserstofftechnologie in Deutschland? 4

6 Politscher Rahmen Pariser Klimaabkommen zum Zwei-Grad-Ziel Source: Paris Agreement Tracker Für Zwei-Grad-Ziel notwendige Maßnahmen - CO 2 Neutralität in den Industriestaaten ab Reduzierung muss spätestens ab 2020 beginnen 6

7 Politscher Rahmen Klimaschutzplan der Bundesregierung Nationale Umsetzung des Pariser Abkommens - Ziele zur CO 2 Reduktion für alle Sektoren - Entwicklung von Konzepten zur Zielerreichung 2030 und langfristigen Weichenstellung für Vorlage der Konzepte im Jahr

8 Politscher Rahmen Jährliche Treibhausgasemissionen in Deutschland 8

9 Green house gas emissions (Mio. t CO 2 eq) Politscher Rahmen Verteilung der THG Emissionen auf die Verkehrsträger Public transport CO 2 emission from ICE vehicles Percent (100%=347 Mt CO 2 p.a.) Private transport Aviation (PT) Freight transport (ship/railway) Aviation (FT) Road transport Maritime transport Source: Blanck et al. Treibhausgasneutraler Verkehr 2050: Ein Szenario zur zunehmenden Elektrifizierung und dem Einsatz stromerzeugter Kraftstoffe im Verkehr ; Öko-Institut e.v., Berlin, 2013 Source: A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis; BMW AG, Ford, Daimler AG, GM LCC, Honda, Hyundai Motor Company, KIA Motor Company, Renault, Nissan, Volkswagen AG; 2011 Straßengebundener Personenverkehr für 60 Prozent der THG Emissionen im Verkehrssektor verantwortlich 70 Prozent der THG Emissionen im MIV werden von mittleren und großen Fahrzeugklassen mit hohen Jahreslaufleistungen (>10 tkm) verursacht 9

10 Politscher Rahmen Ziele des Verkehrssektors Treibhausgasemission insgesamt (gegenüber 1990) -27 % mind. -40 % mind. -55 % mind. -70 % -80 % bis -95 % Treibhausgasemission Verkehr (gegenüber 1990) 0 % mind. -40 % -80 % bis -95 % Endenergieverbrauch Verkehr (gegenüber 2005) 1,3 % -10 % -40 % Energie der Zukunft: Fünfter Monitoring-Bericht zur Energiewende Dekarbonisierung des Verkehrssektors bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs. 10

11 Politscher Rahmen 2. Mobilitätspaket der EU Im Rahmen des 2. Mobilitätspakets hat die Kommission am gesetzgeberische Vorschläge für folgende Bereiche gemacht: Aktuelle Regelung für PKW Flotten: 130 g CO2 /km bis 2021 Alternative Infrastructure Action Plan Förderung sauberer und energie-effizienter Straßenfahrzeuge CO 2 -Standards für PKW und leichte NF Kombinierter Güterverkehr, grenzüberschreitender Personenkraftverkehrsmarkt, Reifenkennzeichnung 95 g CO2 /km [Mitteilung und Aktionsplan] [Eine Richtlinie] [Eine Verordnung] [Zwei Verordnungen, eine Richtlinie] 11

13 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Technische Möglichkeiten der Dekarbonisierung Elektromobilität (BEV+FCEV) Verbrennungsmotoren (ICE) und synthetische Kraftstoffe Quelle: BMW Group Quelle: Toyota Motor Corporation Quelle: Audi AG Quelle: Rosa Experts AG Batteriefahrzeuge + direkte Stromnutzung Brennstoffzellenfahrzeug + Wasserstoff (Power-to-Gas) ICE Fahrzeug + Synthetisches Methan (Power-to-Gas) ICE Fahrzeug + Syn. Flüssigkraftstoffe (Power-to-Liquid) 75 % Well-to-Wheel Wirkungsgrad < 10 % 150 km Reichweite pro Tankfüllung > 1500 km 13

14 Systemkosten Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Technologieverteilung auf die Verkehrsbereiche Systemkosten BEV / FCEV Vorteile BEV Vorteile FCEV Reichweite Quelle: 14

15 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Aufbau BEV Power Control Unit Traktionsbatterie Quelle: Opel AG Battery Traction Motor Quelle: Volkswagen AG Antriebseinheit Quelle: Volkswagen AG 15

16 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Aufbau FCEV Brennstoffzellenstack Quelle: Intelligent Energy Quelle: Toyota Motor Corporation Wasserstofftanksystem Quelle: news.softpedia.com 16

17 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Wasserstoffspeicherung Technologie zur Wasserstoffspeicherung physikalisch stofflich Gasförmig CGH bar 20 C In Feststoffen Metalhydride Gasförmig CGH bar (Bus) 700 bar (PKW) Flüssig LH 2 10 bar C an Feststoffen Sorbents (MOFs) Globaler Standard Aufbau von 700 bar PKW Wasserstofftankstellen in Schlüsselregionen Japan, USA, Korea, Germany, Kryokomprimiert CcH bar C in Flüssigkeiten LOHCs, weitere 17

18 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Vergleich BEV und FCEV Tesla Model S (90 kwh) Toyota Mirai (5 kg H 2 ) Quelle: Tesla Inc. Reichweite 560 km Ladezeit 60 min (120 kw) Quelle: Toyota Motors Corporation Reichweite 500 km Betankungszeit 3 min (1,5 kg/min) 18

19 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Vergleich BEV und FCEV Tesla Model S (90 kwh) Toyota Mirai (5 kg H 2 ) Quelle: Tesla Inc. Speichervolumen 380 Liter Speichergewicht 590 kg Quelle: Toyota Motors Corporation Speichervolumen 180 Liter (+ 320 Liter FC) Speichergewicht 100 kg (+ 230 kg FC) 19

20 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Modularer Aufbau über verschiedene Segmente 20

21 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Dekarbonisierung des Verkehrssektors Treibhausgasemissionen [g CO2 /km] Batteriefahrzeuge 50 Verbrennungsmotoren Benzin Diesel Hybrid (Benzin) Hybrid (Diesel) FCEV H 2 aus Erdgas BEV Strom aus EU-Mix Brennstoffzellenfahrzeuge Normverbrauch BEV und FCEV Volkswagen e-golf 47 MJ/100km Quelle: Volkswagen AG Toyota Mirai 90 MJ/100km Quelle: Toyota Motors Corporation Tesla Model S BEV 100% EE-Strom FCEV 100% EE-H Energieverbrauch Well-to-Wheel [MJ/100km] Quelle: Studien Concawe, EUCAR, JRC und JHFC 79 MJ/100km Quelle: Tesla Inc. Elektromobilität bietet THG-freie Mobilität bei hoher Effizienz Sinnvolle Kombination aus Batterie- und Brennstoffzellenmobilität bietet das Potenzial, straßengebundene Mobilität effizient zu dekarbonisieren. 21

22 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Erneuerbar, intelligent und vernetzt über alle Sektoren Erneuerbare Energien Power-to-X Gewerbe & Industrie Logistik Industrie Büros Öffentliche Gebäude netzferne EV H 2 -to-x Schiffe Gasnetz Mobilität Grundlast BZ KWK Stromnetz Mehrfamilienhäuser BZ-elektrisch 1&2 Familienhäuser Flughäfen batterieelektrisch Hausenergie Smart Grids : H 2 Gas Strom Wärme Kälte 22

23 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Anwendungsmöglichkeiten der Brennstoffzellentechnologie Mobile Anwendungen H 2 Speicher Stationäre Anwendungen Antriebsenergie Strom Wärme APU Industrie Vorteile Elektromobilität mit Brennstoffzelle Hohe Reichweiten (> 500 km) Schnelle Betankung (< 5 min) Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle Hocheffiziente KWK-Anlagen Keine Schadstoffemissionen 23

24 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Technologien zur Energiespeicherung Energiequelle Energiespeicher Energienutzung Kurzzeitspeicher Windenergie Elektrizität Batterien Pumpspeicher Solarenergie Langzeitspeicher H O 2 2 Transportsektor Elektrolyse H 2 Speicher Wasserkraft Industrie Methanisierung Gasspeicher Syn. Kraftstoffe Wärme Die Eigenschaft der Langzeitspeicherung von Wasserstoff ermöglicht eine zeitliche und räumliche Entkopplung der Produktion und der Verwendung. 24

25 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Wasserelektrolyse als Schlüsseltechnologie Power-to-Gas Methanisierung Methan Speicher O 2 H 2 Wasserstoff Erneuerbare Energie Stromnetz Elektrolyse Power-to-Liquid Synthese Synthetische Kraftstoffe Emissionsfreie Wasserstoffproduktion mit Wasserelektrolyse Wasserstoff als Ausgangsstoff zur Produktion von Methan und synthetischen Kraftstoffen (z.b. Kerosin, Benzin) 25

26 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Technologien der Wasserelektrolyse Alkalische Elektrolyse PEM Elektrolyse Festoxid Elektrolyse H 2 OH - O 2 H 2 O H 2 H + O 2 H 2 O H 2 O 2 O 2- H 2 O C < 760 Nm 3 /h Ni/Fe Elektroden Zelltemperatur C Modulgröße (kommerziell) < 225 Nm 3 /h Elektroden Edelmetalle (Pt, Ir) C < 40 Nm 3 /h Dotierte Keramik 26

27 Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Technologien der Wasserelektrolyse Elektrolyse Elektrolysis Methanisierung Aktueller Stand Alkalisch PEM Hochtemperatur katalytisch biologisch Vorteile Kosten-günstig im großen Maßstab Bekannte Technologie Hohe Leistungsdichte Hohe Dynamik Einfache Skalierung Hohe Effizienz bei Wärmenutzung Einfache Skalierung Abwärmenutzung Bewährt Flexibler Betrieb Dynamischer Betrieb Herausforderung Alkalische Flüssigkeit Kaltstart und Teillastverhalten Teure Materialien Korrosion in saurer Umgebung Hoher Temperaturbereich Teure Materialen Unflexible Betriebsweise Biologisches System Im Demonstrationsstadium TRL Effizienz Kosten Perspektive % % % % % /kw /kw /kw /kw /kw Effizienz Kosten % % % /kw /kw /kw % % /kw /kw Quelle: Roadmap Power-to-Gas der Strategieplattform Power-to-Gas, Dena

29 Marktüberblick Technology readiness level (TRL) Kommerzieller Einsatz Vorserienprodukt Feldversuche Prototyp Prüfstand/Labortest Detailliertes Konzept Grundlagenforschung Quelle: Shell Wasserstoffstudie

30 Marktüberblick Brennstoffzellen-PKWs Hyundai ix35 Fuel Cell Honda Clarity 2nd Gen. Hyundai Nexo Toyota Mirai Mercedes GLC f-cell 30

31 Marktüberblick Batterieelektrische PKWs 31

32 Marktüberblick Fahrzeugbestand BEV / FCEV Quelle: KBA Flensburg 32

33 Marktüberblick Wasserstofftankstellen in Deutschland 700 bar 48 in Betrieb 4 fertiggestellt Ziel Quelle: H2.Live; H2 Mobility 33

34 Marktüberblick Brennstoffzellen in Bussen Hamburg 6 Public funding EU & Germany 15 4 Köln Wuppertal 20 FCH JU JIVE 2 & NIP 2 = 26 NIP 1 & regional = Karlsruhe 2 Stuttgart 4 Rhein- Main* 1 1 FCH JU JIVE & NIP 2 = 51 34

35 Marktüberblick Brennstoffzellen für Schienenanwendungen 35

36 Marktüberblick Brennstoffzellen im Güterverkehr ESORO coop BZ-LKW Straßenzulassung seit km Reichweite bei 9min Betankungszeit Nikola ONE Geplante Serienproduktion ab PS Leistung mit 1900km Reichweite Eigenes Tankstellennetz in USA geplant StreetScooter Erprobung der Technologie in 2019/2020 Abhängig von der Förderung bis zu 500 Fahrzeuge 36

37 Marktüberblick Brennstoffzellen für Schiffsanwendungen SchIBZ Pa-X-ell RiverCell Elektra 37

38 Marktüberblick Brennstoffzellen für Fluganwendungen Source: DLR, Jean-Marie Urlacher 38

39 Energiebedarf für PtG [TWh/a] Elektrolysekapazität [GW] Marktüberblick Zukünftiger Bedarf von Wasserelektrolyse DLR et al [Szenario A/B] DLR et al [Szenario A] PIK 2013 [Szenario Kontinuität] PIK 2013 [Szenario Wandel] DLR 2012 [Szenario B] ETG 2012 [Szenario C] LS2011 [Szenario A] LS2011 [Szenario B] Energie- und Elektrolysebedarf zur Wasserstoffprodukion in Deutschland bis Exemplarische Kapazität berechnet für eine durchschnittliche Volllaststundenzahl von 4000 Std/a Year Quelle: Hochloff et al.: Abschlussbericht Metastudie Energiespeicher, Fraunhofer UMSICHT/IWES, Bonn

40 Marktüberblick Aktuelle Power-to-Gas Projekte in Deutschland Gesamte Leistung: Wasserstoff Im Betrieb Geplant Methan Im Betrieb Geplant 17,9 MW 10,4 MW 11,7 MW 7,3 MW 1,0 MW Quelle: 40

41 Marktüberblick Aktivitäten für eine Aktivierung des Marktes Tragfähige Geschäftsmodelle für BZ-Anwendungen und zur Produktion von grünem Wasserstoff Kosten (CAPEX/OPEX) Reduzierung der Investitionskosten Erhöhung der Effizienz Lebensdauer Erhöhung der Lebensdauer bei dynamischen Lasten Reduzierung der Degradation aller Komponenten Politischer Rahmen Anerkennung von Wasserstoff als Energieträger Kraftstoff Markt für BZ- Anwendungen und grünen Wasserstoff Planbarer Markt für grünen Wasserstoff Marktaktivierung im Mobilitätssektor und der Industrie Aktivitäten der NOW GmbH Marktaktivierung NIP F&E Projekte NIP Studien F&E Projekte NIP Studien AFID Umsetzung Begleitung RED II Studie IEK2050 Flottenförderung PKW, Schiene, ÖPNV übers NIP 41

42 Wasserstoffkosten Marktüberblick Anteile des Wasserstoffpreises Gewinn Abgaben (Steuern etc.) Tankstelle (OPEX,CAPEX) Transportkosten Fixe Kosten (Wartung, Pacht etc.) Einfluss auf die jeweiligen Anteile Stromkosten (Eigenproduktion, Zukauf) Betriebsstunden der Anlage Standort der Anlage Umlagen und Abgaben Annuität (Investitionskosten) Stromkosten

43 Anteilige Wasserstoffkosten in /kg Marktüberblick Auswirkung der Stromkosten Berechnung 33 kwh/kg ideal 50 kwh/kg real (Wirkungsgrad) Maximale Stromkosten Stromgestehungskosten WKA 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Stromkosten in /kwh Stromgestehungskosten WKA 0,05 bis 0,10 /kwh 2,50 bis 5,00 /kg EEG Umlage 0,0679 /kwh für ,40 /kg Netzentgelte 0,005 bis 0,03 /kwh 0,25 bis 1,50 /kg

44 NIP Phase II ( ) Regierungsprogramm und Maßnamenkatalog Das Regierungsprogramm und der Maßnahmenkatalog sind auf den Internetseiten des BMVIs und der NOW zugänglich. 44

45 NIP Phase II ( ) Umfang des Programms Regierungsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (1,4 Mrd. ) Der politische Überbau! Ein gemeinsames Programm von BMVI, BMWi, BMBF und BMUB Maßnahmen des BMVI im Rahmen NIP II (250 Mio. bis 2019) Programmdokument BMVI Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Mobilität Förderrichtlinien des BMVI im Rahmen NIP II Koordination des Gesamtprogramms erfolgt über die NOW GmbH Umsetzung der Maßnahmen des BMVI erfolgt über die NOW GmbH Förderrichtlinie für Maßnahmen der Forschung, Entwicklung und Innovation VÖ Laufzeit zunächst bis Förderrichtlinie für Maßnahmen der Marktaktivierung VÖ Laufzeit zunächst bis

46 NIP Phase II ( ) Ausgestaltung des NIP Forschung und Entwicklung Marktaktivierung Technische/Kostenziele Meilensteine (Stückzahlen/Kosten) Angewandte Forschung und Entwicklung Demonstration Wasserstoff im Verkehr Wasserstoff aus erneuerbaren Energien Grundlagenforschung Kraft-Wärme- Kopplung (Hausenergie/ Industrie) Sichere Stromversorgung Kostenreduktion Leitmarkt / Leitanbieter Deutschland Wertschöpfung / Wettbewerbsfähigkeit Deutschland 46

47 Zusammenfassung Was sind die Ziele und Rahmenbedingungen für den Verkehrssektor? Warum kann die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie eine zentrale Rolle im Verkehrssektor einnehmen? Wie ist der aktuelle Stand der Wasserstofftechnologie in Deutschland? 47

48 Vielen Dank! Dr.-Ing. Geert Tjarks Programme Manager Strombasierte Kraftstoffe NOW GmbH Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Fasanenstr.5 D Berlin Telefon: Internet: