Kommerzialisierungschancen in der Wasserstofftechnologie

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1 Kommerzialisierungschancen in der Wasserstofftechnologie 28. April 16 Dr. Manuel C. Schaloske e-mobil BW GmbH

2 Übersicht Einführung Wasserstoff-Anwendungen in der Industrie und im Gasnetz Wasserstoff-Anwendung in der Mobilität Einsatzfelder, Status BZ-Technologie Mengengerüst (Wasserstoffbedarf, Brennstoffzellenfahrzeuge) Einsatz erneuerbaren Stromes zur Wasserstoff-Bereitstellung CO 2 -Emissionsreduktion durch Brennstoffzellen-Mobilität Auswirkungen des Zubaus erneuerbaren Stroms auf das Netz Marktspezifische Aspekte Wirtschaftlichkeit in verschiedenen Sektoren Betankungsinfrastruktur Strategische Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen 28. April 16 2

3 Wasserstoff-Anwendungen in der Industrie und im Gasnetz Industrie Großindustrielle Herstellung von ca. 16 Tsd. Tonnen/Jahr in BaWü Standortkonzentration (KA, WT, HB) Strikte Kostenorientierung verhindert kurzfristige Wirtschaftlichkeit Elektrolyse-H 2 Kurzfristiger Fokus: H 2 in Raffinerien, Substitution Handelswasserstoff onsite Quelle: Schlag: 2009 Gasnetz PtG: Zumischung zum Erdgasnetz ( 2vol%) oder als CH 4 nach Methanisierung Theoretisches PtH 2 -Einspeisepotenzial ca t/jahr (= 0,4 TWh/Jahr) mit regionalem Fokus auf Ballungsgebiete PtCH 4 -Anlagen auf Standorte mit biogener CO 2 -Verfügbarkeit eingeschränkt Kurzfristig keine Wirtschaftlichkeit bei doppelten Gestehungskosten Längerfristig Umstellung auf 100% H 2 -Netze zu erwägen (mit Industrieanbindung) 28. April 16 3

4 Szenarioergebnisse - Fahrzeugbestand Ambitioniertes Szenario: bis 2020 nur wenige BZ-Fahrzeuge in BaWü 2020 bis 2030 beschleunigter Zuwachs auf: Pkw (2,3 % der Gesamt-Pkw-Flotte), LNF (2,5 %), 600 SNF (0,7 %), 900 Busse (15 %), 50 Triebzüge (25 %) SPNV-BZ-Triebzüge und BZ-Busse: geringe Stückzahlen, aber hohe Bestandsanteile Pkw dominiert Schwere Nutzfahrzeuge (SNF) mit BZ-Antrieb spielen zukünftig kaum eine Rolle Konservatives Szenario: BZ-Nischenmarkt auch 2030 nur ~5.000 BZ-Fahrzeuge bis 2030 Logarithmische Skalierung 28. April 16 4

5 Szenarioergebnisse - Wasserstoffbedarf Ambitioniertes Szenario: 2030: MIV dominiert verkehrlichen H 2 -Bedarf (70 %) Insg. 33 Mt H 2 im Jahr 2030 Konservatives Szenario: Insg. 2,3 Mt H 2 im Jahr April 16 5

6 Zentrale Handlungsfelder - Wasserstoff in der Mobilität Tankstellen Netzausbau, Synergieeffekte Verkehrsträger Standardisierung; Reduktion H 2 -Preis Fahrzeugtechnik Volumenfertigung, automatisierte Produktionsverfahren, Stückzahleffekte Kostensenkung: BZ-Stack, Tank, Materialeinsatz Regionale / kommunale Strategien Fahrzeugpooling, Combined Buying, Finanzierungsstrategien im ÖV Vergabeverordnung schadstoffarme Fzg. Selbstverpflichtungen Gesetzgebung EU-RL zur Luftreinhaltung und Lärmminderung Umweltzonen & emissionsfreie Innenstädte CO 2 -Zielwerte / neue Prüfzyklen Sanktionierung konventioneller Antriebe (Maut, Besteuerung, Fahrverbote, ) Anreizsysteme Fördermaßnahmen (Kaufprämien, F&E-Unterstützung, EmoG) Entfall EEG bei Elektrolyse-H 2 aus regener. Strom Kampagnen & Kommunikation 28. April 16 6

7 Technische Reife von BZ-Fahrzeugen heute und in 15 Jahren BZ-Pkw und -Busse am weitesten entwickelt BZ-Nutzfahrzeuge hinken hinterher BZ-Schienenfahrzeuge holen auf 28. April 16 7

8 Zwischenfazit Wasserstoff in der Mobilität Kommunale Fahrzeugflotten, z. B. Busse als Wegbereiter in der BZ-Mobilität dichtes Tankstellennetz notwendig für Pkw, nicht aber für Busse und Schienenfahrzeuge BZ-Pkw im ambitionierten Szenario 2030 Technologie-Wettbewerb zwischen PHEV / BEV / FCEV Regulatorischer Rahmen ist entscheidend für Erfolg der BZ-Technik im Verkehr Wirksamkeit der Instrumente muss in der Praxis getestet werden Gemeinsames Vorgehen aller Akteure aus Politik, Industrie und Verkehr erforderlich 28. April 16 8

9 IEKK: Stromproduktion und spezifische CO 2 -Emissionen in BW Wie kann möglichst erneuerbarer Wasserstoff in Baden-Württemberg erzeugt werden? Inwiefern können dazu überschüssige Strommengen aus Wind- und PV-Anlagen genutzt werden? In welchem Umfang können Emissionen im Verkehrssektor bis 2030 durch H 2 -Mobilität gesenkt werden? Welchen Beitrag zur Integration Erneuerbarer Energien, kann die H 2 -Mobilität leisten? 28. April 16 9

10 BW: Überschussstrom kein Business-Modell für H 2 -Verstromung Stromerzeugung Baden-Württemberg [GW] Ausgewählte Stunden Residuallast [GW] (Jahresdauerlinien) Wasserstoffbedarf gesamt Abgeregelter Strom in BW 2030 (ca.) EE-Erzeugung in BW 2030 (IEKK) Strombedarf in BW 2030 (IEKK) 3,8 TWh el 2,9 TWh el 37,6 TWh el 74,7 TWh el 28. April 16 10

11 Abregelungen der Stromerzeugung und konv. Stromerzeugung Modellgestützte Untersuchung der zukünftigen Stromversorgung einschließlich H 2 -Erzeugung in stündlicher und regionaler Auflösung (BW/D+Nachbarländer) Ergebnis: Einsatz und Auslastung aller installierter Leistungen 28. April 16 11

12 Elektrolyseure: Anteil erneuerbarer Energien in Szenario Basis u. Flex- Basis-Szenario Geringe Flexibilitätsoptionen Der Anteil erneuerbarer Energien ist abhängig von: der Konfiguration der Anlage Flexibilitätsoptionen im Stromsystem Reduzierter innerdeutscher Netzausbau (nur ein HGÜ-Korridor Nord-/Süd bis 2030). Reduzierte Flexibilität von Last, KWK, Elektromobilen (kein DSM, keine Ladesteuerung, KWK wärmegeführt)0 28. April 16 12

13 CO 2 -Minderung durch H 2 -Nutzung erfolgt überwiegend durch PKW <<< <<<<<<< Verkehrssektor: Emissionseinsparungen durch Ersatz von Benzin und Diesel-fahrzeugen inkl. Vorketten (WTW) Stromsektor: Mehremissionen der Stromerzeugung für die Elektrolyseure durch den H 2 Bedarf im Verkehr Busse Emissionen (ktco2) PKW Nutzfahrzeuge Schienenfahrzeuge Gesamt Emissionsminderungen gesamt April 16 13

14 CO 2 -Einsparungen: Sensitivitätsanalyse Komparativer Vorteil der Brennstoffzelle abhängig von technologischer Entwicklung 2. Effizienz der Elektrolyseure 1. Effizienz der Fahrzeuge: Größte Minderungspotentiale Jedoch deutliche technologische Entwicklung notwendig: Anpassung des Fahrverhaltens Tendenz zu kleinen Fahrzeugen Theoretische Werte 1. Effizienz der Fahrzeuge 2. Effizienz der Elektrolyseure: Hohe Effizienzen absehbar (>75%) Durch verbesserte Übertragung Speicherung Fine-Tuning der Anlage 28. April 16 14

15 Elektrolyseure können wichtige Beiträge zur Systemstabilität leisten Technische Leistungsgradienten Elektrolyseure und Kraftwerke im Vergleich: Anforderung Primärregelenergie Leistung muss in 30 Sekunden erbracht werden Nennleistung der konventionellen Kraftwerke für Primärregelung: Kohle: 4% Gas: 6% PEM-Elektrolyse fährt heute innerhalb von 30 Sekunden auf 100% Leistung (aus Hot-Stand-By) Elektrolyseure stellen durch H 2 -Speicher eine sehr flexible Last dar, mit hoher technischer Leistungsfähigkeit und geringen Kosten PEM-Elektrolyseure können ihre gesamte Leistung für Primärregelenergie bereitstellen 28. April 16 15

16 Aktuell erschwerter Marktzugang für Systemdienstleistungen Technische Leistungsgradienten Elektrolyseure und Kraftwerke im Vergleich: Beitrag zur Systemstabilität: Regelenergie: Primärreserve Sekundärreserve Minutenreserve Technisch möglich: Beitrag zur Spitzenlastdeckung Abschaltbare Lasten Netzdienstleistungen: Redispatch Ausgleichsenergie in Verteilnetzen Marktzugang? Nein Teilw. Ja Nein Nein Teilw. Marktbarrieren müssen abgebaut werden Elektrolyseure stellen durch H 2 -Speicher eine sehr flexible Last dar, mit hoher technischer Leistungsfähigkeit und geringen Kosten Günstige Anbieter für Netz- und Systemstabilität 28. April 16 16

17 Teilergebnisse Bis 2030 hat Wasserstoffmobilität mit ca. 5% nur kleinen Anteilen am Stromsektor Einsparungen gegenüber Benzin und Diesel abhängig von Szenarien und der Bilanzierung (Deutschland vs. Baden-Württemberg) ca. 200 t CO2 /Jahr CO 2 -Minderungen bei deutschem Strommix 350 t CO2 /Jahr CO 2 -Minderungen bei Verwendung erneuerbarer Energien Technische Entwicklung kann CO 2 -Emissionen erhöhen. Wichtiger Beitrag zur Systemstabilität. Elektrolyseure und Wasserstoff-Speicher an den Tankstellen können kostengünstig Systemdienstleistungen erbringen. Einsatz von Wasserstoff im Verkehr leistet wesentlichen Beitrag zur Decarbonisierung des Verkehrssektors nach 2030 Steigende EE-Anteile und sinkende spezifische Emissionen Starker Zuwachs der Brennstoffzellenfahrzeuge 28. April 16 17

18 Wirtschaftlichkeit Positives Geschäftsmodell im Verkehr Niedrigste Kosten (2-3 /kg): im Stromsektor wegen direkter Wasserstoffnutzung Höchste Kosten (5 /kg): im Erdgassektor wegen höchster Nachfragefluktuation Unterschiede begründet durch unterschiedliche Elektrolyseurauslastung und sektorale H 2 -Infrastrukturerfordernisse Stromkosten haben größten Kostenanteil in allen untersuchten Anwendungen Unter gesetzten Rahmenbedingungen mittelfristig wirtschaftlich positives Geschäftsmodell nur im Verkehrssektor Spez. Wasserstoffbereitstellungskosten * H 2 -Verkaufspreise für Industrie und Erdgasnetz aus PlanDelyKaD, 2015 Erzielbare sektorale H 2 - Verkaufspreise* 28. April 16 18

19 Sensitivitätsanalyse Großer Einfluss der Stromnebenkosten Fallunterscheidung Worst Case: Stromnebenkosten Best Case: Strompreisvolatilität und Elektrolysekosten Green Case: Anteil REG-Strom Sensitivitätsanalysen für H 2 -Kostenanalyse H 2 -Kosten können durch Stromnebenkosten (EEG-Umlage, Netzentgelte, etc.) auf 10 /kg H2 steigen Vornehmlicher Einsatz von REG-Strom steigert H 2 -Kosten um 2-3 /kg H2 Begrenzter Einfluss der Elektrolyse wegen hoher Auslastung Niedrigste Kosten je nach Einsatz durch Kompromiss aus CAPEX und OPEX des Elektrolyseur-Speichersystems 28. April 16 19

20 Betankungsinfrastruktur Steigerung der H 2 -Kosten um 1-2 /kg H2 Elektrolysekapazität Baden-Württemberg ca MW el bis 2030 Infrastruktur für Verkehrssektor und schlechte Auslastung der Elektrolyse steigern H 2 - Bereitstellungskosten um ca. 1-2 /kg H2 (Beitrag Tankstelle ca. 0,8 /kg H2 ) Onsite Elektrolyse günstiger als regionale H 2 -Produktion mit Lkw-Anlieferung, Kombination fördert Anlagenauslastung und verringert die Gesamtkosten Hohes Wertschöpfungspotenzial für Baden-Württemberg insbesondere im Anlagenbau erwartet 28. April 16 20

21 CO 2 -Emissionen Großes Reduktionspotenzial im Verkehr Spezifische CO 2 -Emissionen g CO2 /kwh ergeben sich aus Strommix 2030 CO 2 -Emissionsreduktionspotenzial hängt von CO 2 -Stromintensität und Wirkungsgrad der Elektrolyse ab Einsparungen im Verkehr > 400 g CO2 /kwh, im Vergleich zu Wasserstoff aus Erdgas-Dampfreformierung aber nur 40 g CO2 /kwh Einsparung für BW von ca ton CO2 /Jahr ( 1,4% aller Verkehrsemissionen BW), mit stark steigendem Minderungspotenzial Spez. CO 2 -Emissionen der H 2 -Bereitstellung Trägt DLR vor 28. April 16 21

22 Strategische Zusammenfassung Der Verkehrssektor ermöglicht durch den Einsatz von Brennstoffzellen die früheste Kommerzialisierung von Wasserstoff (Straßen- und Schienenverkehr) Andere Sektoren lassen wirtschaftliche Etablierung von H 2 -Energie bis 2030 nur in Nischen zu: H 2 -Zumischung im Erdgasnetz Substitution potenzial-beschränkter Biokraftstoffe in Raffinerien Einsatz von H 2 -Tankstellen als dezentrale Energiezentralen Intersektorale Synergien bestehen in gemeinsamer H 2 -Infrastrukturnutzung und besserer Anlagenauslastung durch Ausbalancierung der sektoralen H 2 -Nachfrageprofile Systemdienstleistungen der Elektrolyseure ermöglichen, mehr erneuerbaren Strom zur Versorgung des Verkehrssektors in das Energiesystem zu integrieren CO 2 -Einsparung aus dem H 2 -Einsatz im Verkehr bis 2030 ca t/jahr, danach viel mehr Wertschöpfungspotenzial in Baden-Württembergs ist besonders für den H 2 -Anlagenbau gegeben 28. April 16 22

23 Handlungsempfehlungen Wasserstoff aus erneuerbarem Strom sukzessive über wirtschaftlichste Optionen einführen Infrastrukturbedarf für und Netzdienlichkeit von BEV und FCEV noch detailliert zu vergleichen Baden-Württemberg soll Nutzung erneuerbarer Energien ländergrenzenübergreifend planen Politische Unterstützung H 2 -Infrastruktur durch regulatorische/fördernde Maßnahmen erforderlich 28. April 16 23

24 Vielen Dank! Dr. Manuel C. Schaloske, e-mobil BW GmbH 28. April 16