Elektrolyse an Wasserstofftankstellen eine geeignete Anwendung von Power to Gas?

Elektrolyse an Wasserstofftankstellen eine geeignete Anwendung von Power to Gas? Fabian Grüger 20.06.2017 Jahreskonferenz Power to Gas Off-Grid Systems at RLI off-grid@rl-institut.de

Agenda 1 Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? 2 Projekt H2BER Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? 3 Projekt H2BER Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit 4 Fazit 2 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Tankstellennetz heute Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Status Quo H 2 -Tankstellen Wasserstofftankstellen in Deutschland Gegenwärtig gibt es 28 H 2 -Tankstellen, ~30 sind im Bau. Quelle: H 2 Mobility 4 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Tankstellennetz 2023 Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Ausbaupläne H 2 -Tankstellen Wasserstofftankstellen in Deutschland Gegenwärtig gibt es 28 H 2 -Tankstellen, ~30 sind im Bau. H 2 Mobility plant: bis 2018: 100 Tankstellen bis 2023: 400 Tankstellen Quelle: H 2 Mobility 5 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Anzahl Tankstellen Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Ausbaupläne H 2 -Tankstellen 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Wasserstofftankstellen in Deutschland Gegenwärtig gibt es 28 H 2 -Tankstellen, ~30 sind im Bau. H 2 Mobility plant: bis 2018: 100 Tankstellen bis 2023: 400 Tankstellen * Quelle: Huétink, F. J. et al., Initial infrastructure development strategies for the transition to sustainable mobility, October 2010 Das Tankstellennetz muss darüber hinaus weiter ausgebaut werden. 6 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Bedarf an Elektrolyse Bedarf an Elektrolyse Mittelfristig sollte der Wasserstoff für Tankstellen vollständig aus Elektrolyse stammen. bei 100 Tankstellen sind etwa 40 MW Elektrolyseleistung nötig bei 400 Tankstellen sind etwa 160 MW Elektrolyseleistung nötig 7 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Bedarf an Elektrolyse Bedarf an Elektrolyse Mittelfristig sollte der Wasserstoff für Tankstellen vollständig aus Elektrolyse stammen. bei 100 Tankstellen sind etwa 40 MW Elektrolyseleistung nötig bei 400 Tankstellen sind etwa 160 MW Elektrolyseleistung nötig Perspektivisch: Wenn 10 % der PKW-Strecken mit H 2 zurückgelegt werden, sind etwa 4 GW Elektrolyseleistung nötig 8 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wirtschaftlichkeit von Onsite-Elektrolyse Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Bedarf an Elektrolyse Onsite-Elektrolyse vs. zentrale Elektrolyse: geringe Elektrolyseleistung führt zu höheren spezifischen Kosten + niedrigere Hürde, da geringeres Invest + Keine Transportlogistik und -kosten 9 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wirtschaftlichkeit von Onsite-Elektrolyse Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Bedarf an Elektrolyse Onsite-Elektrolyse vs. zentrale Elektrolyse: geringe Elektrolyseleistung führt zu höheren spezifischen Kosten + niedrigere Hürde, da geringeres Invest + Keine Transportlogistik und -kosten H 2 kann an Tankstellen zu einem hohen Preis verkauft werden: gegenwärtig etwa 8 /kg netto. Wirtschaftlichkeit ist gegenwärtig dennoch nicht gegeben. 10 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wirtschaftlichkeit von Onsite-Elektrolyse Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Bedarf an Elektrolyse Onsite-Elektrolyse vs. zentrale Elektrolyse: geringe Elektrolyseleistung führt zu höheren spezifischen Kosten + niedrigere Hürde, da geringeres Invest + Keine Transportlogistik und -kosten H 2 kann an Tankstellen zu einem hohen Preis verkauft werden: gegenwärtig etwa 8 /kg netto. Wirtschaftlichkeit ist gegenwärtig dennoch nicht gegeben. Kann die Vermarktung der Flexibilität dies ändern? 11 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Projektvorstellung H2BER Zeitraum: 01.01.2015 31.12.2016 Ort: Flughafen BER Entwicklung intelligenter Betriebsstrategien für die H 2 -Tankstelle am Flughafen BER Simulation aller Tankstellenkomponenten, wie Elektrolyse, H 2 -Speicher und -Verdichter Förderung Entwicklung intelligenter Betriebsstrategien mit Berücksichtigung von Prognosen Optimierung der Komponentenauslegung für zukünftige Tankstellen Partner 13 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Projektvorstellung H2BER H 2 -Feststoffspeicher H 2 -Niederdruckspeicher Druckelektrolyseur H 2 -Mitteldruckspeicher Nicht sichtbar: Hochdruckverdichter, Hochdruckspeicher, H 2 -Dispenser und bivalentes BHKW 14 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017 Quelle: RLI

Flexibilitätsoptionen für Elektrolyse Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Flexibilitätsoptionen Spotmarktteilnahme (Arbitrage) 15 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Flexibilitätsoptionen für Elektrolyse Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Flexibilitätsoptionen Spotmarktteilnahme (Arbitrage) Regelenergiemarktteilnahme Primär Sekundär Tertiär (Minutenreserve) 16 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Flexibilitätsoptionen für Elektrolyse Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Flexibilitätsoptionen Spotmarktteilnahme (Arbitrage) Regelenergiemarktteilnahme Primär Sekundär Tertiär (Minutenreserve) Kopplung mit Erneuerbaren Energien Prognosefehlerausgleich Peak-Shaving / Valley-Filling Gezielte Nutzung des EE-Stroms & Spotmarktteilnahme 17 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Flexibilitätsoptionen für Elektrolyse Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Flexibilitätsoptionen Spotmarktteilnahme (Arbitrage) Regelenergiemarktteilnahme Primär Sekundär Tertiär (Minutenreserve) Kopplung mit Erneuerbaren Energien Prognosefehlerausgleich Peak-Shaving / Valley-Filling Gezielte Nutzung des EE-Stroms & Spotmarktteilnahme 18 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt I: Spotmarkt- Szenario 19 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Verdichter Nachfrage gemäß Tankstellenklasse Small I: Spotmarkt- Szenario Elektrolyseur Nennleistung: ~450 kw Überlast: ~650 kw Niederdruckspeicher Druck: 45 bar Volumen: 95 m³ Hochdruckspeicher Druck: 1.000 bar Volumen: 0,9 m³ 20 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Vortag Erfüllungstag 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 23:00-0:00 21 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Vortag Erfüllungstag 12 Uhr Day-ahead Auktion: - Market clearing price - Stundenkontrakte 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 23:00-0:00 22 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Vortag Erfüllungstag 12 Uhr 15 Uhr Day-ahead Auktion: - Market clearing price - Stundenkontrakte Intraday Auktion: - Market clearing price - ¼ - Stundenkontrakte 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 23:00-0:00 23 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Vortag Erfüllungstag 12 Uhr 15 Uhr Day-ahead Auktion: - Market clearing price - Stundenkontrakte 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 23:00-0:00 Intraday Auktion: - Market clearing price - ¼ - Stundenkontrakte Intraday Handel (kontinuierlich): - Pay-As-Bid - Handel bis 30 Minuten vor Erfüllung möglich - ¼ - Stundenkontrakte 24 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Vortag Erfüllungstag 12 Uhr 15 Uhr Day-ahead Auktion: - Market clearing price - Stundenkontrakte Verwendung als Strompreisprognose 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 23:00-0:00 Intraday Auktion: - Market clearing price - ¼ - Stundenkontrakte Intraday Handel (kontinuierlich): - Pay-As-Bid - Handel bis 30 Minuten vor Erfüllung möglich - ¼ - Stundenkontrakte 25 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Vortag Erfüllungstag 12 Uhr 15 Uhr Day-ahead Auktion: - Market clearing price - Stundenkontrakte Verwendung als Strompreisprognose 0:00-1:00 1:00-2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 23:00-0:00 Intraday Auktion: - Market clearing price - ¼ - Stundenkontrakte Intraday Handel (kontinuierlich): - Pay-As-Bid - Handel bis 30 Minuten vor Erfüllung möglich - ¼ - Stundenkontrakte Stromeinkauf für Elektrolyse 26 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Leistung des Elektrolyseurs Strompreis Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Zeit Zeit 27 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Leistung des Elektrolyseurs Strompreis Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme Spotmarkt Zeit Zeit 28 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL) Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme f [Hz] II: Regelenergiemarktteilnahme (Szenario I + SRL) 29 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL) Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme f [Hz] II: Regelenergiemarktteilnahme (Szenario I + SRL) Gebotene Leistung: 200 kw 30 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL) Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) 31 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL) Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) Elektrolyseur 32 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL) Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) Elektrolyseur 33 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL) Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) Negative Regelleistung Elektrolyseur 34 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Windenergieanlagen-Anbindung Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien III: Windenergieanlagen-Szenario (Szenario I + Windenergieanlage) 35 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Windenergieanlagen-Anbindung Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien III: Windenergieanlagen-Szenario (Szenario I + Windenergieanlage) Windenergieanlage (WEA) in räumlicher Nähe Nennleistung: 1,2 MW 36 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Leistung Windenergieanlagen-Anbindung Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien Erzeugung Windenergieanlage Zeit 37 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Leistung Windenergieanlagen-Anbindung Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien Max. Leistung Elektrolyseur Zeit 38 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Leistung Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien Windenergieanlagen-Anbindung Verkauf am Spotmarkt (keine EEG-Vergütung) Max. Leistung Elektrolyseur Zeit 39 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Leistung Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien Windenergieanlagen-Anbindung Zukauf am Spotmarkt Verkauf am Spotmarkt (keine EEG-Vergütung) Max. Leistung Elektrolyseur Zeit 40 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Methodik zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Methodik Simulation eines Jahres in ¼-Stunden-Auflösung 42 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Methodik zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Methodik Simulation eines Jahres in ¼-Stunden-Auflösung Annuitätenmethode, Berücksichtigung von Invest- und Betriebsausgaben für: Elektrolyse Niederdruckspeicher Hochdruckspeicher Verdichter Dispenser und Kühlung Verrohrung / Aufbau Windenergieanlage (WEA) 43 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Methodik zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Methodik Simulation eines Jahres in ¼-Stunden-Auflösung Annuitätenmethode, Berücksichtigung von Invest- und Betriebsausgaben für: Elektrolyse Niederdruckspeicher Hochdruckspeicher Verdichter Dispenser und Kühlung Verrohrung / Aufbau Windenergieanlage (WEA) Umlage der Gesamtkosten auf die nachgefragte Wasserstoffmasse /kg 44 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 14 12 10 8 6 4 2 0 Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 7,98 /kg Abgabepreis Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 45 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 13,06 /kg 14 12 10 8 6 4 2 0 Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 7,98 /kg Abgabepreis Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 46 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 13,06 /kg 12,85 /kg 14 12 10 8 6 4 2 0 Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 7,98 /kg Abgabepreis Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 47 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 14 12 10 8 6 4 2 0 13,06 /kg 12,85 /kg 11,58 /kg Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 10,79 /kg Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 7,98 /kg Abgabepreis 48 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 14 12 10 8 6 4 2 0 13,06 /kg 12,85 /kg 11,58 /kg Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 10,79 /kg 9,32 /kg Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 7,98 /kg Abgabepreis 49 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien Spotmarkt mit Vorausschau Spotmarkt simpel WEA 50 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien Enthält Kosten für Aufbau und Betrieb der WEA Enthält Erlöse aus dem Verkauf von nicht für Elektrolyse nutzbaren Strom Spotmarkt mit Vorausschau Spotmarkt simpel WEA Reduziert auf 40 % 51 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien Sankey-Diagramm: WEA-Szenario 52 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien Sankey-Diagramm: WEA-Szenario 53 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 14 12 10 8 6 4 2 0 13,06 /kg 12,85 /kg 11,58 /kg Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 10,79 /kg 9,32 /kg Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 7,98 /kg Abgabepreis 54 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

H 2 -Gestehungskosten in /kg Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien 14 12 10 8 6 4 2 0 13,06 /kg 12,85 /kg 11,58 /kg Spotmarkt SRL WEA WEA "Medium" 10,79 /kg 9,32 /kg 8,07 /kg Simpel Mit Vorausschau Ohne Umlagen 7,98 /kg Abgabepreis 55 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Fazit Fazit 1. Im Verkehrssektor können hohe H 2 -Preise erzielt werden. 57 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Fazit Fazit 1. Im Verkehrssektor können hohe H 2 -Preise erzielt werden. 2. Der Markt kann eine bedeutende Größe erreichen. 58 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Fazit Fazit 1. Im Verkehrssektor können hohe H 2 -Preise erzielt werden. 2. Der Markt kann eine bedeutende Größe erreichen. 3. Auslastung der Tankstellen ist sehr wichtig für die Wirtschaftlichkeit. 59 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Fazit Fazit 1. Im Verkehrssektor können hohe H 2 -Preise erzielt werden. 2. Der Markt kann eine bedeutende Größe erreichen. 3. Auslastung der Tankstellen ist sehr wichtig für die Wirtschaftlichkeit. 4. Flexibilität der Onsite-Elektrolyse kann gut in Verbindung mit einer WEA genutzt werden. 60 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Fazit Fazit 1. Im Verkehrssektor können hohe H 2 -Preise erzielt werden. 2. Der Markt kann eine bedeutende Größe erreichen. 3. Auslastung der Tankstellen ist sehr wichtig für die Wirtschaftlichkeit. 4. Flexibilität der Onsite-Elektrolyse kann gut in Verbindung mit einer WEA genutzt werden. 5. Die Wirtschaftlichkeit kann erreicht werden, wenn Regularien für Eigenstromnutzung angepasst werden. 61 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Vielen Dank! Kontakt: Fabian Grüger Tel.: +49 30 1208-434-34 fabian.grueger@rl-institut.de Reiner Lemoine Institut ggmbh Rudower Chaussee 12 12489 Berlin 62 Reiner Lemoine Institut Jahreskonferenz Power to Gas 2017