DBI - Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
An-Institut der TU Bergakademie Freiberg
Dezentrale Sektorkopplung und Hybride Energiespeichersysteme
TU Dresden, 15.11.2016
Prof. Dr. Hartmut Krause
Potenzialanalyse zur Erzeugung und Bedarf von
Grünem Wasserstoff aus P2G für die Sektorkopplung
in der mitteldeutschen Chemieregion
Motivation zur Potenzialanalyse im Rahmen der HYPOS-Initiaive
Status Quo des Wasserstoffverbrauches in der Region
Mitteldeutschland
Entwicklung der Erzeugungskapazitäten von EE-Strom in der Region
Potenziale zur Wasserstofferzeugung und deren Einsatz
Zusammenfassung und kurzer Ausblick
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 215.11.2016
INHALT
Ziele der HYPOS-Initiative
Ein Ansatz zur Sektorkopplung
Die Region
MOTIVATION ZUR POTENZIALANALYSE IM RAHMEN
DER HYPOS-INITIATIVE
MOTIVATION UND ZIELE
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 415.11.2016
Herausforderungen als Chance
Sektorkopplung und Netzintegration erneuerbarer Energien über
Wasserstoffspeicherung
Wirtschaftliche Bereitstellung von grünem Wasserstoff für
Chemie, Mobilität und urbane Energieversorgung
MissionHYPOS will über grünen Wasserstoff das Chemiestoffstromnetz, das
Erdgasnetz und die elektrischen Netze in Ostdeutschland modellhaft
verbinden und damit fehlende System- und Netzwerkinnovationen für
eine Wirtschaftlichkeit von sicherem grünen Wasserstoff erreichen.
Alleinstellungsmerkmale der HYPOS-Region
Zweitgrößtes Wasserstoffpipelinenetz in Deutschland (150 km)
Kavernenspeicher und Umspannwerke in direkter Umgebung
Höchstes Potential an kombinierter PV + Windkraft in Deutschland
MOTIVATION UND ZIELE
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 515.11.2016
Herausforderungen als Chance
Sektorkopplung und Netzintegration erneuerbarer Energien über
Wasserstoffspeicherung
Wirtschaftliche Bereitstellung von grünem Wasserstoff für
Chemie, Mobilität und urbane Energieversorgung
MissionHYPOS will über grünen Wasserstoff das Chemiestoffstromnetz, das
Erdgasnetz und die elektrischen Netze in Ostdeutschland modellhaft
verbinden und damit fehlende System- und Netzwerkinnovationen für
eine Wirtschaftlichkeit von sicherem grünen Wasserstoff erreichen.
Alleinstellungsmerkmale der HYPOS-Region
Zweitgrößtes Wasserstoffpipelinenetz in Deutschland (150 km)
Kavernenspeicher und Umspannwerke in direkter Umgebung
Höchstes Potential an kombinierter PV + Windkraft in Deutschland
- Kavernenspeicher
Bad Lauchstädt
Die HYPOS-Region bietet einen Keim für eine zukünftige Kopplung der
Sektoren durch ihre Potenziale in Erzeugung und Bedarf
Basis sind Wertschöpfungsketten entlang derer
die Kosten (Investitions-, Betriebs- und Gestehungskosten) für die
einzelnen Elemente ermittelt
die Endverbraucherpreise für Wasserstoff/Endenergie abgeleitet
das Kostensenkungspotenzial durch F&E-Entwicklungen bestimmt
Anhand der Endverbraucherpreise können
Handlungsempfehlungen für Forschung und Entwicklung abgeleitet und
Geschäftsmodelle entwickelt, bewertet, verbessert werden
die Potenziale verschiedener Märkte für EE-Gase bewertet
Die Wertschöpfungskettenanalyse basiert auf Erhebungen
verschiedener Studien (NOW, DVGW, HYPOS)
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 615.11.2016
EIN ANSATZ ZUR SEKTORKOPPLUNG
Die HYPOS-Region bietet einen Keim für eine zukünftige Kopplung der
Sektoren durch ihre Potenziale in Erzeugung und Bedarf
Basis sind Wertschöpfungsketten entlang derer
die Kosten (Investitions-, Betriebs- und Gestehungskosten) für die
einzelnen Elemente ermittelt
die Endverbraucherpreise für Wasserstoff/Endenergie abgeleitet
das Kostensenkungspotenzial durch F&E-Entwicklungen bestimmt
Anhand der Endverbraucherpreise können
Handlungsempfehlungen für Forschung und Entwicklung abgeleitet und
Geschäftsmodelle entwickelt, bewertet, verbessert werden
die Potenziale verschiedener Märkte für EE-Gase bewertet
Die Wertschöpfungskettenanalyse basiert auf Erhebungen
verschiedener Studien (NOW, DVGW, HYPOS)
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 715.11.2016
EIN ANSATZ ZUR SEKTORKOPPLUNG
Quelle: DVGW
HYPOS Kernregion: 50 km um H2-Pipeline (gemeindegenau)
DIE HYPOS-REGION
15.11.2016 Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 8
Ansätze der Analyse
H2-Erzeugung und Verbrauchsdaten
STATUS QUO DES WASSERSTOFFVERBRAUCHES IN
DER REGION MITTELDEUTSCHLAND
Analyse von Wasserstoffproduktion und -verteilung
Lage/Kapazität der bestehenden Wasserstoffpipeline
Recherche von Standorten und Kapazitäten zur Wasserstofferzeugung
Bedingt durch Compliance-Vorgaben in den Produktionsunternehmen
liegen nur sehr wenige Informationen zur Vertriebsseite vor
Analyse der Wasserstoffverbraucher in HYPOS-Region
Screening von Unternehmen mit potenziellem Wasserstoffverbrauch
GIS-Erfassung, Adressidentifizierung
Befragung der Unternehmen mit Wasserstoffverbrauch (>50,
Rücklauf >45 %), Ergänzung durch Berechnungen anhand von
Produktionsdaten (>25 %), wesentliche Bedarfsträger erfasst
WASSERSTOFFPRODUKTION UND -VERBRAUCH
IN DER HYPOS-REGION
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1015.11.2016
WASSERSTOFFPRODUKTION UND -VERBRAUCH
IN DER HYPOS-REGION
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1115.11.2016
Modellregion Kernregion
Erfassung von Bedarf und Branche der Wasserstoffverbraucher
Identifikation eines Bedarfes von ca. 4,8 Mrd. m³/a in 7 Branchen
Große Spannbreite des Bedarfs einzelner Verbraucher von
<1.000 m³/a bis >100 Mio. m³/a
WASSERSTOFFPRODUKTION UND -VERBRAUCH
IN DER HYPOS-REGION
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1215.11.2016
44%
49%
0,11%0,53%
6%
0,25%
0,04%1%
Wasserstoffbedarf nach Branchen
Ammoniakerzeugung
Kraftstoffe/Öl
Kunststoffe
Glasindustrie
chemische Industrie
Halbleiter
Metallverarbeitung
Wasserstoffbedarf nach Branchen
Analyse der Versorgungs- und Erzeugungsstruktur
Großteil der Bedarfsträger wird mit Wasserstoff beliefert (Pipeline, Trailer o.ä.)
Anzahl der Nutzer mit Eigenerzeugung geringer (32 %), Bedarf dieser Nutzer
ist aber wesentlich höher
Erzeugung (insgesamt 5,3 Mrd. Nm³ p.a.) wird dominiert von
Reformierungsverfahren
WASSERSTOFFPRODUKTION UND -VERBRAUCH
IN DER HYPOS-REGION
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1315.11.2016
32%
61%
7%
H2-Versorgung (Modellregion)
Eigenerzeugung
externe H2-Versorgungohne Angabe
2%
54%
44%
Erzeugungskapazitäten nach Verfahren
Chlor-Alkali-Elektrolyse
Konventionell -katalytischeReformierung
Konventionell -ohne Angabe /andere
H2-Versorgung H2-Erzeugungskapazitäten
Strommix aktuell
Prognose der Erzeugungskapazitäten
ENTWICKLUNG DER ERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN VON
EE-STROM IN DER REGION
EE-STROMERZEUGUNG IN DER HYPOS-REGION
ANALYSE AKTUELLER EE-STANDORTE
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1515.11.2016
Mix der EE-Stromerzeugung 2013
Ermittlung von Residuallasten in der HYPOS-Region
Zuordnung von Lasten und anderen Erzeugern der Region
Bestimmung der Residuallast in der HYPOS-Region
Abgleich mit anderen Studien (u.a. GridLab, IWES, FZJ)
Ermittlung des Wasserstofferzeugungspotenzials per Elektrolyse
Prognose der Stromproduktion
Ausgangsjahr 2013 (Abgleich mit BDEW-Statistik und EE-Anlagenregister)
Berechnung nach NEP 2014 (Stützjahre 2024 und 2034, Bundesland-
ebene) und EEG 2014
Lineare Fortschreibung des Zubaus an EE-Anlagen
Berücksichtigung inner-/außerdeutsche Exporte
EE-STROMERZEUGUNG IN DER HYPOS-REGION
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1615.11.2016
ausreichend Potenzialflächen trotz
restriktivster Faktoren vorhanden, um
Ausbauziele zu erreichen (105 TWh/a)
Annahme:
Repowering mit konstanter Leistung
innerhalb der HYPOS-Kernregion nur
im Süden potenzieller Zubau
für jedes Stützjahr werden die
Ausbauziele auf die potenziellen
Standorte übertragen (Priorisierung
nach spezifischem Ertrag)
PROGNOSE WINDKRAFTANLAGEN -
AUSBAUPOTENZIAL
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1715.11.2016
ausreichend Potenzialflächen
vorhanden, um Ausbauziele zu
erreichen (33 TWh/a)
Annahme:
Repowering mit konstanter Leistung
urbane Gebiete zeigen hohes
Potenzial für Dachanlagen
Auswertung erfolgt aufgrund
umfangreicher Datenmenge auf
Gemeindeebene
PROGNOSE PHOTOVOLTAIK –
AUSBAUPOTENZIAL
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1815.11.2016
PROGNOSE STROMMIX IN DER HYPOS-
MODELLREGION BIS 2050
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 1915.11.2016
Überschuss
Exporte
Regionaler Bedarf
Erzeugungspotenzial
Konventionelle
Biomasse und Gase
Windenergie (On-&Offshore)
Last inkl. Netzverluste ohne Import/Export
Müll und Sonstige
Wasserkraft
PV
Inner-/außerdeutsche Exporte
Konservative Prognose, bei gleichbleibenden Exporten in Nachbarregionen
Ein Szenarienansatz
Prognose des Wasserstoffbedarfes
POTENZIALE ZUR WASSERSTOFFERZEUGUNG UND
DEREN EINSATZ
ENTWICKLUNGSSZENARIEN FÜR DIE PROGNOSE DES
WASSERSTOFFVERBRAUCHES
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2115.11.2016
Fortführung des gegenwärtigen Trends wirtschaftlicher Entwicklungen
• wirtschaftliche Entwicklung Chemie, Energie- und Rohstoffpreise, Verzögerter
Ausbau der Übertragungsnetze
• Keine Änderung der gesetzl. Rahmenbedingungen
kein EE-Wasserstoff
Begrenzter Ausbau in einzelnen Bereichen
• Einsatz in der konventionellen Kraftstoffproduktion & in der Feinchemie
• Moderate Absatzsteigerung in der Mobilität (Flottenverkehr)
• Anrechnung auf Biokraftstoffquote
• Befristete Steuerbefreiung von H2 als Kraftstoff
Forcierter Ausbau in allen Bereichen inkl. politischer Unterstützung
• Einsatz in allen Bereichen der Chemieindustrie, Mobilität (Flotten- und
Individualverkehr)
• Energetische Nutzung durch KWK in Industrie, Gewerbe und Wohnungsbau
• Preisanstieg CO2-Zertifikate
• Anerkennung von grünem H2 als EE in EEWärmeG bzw. EnEV
Wasserstoffverbrauch der chemischen Industrie ist annähernd
konstant, Produktionssteigerungen werden durch Effizienz
ausgeglichen
Szenario Trend: Grüner Wasserstoff nur über Chlor-Alkali-
Elektrolyse (EE-Anteil Strommix berücksichtigt)
Szenario Konservativ: Überschussstrom wird bis max. 50% zu
Wasserstoff umgesetzt (linearer Anstieg von 0% 2015 bis 50%
2050)
Szenario Progressiv: Überschussstrom wird bis max. 100% zu
Wasserstoff umgesetzt (linearer Anstieg von 0% 2015 bis
100% 2050)
RANDBEDINGUNGEN DER SZENARIEN
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2215.11.2016
Ergebnisse:
Substitutionspotential Industrie
ca. 1,3 Mrd. m³/a
Deckung des Substitutionspotentials
in der Kernregion ab 2025
In der Modellregion ab 2035
Alternative Nutzung des
Überschussstroms (PtH, Export,
Abschaltung)
KONSERVATIVES SZENARIO
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2315.11.2016
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
2013 2020 2025 2030 2035 2040 2050
Su
bsti
tuti
on
sp
ote
nti
al
grü
ner
H2
in M
rd. m
³/a
Kernregion Modellregion
Ansätze:
Zusätzliche H2-Erzeugung durch Elektrolyse
Nutzung von 50 % des Überschussstroms
Nutzung des grünen H2 in:
Industrie nach technischen Möglichkeiten
Kraftstofferzeugung und Feinchemie
Übrige Industrie in der HYPOS-Kernregion
Industrie außerhalb der Kernregion
Flottenverkehr (Busse) in Ballungszentren
PROGRESSIVES SZENARIO
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2415.11.2016
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2013 2020 2025 2030 2035 2040 2050
Su
bs
titu
tio
ns
po
ten
tia
l g
rün
er
H2
in M
rd. m
³/a
Kernregion Modellregion
Ergebnisse:
Vollständige Nutzung des
prognostizierten grünen H2 möglich
Ab etwa 2025 wird Nutzung auf
Modellregion erweitert
Vermeidung der Abschaltung von EE-
Anlagen
Ansätze:
Zusätzliche H2-Erzeugung durch Elektrolyse
Nutzung von 100 % des Überschussstroms
Nutzung des grünen H2 wie konservatives
Szenario plus:
Strom- und Wärmeerzeugung durch
Substitution von Erdgas
Erweiterung auf Individualverkehr
ERGEBNIS DER SZENARIEN-BERECHNUNG
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2515.11.2016
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2013 2020 2025 2030 2035 2040 2050
H2-B
ed
arf
/ H
2-E
rze
ug
un
g in
Mrd
. m
³/a
Erzeugungspotential für grünen Wasserstoff und Bedarf der Industrie in der HYPOS-Modellregion bis 2050
Trend-Szenario Konservatives Szenario
Progressives Szenario H2-Bedarf der Industrie
Wasserstoffabsatz nach Szenarien in den Sektoren Chemie, Mobilität und
Energieversorgung im Vergleich zum H2-Bedarf in der Chemieindustrie
H2-Industriebedarf
substituierbar
H2-Industriebedarf
vollständig
H2-B
ed
arf
/ H
2-E
rze
ug
un
g in
Mrd
m3/a
Trend- Szenario Konservatives Szenario
Progressives Szenario H2-Bedarf der Industrie
2040: 87 % Abdeckung Strom/Wärme im 3km-Umfeld der Pipeline (ca. 3 Mrd. Nm³/a)
2050: Abdeckung Strom/Wärme im 3 km-Umfeld, Erweiterung auf Verbrauchszentren
VERTEILUNG DER VERBRAUCHSREGIONEN
PROGRESSIVES SZENARIO
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden
26
15.11.2016
2040 2050
ZUSAMMENFASSUNG UND KURZER AUSBLICK
Wertschöpfungskettenanalyse zu grünem Wasserstoff
Potentialanalyse zur Erzeugung von EE-Strom im HYPOS
Modellgebiet (NBL + Berlin)
Gemeindegenaue Bewertung der Potenziale für Windkraft und PV
Standortgenaue Analyse des aktuellen Wasserstoffverbrauchs (ca. 4,8
Mrd. m³/a) und der Wasserstofferzeugung
Berechnung von Szenarien zur Erzeugung und Nutzung von
Wasserstoff aus Erneuerbarem Strom bis 2050
Trend (ca. 0,1 Mrd. m³ 2050)
Konservativ (H2-Potential ca. 4,5 Mrd. m³; Nutzung ca. 1,3 Mrd. m³ 2050)
Progressiv (ca. 9,0 Mrd. m³ 2050)
ZUSAMMENFASSUNG
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2815.11.2016
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 2915.11.2016
WERTSCHÖPFUNGSKETTENANALYSE –
GESAMTÜBERSICHT
Metastudie DVGW-NOW-DBI 2923.06.2015
EE-Direktstrom
WEA/PV/Biomasse
Stromnetz inkl. Trafo
Strombereitstellung für Elektrolyse
(Trafo, Gleichrichter,…)
Elektrolyse
PEM/AEL
Zwischenspeicher
Einspeiseanlage/
Gasnetz
Erdgasnetz
[Cent/kWhH2]
Mobilität
[€/kgH2; €/100 km]
Technische Gase
[€/kgH2]
Rückverstromung
[Cent/kWhel]
Industrie
[€/kgH2]
Direktversorgung
(Integration in EE)
Tankstelle
(Trailer)
Verdichter
(Zwischenspeicher)
Untertagespeicher
(H2 oder Erdgas)
Fuel
CellBHKW
Abfüllanlage
GuD
EEX-Spotmarkt
Einspeiseanlage/
Wasserstoffnetz
Nutzung für Zwischenschritte
Pfade der Wertschöpfungskette
Nutzung für Endverbraucher
Analyse des Kostensenkungspotenzial an Einzelparametern
Sektorkopplung und Energiespeichersystem, TU Dresden 3015.11.2016
EINFLUSS TECHNOLOGISCHER VERBESSERUNGEN
AUF GESTEHUNGSKOSTEN
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Halsbrücker Straße 34
D-09599 Freiberg
Tel.: (+49) 3731 4195-
Fax: (+49) 3731 4195-319
E-Mail:
Web: www.dbi-gti.de
Ihr Ansprechpartner
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Prof. Dr. H. Krause
Geschäftsführer 300