The German government has set targets to reduce greenhouse gas emissions by 40% by 2020, 55% by 2030, 70% by 2040 and 80-95% by 2050 compared to 1990 as reference year. As well as meeting other requirements, these targets can be achieved by raising the contribution of renewably- generated power to Germany's gross electricity consumption to 80% by 2050. Based on Germany's potential, intermittent energy sources (IES) such as on- and off-shore wind, as well as photovoltaics, are necessary sources that must be utilized in order to achieve these ambitious targets. Because of the intermittency of these sources, there will be times in which surplus power generated could be used for example for the transport sector. During these periods of surplus power, the storage capacity of hydrogen allows for a so-called "power-to-gas" concept whereby the surplus power can be used to produce hydrogen and oxygen by means of electrolyzers. The aim of this thesis is to identify and develop a market design that is characterized by high penetration levels of IES, supplemented by the use of hydrogen in the transport sector. Furthermore, the aim was to develop a model in which the electricity and gas sector, including a hydrogen pipeline grid, is represented so as to analyze and validate selected market designs. Therefore, potential electricity and gas markets, as well as the most important potential share and stake holders of a hydrogen infrastructure, are analyzed. With the model developed in this thesis, an existing energy concept has been developed, analyzed and evaluated. In addition, the distribution of the hydrogen production costs was calculated by employing a Monte Carlo Simulation analysis. The developed energy concept relies on 170 GW onshore and 60 GW offshore wind capacity and these dominate the model. This leads to surplus power, especially in the federal states of Lower Saxony, Schleswig-Holstein and Mecklenburg-Hither Pomerania. To supply the estimated peak hydrogen demand in 2052 with 2.93 Million tons, a total capacity ...
Abstract Even if the ambitious expansion targets for renewables are achieved, our simulation indicates that Germany will need around 100 GW of H2 power plants in 2045. Despite the enormous need, which politicians have not yet recognised, the expansion of H2-ready power plants is very sluggish. The pure energy-only-market concept is failing and urgently needs to be supplemented by additional incentives and capacity markets.
Die Bundesregierung hat sich in der Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie 2023 für die Nutzung des fossilbasierten blauen Wasserstoffs geöffnet. Kriterien für dessen Produktion werden nun im Rahmen des EU Hydrogen and Decarbonised Gas Market Package festgelegt.
Deutschland und die EU möchten künftig Wasserstoff und dessen Derivate aus den arabischen Golfstaaten importieren. Zwar hat Deutschland dafür eine gemeinsame Absichtserklärung mit dem Sultanat Oman unterzeichnet, konzentriert seine Anstrengungen aber in erster Linie auf dessen größere Nachbarstaaten. Oman hintanzustellen wäre jedoch ein energiepolitischer, geostrategischer und klimaaußenpolitischer Fehler. Nicht nur können Omans ambitionierte Wasserstoffpläne für bezahlbare saubere Energie sorgen. Darüber hinaus entsprechen vertiefte (Handels-)Beziehungen mit dem Sultanat dem Ansatz einer werteorientierten Handelspolitik, fördern den internationalen Klimaschutz und tragen zur Stabilisierung der Machtverhältnisse im Golf bei. Damit beugen sie gefährlichen Konflikten vor. (Autorenreferat)
Zusammenfassend stellen die deutschen und europäischen Wasserstoffstrategien hohe und ambitionierte Zielvorgaben, die grundsätzlich als erreichbar angesehen werden können. Die Realisierung der dafür notwendigen hohen Investitionen hängt jedoch stark von den rechtlichen Rahmenbedingungen sowie den Standortfaktoren der Anlage ab. Erfolgsversprechend für die Anlagenplanung ist ein Ansatz, bei dem der zeitliche und räumliche Strombezug sowie die Wasserstoffverwendung von Beginn mitgedacht werden. Die daraus möglichen Kostenersparnisse haben das Potential, Wasserstoff gegenüber derzeit sehr kostengünstigen grauem Wasserstoff für die Industrie wettbewerbsfähig zu machen. Aus Sicht der CO2-Vermeidungskosten stellt Wasserstoff derzeit keine Konkurrenz zu beispielsweise Biodiesel dar – bietet perspektivisch jedoch umfangreichere Anwendungs-möglichkeiten und könnte sich somit in anderen Bereichen als kostengünstigste Klimaschutzmaßnahme durchsetzen. Darüber hinaus sind für das Erreichen dieser Ziele die in diesem Beitrag genannten Hemmnisse durch rechtliche Rahmenbedingungen zwingend abzubauen. Vor allem eine grundlegende Reform der Stromnebenkosten ist dringend nötig. Dies eröffnet umfangreiche Potentiale für eine wettbewerbsfähige Produktion von Wasserstoff. Für eine wirkliche integrierte Energiewende muss darüber hinaus Power-to-Gas grundsätzlich als Verbindungstechnologie definiert werden und nicht als Letztverbraucher. Weitere Stellschrauben sind Nutzung von Green PPAs und die Anerkennung des Emissionsminderungseffekts von grünem Wasserstoff im Rahmen der Treib-hausgasquotenverpflichtung. Wasserstoffimporte, beispielsweise aus sonnen- und windreichen Regionen außerhalb Europas, wo erneuerbare Stromentstehungskosten von bereits 2 €-ct/kWh möglich sind, werden trotz Transports wirtschaftlich attraktiv sein und langfristig einen bedeutenden Anteil der Wasserstofflieferung und damit einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft darstellen. Für eine langfristig gesicherte und nachhaltige internationale Versorgung wird bereits am Anfang von Wasserstoff-Partnerschaften erstens die Energiesituation eines Lieferlandes und die Vermeidung von Konkurrenzsituationen zwischen Wasserstoffelektrolyse und lokaler Stromversorgung zu berücksichtigen sein. Zweitens sind zu große Abhängigkeiten von einzelnen Ländern und deren politischen Risiken, wie bei der heutigen Erdölbeschaffung, zu vermeiden. Die aktuelle Förderung der heimischen Herstellung von Wasserstoff ist trotzdem richtig und wichtig, denn sie dient der technischen Weiterentwicklung und der Verringerung von interna-tionalen Lieferrisiken- und Abhängigkeiten.
This work aims to assess the market potential of hydrogen fuel for cars. The results are based on a detailed description and analysis of the past, current and future market environment, of the stakeholders as well as the driving and inhibiting factors for the market introduction of hydrogen fuel. In more specific terms, the thesis is targeted at describing conditions for the market entry of hydrogen fuel in Germany for the prognosis horizons of 2020, 2030 and 2050. Facts are developed on the grounds of binding framework conditions and user acceptance assumptions, rather than based on political ideas, media hype or messages spread by the marketing departments of the car industry. Assumptions are verified by an evaluation of the conditions set by the institutional framework, a literature, a patent and a stakeholder analysis. Finally, assumptions are discussed with experts in a Delphi analysis and results are summarised using an adapted version of Porter's Model of Five Competitive Forces. European regulation has been identified as a main driving factor. It includes several measures to support renewable energies as well as the implementation of the EU energy efficiency and climate targets. However, the extent of the future use of biofuels is unclear due to the sustainability debate; the positive impact of the currently applicable (car) CO2-standards will have phased out by 2035. By 2050, due to increasing traffic, CO2-emissions caused by cars are projected to increase by 19% compared with 1990 levels without any further action in the EU. In principle, clean car technologies, which could attain values of less than 40 gCO2/km, are ready for market implementation, including hydrogen fuelled fuel cell vehicles (H2FCVs). FCVs and an H2-infrastructure have to be introduced to the market in parallel. The balanced positioning of the H2-stations may be organised by the stakeholders in Germany. The costs for the erection of a network of one thousand H2-station would add up to less than one billion Euros. In particular during the market launch phase, a strong increase in FCV-sales is necessary to utilise the capacity of the developing network. In addition, investments in H2-production and distribution are necessary. With current fuel consumption and projected fuel costs between 4 USD/kgH2 and 6.70 €/kgH2 delivered and dispensed by 2020, the fuel costs without taxes would be reasonable. However, the problem of FCVs is that in the near term, they are expensive. In addition, the market transformation to FCVs requires drastic changes in vehicle technologies, in energy production, distribution and fuelling infrastructure as well as in stakeholder capabilities. The timeline for these changes will have to respect regular vehicle and equipment substitution cycles to keep transformation costs affordable. H2FCV market success requires well-timed concerted actions between all stakeholders. The task is tremendous; coordination and cooperation effort as well as investments still to be made will be very high, but the reward could be a significant contribution to the change towards a sustainable energy system. The main H2FCV deployment pathway is described as follows: - H2FCV-technology has a high degree of compliance with societally-desired targets. - FCVs as well as H2-production and distribution technologies have reached a high degree of technical readiness for market introduction. - A stable, predictable and demanding legislative GHG-reduction framework along with state incentives will encourage industries and customers to invest. - Implementation of an H2-infrastructure and stricter CO2-fleet standards could lead to the success of H2FCV-technology. - High FCV-costs could be reduced by scale effects and further technology development. ; Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Marktpotenzial von Wasserstoff als Pkw-Kraftstoff zu beurteilen. Die Ergebnisse basieren auf einer detaillierten Beschreibung und Analyse der Vergangenheit, des aktuellen und zukünftigen Marktumfelds der Stakeholder sowie der treibenden und hemmenden Faktoren für die Markteinführung von Wasserstoff als Kraftstoff. Konkret werden die Bedingungen für die Markteinführung von Wasserstoff als Kraftstoff in Deutschland für die Prognosehorizonte 2020, 2030 und 2050 beschrieben. Fakten werden nicht auf der Grundlage politischer Ideen, Medien-Hypes oder Mitteilungen der Marketing-Abteilungen der Automobilindustrie, sondern nach Beurteilung bindender Rahmenbedingungen und Nutzeranforderungen entwickelt. Annahmen werden durch einen Abgleich mit den institutionellen Rahmenbedingungen, eine Literatur-, eine Patent- und eine Stakeholder-Analyse überprüft und werden mit Experten in einer Delphi-Analyse diskutiert. Die Ergebnisse werden mit Hilfe einer adaptierten Version des Porter Modells der fünf Wettbewerbskräfte zusammengefasst. Die europäische Gesetzgebung wurde als wichtiger Antriebsfaktor identifiziert. Diese enthält verschiedene Maßnahmen zur Unterstützung erneuerbarer Energien sowie der Umsetzung der EU Energieeffizienz- und der Klimaziele. Allerdings ist das Ausmaß der künftigen Nutzung von Biokraftstoffen aufgrund der Nachhaltigkeitsdebatte unklar; die positiven Effekte der aktuell geltenden (Pkw)-CO2-Standards laufen bis 2035 aus. Insgesamt erhöhen sich die projizierten CO2-Emissionen des Pkw-Verkehrs in der EU -ohne zusätzliche Maßnahmen- aufgrund des angenommenen Anstiegs des Verkehrsaufkommens bis zum Jahr 2050 um 19% gegenüber 1990. Grundsätzlich sind saubere Fahrzeugtechnologien, mit Emissionen von weniger als 40 gCO2/km, bereit für die Markteinführung. Dies umfasst auch Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge (H2FCVs). FCVs und eine H2-Infrastruktur müssen parallel in den Markt eingeführt werden. Die ausgewogene Positionierung der H2-Tankstellen könnte in Deutschland von den Stakeholdern organisiert werden. Die Kosten für die Errichtung eines Netzwerks von tausend H2-Tankstellen belaufen sich auf weniger als eine Milliarde Euro. Insbesondere während der Markteinführungsphase ist ein starker Anstieg des FCV-Absatzes notwendig, um die Kapazität des sich entwickelnden Netzwerks zu nutzen. Darüber hinaus sind Investitionen in die H2-Produktion und -verteilung notwendig. Mit einem aktuellen Energieverbrauch und projizierten Kraftstoffkosten zwischen 4 USD/kgH2 und 6,70 €/kgH2 (ausgeliefert und verteilt) bis 2020, ergeben sich vor Steuern angemessene Kraftstoffkosten. FCVs sind jedoch kurzfristig noch sehr teuer. Darüber hinaus erfordert die Marktumstellung auf FCVs drastische Veränderungen in der Fahrzeugtechnik, in der Energieproduktion und –distribution, der Betankungsinfrastruktur sowie bei den Anforderungen an die Kompetenzen der Stakeholder. Diese Veränderungen müssen sich zeitlich an den Fahrzeug- und Geräteersatzzyklen orientieren, damit die Umstellungskosten im Rahmen gehalten werden können. Der H2FCV-Markterfolg erfordert zur rechten Zeit ein abgestimmtes, konzertiertes Handeln aller Beteiligten. Die Aufgabe ist enorm. Der Aufwand für Koordination, Zusammenarbeit, sowie noch ausstehende Investitionen ist groß, kann aber einen wesentlichen Beitrag zum Wandel hin zu einem nachhaltigen Energiesystem leisten. Der grundlegende H2FCV Implementierungspfad kann wie folgt beschrieben werden: - H2FCV-Technologie hat einen hohen Übereinstimmungsgrad mit gesellschaftlich erwünschten Ziele. - FCVs sowie H2-Produktions- und Distributionstechnologien haben ein hohes Maß an technischer Reife für die Markteinführung erreicht. - Ein stabiler, berechenbarer und anspruchsvoller gesetzlicher THG-Reduktionsrahmen zusammen mit staatlichen Anreizen kann Industrie und Kunden ermutigen zu investieren. - Die Implementierung einer H2-Infrastruktur und strengere CO2-Flottenstandards können den Erfolg der H2FCV-Technologie ermöglichen. - Hohe FCV-Kosten können durch Skaleneffekte und weitere Technologieentwicklung reduziert werden.
