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©Fraunhofer ISE/Foto: Guido Kirsch

© Fraunhofer ISE FHG-SK: ISE-INTERNAL

WASSERSTOFF – ENERGIETRÄGER DER ZUKUNFT?

Prof. Dr. Hans-Martin Henning

Berliner Energietage, Berlin, 20. Mai 2019

Institutsleiter des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Sprecher der Fraunhofer-Allianz Energie

www.ise.fraunhofer.de

© Fraunhofer-Allianz Energie

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FHG-SK: ISE-INTERNAL

Motivation Treibhausgasemissionen Deutschland – Historie und Ziele

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Basierend auf: Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen. Umweltbundesamt (UBA) Dessau, März 2017

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Bundeskanzlerin Merkel Mitte Mai 2019

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Wie kann die Entwicklung des Energiesystems aus systemtechnischer Perspektive aussehen?

Download: http://energiesysteme-zukunft.de/ themen/sektorkopplung/

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»Sektorkopplung« – Optionen für die nächste Phase der Energiewende Der deutsche Energieverbrauch von heute in den vier Nutzungsbereichen

Quelle: »Sektorkopplung« – Optionen für die nächste Phase der Energiewende. acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften et. al. November 2017. Daten: „Energiedaten, Gesamtausgabe“, BMWi, 02/2017.

Fernwärme

Brenn-/ Kraftstoffe

Strom

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Originäre Strom-

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»Sektorkopplung« – Optionen für die nächste Phase der Energiewende Phasen der Energiewende

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Die Rolle von Kurz- und Langzeitspeichern im zukünftigen Energiesystem

Energie-erzeugung

Kurzzeitspeicher

Langzeitspeicher

Solar

Wind

Wasser

Batterien/ Pumpspeicher

Elektrolyse

Methan

Synthetische Kraftstoffe

chemische Rohstoffe

Wasserstoff

Elektrizität

Transport

Industrie

Wärme

Export

Studie IndWEDe: „Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für Verkehr, Strom und Wärme“, 2018.

Kopplung des Strommarkts mit den Sektoren Transport, Industrie und Wärme

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Fuel Cell Technology Office (FCTO) of the DoE

California Fuel Cell Partnership (CaFCP), California Air Resources Board (CARB)

China Automotive Technology and Research Center CATARC & Ministry of Science and Technology MoST

Government Support Group GSG, Sustainable Transport Forum STF Fuel Cell and H2 Joint Undertaking FCH JU

Wasserstofftechnologien – Internationale Entwicklungen

International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy

International Energy Agency Hydrogen Technollogy Collaboration Program TCP

Tokyo Statement Hydrogen Energy Ministerial Meeting

Innovation Challenge 8 Renewable and Clean Hydrogen

http://www.hysasystems.org/

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Wasserstoff in den verschiedenen Anwendungen – Entwicklungspfade

Quelle: Hydrogen Council

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Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Auf dem Weg zu einer Gigawatt-Industrie für einen erfolgreichen Übergang des Energiesektors zu erneuerbaren Energien

Entwicklungsstand und Potenzial der Wasserelektrolyse

Zukünftiger Wasserstoffbedarf in Deutschland

Analyse kritischer Komponenten und Produktionsprozesse

Handlungsbedarf und Roadmap

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Regenerative Energien Modell »REMod« Szenario-basierte Analyse mit techno-ökonomischer Optimierung

Modell zur Simulation und Optimierung der Entwicklung nationaler Energiesysteme

Minimierung der Transformationskosten

Einbeziehung aller Verbrauchssektoren und

Energieträger

Stundengenaue Modellierung

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Zukünftiger Wasserstoffbedarf in Deutschland Beispielergebnis Szenario ‚Mix Elektrolysetechnologien‘ (AEL/PEMEL/HTEL)

Evaluation von 6 Szenarien, um die Auswirkungen verschiedener EL-Technologien zu untersuchen:

S0: Daten aus Literatur (85/95 % CO2-Reduktion)

S1: progressives Hochtemperatur-Szenario

S2: konservatives Niedertemperatur-Szenario

S3: Mix aller Technologien (AEL / PEMEL / HTEL)

S4: dynamischer Betrieb mit EL-Mix

Deutliche Ausweitung von Wind- und Sonnenenergie zur Erreichung des CO2-Reduktionsziels im Jahr 2050:

600 GW an Wind- und PV-Leistung

Elektrizitätsbedarf 800 - 1200 TWh (szenarienabhängig)

Aber: EE-Bedarf stark abhängig von Importvorgaben für Elektrizität und Brennstoffe

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Kostenbestandteile:

Sonstige Abgaben

Stromsteuer

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Strombeschaffung

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Einfluss der Technologieentwicklung:

KPIs 2017

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Electricity sourcing

CAPEX & OPEX

KPIs 2017



Full-load hours withwind and/or PV

Kostenreduktion durch Technologieentwicklung Abgaben und Steuern verteuern Wasserstofftechnologien in Deutschland

* 15,4ct/kWh durchschnittlicher Strompreis für industrielle Verbraucher im Jahr 2016 für einen Jahresverbrauch von 0,16 bis 20 Mio. kWh. Mittelspannungsanschluss 100kW/1600h bis 4000kW/5000h. Quelle: "BDEW Strompreisanalyse 2018"

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Full load hours electrolyser operation [h/a]

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Electrolyser CAPEX & OPEX

KPIs 2017 (IndWEDe)

KPIs 2030 (IndWEDe S3)

KPIs 2050 (IndWEDe S3)H2 P

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Kostenbestandteile:

Sonstige Abgaben

Stromsteuer

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Netzentgelte

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Kostenreduktion durch Technologieentwicklung Kann Wasserstoff aus erneuerbaren Energien die Kostenparität zu fossilen Technologien erreichen?

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‘Gas grid parity’ 1

‘Hub parity’ 2

1: 1,13 und 2,16 EUR/kg auf Basis der Erdgaspreise für Privatkunden in Deutschland 2016 6,5ct/kWh, Großkunden 3,4ct/kWh (Quelle: Eurostat)

2: 0,30-0,80 EUR/kg basierend auf Erdgas Henry Hub 2017: 3 USD/MMBtu und Japan LNG cif: 8 USD/MMBtu (Quelle: BP)

3: Annahme: Wettbewerbsfähige Wasserstoffpreise an der Pumpe 6 €/kg (Diesel-Pkw 5l/100km bei 1,20 €/l, Brennstoffzellen-Pkw 1 kg H2/100km), davon 2-3 €/kg abgezogen für Vertriebs- und Stationskosten. Voraussetzung: Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen und Tankstellen sowie Fortsetzung der Steuerbefreiung für Wasserstoff als Kraftstoff.

Erzielbare Volllast-stunden mit Wind

und/oder PV

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KPIs 2017




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Volllaststunden mit Wind und/oder PV

1: 1,13 und 2,16 EUR/kg auf Basis der Erdgaspreise für Privatkunden in Deutschland 2016 6,5ct/kWh, Großkunden 3,4ct/kWh (Quelle: Eurostat)

2: 0,30-0,80 EUR/kg basierend auf Erdgas Henry Hub 2017: 3 USD/MMBtu und Japan LNG cif: 8 USD/MMBtu (Quelle: BP)

3: Annahme: Wettbewerbsfähige Wasserstoffpreise an der Pumpe 6 €/kg (Diesel-Pkw 5l/100km bei 1,20 €/l, Brennstoffzellen-Pkw 1 kg H2/100km), davon 2-3 €/kg abgezogen für Vertriebs- und Stationskosten. Voraussetzung: Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen und Tankstellen sowie Fortsetzung der Steuerbefreiung für Wasserstoff als Kraftstoff.

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Beste Regionen weltweit

PV & Wind kombiniert (0.03€/kWh)

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Europa PV & Wind kombiniert (0.06€/kWh)

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CAPEX & OPEX

KPIs 2017 (IndWEDe)



PV & Wind eingeschränkt

(0€/kWh?)

‘Gas grid parity’ 1

‘Hub parity’ 2

‘Transport fuel parity’ with fuel cells’ 3

Kostenbestandteile:

Sonstige Abgaben

Stromsteuer

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Netzentgelte

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KPIs 2017 (IndWEDe)



Kostenreduktion durch Technologieentwicklung Kann Wasserstoff aus erneuerbaren Energien die Kostenparität zu fossilen Technologien erreichen? Ja, und Brennstoffzellen können dies beschleunigen

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Markthochlauf der Wasserstofftechnologien

< 20 MW/a Zubau

< 100 MW installiert

250-500 MW/a Zubau

1-2 GW installiert

1-5 GW/a Zubau

> 10 GW installiert

Erste Hochlaufphase und Kostenreduktion

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2000

3000

4000

5000

Quelle: IndWEDe-Studie

Die Industrie braucht einen klaren Rahmen für Investitionen

Marktaktivierungs-programm schafft planbare Rahmen-bedingungen für Investitionen

Um die Ziele für 2030 zu erreichen, muss der Roll-out jetzt beginnen

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Chancen der Wasserstofftechnologien Wasserstoff im Kontext der Sektorenkopplung

Integration des Energiesystems über alle Sektoren aufgrund der Substitution der Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern durch erneuerbare Energien

Wasserstoffelektrolyse als Kopplungselement zwischen dem Direktstrommarkt und den nachfolgenden Sektoren Wärme, Verkehr und Chemie

Limitierungen des Einsatzes von Direktstrom: Speicherung über lange Zeiträume und Transport über weite Distanzen von großen Energiemengen

Flexibilität des Energiesystems und damit effiziente Verwertung von produzierter Erneuerbarer Energie durch Nutzung von PtX-Technologien

Dadurch Unterstützung des Ausbaus Erneuerbarer Energien an Stellen, an denen der Ausbau durch begrenzte Netzkapazitäten gebremst wird

Gefährdung von PtX- und Wasserstofftechnologien aufgrund von Lock-in Effekten (Pfadabhängigkeiten, z.B. LNG Terminals, Ladeinfrastruktur) und ausschließliche Fokussierung auf Stromsektor und Batterietechnologien

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Session I

Wasserstoff im Kontext der Biotechnologie

Prof. Dr. Volker Sieber, Technische Universität München

Effiziente Nutzung mit Wasserstoff erzeugter Brennstoffe hoher Energiedichte in Brennstoffzellen: Realisierte Erfolge und zukünftige Entwicklungen

Florian Taschke, SFC Energy AG

Dr. Carsten Cremers, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT

Wasserelektrolyse an der Schwelle zur großskaligen Industrialisierung – Trends und Herausforderungen bis 2030

Ilona Dickschas, Siemens AG, Hydrogen Solutions

Dr. Tom Smolinka, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

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Session II

Entwicklung eines Strom- und Wärmekonzeptes auf Quartiersebene unter Berücksichtigung von Sektorenkopplung über dezentrale Wärmepumpen und P2G für den Lagarde Campus Bamberg

Jan Kaiser, Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

Stefan Loskarn, Stadtwerke Bamberg GmbH

Dezentrale Gas-Stromkopplung unter Nutzung eines flüssigen Wasserstoffträgers (LOHC)

Dr. Richard Öchsner, Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

Johannes Geiling, Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

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Institutsleiter des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

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der Referentin/dem Referent. Bei Fragen oder Ansprüchen kontaktieren Sie diese bitte direkt.

Eine kommerzielle Weiterverbreitung darf nur nach schriftlicher Genehmigung der

Rechteinhaberin erfolgen. © 2019 Referent(in) / Veranstalter(in)

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Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand 2019

vom 20. bis zum 22. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt.

Weitere Informationen und viele Vortragsunterlagen zu über 390 Vorträgen

aus 58 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner ENERGIETAGE 2019 finden Sie unter

www.energietage.de

Ein Vortrag im Rahmen der

https://www.energietage.de/

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