22. Feb 2016

Brennstoffzellenauto an der Wasserstofftankstelle. ©Bild: DLR

Elektrolyseanlage zur Wasserstoffproduktion. ©Bild: DLR

DLR-Studie: Kommerzialisierung der Wasserstofftechnologie in Baden-Württemberg

(DLR) Ein breites Spektrum an neuen Technologien und Lösungen wird notwendig sein, um den Übergang vom fossilen zum erneuerbaren Energiezeitalter verlässlich und wirtschaftlich zu gestalten. Gemeinsam mit dem Beratungsunternehmen Ludwig-Bölkow-Systemtechnik hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Auftrag des Clusters Brennstoffzelle BW untersucht, welchen Beitrag der Energieträger Wasserstoff zum Energie- und Verkehrssystem bis zum Jahr 2030 leisten und wie er aus erneuerbarem Strom hergestellt werden kann.


Für die am 17. Februar 2016 vorgestellte Studie „Kommerzialisierung der Wasserstofftechnologie in Baden-Württemberg“ analysierten sie potenzielle Einsatzbereiche, die jeweils benötigte Infrastruktur, die Kopplung von Strom- und Wasserstofferzeugung sowie die finanziellen und klimarelevanten Auswirkungen.

Wasserstoffnachfrage beginnt im Verkehrssektor
Als sehr vielseitiger Energieträger ist Wasserstoff grundsätzlich in allen Energiesektoren einsetzbar. Eine erste Kommerzialisierung erwartet die Studie allerdings zunächst im Verkehrssektor. Signifikante Marktpotenziale in anderen Bereichen wie der Erdgas- und chemischen Industrie können voraussichtlich erst nach 2030 ausgeschöpft werden.

Für die erfolgreiche Einführung von Wasserstoff als Kraftstoff im Verkehrssektor nennt die Studie zwei grundlegende Voraussetzungen: den weiteren Ausbau des Tankstellennetzes und ein preislich attraktives Angebot an Brennstoffzellenfahrzeugen. Wie sich der Bestand an Brennstoffzellen-PKW bis ins Jahr 2030 entwickle, hänge zudem von weiteren Einflussfaktoren ab, beispielsweise den Betriebskosten, der Nutzerakzeptanz und den gesetzlichen Rahmenbedingungen, so die Studie weiter. Deshalb haben die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte, die den Verkehrsteil der Studie betreut haben, mit zwei Szenarien gearbeitet: Im konservativen Szenario erfolgt ein signifikanter Markthochlauf von Brennstoffzellenfahrzeugen erst nach 2030, während im ambitionierten Szenario im Jahr 2030 bereits 140‘000 brennstoffzellenbetriebene PKW, 6‘600 LKW, bis zu 900 Stadtbusse und 50 Triebfahrzeuge auf den Strassen und Schienen Baden-Württembergs fahren.

Einsparungen durch Wasserstoff aus Erdgas
Bisher wird Wasserstoff vorrangig mittels Dampfreformierung aus Erdgas erzeugt oder von der Chemieindustrie bereitgestellt, wo er in einigen Prozessen als Nebenprodukt anfällt. Bereits der Einsatz von aus Erdgas gewonnenem Wasserstoff würde in Brennstoffzellenfahrzeugen aufgrund des effizienteren Antriebsstrangs zu Einsparungen an Kohlenstoffdioxid gegenüber heutigen Benzin- und Dieselautos führen.

Nutzung erneuerbaren Stroms für Wasserstofferzeugung
Inwieweit der für diese Fahrzeuge benötigte Wasserstoff mit den im Jahr 2030 installierten Windkraft- und Photovoltaikanlagen mittels Elektrolyse produziert werden kann, haben die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik analysiert. Sie gingen dabei von dem im Energie- und Klimaschutzkonzept für Baden-Württemberg angenommenen Ausbau von Windkraft und Photovoltaik aus, was zu einem erneuerbaren Anteil von 66 Prozent im jährlichen Strommix führt. Für die Analyse des zukünftigen Stromsystems verwendeten sie das am DLR entwickelte Energiesystemmodell Remix. Es ermöglicht, die Stromerzeuger, den Einsatz flexibler Lasten und Stromspeicher sowie den Stromtransfer über das Netz in stündlicher Auflösung abzubilden. Es untersucht nicht nur Baden-Württemberg und Deutschland nach Regionen aufgelöst, sondern berücksichtigt auch den Austausch mit den Nachbarländern.

Die Analyse zeigt, dass in Baden-Württemberg bis 2030 in nur sehr wenigen Stunden die fluktuierende Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie die Nachfrage übersteigt. Somit stehe nur wenig günstiger Überschussstrom für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse zur Verfügung. „Durch den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien und eine Wasserstofferzeugung, die mit Elektrolyseuren und Wasserstoffspeichern zeitlich flexibel erfolgen kann, kommen wir dennoch dem Ziel von günstigem und grünem Wasserstoff näher“, erklärt Frieder Borggrefe vom Institut für Technische Thermodynamik, der die Studie auf DLR-Seite federführend betreut hat. Durch die Flexibilität bei der Wasserstoffherstellung könne eine hohe positive Korrelation mit der Wind- und PV-Einspeisung erreicht und überproportional erneuerbare Energien genutzt werden. Für die Erzeugung von grünem Wasserstoff werde auch der Ausbau der Stromtrassen eine grosse Rolle spielen, weil so mehr Windstrom aus dem Norden und Sonnenstrom aus dem Süden verfügbar werden.

Langfristige Vorbereitung notwendig
Grundvoraussetzung für den Einsatz von Wasserstoff ist der Aufbau der für Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung notwendigen Infrastruktur. Dies betrifft im ersten Schritt vor allem die Versorgung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Öffentliche Hand und Industrie planen in Baden-Württemberg bis ins Jahr 2030 rund 130 zusätzliche öffentliche Tankstellen zu errichten.

Auch wenn die kommerzielle Nutzung von Wasserstoff in grossem Massstab ausserhalb des Verkehrssektors nicht vor dem Jahr 2030 zu erwarten ist, gilt es, auch diese bereits heute vorzubereiten. Als Grund nennen die Autoren der Studie die langen Vorlaufzeiten für die Entwicklung der benötigten Produkte und Infrastrukturen. Auch vorteilhafte Synergien mit dem Stromsystem, Gasnetz oder der wasserstoffnutzenden Industrie sind nur mit langfristiger Vorbereitung und Planung realisierbar.

Text: Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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