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Power-to-Hydrogen (PtH2) ist nach heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen ein elementarer Baustein der Sektorenkopplung und das zu ermittelnde Potenzial für eine erfolgreiche Energiewende, die in diesen Tagen immer mehr an Bedeutung gewinnt, unerlässlich. Nachdem in den vergangenen Jahren das Design und die Auslegung von PtH2-Anlagen im Fokus der Forschung standen, wird nun die Frage beantwortet, wo die Anlagen am wirtschaftlichsten betrieben werden können. Denn eine aufwändige Standortsuche verzögert die Umsetzung von Projekten, bremst den Umbau des Energiesystems aus und stellt so wirtschaftlich agierende Akteure vor eine schwer lösbare Aufgabe.

Hier setzt PoWerD an und wird genau auf diese Punkte zukünftig mittels eines online verfügbaren Tools, in Form eines Atlas, eine Antwort finden. Es wird deutlich, dass sowohl die Stromnetzsituation als auch die Nutzungspfade des Wasserstoffs in Mobilität oder Industrie und auch die Nutzungspfade der Koppelprodukte für das Potenzial eines PtH2-Anlagen-Standorts relevant sind. Für einen systemdienlichen, flächendeckenden Ausbau von PtH2-Anlagen und deren wirtschaftlichen Betrieb ist die Wahl des geeigneten Standorts somit von großer Bedeutung. Dieser Aufgabe eines integrierten Systemansatzes widmet sich das hier beantragte Projekt.

Das Tool und die identifizierten Standorte stellen eine Vorauswahl an potenziellen Standorten dar. Bevor an diesen Standorten ein Projekt umgesetzt werden kann, ist eine detaillierte Analyse und eine Machbarkeitsstudie unabdingbar.

2) Zusammenfassung / Überblick

3) Unterschied der Systeme Potenzial und Energiesystem

4) Potenzial: Ermittlung der Standorte

5) Energiesystem: Ermittlung der Standorte

6) Inputdaten für den Potenzialatlas

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Standortoptimierung

Für das Potenzialanalyse-Tool werden in einem ersten Schritt die standortaufgelösten H2-Bedarfspotenziale genutzt. Dabei werden nahe beieinander liegende Standorte zu einer Region zusammengefasst. Zudem muss zur Bildung einer Region eine Elektrolyseleistung von mindestens 3 MW vorliegen.

In einem nächsten Schritt werden die EE-Potenziale ergänzt. Diese werden zunächst nach Flächen mit einem Erzeugungspotenzial > 10.000 MWh/a gefiltert. Anschließend werden die Sauerstoffpotenziale aus der Potenzialermittlung übernommen. Hierbei wurde nach Kläranlagen gefiltert, die groß genug sind, um Sauerstoff als Koppelprodukt einer 3 MW H2-Elektrolyse für den Klärprozess abzunehmen.

Im Anschluss erfolgt die Standortoptimierung der Elektrolysestandorte. Es wird davon ausgegangen, dass hierfür nur Standorte in Frage kommen, an denen ein potenzieller H2- / O2-Bedarf bzw. eine EE-Potenzialfläche vorhanden ist. Aus Gründen der Vergleichbarkeit werden EE-Potenzial und O2-Bedarf über stöchiometrische Gleichungen (7,7 kg O2 je kg H2) in H2-Äquivalente umgerechnet.

Eine multikriterielle Analyse legt fest, ob bei der Platzierung der Elektrolyseure den Verbrauchern oder den EE-Potenzialen Priorität eingeräumt wird. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass der gesamte potenzielle H2-Bedarf in einer Region gedeckt werden muss und keine Importe in die Region erfolgen.

Der erste potenzielle Elektrolysestandort einer Region wird durch räumliche Optimierung ermittelt. Anschließend wird untersucht, wie viele Tonnen H2-Äquivalente von jedem Standort über wie viele Kilometer transportiert werden müssten, um den gesamten H2-Bedarf der Region zu decken. Der Standort mit dem kleinsten Produkt aus Tonnen*Kilometern wird (gewichtet nach dem H2-Bedarf) ausgewählt. Er liegt entweder sehr zentral in seiner Region oder hat einen sehr hohen potenziellen H2-Bedarf, den er vor Ort decken kann.

Ob die ausgewählten Standorte netz- oder systemdienlich betrieben werden können, wird im Gegensatz zur der energiesystemischen Betrachtung, nicht berücksichtigt, sondern stellen aus der Potenzialermittlung und räumlichen Verortung ein Optimum dar.

Nachdem der erste potenzielle Standort identifiziert wurde, wird in einer wirtschaftlichen Optimierung untersucht, ob ein weiterer Elektrolyseur die Gesamtkosten senken würde oder ob es wirtschaftlicher ist, nur einen Standort auszuwählen. Dazu werden zunächst die H2-Gestehungskosten des ersten Elektrolyseurs ermittelt. Die Investitionskosten für die Anschaffung des PEM-Elektrolyseurs sinken mit zunehmender Kapazität (Skaleneffekte) und mit späteren Stützjahren (Lerneffekte). Die Grafik zeigt die Anschaffungskosten in Abhängigkeit von Jahr und Kapazität. Die Betriebskosten werden stark von den Stromkosten beeinflusst, die in der Vorauswahl bei 80 €/MWh liegen, können jedoch in der Detailansicht je Standort variiert werden. Die Volllaststunden sind fix mit 3.500 Stunden angenommen und dienen als Untergrenze für einen wirtschaftlichen Betrieb. Bei höheren Volllaststunden können die Kosten sinken. Es wird verglichen, ob es günstiger ist, einen großen Elektrolyseur zu betreiben, H2 zu komprimieren und per LKW zu den anderen H2-Verbrauchern zu transportieren, oder mehrere kleine Elektrolyseure zu betreiben und die Transportkosten zu minimieren.

Ab dem Stützjahr 2030 entsteht mit dem Wasserstoffkernnetz eine weitere Transportmöglichkeit, die insbesondere große H2-Mengen wirtschaftlich transportieren kann. Durch die Pipeline ändern sich die Resultate des Potenzialatlas ab 2030. So werden kleine Elektrolyseure, die H2 für den Eigenverbrauch produzieren, durch eine Pipelineanbindung ersetzt. Flächen mit hohem EE-Potenzial und Anschluss an die Pipeline hingegen eignen sich dann für die Elektrolyse mit teilweise sehr hohen Kapazitäten. Die Systematik zur Berechnung der LCoH Gestehung (1) und LCoH Bereitstellung (2) zeigt sich in der unten stehenden Grafik.

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6.1 Ermittlung der EE-Potenziale

6.2 Wasserstoffbedarf im Mobilitätssektor (Busse, ÖPNV, LKW)

Das Potenzial ist die Menge an Wasserstoff, die einem Nutzer bereitgestellt werden muss, damit dieser seinen gesamten Energiebedarf seiner Fahrzeuge aus erneuerbaren Energiequellen decken kann. Das Potenzial ergibt sich aus der vollständigen Umstellung von „fossil“ heute auf „erneuerbar mit Wasserstoff“ spätestens in 2045.

Dabei wird im Basisszenario angenommen, dass z.B. die Fahrleistung im Jahr 2045 gleich derjenigen von heute sein wird. Das Potenzial wird im Basisszenario also spätestens in 2045 voll ausgeschöpft. Der Bedarf in den drei Stützjahren ist ggf. als geringer, weil die Flotten noch nicht (vollständig) auf Wasserstoffantrieb umgestellt wurden.

Busse

Ermittlung von Busbetreibern, deren Fahrzeugflotte und Jahresfahrleistung sowie Fahrzeugtypen

Der Verband Deutscher Verkehrsunternehmen (VDV) repräsentiert einen Anteil von rund 87% der Personenkilometer im Linienverkehr von Bussen und Bahnen des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) in Deutschland. Daher diente die VDV-Statistik 2019 Ausgangspunkt (letzte verfügbare Datenbasis vor Beginn der Corona-Pandemie mit reduziertem Angebot). Busunternehmen, die nicht Mitglied des VDV sind, blieben unberücksichtigt, da es sich bei diesen sich in der Regel um Betreiber kleinerer Flotten handelt, d.h. das lokale Wasserstoffpotenzial wäre gering.

Die VDV-Statistik lieferte Fahrzeugflotten sowie Jahresfahrleistungen basierend auf rund 37.000 Fahrzeugen. Dieser Datensatz als primäre Quelle wurde auf Konsistenz geprüft, mit weiteren Quellen verglichen (u.a. Webseiten der Busunternehmen) und ggf. ergänzt bzw. korrigiert.

Wasserstoffpotenzial pro Busunternehmen

Für die Berechnung des Wasserstoffpotenzials pro Betreiber wurde vereinfachend davon ausgegangen, dass zwei Fahrzeugtypen zum Einsatz kommen: Solobusse (12 m Länge) und Gelenkbusse (18 m). Andere Fahrzeuge wurden ggf. der einen oder anderen Kategorie zugeschlagen. Auf Basis aktueller Projektergebnisse wurde für Solobusse wurde ein Verbrauch von 7 kg/100 km und für Gelenkbussen von 10,5 kg/100 km angesetzt.

Das Wasserstoffpotenzial eines Busbetreibers ergab sich als Fahrleistung der Flotte multipliziert mit den anteiligen Verbräuchen für Solo- bzw. Gelenkbusse.

Identifizierung von Tankstellenstandorten

Die Betriebshöfe der Busunternehmen wurden ermittelt (dort sind in der Regel die Tankstellen verortet), anhand von Informationen der Unternehmen und Online-Recherchen mit Hilfe von z.B. Kartendiensten.

Wasserstoffpotenzial pro Tankstellenstandort

Für 412 Tankstellenstandorte konnte ein Potenzial ermittelt werden. Die Tageswerte liegen zwischen rund 50 kg und mehr als 5.800 kg. Das Gesamtpotenzial der 412 Standorte beträgt knapp 126.000 Tonnen Wasserstoff pro Jahr.

Alternativszenarien

Im Szenario „wasserstoffreich“ erfolgte ein Aufschlag von 25% pro Tankstellenstandort, um einem eventuell höheren Verkehrsaufkommen Rechnung zu tragen.

Im Szenario „wasserstoffarm“ erfolgte ein Abschlag von 50% pro Tankstellenstandort, um einem eventuellen Einsatz von Batteriebussen auf kurzen Umläufen Rechnung zu tragen.

Züge des ÖPNV

(Im Jahr 2020 wurde die Verkehrsleistung im Personen-Fernverkehr bereits zu mehr als 97% elektrisch/Oberleitung erbracht.)

Ermittlung von nicht bzw. nicht vollständig elektrifizierten Linien

Dabei wurden nur Linien berücksichtigt, die auch in Zukunft durch geplante Elektrifizierungen (Bundesverkehrswegeplan und andere Maßnahmen) nicht vollständig elektrifiziert sein werden. Ausgeschlossen wurden ferner Linien, auf denen bereits heute Batteriefahrzeuge verkehren oder Verträge für deren Beschaffung abgeschlossen wurden.

Jahresfahrleistung sowie Fahrzeugtypen

Anhand von Fahrplänen wurden die tägliche Fahrleistung auf den verbliebenen Linien ermittelt. Ferner wurden die Art und Anzahl der eingesetzten Dieseltriebwagen und deren Passagierkapazität recherchiert. Dabei war zu beachten, dass während der Stoßzeiten in der Regel mehr gekoppelte Einheiten als ein Zug verkehren als in Randlagen.

Brennstoffzellentriebwagen

Als Ersatz für die bisher verkehrende Dieseltriebwagen wurde das Modell „iLint“ des Herstellers Alstom angenommen als einziger bisher marktgängiger Triebwagen mit Wasser-/Brennstoffzellenantrieb mit ca. 160 Sitzplätzen. Kriterium für einen gleichwertigen Austausch war, dass einer oder mehrere Brennstoffzellentriebwagen mindestens die gleiche Anzahl an Sitzplätzen zur Verfügung stellen, wie es derzeit der Fall ist.

Wasserstoffpotenzial je Linie

Auf dieser Basis und eines mittleren Verbrauchs von 25 kg Wasserstoff pro 100 km konnte für jede Linie ein Wasserstoffpotenzial ermittelt werden.

Wasserstoffpotenzial pro Tankstellenstandort

Als Standorte zukünftiger Wasserstofftankstellen kamen insbesondere aktuell betriebene Dieseltankstellen bzw. deren Umgebung in Betracht, da diese häufig nahe Servicepunkten (Reinigung) bzw. Werkstätten liegen. Jeder Linie wurde ein oder zwei Tankstellenstandorte an oder nahe deren Endhalten zugeordnet. Im Sinne der Potenzialanalyse für dezentrale Elektrolyse wurden bei einer Zuordnung zu zwei Standorten beiden jeweils das volle Potenzial einer Linie zugeordnet, d.h. keine z.B. hälftige Teilung vorgenommen. (Ausnahme ist die sehr lange Linie Hamburg – Westerland für die eine hälftige Teilung erfolgte.)

Für 108 Tankstellenstandorte konnte ein Potenzial ermittelt werden. Die Tageswerte liegen zwischen rund 150 kg und mehr als 5.600 kg. Das Gesamtpotenzial der 108 Standorte beträgt gut 63.000 Tonnen pro Jahr. (Durch die doppelte Zuordnung der Potenziale einzelner Linien zu zwei Tankstellen beträgt der sich daraus ein scheinbarer Gesamtwert gut 78.000 Tonnen.)

Alternativszenarien

Im Szenario „wasserstoffreich“ erfolgte ein Aufschlag von 25% pro Linie, um einem eventuell höheren Verkehrsaufkommen Rechnung zu tragen.

Im Szenario „wasserstoffarm“ blieben diejenigen Linien unberücksichtigt, für die es derzeit eine politische Entscheidung für Batteriefahrzeuge gibt, für die es jedoch noch keinen abgeschlossenen Beschaffungsprozess gibt. Dies betrifft vor allem Berlin/Brandenburg, Niedersachen, Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg. Damit verringert sich der zu erwartende Wasserstoffbedarf an nur noch 85 Standorten auf knapp 49.000 Tonnen pro Jahr.

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6.2 Wasserstoffbedarf in der Industrie

Stahlindustrie

Die aktuellen Rohstahlproduktionsmengen der einzelnen Standorte wurde mit der Produktionsmenge im Jahr 2045 gleichgesetzt. Diese Produktionsmengen der einzelnen Standorte wurden im Falle der Primärstahlerzeugung mit 70 kg Wasserstoffbedarf je produzierter Tonne Rohstahl bzw. im Falle der Sekundärstahlproduktion mit 0,3 kg Wasserstoffbedarf je produzierter Tonne Rohstahl multipliziert. An wenigen Standorten, an denen keine Angaben zur aktuellen Stahlproduktion zur Verfügung standen, wurde eine durchschnittliche Stahlproduktion von 100.000 t Rohstahlerzeugung pro Jahr angenommen. Diese standortspezifischen Wasserstoffpotenziale wurden als Wasserstoffbedarf im Jahr 2045 angenommen. Von der Annahme der Abwanderung einzelner Standorte der Primär- und Sekundärstahlerzeugung wurde abgesehen. Für das wasserstoffarme Szenario wurde angenommen, dass die Primär- und Sekundärstahlerzeugung jeweils um 25% abnimmt. Für das wasserstoffreiche Szenario wurde hingegen angenommen, dass die Primär- und Sekundärstahlerzeugung jeweils um 25% zunimmt. Für die Bedarfe in den Stützjahren wurde angenommen, dass grüner Wasserstoff anteilig für die Erreichung des Klimaschutzgesetzes in der Industrie eingesetzt werden und das die Vorgaben des Klimaschutzgesetzes durch die Unternehmen eingehalten werden. Für das Stützjahr 2025 wurde eine geringe anteilige Nutzung des grünen Wasserstoffes von 5% angenommen, da die meisten Projekte die eine vollständige Umstellung des Anlagenparks erfordern erst nach 2025 umgesetzt werden.

Chemieindustrie

Das Wasserstoffpotenzial der Chemieindustrie wurden mittels aktueller Studien des Verband der Chemischen Industrie e.V. ermittelt und anhand der Standortgrößen standortspezifisch auf die verschiedenen Chemiestandorte verteilt. Von der Annahme der Abwanderung einzelner Standorte der chemischen Industrie wurde abgesehen. Für das wasserstoffarme Szenario wurde angenommen, dass das Wasserstoffpotenzial anhand von verringerten Produktion von chemischen Gütern um 25% abnimmt. Für das wasserstoffreiche Szenario wurde hingegen angenommen, dass das Wasserstoffpotenzial aufgrund einer steigenden Menge von produzierten Gütern um 25% zunimmt. Für die Bedarfe in den Stützjahren wurde angenommen, dass grüner Wasserstoff anteilig für die Erreichung des Klimaschutzgesetzes in der Industrie eingesetzt werden und das die Vorgaben des Klimaschutzgesetzes durch die Unternehmen eingehalten werden.

Raffinerien

Für das Wasserstoffpotenzial in den Raffinerien wurde die aktuelle Verkehrsleistung der einzelnen Transportmittel mit der im Jahr 2045 gleichgesetzt und verschiedene Annahmen für die Erbringung der Fahrleistungen durch Transportmittel mit Antrieb mittels Wasserstoff oder dessen Folgeprodukten ermittelt. Mit Annahmen zu den Wirkungsgraden und Verbräuchen der verschiedenen Verkehrsmittel wurde so ein absolutes Wasserstoffpotenzial für den Verkehrssektor im Basisszenario ermittelt. Für das wasserstoffarme Szenario wurden die Annahmen hinsichtlich der Verteilung der verwendeten, mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugarten verringert. Für das wasserstoffreiche Szenario wurden die Annahmen hinsichtlich der Verteilung der verwendeten, mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugarten erhöht. Durch die Angaben der aktuellen Rohölverarbeitung wurde das absolute Wasserstoffpotenzial relativ auf die aktuellen Raffineriestandorte verteilt. Diese standortspezifischen Wasserstoffpotenziale wurden als Wasserstoffbedarf im Jahr 2045 angenommen. Für die Bedarfe in den Stützjahren beim Basis- und beim wasserstoffreichen Szenario wurde angenommen, dass grüner Wasserstoff anteilig für die Erreichung des Klimaschutzgesetzes im Verkehrssektor eingesetzt werden und das die Vorgaben des Klimaschutzgesetzes durch die Raffinerien eingehalten werden. Für das wasserstoffarme Szenario wurden die Prognosen des Umweltbundesamtes herangezogen, welche voraussagen, dass die Klimaschutzziele im Verkehrssektor nicht erreicht werden.

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Grüner Wasserstoff ist nach heutigen wissenschaftlichen Erkenntnissen ein elementarer Baustein der Sektorenkopplung und damit einer erfolgreichen Energiewende. In Deutschland sollen laut der nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2030 10 GW Elektrolyseleistung installiert sein. Aber was sind gute Standorte, wo der Wasserstoff nah an den potenziellen Verbrauchern und mithilfe von Wind und PV produziert werden kann?

Der PoWerD Potenzialatlas stellt potenziell geeignete Standorte für Elektrolyseurprojekte in Deutschland ortsaufgelöst dar und bewertet diese auf Grundlage einer Standortoptimierung.

Mit dem Potenzialatlas werden potenzielle Standorte aufgezeigt, an denen die Wasserstofferzeugung besonders anhand der geplanten Wasserstoff-Infrastruktur, der -Nachfrage und des Potenzials an Wind und Solarenergie begünstigt wird.

Betrachten Sie die Standortentwicklung anhand verschiedener Jahre. Sie können sich auch Standorte merken und diese miteinander vergleichen. Die dargestellten Standorte sind potenzielle Standorte, für deren Überprüfung eine detaillierte Analyse und Machbarkeitsstudie unabdingbar sind. .

Der Potenzialatlas wurde von einem Konsortium aus Forschungseinrichtungen, Universitäten, Verbände und Industrie erstellt.

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Der Atlas verfügt über diverse Steuerelemente, die sich seitlich und oben im Fenster befinden.

[1] In der oberen Leiste lassen sich unterschiedliche Filter im Filtermenü anwenden.

[2] Rechts oben angeordnet befinden sich die Elemente:

Layer (Karte) Auswahl diverser Kartenlayer (H2-Kernnetz / Kläranlagen). Details zu den Kläranlagenstandorten (Name und O2-Potenzial) lassen sich in höheren Zoomstufen anzeigen.

Merkliste (Pin) Aufnahme in Favoritenliste.

Suche (Lupensymbol) Standortsuche.

[3] Im linksseitigen Menüband sind die Funktionen:

Tutorial: Diese Anleitung erneut ansehen.

Hintergrund / Methodik: Erläuterung der angewandten Methodiken und des Datenhintergrundes.

Glossar: Verwendete Fachbegriffe und ihre Bedeutung.

Kontakt: Kontaktieren Sie uns bei Fragen und Anmerkungen.

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[1] Filtermenü: hier können folgende Filter eingestellt werden:

System: Theoretisches Potenzial oder energiesystemische Betrachtung.

Stützjahr: Auswahl des Jahres (2025, 2030, 2035, 2045).

Szenario: Wie stark wird sich Wasserstoff als Energieträger durchsetzen (Arm, Basis, Reich).

Koppelprodukt: Filtern nach Standorten mit Koppelproduktnutzung (O2 / Abwärme).

Leistung: Schieberegler zum Filtern der installierten Elektrolyseleistung in MW.

Erneuerbare Energien: Schieberegler zum Filtern des potenziellen Grünstromanteils innerhalb einer Region (0 - 100 %).

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Wird mit dem Cursor über einen Punkt gefahren, erscheint ein blau hinterlegtes Polygon. Dieses symbolisiert die Clusterregion, die dem Punkt zugeordnet ist, inkl. den Absatzpotenzialen innerhalb des Clusters und der Anlieferung mittels Trailer. Ist ein Standort an das H2-Kernnetz angeschlossen, erscheint das hinterlegte Netz.

Wird der Standort angeklickt, öffnet sich ein Fenster mit folgenden Informationen:

[1] Mit der Funktion "Standort merken" wird der Standort in eine Favoritenliste aufgenommen.

[2] Diese Merkliste kann auf der Pin-Nadel im oberen Menüband angezeigt werden.

[3] Mit dem "Vergleichen" Button, wird ein Interface erzeugt, welches Standorte nach verschiedenen Kriterien vergleicht. Zuvor müssen zwei zu vergleichende Standorte ausgewählt werden (Klick auf den Kreis neben dem Standort).

[4] Mit dem Button "Detailseite" können weitere Techno-Ökonomische Kennzahlen angezeigt werden. Außerdem kann über einen Schieberegler der angenommene Strompreis verändert werden, wodurch sich auch die Stromgestehungskosten ändern.

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Auf der Detailseite des gewählten Standortes erscheinen verschiedene Ergebnisse, die dem Elektrolysestandort zugeordnet sind.

[1] Standortdetails des Elektrolyseurs mit Möglichkeit dieses Fenster als PDF zu speichern oder den Standort in die Merkliste aufzunehmen.

[2] Tortendiagramm zeigt das zugeordnete H2-Potenzial (nach Sektor) des Standortes an (nur bei Standorten mit Traileranlieferung).

[3] Ergebnisse des Elektrolyseur-Standortes im Detail.

[4] Schieberegler LCoE (Energiekosten) in €/MWh beeinflusst die LCoH (Wasserstoffkosten) der Gestehung und der Anlieferung.

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Durch Anklicken des Pins [1] können Standorte miteinander verglichen werden.

Hierzu müssen zwei Standorte gewählt werden [2] (Kreis anwählen).

Mit dem Objekt [3] können die gewählten Standorte nochmals angeflogen werden.

Ist die Auswahl gesetzt, kann mit einem Klick auf den Button "Vergleichen" [4] ein grafischer Vergleich der selektierten Standorte durchgeführt werden.

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