Weltweite Infrastruktur zur Wasserstoffbereitstellung auf Basis erneuerbarer Energien

  • Worldwide hydrogen supply infrastructure based on renewable energy

Heuser, Philipp-Matthias; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment 532
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Internationale Klimaschutzziele, schwindende fossile Energiereserven und ein wachsender globaler Energiebedarf erfordern die massive Einbindung erneuerbarer Energiequellen in das weltweite Energiesystem. Die Nutzbarmachung großer Wind- und Solarenergieressourcen in internationalen, klimatisch und geografisch günstig gelegenen Regionen zur Versorgung von Regionen mit hohem Energiebedarf birgt die Herausforderung räumlicher und zeitlicher Diskrepanzen zwischen Energieangebot und -nachfrage. Die Verwendung auf Basis erneuerbarer Energien erzeugten Wasserstoffs bietet eine vielversprechende Option, dieser Herausforderung zu begegnen. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Konzeption und techno-ökonomischen Bewertung einer weltweiten Wasserstoffinfrastruktur auf Basis erneuerbarer Energien zur Deckung eines zukünftigen globalen Wasserstoffbedarfs. Dabei gilt es, das weltweite Bereitstellungspotential von erneuerbar erzeugtem Wasserstoff zu ermitteln, die maßgeblichen Kostenbeiträge im Rahmen der Infrastruktur zu identifizieren sowie kostenoptimale Importpfade zu bestimmen. Die Analyse zeichnet sich durch eine zeitlich und räumlich aufgelöste Abbildung sowohl der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie als auch der inländischen Bereitstellungsinfrastruktur für Wasserstoff aus. In Abhängigkeit definierter Ausbaugrade der erneuerbaren Energietechnologien ergeben sich Angebots- und Kostenkurven der Wasserstoffbereitstellung, auf deren Grundlage die Wasserstoffallokation mit dem Ziel einer globalen Gesamtkostenminimierung erfolgt. Das ermittelte Wasserstoffpotential der untersuchten Vorzugsregionen von 1.590 MtH2 übersteigt die voraussichtlichen Weltbedarfspanne von 244 bis 487 MtH2 im Jahr 2050 deutlich. Über 75 % des Wasserstoffpotentials in den Vorzugsregionen können bereits für Kosten unter 4,00 EUR/kgH2 bereitgestellt werden. Die sich aus der kostenoptimalen Allokation ergebenden Importkosten werden durch Angebots- und Nachfragevariationen nur in geringem Maße beeinflusst und liegen je nach Importregion zwischen 3,00 und 4,50 EUR/kgH2.Aus wirtschaftlicher Sicht sind in allen ausgewählten windreichen Regionen durch Kostenoptima definierte Windenergieausbaugrade für den Wasserstoffexport anzustreben. Gleichzeitig bietet sich ein massiver Ausbau der Photovoltaik nur in wenigen, geografisch günstig gelegenen sonnenreichen Regionen wie Nordafrika und dem Nahen Osten an. Im Rahmen der Infrastruktur entfallen die relevanten Kostenbeiträge auf die Stromproduktion, die Elektrolyse und den Überseetransport. Die durch Regionalisierung geprägte weltweite Allokationsstruktur ist auf eben diesen Transportkosteneinfluss zurückzuführen. Im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen im deutschen Verkehrssektor erweisen sich Wasserstoffimporte trotz der zusätzlichen inländischen Distributionsinfrastruktur als kostengünstige Alternative. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass ein zukünftiger Weltwasserstoffbedarf durch erneuerbare, wirtschaftlich konkurrenzfähige Wasserstoffimporte aus internationalen Vorzugsregionen gedeckt werden kann.

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