Weltweite Infrastruktur zur Wasserstoffbereitstellung auf Basis erneuerbarer Energien

Heuser, Philipp-Matthias; Scherer, Viktor; Stolten, Detlef

doi:HT020976664

Weltweite Infrastruktur zur Wasserstoffbereitstellung auf Basis erneuerbarer Energien = Worldwide hydrogen supply infrastructure based on renewable energy

Heuser, Philipp-Matthias^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabePhilipp-Matthias Heuser

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

ISBN978-3-95806-531-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 532

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-08-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05487
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820196/files/820196.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
internationale Wasserstoffinfrastruktur (frei) ; Photovoltaik (frei) ; Wasserstoffimporte (frei) ; Windenergie (frei) ; erneuerbare Energien (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

International climate protection goals, shrinking fossil energy reserves and a growing global energy demand require the massive integration of renewable energy sources into the global energy system. The utilization of large wind and solar energy resources in international, climatically and geographically favorable regions in order to supply regions worldwide with high-energy requirements poses the challenge of spatial and temporal discrepancies between energy supply and demand. The use of hydrogen based on renewable energies offers a promising option for meeting this challenge. The objective of this work is the conception and techno-economic evaluation of a worldwide hydrogen infrastructure based on renewable energies to cover a future global hydrogen demand. In this context, it is necessary to calculate the worldwide supply potential of renewably produced hydrogen, to identify the significant cost contributions within the framework of the infrastructure and to determine cost-optimal import pathways. The analysis stands out due a temporally and spatially resolved modeling of the electricity generation from wind and solar energy as well as the domestic supply infrastructure for hydrogen. Subject to defined degrees of expansion of the renewable energy technologies, supply and cost curves for hydrogen result, providing the basis for the hydrogen allocation with the aim of minimizing global overall cost. The determined hydrogen supply potential of 1,590 MtH2 in the investigated preferential regions clearly exceeds the projected global demand range of 244 to 487 MtH2 in 2050. More than 75% of the hydrogen potential in the preferential regions can be provided for costs below 4.00 EUR/kgH2. The resulting import costs are affected only to a minor extent by supply and demand variations and range between 3.00 and 4.50 EUR/kgH2 depending on the import region. From an economic point of view, cost optimal wind energy expansion levels for hydrogen export should be aimed for in all selected strong wind regions. At the same time, a massive expansion of photovoltaics is only advisable in a few sunny and geographically favorable regions such as North Africa and the Middle East. Within the scope of the infrastructure, the relevant cost contributions are attributable to electricity production, electrolysis and overseas transport. The worldwide allocation structure, characterized by regionalization, is due to precisely this transport cost influence. Despite the additional domestic distribution infrastructure, hydrogen imports prove to be a cost-effective alternative to conventional fuels in the German transport sector. The results of this work show that a future global hydrogen demand can be covered by renewable, economically competitive hydrogen imports from international preferential regions.

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