Effizienzvergleich Wasserstoffwirtschaft vs. Stromwirtschaft Christian Reinhold, B.Sc., 28.06.13

Geben Sie hier eine Formel ein. Agenda Geben Sie hier eine Formel ein. Physik und Technik der Drehstrom-Hochspannungsübertragung Energetische und Kostenbasierte Untersuchung der Stromwirtschaft Energetische und Kostenbasierte Untersuchung der Wasserstoffwirtschaft Effizienzvergleich Stromwirtschaft zu Wasserstoffwirtschaft Schlussbemerkungen 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung Geben Sie hier eine Formel ein. Hochspannungs- transformator Mittel-,Niederspannungs- transformator Leitung 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung Geben Sie hier eine Formel ein. Hochspannungs- transformator Mittel-,Niederspannungs- transformator Leitung Schalter: aus Elektrischer Speicher 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung Geben Sie hier eine Formel ein. Hochspannungs- transformator Mittel-,Niederspannungs- transformator Leitung Schalter: ein 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − Elektrischer Speicher (geladen) 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung Geben Sie hier eine Formel ein. Hochspannungs- transformator Mittel-,Niederspannungs- transformator Leitung Schalter: ein 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − Elektrischer Speicher (geladen) 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 𝑒 − 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Definition: Stromwirtschaft Stromwirtschaft ist ein Bestandteil der Energiewirtschaft, in der auf allen Ebenen mit Strom gehandelt und gewirtschaftet wird. Vorrangig zur Versorgung von Privat-Haushalten, Betrieben aller Art mit elektrischer Energie. Als Sekundärenergie wird dabei Strom genutzt. Grundelemente der Stromwirtschaft sind: Erzeugung von Strom Transport von Strom Speicherung von Strom 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung - Stromwirtschaft Geben Sie hier eine Formel ein. Hochspannungs- transformator Mittel-,Niederspannungs- transformator Leitung Schalter: ein Stromtransport Elektrischer Speicher (geladen) Stromerzeugung Stromspeicherung 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Stromwirtschaft heute 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Stromerzeugungskosten und Wirkungsgrade Geben Sie hier eine Formel ein. Erzeugungstyp Stromgestehungs- kosten in ct/kWh Wirkungsgrad in % Steinkohle 9(2) 46(2) PV-Kleinanlagen (1300 kWh/m²/a) 14 - 16(1) 5-25 (abhängig vom Material) Onshore-WEA (Back-up-Kosten, Netzausbau u. Verluste) 6 - 8(1) 50 PV-Freiflächen (1300 kWh/m²/a) 13 – 14(1) 5-25 (abhängig vom Material) Offshore-WEA (Back-up-Kosten, Netzausbau u. Verluste) 11 - 16(1) Braunkohle Solarthermisch. Kraftwerk 18(1) 15 Wasserkraftwerk 10 90 Biomasse 15(2) 40 GuD 8(2) 60(2) 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Stromtransportkosten und Verluste Speicherkosten und Verluste Geben Sie hier eine Formel ein. Transporttyp Stromtransport- kosten in ct/kWh (nur Verlustkosten) Verluste in % Speichertyp Stromspeicher- kosten in ct/kWh Freileitung 12 10 Pumpspeicher 5 20-30 Kabel 9 7,5 Lithium-Ion 15-20 GIL 7,8 6,5 HGÜ 6 Für Freileitung, Kabel und GIL wurden folgende Werte verwendet: 1000MVA, 1000km Für HGÜ wurden Referenzprojekte verwendet (Desertec, NordNed) 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom – Energetische Betrachtung Geben Sie hier eine Formel ein.aasas 𝜇=15% 0,15-0,5 kWh 𝜇=90%−95% 0,11 - 0,48 kWh 1 kWh 𝜇=46% 0,14 - 0,48 kWh 0,11 - 0,38 kWh 𝜇=50% 𝜇=40% 𝜇=80% Direkte Erzeugung von Strom -> hohes energetisches Niveau am Verbraucher Verluste werden hauptsächlich durch Erzeugung und Transport verursacht Speicher werden nur eingesetzt als Puffer und bei Überangebot (derzeit) 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom – Kostenbetrachtung Geben Sie hier eine Formel ein.aasas 13-16 ct/ kWh 𝜇=90%−95% 9 ct/ kWh 6-12 ct/ kWh 12-48 ct/ kWh 6-16 ct/ kWh 15 ct/ kWh 𝜇=80% 5-20 ct/ kWh Der Energiepreis am Verbraucher ist stark vom Erzeugungstyp und Transporttyp oder wahlweise Speichertyp 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom: Auswertung Szenario Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasser + HGÜ+ kein Speicher 0,855 16 PV: Max. Energie PV + HGÜ + kein Speicher 0,1425 21 Wind: Max. Energie Wind + HGÜ + kein Speicher 0,475 19,5 Bio: Max. Energie Biomasse + HGÜ+ kein Speicher 0,38 Min. Energie Solarthermie. + Freileitung. + Pumpspeicher 0,10125 35 Min. Kosten 13 Max. Kosten Solarthermie. + Freileitung. + Lithium-Ion 0,1215 47,5 Geben Sie hier eine Formel ein. Wasserkraft mit Übertragung per HGÜ hat den besten Gesamtwirkungsgrad und geringe Kosten pro kWh Es besteht keine Kopplung zwischen Gesamtwirkungsgrad und Kosten pro kWh Speichernutzung haben sowohl negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad als auch auf die Kosten HGÜ verbessert den Gesamtwirkungsgrad um 1,6% im Vergleich zur GIL HGÜ verbessert die Kostenbilanz um 22% im Vergleich zur Freileitung 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Szenario Überangebot Geben Sie hier eine Formel ein. Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasserkraft + HGÜ + Lithium-Ion 0,7695 33,5 Min. Kosten Wind + HGÜ + Pumpspeicher 0,3562 11 Solarthermisch + HGÜ + Pumpspeicher 0,1069 PV + HGÜ + Pumpspeicher Geben Sie hier eine Formel ein. Kosten der Erzeugung für PV, Wind, Solarthermie 0 ct/kwh Bedingung: Speicher muss eingesetzt werden Wasserkraft in Verbindung mit HGÜ und Lithium-Ion-Batterien hat den höchsten Energetischen Wert Wind, PV und Solarthermie können im Fall von Überangebot optimal mit HGÜ und Pumpspeicher verwendet werden 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Mobilität – Energetische Betrachtung Geben Sie hier eine Formel ein. 0,15-0,5 kWh 0,11-0,48 kWh 𝜇=90−95% 0,1-0,46 kWh 𝜇=40% 0,4 kWh 1 kWh 1 kWh Höheres Energetisches Niveau wenn der Verkehrssektor direkt über Elektromobilität realisiert wird Besserer Umwandlungswirkungsgrad von elektrischer Energie-> Mechanischer Energie 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Mobilität – Kostenbetrachtung Geben Sie hier eine Formel ein. 13-16 ct/ kWh 6-16 ct/kWh 12-48 ct/kWh 14,4 - 52,8 ct/kWh 9 ct/ kWh 6-12 ct/ kWh 13,68 – 28,55 ct/kWh 6-16 ct/ kWh 15 ct/ kWh 5-20 ct/ kWh 8,55 ct/kWh 17,84 ct/kWh(E85) Sehr hohe Kostenschwankungen bei Elektromobilität Verbesserung möglich durch günstige Erzeugung und nicht Inanspruchnahme des Speichers 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Energetische/Kostenbasierte Auswertung und Szenario Überangebot Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasser + HGÜ+ kein Speicher 0.7695 17,6 Min. Kosten Wind + HGÜ + kein Speicher 0,4275 14,3 Überangebot (max. Energie) Wasserkraft + HGÜ + Lithium-Ion 0.6926 36.85 (min. Kosten) PV + HGÜ + Pumpspeicher 0.3206 12.1 - Gas 0,4 13,68 E85 28,55 Geben Sie hier eine Formel ein. Ergebnisse ähnlich Analyse „Versorgung mit Strom“ Durch Umwandlung in mechanische Energie wird der Gesamtwirkungsgrad um 10% gesenkt und die Kosten nehmen in Durchschnitt um 1,2 ct/kWh zu E-Mobility zeigt eine Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zu Gas und E85 besonders bei Überangebot 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Stromwirtschaft heute + Integration Wasserstoffwirtschaft 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Wasserstofferzeugungskosten und Wirkungsgrade Geben Sie hier eine Formel ein. Erzeugungstyp Stromgestehungskosten in ct/kWhH2 Wirkungsgrad in % Dampfreformierung 2,64(3) 70(3) Biomassevergasung 2,40(3) 67(3) Elektrolyse 6,50(3) Kohlevergasung 1,22(3) 57(3) IGCC 1,39(3) (H2) 50(3) 2,00(3) (Strom) 10(3) 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Wasserstofftransportkosten und Speicherkosten und Verluste Verluste Geben Sie hier eine Formel ein. Transporttyp H2-transport- kosten in ct/kWh (nur Verlustkosten) Verluste in % Speichertyp Stromspeicher- kosten in ct/kWh Pipeline 0,58(3) 0,01 Druckspeicher 23 30(3) Trailertransport 0,76(3) 0,03 Gas-Kavernen 22 20(3) Flüssigspeicher 55(3) Hybridspeicher 1,2 11,5 Pipelinetransport: 1000MVA, 1000km Für Trailertransport wurde ein Kraftstoffverbrauch von 350l/1000km angesetzt 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom – Energetische Betrachtung Geben Sie hier eine Formel ein. 0,11-0,48 kWh 𝜇=70% 𝜇=99.7%−99.9% 𝜇=40% 0,08-0,7 kWh 0,014-0,28 kWh 𝜇=67% 0,08-0,7 kWh 𝜇=70% 𝜇=57% 0,036 – 0,56 kWh 𝜇=45%−80% 𝜇=50% Aufgrund der Umwandlungsverlusten hat man energetische Nachteile Gegenüber Stromwirtschaft 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom – Kostenbetrachtung Geben Sie hier eine Formel ein. 12 – 48 ct/kWh 2,64 ct/kWh 𝜇=99.7%−99.9% 𝜇=40% 17,8 – 89,7 ct/kWh 1,8 – 54,55ct/kWh 2,4 ct/kWh 1,22 – 54,5ct/kWh 6,5 ct/kWh 1,22 ct/kWh 18,8 – 72,1 ct/kWh 𝜇=60% 1,39 ct/kWh Durch günstige Produktion von H2 können Kostenvorteile gegenüber Stromwirtschaft entstehen Elektrolyse-BZ wird bei regenerativ gespeicherten Strom unwirtschaftlich 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom: Auswertung Szenario Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,2515 (70,6%) 33.08(107%) PV: Max. Energie/ Min. Kosten PV -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,0419 (70,6%) 38,08 (81%) Wind: Max. Energie/ Min. Kosten Wind -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,1397 (70,6%) 30,08 (55%) Bio: Max. Energie/ Min.Kosten Biovergasung -> Pipeline -> BZ 0,2677 (30%) 18,98 (10%) Min. Energie PV -> Freileitung -> Pumpspeicher -> Elektrolyse -> Trailertransport -> Flüssigspeicher -> BZ 0,0127 (87%) 76,76 (119%) Min. Kosten Kohlevergasung -> Pipeline -> BZ 0,2278 (52%) 17,8 (37%) Geben Sie hier eine Formel ein. Die Umwandlung von Strom aus Wasserkraft wäre eine akzeptable Möglichkeit Wasserstoff zu erzeugen Mit Hilfe der Biovergasung entsteht ein Kostenvorteil von ca. 10% Im Allgemeinen entsteht ein unwirtschaftlicher Energieverlust sowie Kosten aufgrund der Umwandlungsverluste in der Elektrolyse 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom: BZ - KWK Geben Sie hier eine Formel ein. 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom: BZ-KWK Geben Sie hier eine Formel ein. Abhängig von der Betriebstemperatur kann BZ in Fernwärmenutzung und Nahwärmenutzung einteilen BZ Betriebstemperatur Fernwärmenutzung Nahwärmenutzung AFC 60-120 °C - x PEMFC 60-90 °C PAFC 170-220 °C DMFC 80-130 °C MCFC 620-660 °C SOFC 800-1000 °C (Quelle: [4]) 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Strom: Auswertung mit KWK Szenario Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,566 (33,8%) 33.08(107%) PV: Max. Energie/ Min. Kosten PV -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,094 (34%) 38,08 (81%) Wind: Max. Energie/ Min. Kosten Wind -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,3143 (33,8%) 30,08 (55%) Bio: Max. Energie/ Min.Kosten Biovergasung -> Pipeline -> BZ 0,60 (58%) 18,98 (10%) Min. Energie PV -> Freileitung -> Pumpspeicher -> Elektrolyse -> Trailertransport -> Flüssigspeicher -> BZ 0,028 (72%) 76,76 (119%) Min. Kosten Kohlevergasung -> Pipeline -> BZ 0,51 (7%) 17,8 (37%) Geben Sie hier eine Formel ein. Mit KWK von BZ kann man den Wirkungsgrad auf nahezu 90% erhöhen Dies bewirkt eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades so, dass die Bio- und Kohlvergasung eine alternative zur Stromwirtschaft darstellen 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Energetische/Kostenbasierte Auswertung und Szenario Überangebot/Speicherung Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,45 (41,5%) 55,08 (64%) Min. Kosten PV -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,075 (30%) 45,08 (310%) Wind -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,2515 (30%) Geben Sie hier eine Formel ein. Sowohl Verschlechterung der Energiewerte als auch Kostenwerte Kostenexplosion bei der Verwendung von Wind- und PV-Strom Alternativen könnten trotzdem interessant sein aufgrund der Möglichkeit eines Langzeitspeichers 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Versorgung mit Mobilität Geben Sie hier eine Formel ein. 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Energetische/Kostenbasierte Auswertung und Szenario Überangebot Strecke Endenergie in kWh Kosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0.197 (74%) 33,08 (90%) Min. Kosten Kohlevergasung -> Pipeline -> BZ 0,178 (58%) 17,8 (25%) Überangebot (max. Energie) Wasserkraft -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,158 (77%) 55,08 (50%) (min. Kosten) PV -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> B 0,0255 (92%) 45,08 (272%) - Gas 0,4 13,68 E85 28,55 Geben Sie hier eine Formel ein. Im Vergleich zur E-Mobility zeigt die Versorgung mit Wasserstoff sowohl energetisch als auch kostenorientiert Nachteile Ohne ausreichende Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologien kann eine Versorgung des Verkehrssektors mit Wasserstoff nicht wirtschaftlich sein 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Geben Sie hier eine Formel ein. Zusammenfassung Geben Sie hier eine Formel ein. Eine gesamte Umstellung von der Stromwirtschaft zur Wasserstoffwirtschaft ist nicht sinnvoll Im Bereich der Biomassevergasung und bei Überangebot von regenerativen Strom kann die Wasserstoff sowohl energetisch als auch kostenbasiert effizient eingesetzt werden (siehe Tetzlaff) Da es keine elektrische Lösung des Speicherproblems bis jetzt gibt könnte das Gasnetz als Puffer und Speicher genutzt werden Durch KWK von Brennstoffzellen kann der Gesamtwirkungsgrad erheblich gesteigert werden Die Umstellung auf Pipeline-Transport ist nur dann sinnvoll wenn die gesamten Umwandlungsverluste/kosten geringer sind als die Übertragungsverluste/Kosten von DHÜ/HGÜ etc. 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |

Literaturverzeichnis Geben Sie hier eine Formel ein. [1] „Studie Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien Mai 2012“, Frauenhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE [2] „Stromerzeugungskosten im Vergleich“, Working Paper, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung [3] „Integration einer Wasserstoffwirtschaft in ei nationales Energiesystem am Beispiel Deutschlands“, Fortschritt-Berichte VDI, Michael Ball, Kalrlsruhe 28.06.13 | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |