Institute of Electrochemical Process Engineering (IEK-3)

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1 Institute of Electrochemical Process Engineering (IEK-3)
Electricity and Gas Market Design to Supply the German Transport Sector with Hydrogen Martin Robinius, Leander Kotzur, Sebastian Schiebahn, Thomas Grube, Detlef Stolten Strommarkttreffen zum Thema „Marktdesign“, 13. Mai in Berlin Institute of Electrochemical Process Engineering (IEK-3)

2 Table of Contents Introduction: Status greenhouse gas (GHG) emissions
Timeline for energy research Status fuel cell vehicles The Year 2050 – Energy Concept 2.0 –: Installed capacity RES Surplus power analysis Potential hydrogen demand Dedicated hydrogen pipeline grid Pre-tax cost analysis The Markets and Share- and Stakeholder Mass Market Introduction of Hydrogen: Conclusion

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5 Timeline for Energy Research and Deployment to Meet the 2050 Goals
2050: 80% reduction goal fully achieved 2040: start of market penetration 2030: research finalized for 1st generation technology Development period: until 2040 Research period: until 2030 16 years left for research => TRL 4 and higher (> validated in the lab) This is not to say research at lower TRL levels is not useful, it will just not contribute to the 2050 goal TRL: Technology Readiness Level; cf. h2020-wp1415-annex-g-trl_en.pdf; issued by EU

6 Honda Aromatic membrane see WHEC 2010 contribution of Th
Honda Aromatic membrane see WHEC 2010 contribution of Th. Brachmann ( Honda‘s FCX4 commercial approval: Electrovan data according to: Generations of GM History: 1966 GM Electrovan Daimler: Fuel Cell Drive Technology Honda FCV: Honda: About fuel Cells FCEV

7 Select Improvements Hydrogen can Deliver on
Worldwide: Reduction of CO 2eq emissions: mitigation of sea level rise, future storm intensity, floods, droughts etc. Impact on all countries; high vulnerability of lower income countries Middle income countries*, particularly upper middle income countries: PM10, PM2.5, NOx, SO2, etc., particularly in sprawling urban centers; change of attitude with upper and middle class city dwellers & expatriates (e.g. China), change of policies (e.g. China) Yet there are still massive emissions issues in High income countries: NOx (and hence O3), PM10, PM2.5 in urban centers Low income countries: Hardly accessible with new expensive technology, particularly if massive infrastructure is needed Example: more people own cell phones worldwide than have access to toilets** The world is very diverse and bears stunning discrepancies This study focuses on Germany as a starting point & is going to be extended to further countries * World Bank classification; comparison of classifications cf. IMF working paper WP/11/31; Lynge Nielssen 2011 **

8 The Year 2050

9 FCV: Fuel cell vehicles
Neg. residual: negative residual loads are covered with natural gas fired power plants LCOE: Levelized cost of electricity RES: Renewable energy sources WACC: Weighted average capital cost Sources: all values after Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Dissertation RWTH Aachen University, to be published in 2016; except: [1] GermanHy (2009), Scenario “Moderat” [2] H2-Mobility, time scale shifted 2 years into the future [3] Krieg, D. (2012), Konzept und Kosten eines Pipelinesystems zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Forschungszentrum, Zentralbibliothek, Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie und Umwelt / energy and environment, Zugl.: Diss., RWTH Aachen, 2012 Ansatz: Mithilfe der Gemeinde-“scharfen“ Ermittlung von Zeitreihen der Netzlast (kalibriert auf die jeweilige Regelzonenlast) und der standort-“scharfen“ Bestimmung der Einspeisung aus Erneuerbaren wird in Gemeindeauflösung die Residuallast bestimmt. Positive Residuallast wird mithilfe von Gaskraftwerken gedeckt; negative R. steht unter Berücksichtigung eine Curtailment für die Elektrolyse zur Verfügung: 191 TWh bei Annahme der „Kupferplatte“, 293 TWh bei Berücksichtigung von Netzengpässen. Die zugehörigen H2-Mengen sind 4,0 bzw. 6,2 Mio. t/a FCV Annahmen wurde getroffen hinsichtlich: Verbrauch (abnehmend über der Zeit); Flottenaufbau mithilfe einer Markteinführungskurve auf Basis von Toyota-Hybdridverkäufen seit 1997; Laufleistung pro Jahr und Marktpotential i.H.v. 75 % aller Pkw. Der maximale Bedarf ergibt sich dann für 2052 mit 2,93 Mio. t und liegt damit unterhalb des Angebots (s.o.) Elektrolyseure wurden lokalisiert (fast ausschließlich im Nordwesten Deutschlands) und mit 28 GW skaliert und kostenmäßig (500 €/kW) bewertet. Mit dem angegebenen und bewerteten Speicherbedarf und Tankstellen lassen sich Gesamtinvestition angeben, die wiederum zusammen mit den ermittelten Stromgestehungskosten zu H2-Gesamtkosten von 16,5 ct/kW bzw. 5,50 €/kg führen

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11 FCV: Fuel cell vehicles
Neg. residual: negative residual loads are covered with natural gas fired power plants LCOE: Levelized cost of electricity RES: Renewable energy sources WACC: Weighted average capital cost Sources: all values after Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Dissertation RWTH Aachen University, to be published in 2016; except: [1] GermanHy (2009), Scenario “Moderat” [2] H2-Mobility, time scale shifted 2 years into the future [3] Krieg, D. (2012), Konzept und Kosten eines Pipelinesystems zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Forschungszentrum, Zentralbibliothek, Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie und Umwelt / energy and environment, Zugl.: Diss., RWTH Aachen, 2012 Ansatz: Mithilfe der Gemeinde-“scharfen“ Ermittlung von Zeitreihen der Netzlast (kalibriert auf die jeweilige Regelzonenlast) und der standort-“scharfen“ Bestimmung der Einspeisung aus Erneuerbaren wird in Gemeindeauflösung die Residuallast bestimmt. Positive Residuallast wird mithilfe von Gaskraftwerken gedeckt; negative R. steht unter Berücksichtigung eine Curtailment für die Elektrolyse zur Verfügung: 191 TWh bei Annahme der „Kupferplatte“, 293 TWh bei Berücksichtigung von Netzengpässen. Die zugehörigen H2-Mengen sind 4,0 bzw. 6,2 Mio. t/a FCV Annahmen wurde getroffen hinsichtlich: Verbrauch (abnehmend über der Zeit); Flottenaufbau mithilfe einer Markteinführungskurve auf Basis von Toyota-Hybdridverkäufen seit 1997; Laufleistung pro Jahr und Marktpotential i.H.v. 75 % aller Pkw. Der maximale Bedarf ergibt sich dann für 2052 mit 2,93 Mio. t und liegt damit unterhalb des Angebots (s.o.) Elektrolyseure wurden lokalisiert (fast ausschließlich im Nordwesten Deutschlands) und mit 28 GW skaliert und kostenmäßig (500 €/kW) bewertet. Mit dem angegebenen und bewerteten Speicherbedarf und Tankstellen lassen sich Gesamtinvestition angeben, die wiederum zusammen mit den ermittelten Stromgestehungskosten zu H2-Gesamtkosten von 16,5 ct/kW bzw. 5,50 €/kg führen

12 FCV: Fuel cell vehicles
Neg. residual: negative residual loads are covered with natural gas fired power plants LCOE: Levelized cost of electricity RES: Renewable energy sources WACC: Weighted average capital cost Sources: all values after Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Dissertation RWTH Aachen University, to be published in 2016; except: [1] GermanHy (2009), Scenario “Moderat” [2] H2-Mobility, time scale shifted 2 years into the future [3] Krieg, D. (2012), Konzept und Kosten eines Pipelinesystems zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Forschungszentrum, Zentralbibliothek, Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie und Umwelt / energy and environment, Zugl.: Diss., RWTH Aachen, 2012 Ansatz: Mithilfe der Gemeinde-“scharfen“ Ermittlung von Zeitreihen der Netzlast (kalibriert auf die jeweilige Regelzonenlast) und der standort-“scharfen“ Bestimmung der Einspeisung aus Erneuerbaren wird in Gemeindeauflösung die Residuallast bestimmt. Positive Residuallast wird mithilfe von Gaskraftwerken gedeckt; negative R. steht unter Berücksichtigung eine Curtailment für die Elektrolyse zur Verfügung: 191 TWh bei Annahme der „Kupferplatte“, 293 TWh bei Berücksichtigung von Netzengpässen. Die zugehörigen H2-Mengen sind 4,0 bzw. 6,2 Mio. t/a FCV Annahmen wurde getroffen hinsichtlich: Verbrauch (abnehmend über der Zeit); Flottenaufbau mithilfe einer Markteinführungskurve auf Basis von Toyota-Hybdridverkäufen seit 1997; Laufleistung pro Jahr und Marktpotential i.H.v. 75 % aller Pkw. Der maximale Bedarf ergibt sich dann für 2052 mit 2,93 Mio. t und liegt damit unterhalb des Angebots (s.o.) Elektrolyseure wurden lokalisiert (fast ausschließlich im Nordwesten Deutschlands) und mit 28 GW skaliert und kostenmäßig (500 €/kW) bewertet. Mit dem angegebenen und bewerteten Speicherbedarf und Tankstellen lassen sich Gesamtinvestition angeben, die wiederum zusammen mit den ermittelten Stromgestehungskosten zu H2-Gesamtkosten von 16,5 ct/kW bzw. 5,50 €/kg führen

13 FCV: Fuel cell vehicles
Neg. residual: negative residual loads are covered with natural gas fired power plants LCOE: Levelized cost of electricity RES: Renewable energy sources WACC: Weighted average capital cost Sources: all values after Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Dissertation RWTH Aachen University, to be published in 2016; except: [1] GermanHy (2009), Scenario “Moderat” [2] H2-Mobility, time scale shifted 2 years into the future [3] Krieg, D. (2012), Konzept und Kosten eines Pipelinesystems zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. Forschungszentrum, Zentralbibliothek, Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie und Umwelt / energy and environment, Zugl.: Diss., RWTH Aachen, 2012 Ansatz: Mithilfe der Gemeinde-“scharfen“ Ermittlung von Zeitreihen der Netzlast (kalibriert auf die jeweilige Regelzonenlast) und der standort-“scharfen“ Bestimmung der Einspeisung aus Erneuerbaren wird in Gemeindeauflösung die Residuallast bestimmt. Positive Residuallast wird mithilfe von Gaskraftwerken gedeckt; negative R. steht unter Berücksichtigung eine Curtailment für die Elektrolyse zur Verfügung: 191 TWh bei Annahme der „Kupferplatte“, 293 TWh bei Berücksichtigung von Netzengpässen. Die zugehörigen H2-Mengen sind 4,0 bzw. 6,2 Mio. t/a FCV Annahmen wurde getroffen hinsichtlich: Verbrauch (abnehmend über der Zeit); Flottenaufbau mithilfe einer Markteinführungskurve auf Basis von Toyota-Hybdridverkäufen seit 1997; Laufleistung pro Jahr und Marktpotential i.H.v. 75 % aller Pkw. Der maximale Bedarf ergibt sich dann für 2052 mit 2,93 Mio. t und liegt damit unterhalb des Angebots (s.o.) Elektrolyseure wurden lokalisiert (fast ausschließlich im Nordwesten Deutschlands) und mit 28 GW skaliert und kostenmäßig (500 €/kW) bewertet. Mit dem angegebenen und bewerteten Speicherbedarf und Tankstellen lassen sich Gesamtinvestition angeben, die wiederum zusammen mit den ermittelten Stromgestehungskosten zu H2-Gesamtkosten von 16,5 ct/kW bzw. 5,50 €/kg führen

14 Principle of a Renewable Energy Scenario with Hydrogen
Hydrogen as an Enabler for Renewable Energy 214 GW (onshore, offshore & PV peak simultaneously Curtailment regime 28 GW Electrolysis Electrolysis regime 40-80 GW Grid Load Fill power gaps w/ NG via CC & GT Power regime * based on Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. PhD thesis

15 Hydrogen for Transportation
Cost Comparison of Power to Gas Options – Pre-tax Hydrogen for Transportation with a Dedicated Hydrogen Infrastructure is Economically Reasonable Hydrogen for Transportation Hydrogen or Methane to be Fed into Gas Grid CAPEX via depreciation of investment plus interest 10 a for electrolysers and other production devices 40 a for transmission grid 20 a for distribution grid and refueling stations Interest rate 8.0 % p.a. Other Assumptions: 2.9 million tH2/a from renewable power via electrolysis Electrolysis: η = 70 %LHV, 28 GW; investment cost 500 €/kW Methanation: η = 80 %LHV Appreciable half the specific fuel consumption [1] Energy Concept 2.0

16 The Markets and Share- and Stakeholder

17 Electricity Market Overall Trade Description of the current state:
OTC 6.435 TWh EPEX Clearing 583 TWh Without 681 TWh Day-Ahead Intraday 22 TWh Overall Trade Analysis of alternative market designs: Capacity markets & congestion management Choice of suitable market designs: Integrated energy market design: If required: electrolysis units can reduce their promised load and safe achievement certificates Zonal or nodal pricing: Local price signals, in comparison to the actual copper plate model “Grid expansion is required for the preservation of a single price zone” [1] [1] Ein Strommarkt für die Energiewende (Weißbuch). Ergebnispapier des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie Juli 2015, S [2] Wend, A., Modellierung des deutschen Strommarktes unter Verwendung der Residuallast, in Institut für Brennstoffzellen. 2014, RWTH Aachen. [3] Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. PhD thesis

18 Gas Market Description of the current state : Worldwide analysis of hydrogen market: Hydrogen production from 45 to 65 million tons per year 48% from natural gas steam reforming 4% from alkaline electrolysis No market for the hydrogen supply of Fuel Cell Vehicles (FCV) German natural gas market as reference market Analysis of alternative market designs: Contract-Path-Model Bathtub-Model Control-Area-Model Choice of suitable market designs: Contract-Path-Model: Effective during pipeline development due to specific source-sink relations Entry-Exit-Model: Comparable to natural gas market, reasonable for highly meshed grids [1] Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. PhD thesis

19 Industry co-operations can accelerate the development of an hydrogen infrastructure
[1] Robinius, M. (2016): Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff. PhD thesis

20 Mass Market Introduction of Hydrogen No Barrier, just a Challenge

21 Estimated Worldwide Fuel Cell Car Population Build-up Energy Concept 1
Estimated Worldwide Fuel Cell Car Population Build-up Energy Concept 1.0 Based on Toyota’s Hybrid Cars / Assuming Fourfold Build-up-power for FCV Cars Assumptions (based on Toyota HEV data [1]) the same market penetration four-fold sales (four OEMs: Daimler/Ford, Honda/GM, Hyundai, Toyota) Vehicle lifetime of 10 years considered FCV with fleet average (cars, light trucks and busses) according to GermanHy: 1.17 kg (100 km)-1 fuel use 15,170 km a-1 annual mileage Passenger cars (GermanHy): 1.0 kg (100 km)-1 fuel use 14,900 km a-1 annual mileage, mix of gasoline and diesel cars [1] Hirose (2014): Toyota’s Effort toward Sustainable Mobility 2015 FCV and Beyond. In Proceedings: 20th World Hydrogen Energy Conference 2014, Gwangju, Korea.

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23 Economical investment
FCV Market Introduction in Germany 2.0 H2-cost evolution for full-fledged transmission grid, with demand-driven installation of electrolysers, storage capacities, distribution grid and fueling stations; Pre-tax Cost brake-down at 100 % linear growth of refueling stations Growth of refueling stations proportional to H2 demand 2050: 2.9 million t of H2 O&M Capital charge Capital Feedstock Gasoline (reference) break-even pre-tax 22 (at 0.7 kg/100km) 16 (at 1.0 kg/100km) allowable pretax cost range 17.5 (total) 8.9 3.3 3.4 1.9 8.0 Economical investment

24 FCV Market Introduction in Germany 2
FCV Market Introduction in Germany 2.0 H2-cost evolution for full-fledged transmission grid, with demand-driven installation of electrolysers, storage capacities, distribution grid and fueling stations; Pre-tax Cost brake-down at 100 % break-even incl. tax 44 2050: 2.9 million t of H2 O&M Capital charge Capital Feedstock Gasoline (reference) total cost range incl. tax 32 22 (at 0.7 kg/100km) 16 (at 1.0 kg/100km) allowable pretax cost range 17.5 (total) 8.9 3.3 3.4 1.9 8.0

25 Conclusion

26 Thank You for Your Attention
Prof. Dr. Detlef Stolten Institutsleiter IEK-3 Dr. Bernd Emonts Wiss. Koordinator & Stellvertreter Dr. Martin Robinius Abteilungsleiter VSA Dr. Thomas Grube Gruppenleiter Mobilität Dr. Sebastian Schiebahn Power-to-Gas Dr. Alexander Otto CCU und Industrie Vanessa Tietze Wasserstoffinfrastruktur Dr. Dr. Li Zhao Post-Combustion Capture