Aufbau einer Tankstellen-Infrastruktur zur Versorgung von Fahrzeugen mit dem alternativen Kraftstoff Wasserstoff unter Berücksichtigung technischer, ökonomischer und ökologischer Gesichtspunkte

Abstract

In den letzten Jahren ist der Begriff der "Nachhaltigkeit" menschlicher Aktivitaeten immer mehr in den Vordergrund gerueckt. Dieser Begriff erfordert unter anderem die Verringerung der Abhaengigkeit von den fossilen Ressourcen und eine Verringerung der CO_2-Emissionen. Die vorliegende Arbeit zeigt moegliche dynamische Entwicklungen eines Aufbaues einer Wasserstoff-Infrastruktur (mit den Komponenten Wasserstoffproduktion, Distribution, Tankstellen) in Deutschland zur Versorgung von Fahrzeugen für den alternativen Kraftstoff Wasserstoff auf. Aufbauend auf einer modellierten Entwicklung des Fahrzeugbestandes waere eine vollstaendige Adaptierung der Tankstellen binnen rund 15 Jahren realisierbar. Die Entwicklung des Tankstellenbestandes weist dabei die Form einer S-Kurve auf. Die Mehrkosten der spezifischen Wasserstoffkosten gegenüber dem konventionellen Kraftstoffpreis nehmen in diesem Zeitraum deutlich ab. Im Hinblick auf die genannten Ziele hat die Wasserstoffproduktion langfristig durch Elektrolyse, unter Verwendung von regenerativ erzeutem Strom oder Strom aus Kernkraft, zu erfolgen. Unter Beruecksichtigung des Kriterium minimaler inkrementaler Kosten wird ein kosten- und emissionsbezogenes Optimum ermittelt, dass eine langfristige Zusammensetzung der Wasserstoffproduktion von etwa 60 % durch Erdgas-Dampfreformierung und 40 % durch Elektrolyse vorsieht. Wesentlich ist die Gegebenheit, dass mit ansteigendem Elektrolyseanteil in der Wasserstoffproduktion, die zusaetzlich erzielbaren CO_2-Emissionsreduzierungen viel staerker zunehmen als die Gesamtkosten. Die niedrigsten CO_2-Vermeidungskosten entstehen somit bei alleiniger Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse. Die spezífischen Wasserstoffkosten koennen grundsaetzlich ueber den betrachteten Zeitraum (2006 bis 2035) um mehr als 40 %, in Abhaengigkeit der langfristigen Zusammensetzung der Wasserstoffproduktion, gesenkt werden. Bei der Betrachtung des Gesamtsystems zeigt sich auch die eingeschraenkte Anwendbarkeit der CO_2-Sequestrierung (das bei der fossilen Elektrizitaetserzeugung und Wasserstoffproduktion anfallende CO_2 wird gesammelt und an geeigneten Orten gelagert, dadurch keine Abgabe in die Atmosphaere). Aufgrund der auftretenden Restemissionen ist deren Anwendung nur bis zu einem Elektrolyseanteil in der Wasserstoffproduktion von etwa 50 % sinnvoll.

In the last years the term "sustainability" has been coming into the focus. Related to road transportation sector sustainability insists on search for an alternative carbon-free fuel in order to diminish the dependency on exhaustible resources like crude oil and the aim for reduction of anthropogenic CO_2-emissions. The work is analyzing possible dynamic developments to set up a hydrogen infrastructure in Germany (containing hydrogen production, distribution, fueling stations) in order to supply hydrogen-powered vehicles. After feasible assumptions about the market penetration of hydrogen-powered vehicles over a period of time and thus the increasing hydrogen demand, the time period to set up a fueling station network would be around 15 years. The development of the fueling station stock over the time looks like a S-curve. To fulfill the long-term objectives only hydrogen production by electrolysis with renewable energy sources makes sense. The overall view of the costs in dependency on time and realizable CO_2-reduction results a composition of the hydrogen production of 60 % by steam reforming of natural gas and 40 % by electrolysis. The higher the portion of electrolysis within the hydrogen production the higher the costs, but the raise in costs is not as high as the additional CO_2-reduction. From the point of the lowest CO_2-avoidance costs the hydrogen production only by electrolysis should be realized. In this connection the limited application of the CO_2-sequestration has been shown. Caused by limited CO_2-capture from flue gas CO_2-emissions still existing. The application of sequestration only makes sense up to a portion of around 50 % by electrolysis in hydrogen production.