On the economics of hydrogen from renewable energy sources

Abstract

Wasserstoff ist einer der saubersten Energieträger und hat das Potential die lokalen und globalen Emissionen zu verringern. Wasserstoff ist jedoch ein Sekundär-energie-träger und muss erst aus fossiler, nuklearer oder erneuerbarer Energie erzeugt werden. Die sauberste Lösung wäre Wasserstoff, der auf erneuerbaren Energiequellen (EEQ) basiert.<br />Das Ziel dieser Arbeit ist, die zukünftige Bedeutung von Öko-Wasserstoff in Österreich für mobile und stationäre Anwendungen aus ökonomischer Sicht zu analysieren. Dazu werden die relevanten Energieketten von der Erzeugung bis zu den letztendlich bereit gestellten Energiedienstleistungen technisch abgebildet und ökonomisch bewertet.<br />Für die Wasserstofferzeugung werden die Technologien Dampfreformierung, Biomasse-vergasung und Elektrolyse mit Strom aus EEQ untersucht. Für die Bewertung und den Vergleich dieser Wasserstoffketten wurden sieben Module definiert: Primärenergie, Wasserstoff-Erzeugung, Aufbereitung, Verteilung, Speicherung, Abgabe und Nutzung. Insgesamt wurden dreiundzwanzig Wasserstoff-Ketten in einem dynamischen Kontext bis zum Jahr 2050, unter Berücksichtigung verschiedene Lernraten und Marktdurchdringungsraten, analysiert. Die Erzeugungskosten sind der größte Teil der gesamten Wasserstoffkosten. Diese Kosten sind vor allem von den Kosten der eingesetzten Primärenergie abhängig. Die mittel- bis langfristig interessanteste Option für Öko-Wasserstoff in Österreich ist die Bereitstellung von Transportdienstleistungen mit Fahrzeugen, die gasförmigen Wasserstoff nutzen. Dieser Wasserstoff würde aus der on-site Elektrolyse mit Strom aus Wasser- und Windkraft erzeugt.<br />Diese Nutzung von Öko-Wasserstoff im Transport Sektor würde zur Reduktion der Treibstoffemissionen bis zu 150 g CO2-eq. pro km im Vergleich zu Diesel führen.<br />Ein umfassender Umstieg auf eine auf erneuerbarer Energie basierende Wasser-stoffwirtschaft ist kurz- bis mittelfristig nicht zu erwarten, vor allem weil die Infra-struktur noch nicht vorhanden ist und die Kosten der Brennstoffzellen für die Nutzung noch sehr hoch sind. Erst durch weitere technologische Entwicklung, Kostenre-duktion und entsprechende politische Unterstützung könnte Öko-Wasserstoff, basierend auf in dieser Arbeit betrachteten Lernrate und Marktdurchdringungsrate, erst ab 2030 auf dem Markt konkurrenzfähig sein. Um aber die mittel- und langfristigen Chancen nutzen zu können, sind die weitere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig.

Hydrogen is widely considered as one of the cleanest and most innovative energy carriers, which has potential to reduce local and global emissions and to increase supply security. It is a secondary energy carrier and can be produced in different processes using fossil, nuclear or renewable energy sources, but hydrogen based on renewable energy is one of the best solutions from an environmental perspective.<br />The core objective of this work is to analyse the possible future relevance of renewable hydrogen for providing mobile and stationary energy services from an economic point of view in Austria. The following technologies to hydrogen production are considered: steam reforming, gasification of biomass and electrolysis with electricity from hydro, wind and photovoltaic power. The analysis is conducted in a dynamic framework until 2050 taking into account 23 possible hydrogen supply chains as well as a conceivable range of learning rates and market penetration rates. The aim of this work is to determine, both the costs of hydrogen for different hydrogen chains, and the costs of the energy services resulting from it. The analysed hydrogen chains are divided into seven parts: primary energy, hydrogen production, handling, transport, storage, refuelling and use. The hydrogen production costs are the major part of the hydrogen costs, and these costs are dependent on primary energy costs. The renewable hydrogen use in transport sector can reduce greenhouse gas emissions compared to conventional diesel vehicles up to 150 g CO2-eq. per kilometer. The most interesting option for use of renewable hydrogen in a mid to long term perspective is to provide transportation services with vehicles, that use gaseous hydrogen produced on-site from renewable electricity from hydro and wind power. The introduction of a hydrogen economy based on renewable energy is not expected in short to mid term perspective, because hydrogen infrastructure is still not available and the costs of fuel cells are still very high. Based on analysis only after further technological development linked to a significant cost reduction of hydrogen vehicles and corresponding favourable political support hydrogen produced from renewable energy could be used, depending on learning and market penetration rate, in the best case starting from 2030. To be able to use the mid and long term opportunities of hydrogen from RES further R&D efforts are necessary.