Bewertung der Rolle von Verdichtern im Wasserstoffsektor anhand einer Szenarioanalyse

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die sich schnell wandelnde Energielandschaft Europas untersucht. Die Notwendigkeit der Reduktion von fossilen Brennstoffen erfordert weitreichende Maßnahmen, aufbauend auf nachhaltigen sowie innovativen Technologien. Die stetig steigende globale Konzentration an Kohlenstoffdioxid und weiteren Treibhausgasen in der Erdatmosphäre und der damit verbundene Anstieg der globalen Mitteltemperatur machen umgehende grenzüberschreitende Maßnahmen unumgänglich. In diesem Kontext ist das Pariser Klima Abkommen zu erwähnen, welches sich zum Ziel gesetzt hat, den weltweiten Temperaturanstieg in einem sinnvollen Maße zu beschränken. Im Zusammenhang mit diesem Abkommen hat die Europäische Union ihre Ziele nun noch weiter verschärft und strebt eine Reduktion der Treibhausgasemissionen um 55 %, verglichen zu dem Niveau von 1990, bis 2030 an. Einen entscheidenden Eckpfeiler der Energiewende stellt die stufenweise Ablösung von Erdgas als langjährig bewährten Energieträger durch molekularen Wasserstoff dar. Hinsichtlich dieses Wandels, um das bestehende Erdgasnetz auf Wasserstoff umzurüsten, sind europaweite Adaptionen an der Energieinfrastruktur durchzuführen. Einen wesentlichen Teil dieser Adaptionen stellt der Austausch bestehender Erdgasverdichter durch wasserstofftaugliche Verdichtungskonzepte dar. Diese Arbeit widmet sich in diesem Sinne einer umfassenden Bewertung der Rolle von Verdichtern in der Wasserstoffwirtschaft sowie die Abschätzung deren zukünftigen Bedarfs als zentrales Element innerhalb eines europäischen Wasserstoffpipelinenetzes. Daher beinhaltet diese Ausarbeitung eine Darlegung der Eigenschaften von Wasserstoff als vielversprechender Energieträger, der damit verbundenen Wertschöpfungskette, der Anwendungsfeldern von Wasserstoffverdichtern sowie ausgewählter Verdichtungsmethoden, passend zu einem europäischen Wasserstoffnetz. Zusätzlich werden die technischen Herausforderungen bei der Wasserstoffverdichtung, bereits marktaugliche Verdichtungskonzepte und die allgemeinen Voraussetzungen für den Aufbau einer europaweiten Wasserstoffverdichter-Infrastruktur behandelt. Um diese Fragen beantworten zu können, wird das bewährte Werkzeug der Szenarioanalyse verwendet. Die Szenarioanalyse, die als strategisches Planungsinstrument seit Jahrzehnten genutzt wird, erleichtert die Entwicklung realistischer Zukunftsszenarien. Der Prozess umfasst die Definition des Forschungsthemas, die Identifikation von damit eng verbundenen Schlüsselfaktoren durch eine umfassende Literaturrecherche und die Konstruktion einer Reihe von Zukunftsszenarien auf Grundlage dieser Faktoren. Die so erarbeiteten Szenarien können in weiterer Folge dazu genutzt werden, die im Rahmen dieser Arbeit zu behandelnden Fragestellungen zu beantworten und nutzbare Erkenntnisse daraus abzuleiten.

This thesis focuses on the fast changing European energy landscape. The necessity of reducing fossil fuels requires far reaching actions using sustainable and innovative technologies. The steadily increasing global concentration of carbon dioxide and other greenhouse gases in the earth's atmosphere and the associated rise in global mean temperature have put cross boarder commitments to the forefront. In this context, the Paris climate Agreement is worth mentioning, which has set itself the goal of limiting the global rise in temperature to a certain degree. In the context with this agreement, the European Union has tightened its targets even further and is trying to reduce its greenhouse gas emissions by 55% compared to 1990 levels until 2030.A key cornerstone of this energy transition is the replacement of natural gas as a long established energy source with the molecular connection of hydrogen. With regard to this change, in order to convert the existing natural gas network to hydrogen, Europe-wide adjustments have to be made to the energy infrastructure. An essential part of these adaptations is the substitution of existing natural gas compressors with hydrogen-compatible compression methods. This thesis is dedicated to a evaluation of the role of compressors in the developing hydrogen economy and a estimation of their future demand as a central element within the upcoming European hydrogen pipeline network. This paper therefore includes a description of the properties of hydrogen as an energy carrier, the associated value chain, the fields of application of hydrogen compressors and selected compression systems suitable for a European hydrogen network. Furthermore, the technical challenges of hydrogen compression, already marketable compression concepts and relevant requirements for the construction of a Europe-wide hydrogen compressor infrastructure will be discussed. In order to answer these questions, the tool of a scenario analysis is applied. A scenario analysis, which has been used as a strategic planning tool for decades in various sectors, makes the development and evaluation of realistic future scenarios possible. This involves defining the research topic, identifying closely related key factors with a detailed literature review and constructing future scenarios based on different combination these factors. These scenarios can then be used to answer the questions addressed in this thesis and to derive qualitative findings from them.