Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Deutschland · Dr. Geert Tjarks I NOW GmbH NOW GmbH – Wer wir sind 30.05.2018 2 • NOW: National Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

in Deutschland

Dr. Geert Tjarks | Programm Manager Strombasierte Kraftstoffe, NOW GmbH

Seminar Erneuerbare Energien | Karlsruhe | 30. Mai 2018 |

Dr. Geert Tjarks I NOW GmbH

NOW GmbH –

Wer wir sind

2 30.05.2018

• NOW: National Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

• GmbH: Alleinige Gesellschafterin ist die Bundesrepublik Deutschland (vertreten durch BMVI)

• Gegründet 2008 zur Umsetzung des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und

Brennstoffzellentechnologie (NIP)

• Heutiger Auftrag: Gestaltung, Koordination und Umsetzung nationaler Strategien und öffentlich-

privater Programme im Technologiefeld nachhaltiger Mobilität und Energieversorgung

• Derzeit 41 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Fasanenstr.5 | 10623 Berlin | Deutschland Telefon: +49 30 311 61 16-00

Email: [email protected] Internet: www.now-gmbh.de

NOW GmbH –

Programme und Aufgaben der NOW

3

Elektromobilität vor Ort Forschung & Entwicklung Beschaffung, Konzepte

Mobilitäts- und Krafstoffstrategie

Förderrichtlinie Ladeinfrastruktur

NIP* Forschung & Entwicklung Beschaffung

Pilotprojekte

Exportinitiative Umwelttechnologie

Deutsch-Japanische Kooperation im Bereich PtG H2/BZ Technologie in der Entwicklungszusammenarbeit (Kooperation mit der GIZ)

Koordination Umsetzung Netzwerke Akzeptanz

Sichtbarkeit

Flächendeckender Aufbau Normalladung Schnellladung

* Nationales Innovationsprogramm für Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie

Dr. Geert Tjarks I NOW GmbH 30.05.2018


Agenda

4 30.05.2018

Was sind die Ziele und Rahmenbedingungen für den

Verkehrssektor?

Warum kann die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

eine zentrale Rolle im Verkehrssektor einnehmen?

Wie ist der aktuelle Stand der Wasserstofftechnologie in

Deutschland?


Agenda

5 30.05.2018


Verkehrssektor?




Deutschland?


Politscher Rahmen –

Pariser Klimaabkommen zum Zwei-Grad-Ziel

6 30.05.2018

Source: Paris Agreement Tracker https://cait.wri.org/source/ratification/, 08.11.2016

Für Zwei-Grad-Ziel notwendige Maßnahmen

- CO2 Neutralität in den Industriestaaten ab 2050

- Reduzierung muss spätestens ab 2020 beginnen

https://cait.wri.org/source/ratification/





Klimaschutzplan der Bundesregierung

7 30.05.2018

Nationale Umsetzung des Pariser Abkommens

- Ziele zur CO2 Reduktion für alle Sektoren

- Entwicklung von Konzepten zur Zielerreichung

2030 und langfristigen Weichenstellung für 2050

- Vorlage der Konzepte im Jahr 2018



Jährliche Treibhausgasemissionen in Deutschland

8 30.05.2018



Verteilung der THG Emissionen auf die Verkehrsträger

9 30.05.2018

Source: Blanck et al. Treibhausgasneutraler Verkehr 2050: Ein Szenario zur zunehmenden Elektrifizierung

und dem Einsatz stromerzeugter Kraftstoffe im Verkehr ; Öko-Institut e.V., Berlin, 2013

Road transport

Aviation (PT)

Aviation (FT)

Freight transport

(ship/railway)

Private transport

Public transport

Maritime transport

Gre

en

ho

use

gas e

mis

sio

ns

(M

io. t

CO

2eq

)

Source: A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis; BMW AG, Ford, Daimler AG, GM

LCC, Honda, Hyundai Motor Company, KIA Motor Company, Renault, Nissan, Volkswagen AG; 2011

CO2 emission from ICE vehicles

Percent (100%=347 Mt CO2 p.a.)

Straßengebundener Personenverkehr für 60 Prozent der THG Emissionen im Verkehrssektor verantwortlich

70 Prozent der THG Emissionen im MIV werden von mittleren und großen Fahrzeugklassen mit hohen

Jahreslaufleistungen (>10 tkm) verursacht



Ziele des Verkehrssektors

10 30.05.2018

2015 2020 2030 2040 2050

Treibhausgasemission insgesamt

(gegenüber 1990) -27 % mind.

-40 %

mind.

-55 %

mind.

-70 %

-80 %

bis -95 %

Treibhausgasemission Verkehr

(gegenüber 1990) 0 %

mind.

-40 %

-80 %

bis -95 %

Endenergieverbrauch

Verkehr (gegenüber 2005) 1,3 % -10 % -40 %

Energie der Zukunft: Fünfter Monitoring-Bericht zur Energiewende

Dekarbonisierung des Verkehrssektors bei gleichzeitiger

Reduzierung des Energieverbrauchs.



2. Mobilitätspaket der EU

11 30.05.2018

• Im Rahmen des 2. Mobilitätspakets hat die Kommission am 8.11.2017

gesetzgeberische Vorschläge für folgende Bereiche gemacht:

Alternative Infrastructure Action Plan

[Mitteilung und Aktionsplan]

Förderung sauberer und energie-effizienter Straßenfahrzeuge

[Eine Richtlinie]

CO2-Standards für PKW und leichte NF

[Eine Verordnung]

Kombinierter Güterverkehr, grenzüberschreitender

Personenkraftverkehrsmarkt, Reifenkennzeichnung

[Zwei Verordnungen, eine Richtlinie]

Aktuelle Regelung für PKW

Flotten:

130 gCO2/km

95 gCO2/km

bis 2021


Agenda

12 30.05.2018


Verkehrssektor?




Deutschland?


Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie –

Technische Möglichkeiten der Dekarbonisierung

13

Batteriefahrzeuge + direkte

Stromnutzung

Brennstoffzellenfahrzeug +

Wasserstoff (Power-to-Gas) ICE Fahrzeug + Synthetisches

Methan (Power-to-Gas)

ICE Fahrzeug + Syn. Flüssig-

kraftstoffe (Power-to-Liquid)

Elektromobilität (BEV+FCEV) Verbrennungsmotoren (ICE) und synthetische Kraftstoffe

75 % < 10 % Well-to-Wheel Wirkungsgrad

150 km > 1500 km Reichweite pro Tankfüllung

Quelle: BMW Group Quelle: Toyota Motor Corporation Quelle: Audi AG Quelle: Rosa Experts AG

30.05.2018



Technologieverteilung auf die Verkehrsbereiche

14

Quelle: http://hydrogeneurope.eu/wp-content/uploads/2017/01/20170109-HYDROGEN-COUNCIL-Vision-document-FINAL-HR.pdf

Systemkosten BEV / FCEV

Syste

mko

ste

n

Reichweite

Vorteile

FCEV

Vorteile

BEV

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Aufbau BEV

15

Traktionsbatterie

Antriebseinheit

Power Control Unit

Traction Motor

Battery

Quelle: Volkswagen AG

Quelle: Opel AG


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Aufbau FCEV

16

Brennstoffzellenstack

Wasserstofftanksystem Quelle: Toyota Motor Corporation

Quelle: Intelligent Energy

Quelle: news.softpedia.com

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physikalisch stofflich

In Feststoffen Metalhydride

Gasförmig CGH2

700 bar 20°C

Flüssig LH2

10 bar

- 253°C

Kryokomprimiert

CcH2

350 bar

- 233°C

an Feststoffen Sorbents (MOFs)

in Flüssigkeiten LOHCs, weitere



Wasserstoffspeicherung

17

Gasförmig CGH2

350 bar (Bus) 700 bar (PKW)

Technologie zur Wasserstoffspeicherung

• Globaler Standard

• Aufbau von 700 bar PKW

Wasserstofftankstellen in

Schlüsselregionen

• Japan, USA, Korea, Germany, …

30.05.2018



Vergleich BEV und FCEV

18

Tesla Model S (90 kWh) Toyota Mirai (5 kg H2)

Reichweite

Ladezeit

560 km

60 min

(120 kW)

Reichweite

Betankungszeit

500 km

3 min

(1,5 kg/min)

Quelle: Tesla Inc. Quelle: Toyota Motors Corporation

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Speichervolumen

Speichergewicht

380 Liter

590 kg

Speichervolumen

Speichergewicht

180 Liter

(+ 320 Liter FC)

100 kg

(+ 230 kg FC)

Dr. Geert Tjarks I NOW GmbH 19

Tesla Model S (90 kWh) Toyota Mirai (5 kg H2)


Vergleich BEV und FCEV

Quelle: Tesla Inc. Quelle: Toyota Motors Corporation

30.05.2018



Modularer Aufbau über verschiedene Segmente

20 30.05.2018



Dekarbonisierung des Verkehrssektors

21

0 50 100 150 200 250

50

100

200

150

Energieverbrauch Well-to-Wheel [MJ/100km]

Treibhausgasemissionen [gCO2/km]

Diesel

Benzin

Verbrennungsmotoren

BEV 100% EE-Strom FCEV 100% EE-H2

Batteriefahrzeuge

Brennstoffzellenfahrzeuge

Quelle: Studien Concawe, EUCAR, JRC und JHFC

Hybrid (Benzin) Hybrid (Diesel)

BEV Strom aus EU-Mix

FCEV H2 aus Erdgas

Normverbrauch BEV und FCEV

Tesla Model S

Toyota Mirai

79 MJ/100km

90 MJ/100km

Volkswagen e-Golf

47 MJ/100km

Elektromobilität bietet THG-freie Mobilität bei hoher Effizienz

Sinnvolle Kombination aus Batterie- und Brennstoffzellenmobilität bietet das Potenzial,

straßengebundene Mobilität effizient zu dekarbonisieren.

Quelle: Tesla Inc.

Quelle: Toyota Motors Corporation


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Erneuerbar, intelligent und vernetzt über alle Sektoren

22

Gewerbe & Industrie Erneuerbare Energien Büros

Industrie

Mehrfamilienhäuser

1&2 Familienhäuser

batterieelektrisch

Öffentliche Gebäude

BZ-elektrisch

Grundlast BZ KWK

„Smart Grids“:

H2

Gas

Strom

Wärme

Kälte

Gasnetz

Schiffe

Flughäfen

H2-to-X

Logistik

Hausenergie

Mobilität

netzferne EV

Stromnetz

Power-to-X

30.05.2018



Anwendungsmöglichkeiten der Brennstoffzellentechnologie

23

H2

Speicher Mobile Anwendungen Stationäre Anwendungen

Antriebsenergie

APU

Strom

Wärme

Industrie

Vorteile

Elektromobilität mit Brennstoffzelle

• Hohe Reichweiten (> 500 km)

• Schnelle Betankung (< 5 min)

Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle

• Hocheffiziente KWK-Anlagen

• Keine Schadstoffemissionen

30.05.2018



Technologien zur Energiespeicherung

24

Windenergie

Solarenergie

Wasserkraft

Batterien Pumpspeicher

Energiequelle Energiespeicher Energienutzung

Kurzzeitspeicher

Langzeitspeicher

Elektrolyse

H

2

O

2

Methanisierung Gasspeicher

H2 Speicher

Syn. Kraftstoffe

Industrie

Transportsektor

Wärme

Elektrizität

Die Eigenschaft der Langzeitspeicherung von Wasserstoff ermöglicht eine zeitliche und räumliche

Entkopplung der Produktion und der Verwendung.

30.05.2018



Wasserelektrolyse als Schlüsseltechnologie

25

O2 H2

Elektrolyse

Wasserstoff

Methan

Synthetische

Kraftstoffe

Methanisierung

Synthese

Speicher

Stromnetz Erneuerbare

Energie

Power-to-Gas

Power-to-Liquid

Emissionsfreie Wasserstoffproduktion mit Wasserelektrolyse

Wasserstoff als Ausgangsstoff zur Produktion von Methan und synthetischen

Kraftstoffen (z.B. Kerosin, Benzin)

30.05.2018



Technologien der Wasserelektrolyse

26 30.05.2018

- +

OH- H2O

H2 O2

- +

O2- H2 O2

H2O

Alkalische Elektrolyse PEM Elektrolyse Festoxid Elektrolyse

- +

H+ O2

H2O

H2

60 – 80 °C

< 760 Nm3/h

Ni/Fe Elektroden

50 – 80 °C

< 225 Nm3/h

Edelmetalle (Pt, Ir)

700 – 1000 °C

< 40 Nm3/h

Dotierte Keramik

Zelltemperatur

Modulgröße (kommerziell)

Elektroden



Technologien der Wasserelektrolyse

27 30.05.2018

Methanisierung Elektrolysis Elektrolyse

Kosten-günstig im

großen Maßstab

Bekannte Technologie

Hohe Leistungsdichte

Hohe Dynamik

Einfache Skalierung

Hohe Effizienz bei

Wärmenutzung

Alkalische Flüssigkeit

Kaltstart und Teillast-

verhalten

Teure Materialien

Korrosion in saurer

Umgebung

Hoher

Temperaturbereich

62 – 82 % 65 – 82 % 65 – 85 %

800 – 1500 €/kW 900 – 1850 €/kW 2200 – 6500 €/kW

Einfache Skalierung

Abwärmenutzung

Bewährt

Flexibler Betrieb

Dynamischer Betrieb

Teure Materialen

Unflexible

Betriebsweise

Biologisches System

Im Demonstrations-

stadium

77 – 83 % 77 – 80 %

400 – 1230 €/kW 400 – 1980 €/kW

Alkalisch PEM Hochtemperatur katalytisch biologisch

78 – 84 % 75 – 84 % 87 – 95 %

250 – 400 €/kW 300 – 700 €/kW 270 – 800 €/kW

77 – 90 % 79 – 90 %

130 – 400 €/kW 200 – 400 €/kW

9 8 6 8 7

Aktueller Stand

Perspektive

Vorteile

Herausforderung

TRL

Effizienz

Kosten

Effizienz

Kosten

Quelle: Roadmap Power-to-Gas der Strategieplattform Power-to-Gas, Dena 2017


Agenda

28 30.05.2018


Verkehrssektor?

Warum kann die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie eine

zentrale Rolle im Verkehrssektor einnehmen?


Deutschland?


Marktüberblick –

Technology readiness level (TRL)

29 30.05.2018

Quelle: Shell Wasserstoffstudie 2017

Grundlagenforschung

Detailliertes Konzept

Prüfstand/Labortest

Prototyp

Feldversuche

Vorserienprodukt

Kommerzieller Einsatz


Marktüberblick –

Brennstoffzellen-PKWs

30

2013 2016

2015 2018

Hyundai ix35 Fuel Cell Honda Clarity 2nd Gen.

Toyota Mirai Mercedes GLC f-cell

2018

Hyundai Nexo

30.05.2018


Marktüberblick –

Batterieelektrische PKWs

31 30.05.2018


Marktüberblick –

Fahrzeugbestand BEV / FCEV

32

Quelle: KBA Flensburg

30.05.2018


Marktüberblick –

Wasserstofftankstellen in Deutschland

33

Quelle: H2.Live; H2 Mobility

700 bar

48 in Betrieb

4 fertiggestellt

Ziel 2023

400

30.05.2018


Marktüberblick –

Brennstoffzellen in Bussen

34

4

Stutt-gart

4

30

15

Köln

11

Rhein-Main*

6

Ham-burg

20

Wupper- tal

2

Karls-ruhe

NIP 1 & regional

= 16

FCH JU JIVE & NIP 2 =

51

FCH JU JIVE 2 & NIP 2 =

26

Public funding EU & Germany

30.05.2018


Marktüberblick –

Brennstoffzellen für Schienenanwendungen

35 30.05.2018


Marktüberblick –

Brennstoffzellen im Güterverkehr

36

Straßenzulassung seit 2017

400km Reichweite bei 9min Betankungszeit

Geplante Serienproduktion ab 2021

1000 PS Leistung mit 1900km Reichweite

Eigenes Tankstellennetz in USA geplant

ESORO coop BZ-LKW

Nikola ONE

StreetScooter

Erprobung der Technologie in 2019/2020

Abhängig von der Förderung bis zu 500 Fahrzeuge

30.05.2018


Marktüberblick –

Brennstoffzellen für Schiffsanwendungen

37

SchIBZ

RiverCell

Pa-X-ell

Elektra

30.05.2018


Marktüberblick –

Brennstoffzellen für Fluganwendungen

38

Source: DLR, Jean-Marie Urlacher

30.05.2018


Marktüberblick –

Zukünftiger Bedarf von Wasserelektrolyse

39

Energie- und Elektrolysebedarf zur Wasserstoffprodukion in

Deutschland bis 2050

Quelle: Hochloff et al.: Abschlussbericht Metastudie Energiespeicher, Fraunhofer UMSICHT/IWES, Bonn 2014

0

10

20

30

40

50

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2020 2030 2040 2050

Ele

ktr

oly

se

ka

pa

zit

ät

[GW

]

En

erg

ieb

ed

arf

fü

r P

tG [

TW

h/a

]

Year

DLR et al. 2010 [Szenario A/B]

DLR et al. 2012 [Szenario A]

PIK 2013 [Szenario Kontinuität]

PIK 2013 [Szenario Wandel]

DLR 2012 [Szenario B]

ETG 2012 [Szenario C]

LS2011 [Szenario A]

LS2011 [Szenario B]

Exemplarische Kapazität

berechnet für eine

durchschnittliche

Volllaststundenzahl von

4000 Std/a

30.05.2018


Marktüberblick –

Aktuelle Power-to-Gas Projekte in Deutschland

40

Gesamte Leistung: 17,9 MW

Wasserstoff

Im Betrieb 10,4 MW

Geplant 11,7 MW

Methan

Im Betrieb 7,3 MW

Geplant 1,0 MW

Quelle: www.europeanpowertogas.com/demonstrations

30.05.2018


Marktüberblick –

Aktivitäten für eine Aktivierung des Marktes

41

Kosten (CAPEX/OPEX) • Reduzierung der

Investitionskosten • Erhöhung der Effizienz

Lebensdauer •Erhöhung der Lebens-

dauer bei dynamischen Lasten

•Reduzierung der Degradation aller Komponenten

Politischer Rahmen •Anerkennung von

Wasserstoff als •Energieträger •Kraftstoff

Markt für BZ-Anwendungen und grünen Wasserstoff •Planbarer Markt für

grünen Wasserstoff •Marktaktivierung im

Mobilitätssektor und der Industrie

Tragfähige Geschäftsmodelle für BZ-Anwendungen und zur Produktion von grünem Wasserstoff

• Marktaktivierung NIP • F&E Projekte NIP • Studien

• F&E Projekte NIP • Studien

• AFID Umsetzung • Begleitung RED II • Studie IEK2050

• Flottenförderung PKW, Schiene, ÖPNV übers NIP

Aktivitäten der NOW GmbH

30.05.2018

Marktüberblick –

Anteile des Wasserstoffpreises

Stromkosten

Annuität (Investitionskosten)

Fixe Kosten (Wartung, Pacht etc.)

Transportkosten

Abgaben (Steuern etc.)

Gewinn W

assers

toffkoste

n

Einfluss auf die jeweiligen Anteile

Stromkosten (Eigenproduktion,

Zukauf)

Betriebsstunden der Anlage

Standort der Anlage

Umlagen und Abgaben

Tankstelle (OPEX,CAPEX)


Marktüberblick –

Auswirkung der Stromkosten

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

An

teil

ige W

as

se

rsto

ffk

os

ten

in

€/k

g

Stromkosten in €/kWh

Berechnung

33 kWh/kg ideal

50 kWh/kg real (Wirkungsgrad)

Stromgestehungskosten WKA

Stromgestehungskosten WKA

0,05 bis 0,10 €/kWh

2,50 bis 5,00 €/kg

EEG Umlage

0,0679 €/kWh für 2018

3,40 €/kg

Netzentgelte

0,005 bis 0,03 €/kWh

0,25 bis 1,50 €/kg

Maximale Stromkosten


NIP Phase II (2016 – 2026) –

Regierungsprogramm und Maßnamenkatalog

44

Das Regierungsprogramm und der

Maßnahmenkatalog sind auf den Internetseiten

des BMVIs und der NOW zugänglich.


NIP Phase II (2016 – 2026) –

Umfang des Programms

45

Regierungsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie 2016-2026 (1,4 Mrd. €)

Der politische Überbau!

Ein gemeinsames Programm von BMVI, BMWi,

BMBF und BMUB

Koordination des Gesamt-

programms erfolgt über die NOW GmbH

Maßnahmen des BMVI im Rahmen NIP II (250 Mio. € bis 2019)

Programm-dokument BMVI

Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger

Mobilität

Umsetzung der Maßnahmen des BMVI erfolgt über die NOW GmbH

Förderrichtlinien des BMVI im Rahmen NIP II

Förderrichtlinie für Maßnahmen der Forschung, Entwicklung und Innovation

VÖ 29.09.2016

Laufzeit zunächst bis 31.12.2019

Förderrichtlinie für Maßnahmen der Marktaktivierung

VÖ 22.02.2017

Laufzeit zunächst bis 31.12.2019


NIP Phase II (2016 – 2026) –

Ausgestaltung des NIP

46

Angewandte Forschung und

Entwicklung

Wasserstoff aus erneuerbaren

Energien Demonstration

Grundlagen-forschung

Wasserstoff im Verkehr

Kraft-Wärme-Kopplung

(Hausenergie/ Industrie)

Sichere Stromversorgung

Wertschöpfung / Wettbewerbsfähigkeit Deutschland

Kostenreduktion Leitmarkt / Leitanbieter Deutschland

Technische/Kostenziele Meilensteine (Stückzahlen/Kosten)

Forschung und Entwicklung Marktaktivierung



Zusammenfassung

47 30.05.2018


Verkehrssektor?




Deutschland?

Vielen Dank!

Dr.-Ing. Geert Tjarks

Programme Manager Strombasierte Kraftstoffe

NOW GmbH – Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Fasanenstr.5 | D-10623 Berlin |

Telefon: +49 30 311 61 16-71

Email: [email protected]

Internet: www.now-gmbh.de

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