wasserstoff-infrastruktur für eine nachhaltige mobilität - e-mobil BW

Kapitel 4
ANALYSE DER TECHNOLOGIEKONZEPTE
4.1 DISKUSSION UND BEWERTUNG HEUTIGER
WASSERSTOFF-TANKSTELLEN
EXISTIERENDE WASSERSTOFF-TANKSTELLEN
In der vorliegenden Studie wird für Deutschland i.d.R. von 15 existierenden
Tankstellen gesprochen. Dies sind die bereits vorhandenen
oder kurz vor Eröffnung stehenden Tankstellen, die für wasserstoffgetriebene
Fahrzeuge als Infrastruktur zur Verfügung stehen.
Diese Tankstellen besitzen daher zwei wichtige Abgrenzungsmerkmale
gegenüber anderen Wasserstoff-Tankstellen: Sie sind (halb-)
öffentlich zugänglich und verfügen über die Möglichkeit der 700-bar-
Schnellbetankung nach SAE J2601 (siehe Kapitel 3.1.1). Abgesehen
davon sind in Deutschland weitere Tankstellen vorhanden – diese
sind jedoch entweder nicht öffentlich (bspw. firmeninterne Tankstelle
auf dem Werksgelände von Daimler) oder sie verfügen nicht
über die Möglichkeit einer 700-bar-Schnellbetankung (bspw. die
Tankstelle in Hürth verfügt nur über eine 350-bar-Busbetankung).
ALTER / REIFEGRAD
Nachdem die Technologie der Schnellbetankung und der Betankungsstandard
selbst erst zum Ende des letzten Jahrzehnts entstanden
sind, sind die in dieser Studie betrachteten Tankstellen mit
700-bar-Schnellbetankung im Jahre 2009 und später entstanden
oder noch nach einer Entwurfsversion des Betankungsprotokolls
errichtet worden. Bedingt dadurch sind Teile dieser Tankstellen
noch eine vergleichsweise neue Technologie und haben in den
letzten Jahren eine deutliche Lernkurve durchlaufen.
Auch komponentenseitig ist diese Lernkurve sichtbar. Für einige
der Elemente existieren aus anderen Branchen Erfahrungen, die
dafür sorgen, dass diese auch in der neuen Anwendung bereits zuverlässig,
mit großer Produktreife und/oder zu günstigen Preisen
verfügbar sind. Bedingt durch die Neuheit der 700-bar-Technik im
Tankstellenbereich existiert vor allem für Komponenten der Hochdrucktechnik
von 700–1000 bar noch ein deutliches Optimierungspotenzial.
Davon betroffen sind namentlich der Hochdruckspeicher,
die Vorkühlung und die 700-bar-Füllgarnitur.
BETREIBERFIRMEN
Betreiber der öffentlichen Tankstellen sind derzeit hauptsächlich
Mineralölkonzerne wie TOTAL, Shell und OMV und im geringeren
Umfang große Energieversorger wie die EnBW oder Vattenfall. Für
Einzeltankstellen sind auch andere Betreiber aus der Forschung,
Abbildung 26: Wasserstoff-Tankstelle von Vattenfall in der Hamburger
Speicherstadt (Quelle: Vattenfall Europe)
wie bspw. das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
und das Karlsruher Institut für Technologie KIT verantwortlich.
Zum jetzigen Zeitpunkt zeigt sich hier eine Sondersituation, da
neben den klassischen Anlagenbetreibern (Mineralölkonzerne)
sowohl Anlagenbauer als auch Anlagennutzer (bspw. Daimler)
mithelfen, die Infrastruktur aufzubauen, um das Henne-Ei-Problem
zu lösen. Dies zeigt sich in den Aufbauplänen, siehe Kapitel 2.4, bei
denen auch Tankstellen von Linde/Daimler/Air Liquide errichtet
werden. Vor allem während des Aufbaus einer Grundinfrastruktur
bis 2015 (vgl. Phase 1 in Kapitel 5.3) werden wahrscheinlich ähnliche
oder weitere Sonderkonstruktionen entstehen (Koppelung der
Tankstellen an Forschungszentren, Testzentren, Automobilhersteller),
um diesen ersten strategisch wichtigen Strukturaufbau zu stemmen.
Nach 2015 (vgl. Phase 2 in Kapitel 5.3) werden klassische Tankstellenbetreiber
zunehmend stärker benötigt, um ein flächendeckendes
Netz aufzubauen. Durch die Möglichkeit der Koppelung mit erneuerbaren
Energien über den Power-to-Gas-Ansatz sollten auch neue
Betreiber und passende Betreibermodelle eruiert werden. Denkbare
Akteure dafür sind Stadtwerke, Bürgerkraftwerke, die Koppelung
mit dem ÖPNV und Betreiber von EE-Anlagen, die Auflagen
(Speicherbarkeit) erfüllen müssen.
TECHNOLOGIELIEFERANT
Von den derzeit 15 Tankstellen, die in Betrieb sind, wurden zwei
Tankstellen von Air Products, zwei Tankstellen von Air Liquide und
eine Tankstelle von Statoil Hydro aufgebaut. Damit enthalten die
verbleibenden 10 Tankstellen Technik und Komponenten von Linde,
womit das Unternehmen in Deutschland eine führende Position innehat.
Aus diesem Grund sind die Betreibererfahrungen der deut-
schen Tankstellen, die im Rahmen dieser Studie erfragt wurden,
durch Technologie und Wartungskonzepte von Linde geprägt. Dies
verstärkt sich dadurch, dass sämtliche Tankstellen von Air Liquide
und Air Products zum Zeitpunkt der Erstellung der Studie nicht älter
als ein Jahr waren. Da Linde von den 50 Tankstellen bis 2015 mindestens
zehn Weitere stellen wird (mindestens die Hälfte der
zusammen mit Daimler angekündigten Tankstellen) nimmt Linde
auch in den nächsten Jahren eine starke Stellung auf dem Markt
ein. Der Aufbau von Wettbewerb kann hier sinnvoll sein, um einen
Innovations- und Kostendruck trotz Marktführerschaft für den
Markt Deutschland zu erhalten.
GRÜNER WASSERSTOFF
Grüner Wasserstoff ist erklärtes politisches Ziel und eine Voraussetzung
für die Akzeptanz der Technologie in der Gesellschaft, siehe
Kapitel 2.1. Erste Demonstrationsprojekte sind dafür bereits errichtet
worden. Konkrete Beispiele sind u.a. die On-site-Elektrolyse mit
Photovoltaik- und Ökostrom (für eventuelle Deckungslücken) in
Freiburg und die Versorgung der Berliner TOTAL Tankstellen mit aus
Windenergie erzeugtem Wasserstoff vom Hybridkraftwerk Prenzlau.
Weitere entsprechende Projekte sind in Vorbereitung. Die CEP
als Leuchtturmprojekt gibt in ihren Richtlinien einen Anteil von 50 %
grünem Wasserstoff für den CEP-weit erzeugten/genutzten Wasserstoff
vor. Dennoch wird zur Steigerung des Anteils von grünem Wasserstoff
weiteres Engagement und die Vorgabe von grün erzeugtem
Wasserstoff empfohlen, um eine nachhaltige, emissionsfreie und
von der Bevölkerung akzeptierte neue Mobilität zu ermöglichen.
FAZIT
Die Technologie der 700-bar-Schnellbetankung ist vergleichsweise
jung. Bedingt dadurch werden auch im Bereich der Tankstellen und
deren Komponenten noch einzelne „Kinderkrankheiten“ beobachtet.
Der Reifegrad der Anlagen muss für eine Kommerzialisierung
und zur Markteinführung der PKWs weiter erhöht werden. Bis zum
heutigen Zeitpunkt hat Linde durch die frühe strategische Besetzung
des Themas eine marktdominierende Stellung erreicht. Die
Schaffung von mehr Wettbewerb durch das nachhaltige Engagement
weiterer Akteure aus dem Bereich der Anlagenhersteller
wäre eine förderliche Entwicklung.
Durch neue Betreiberkonzepte wie dem Power-to-Gas-Ansatz und
der Koppelung mit erneuerbaren Energien ist absehbar, dass sich
weitere Betreiber auf dem Markt etablieren können. Davon würde
der Aufbau einer Grundinfrastruktur profitieren.
Die Verwendung von grünem Wasserstoff ist demonstriert, muss
aber weiter ausgebaut werden und stärker in die Standortkonzepte
der neuen Tankstellen integriert werden.
4.2 DISKUSSION DER TANKSTELLENKONZEPTE
4.2.1 FLÜSSIG / GASFÖRMIG / PIPELINE
Für die Wasserstoff-Speicherung bei Fahrzeugen ist die gasförmige
Speicherung bei 700 bar der aktuelle Standard und durch die gängigen
Normen definiert. Tankstellenseitig besteht neben der Versorgung
mit gasförmigem Wasserstoff die Möglichkeit, den Wasserstoff
flüssig angeliefert zu bekommen, in diesem Zustand zu speichern
und dann erst zur Betankung zu verdampfen und gasförmig
in das Fahrzeug zu tanken (siehe Konzept LH2-Anlieferung in Kapitel
3.2.1). Die flüssige Anlieferung und Speicherung von Wasserstoff
tankstellenseitig hat mehrere Vorteile: Die Investitionskosten für
Speicherung, Druckerzeugung und Temperierung sind kleiner, der
Tankstellen-Energiebedarf und damit die Betriebskosten sind niedriger;
der Platzbedarf für die stationäre Speicherung ist geringer
und die Häufigkeit der Anlieferung reduziert sich. Dementgegen stehen
die höhere Wasserstoffkosten und das Problem des Boil-offs.
Bedingt durch einen nie vollständig vermeidbaren Wärmeeintrag
aus der Umgebung verdampft stetig eine kleine Menge des Flüssigwasserstoffs
von ca. 0,25 % – 0,5 % des Tankinhalts pro Tag. Dies
entspricht bei einer Lagerung von 5 t einem Boil-off von ca. 12,5 kg/d.
Dieser verdampfte Wasserstoff muss aus dem Flüssigtank abgeleitet
werden, um einen Druckanstieg zu vermeiden. Wenn die Auslastung
der Tankstelle groß genug ist, dann kann dieser Boil-off-
Verlust auch zur Betankung genutzt werden, andernfalls muss der
Wasserstoff anderweitig genutzt oder in die Umgebung abgeblasen
werden. Ein Nachteil des LH2-Transports liegt im hohen Energieaufwand
für die Verflüssigung (ca. 20 – 30 % des Wasserstoff-Energieinhalts
[30]) und den hohen Kosten der dafür benötigten Verflüssigungsanlage,
wodurch sich ein im Vergleich zum gasförmigen
Wasserstoff höherer Preis für den angelieferten Wasserstoff ergibt.
Bei ausreichender Auslastung macht eine flüssige Speicherung jedoch
wirtschaftlich und technisch Sinn. Die Menge an Wasserstoff,
welche in einem LH2-Trailer transportiert werden kann, liegt etwa
bei 3500 kg im Gegensatz zu ca. 800 kg bei gasförmiger Anlieferung,
was deutlich niedrigere Anlieferzyklen bzw. einen größerer Wasserstoffabsatz
erlaubt.
Eine weitere Option ist die Versorgung der Tankstellen mit Wasserstoff-Pipelines.
Vorteilig sind die sehr kompakten und günstigen
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