"Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050?" - Studie zur Frage Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung ...
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Studie zur Frage „Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050?“ Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und in Abstimmung mit der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW).
Impressum Erarbeitet von: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Steffen Joest joest@dena.de Tel.: +49 (0)30 72 61 65 - 643 Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Dr. Maximilian Fichtner fichtner@int.fzk.de Tel.: +49 (0)72 47 82 - 5340 Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) Prof. Dr. Martin Wietschel Martin.Wietschel@isi.fraunhofer.de Tel.: +49 (0)721 68 09 - 254 Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Prof. Dr. Ulrich Bünger, Christoph Stiller, Patrick Schmidt buenger@lbst.de, stiller@lbst.de, schmidt@lbst.de Tel.: +49 (0)89 60 81 10 - 42 Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH Frank Merten frank.merten@wupperinst.org Tel.: +49 (0)202 24 92 - 126 Im Auftrag des: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) Nilgün Parker In Abstimmung mit: Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) Dr. Ing. Klaus Bonhoff Bei dem vorliegenden Dokument handelt es sich um die Zusammenfassung der Studienergebnisse. Alle Rechte sind vorbehalten. Die Nutzung steht unter dem Zustimmungsvorbehalt der Erarbeiter sowie der Auftraggeber. Stand: August 2009 Gestaltung: Panatom, Berlin 2 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?
Inhalt.
Tabellen 4 4 Wasserstoff im Verkehr 27
Abbildungen 5 4.1. Annahmen zum Verkehrssektor 27
Abkürzungen 7 4.2. Markteinführung von Wasserstofffahrzeugen 30
5 Wasserstoffherkunft und Infrastrukturaufbau 34
0 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 9 5.1. Methodik 34
0.1. Zusammenfassung 9 5.2. Aspekte einer Einführungsphase 36
0.2. Schlussfolgerungen 11 5.3. Aspekte des Aufbaus des Wasserstoff-
produktions-, Transport- und Verteilsystems 38
1 Hintergrund 12 5.4. Aspekte des langfristigen Wasserstoff-
1.1. Ausgangslage und Motivation 12 Infrastrukturaufbaues 40
1.2. Zielsetzung und Aufgabenstellung 13 5.5. Wasserstoffkosten und CO2-Emissionen 41
1.3. Rolle und Vorgehensweise von GermanHy 13 5.6. Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff in
Abhängigkeit von den Fahrzeugen 43
2 Szenarien und Annahmen 15
2.1. Szenarien 15 6 Energiemarkt – Plausibilisierung der Einführung
2.2. Annahmen 16 von Wasserstoff in den Straßenverkehr 45
6.1. Entwicklung der Endenergienachfrage
3 Herstellungspfade von Wasserstoff in den verschiedenen Szenarien und Sektoren 45
und Anwendungsoptionen 19 6.2. Entwicklung der Kraftstoffnachfrage 47
3.1. Herstellungsoptionen 19 6.3. Deckung der Energienachfrage 49
3.2. Potenziale fossiler Energien inklusive CCS 6.4. Primärenergieeinsatz 49
für die Herstellung von Wasserstoff 21 6.5. Potenziale fossiler und erneuerbarer
3.2.1. Verfügbarkeit fossiler Primärenergien 21 Energien und ihre Nutzung 52
3.2.2. Potenziale zur Abscheidung und 6.6. Energieimporte 54
Speicherung von Kohlendioxid 22 6.7. Minderung der CO2-Emissionen 55
3.3. Potenziale erneuerbarer Energien und 6.8. Schlussfolgerungen aus dem Energiemodell 55
Nutzungskonkurrenzen 23
3.3.1. Potenziale erneuerbarer 7 Weiterer Forschungsbedarfsbedarf 57
Energien 23 7.1. Bereitstellung von Wasserstoff 57
3.3.2. Biomassepotenziale 23 7.2. Nutzung und Verteilung von Wasserstoff 57
3.3.3. Biomasse-Nutzungskonkurrenzen 24 7.3. Energiewirtschaftliche Aspekte von Wasserstoff 58
3.3.4. Potenziale erneuerbarer Energien 7.4. Politische Aspekte 59
für Strom und Wärme 25
3.3.5 Importe 25 8 Literatur 60
3
Tabellen
Tabellen.
Tabelle 2-1 17 Tabelle 4-1 29
Entwicklung relevanter Eckdaten für die Entwicklung der spezifischen Kraftstoff-
GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050 verbräuche von PKW in MJ/km in den drei
GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050
Tabelle 2-2 17
CO2-Preise der Szenarien Tabelle 4-2 29
Entwicklung der spezifischen Kraftstoff-
Tabelle 2-3 18 verbräuche von LKW in MJ/km in den drei
Annahmen zur Entwicklung realer Preise der GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050
Energieträger in den Szenarien „Moderate Entwicklung“
und „Klimaschutz“ von 2000 bis 2050 Tabelle 4-3 29
Entwicklung der spezifischen Kraftstoff-
Tabelle 2-4 18 verbräuche von Bussen in MJ/km in den drei
Abweichende Annahmen zur Entwicklung realer GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050
Preise der Energieträger im Szenario
„Ressourcenverknappung“ von 2000 bis 2050 Tabelle 5-1 42
Infrastruktur-Investitionen und CO2-Emissionen
Tabelle 3-1 20 in Varianten für 2030 und 2050 im GermanHy-Szenario
Schlüsseldaten von für Deutschland relevanten „Moderate Entwicklung“
Wasserstoff-Produktionsprozessen
Tabelle 3-2 20
Schlüsseldaten von Wasserstoff- und Strom-
Transport- und Verteiltechnologien
Tabelle 3-3 24
Biomasseverfügbarkeit in Deutschland bei 1,8 („min“)
bis 4,0 („max“) Millionen Hektar Ackerfläche
4 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?
Abbildungen
Abbildungen.
Abbildung 0-1 9 Abbildung 4-3 31
Ziele für den Verkehrssektor in Deutschland Neuzulassungen von Wasserstofffahrzeugen
in Deutschland von 2010 bis 2050
Abbildung 0-2 11
Wasserstoff-Roadmap für Deutschland bis 2050 Abbildung 5-1 34
Struktur des H2GIS-MOREHyS-E-Modellsystem
Abbildung 2-1 15
Zentrale Hintergründe und wesentliche Abbildung 5-2 35
Annahmen der drei GermanHy-Szenarien Entwicklung eines Kostenrasters für den
Bau von Wasserstoffpipelines
Abbildung 3-1 19
Für Deutschland relevante Wasserstoff- Abbildung 5-3 35
Produktions- und Verteilungspfade Überblick über die analysierten, in Konkurrenz
stehenden Wasserstoff-Versorgungsoptionen
Abbildung 3-2 20
Portfolio-Darstellung für Wasserstoff- Abbildung 5-4 36
Bereitstellungspfade für Hybrid-Brennstoff- Anschlussjahr für Regionen an die Wasser-
zellenfahrzeuge (Well-To-Wheel) für 2020 stoffinfrastruktur und Anteil der
und 2030 (Szenarien „Moderate Entwicklung“ Wasserstoff-PKW am PKW-Bestand für 2030
und „Klimaschutz“)
Abbildung 5-5 37
Abbildung 3-3 22 Entwicklung der Wasserstofftankstellen
Verfügbarkeit fossiler Energieträger in von 2015 bis 2030
Deutschland im Szenario „Ressourcenverknappung“
zwischen 2000 und 2050 Abbildung 5-6 38
Wasserstoffproduktionsmix absolut und
Abbildung 3-4 25 relativ von 2015 bis 2050 in den drei GermanHy-
Verfügbarkeit von Strom und Wärme Szenarien
aus erneuerbaren Energien in Deutschland
Abbildung 5-7 39
Abbildung 4-1 28 Flüssigwasserstofftransport in 2015 und 2030
Entwicklung der Bestände von PKW,
LNF und Bussen bei hoher Marktpenetration von Abbildung 5-8 40
Wasserstoff-KFZ von 2000 bis 2050 Entwicklung des Wasserstoff-Pipelinenetzes
in 2030 und 2050
Abbildung 4-2 30
Anteil der Wasserstofffahrzeuge am Bestand Abbildung 5-9 41
in Europa für die Szenarien der IEA und des Entwicklung der Transportoptionen (absolut und relativ)
HyWays-Projektes von 2010 bis 2050 von 2015 bis 2050 für zwei Strompreisvarianten
Abbildung 5-10 42
Zusammensetzung der durchschnittlichen
Wasserstoffkosten an der Tankstelle von 2020
bis 2050 in den drei GermanHy-Szenarien
5
Abbildungen
Abbildung 5-11 44 Abbildung 6-9 51
Konkurrenzfähigkeit von Wasserstoff- Wärmebereitstellung nach Erzeugungstyp von
Brennstoffzellen-PKW zu herkömmlichen 2000 bis 2050 für Szenario „Klimaschutz“ mit CCS
Verbrennungsmotor-PKW in Abhängigkeit
von Fahrzeugmehrkosten Abbildung 6-10 51
Wärmebereitstellung nach Erzeugungstyp von 2000
Abbildung 6-1 45 bis 2050 für Szenario „Ressourcenverknappung“ mit CCS
Funktionsschema des Energiemodells
Abbildung 6-11 53
Abbildung 6-2 46 Ressourcenverfügbarkeit und Primärenergie-
Entwicklung der Endenergienachfrage bedarf von 2000 bis 2050 für die Szenarien
in den GermanHy-Szenarien und der „Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ mit CCS
sektoralen Endenergienachfrage im Szenario
„Ressourcenverknappung“ von 2015 bis 2050 Abbildung 6-12 53
Ressourcenverfügbarkeit und Primärenergiebedarf
Abbildung 6-3 47 von 2000 bis 2050 für das Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“
Entwicklung der Endenergienachfrage des
Verkehrssektors in den GermanHy-Szenarien Abbildung 6-13 54
und der sektoralen Endenergienachfrage Primärenergieversorgung in Deutschland von 2010 bis
im Szenario „Ressourcenverknappung“ von 2000 2050 am Beispiel der Szenarien „Moderate Entwicklung“
bis 2050 und „Ressourcenverfügbarkeit“
Abbildung 6-4 48 Abbildung 6-14 55
Entwicklung der Kraftstoffnachfrage nach Entwicklung der CO2-Emissionen (ohne Vorkette)
Menge und Art von 2000 bis 2050 im Vergleich im PKW-Bestand von 2010 bis 2050
der drei GermanHy-Szenarien
Abbildung 6-5 50
Stromerzeugung nach Erzeugungstyp für von
2000 bis 2050 für das Szenario „Moderate Entwicklung“
Abbildung 6-6 50
Stromerzeugung nach Erzeugungstyp von
2000 bis 2050 für das Szenario „Klimaschutz“
mit CCS
Abbildung 6-7 50
Stromerzeugung nach Erzeugungstyp von
2000 bis 2050 für das Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“
Abbildung 6-8 51
Wärmebereitstellung nach Erzeugungstyp
von 2000 bis 2050 für Szenario „Moderate Entwicklung“
6 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?
Abkürzungen
Abkürzungen.
A
a Jahr (anno) F
AWEA American Wind Energy Association FL Fahrleistung
AWEO Alternative World Energy Outlook
G
B GJ Gigajoule
bbl One Barrel of Oil Gt Gigatonne
BIP Bruttoinlandsprodukt GWh Gigawattstunde
BTL Biomass to Liquid (Biokraftstoff der 2. Generation) GW Gigawatt
BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und
Reaktorsicherheit
BMVBS Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadt- H
entwicklung h Stunde
BWE Bundesverband WindEnergie e.V HGÜ Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung
BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie H2 Wasserstoff
BZ Brennstoffzelle H2A Hydrogen Analysis
I
C IE Institut für Energetik und Umwelt, Leipzig
CCS Carbon Capture and Sequestration IEA International Energy Agency
(dt. CO2-Abscheidung und -Speicherung) IFEU Institut für Energie- und Umweltforschung
CCSMAX Intensive Nutzung CCS Heidelberg GmbH
CGH2 Compressed Gaseous Hydrogen (dt. Druckwasserstoff,
auch GH2) J
CEP Clean Energy Partnership JRC Joint Research Centre
CO2 Kohlendioxid
ct Euro-Cent (auch „€Cent“)
K
KFZ Kraftfahrzeug
D kg Kilogramm
D Deutschland (auch Dtl.) KLI Szenario „Klimaschutz“
DOE U.S. Department of Energy km Kilometer
kWh Kilowattstunde
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
E
E Spanien
EU Europäische Union L
EUR Euro (€) LBST Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
EWEA European Wind Energy Association LEV Low Emission Vehicle
EWI Energiewirtschaftliches Institut LH2 Liquid Hydrogen (dt. Flüssigwasserstoff)
an der Universität zu Köln Lkw Lastkraftwagen
LNF Leichte Nutzfahrzeuge
7Abkürzungen
M U
Max Maximum (auch „max“) UBA Umweltbundesamt
Min Minimum (auch „min“) UK United Kingdom
Mio. Million USA United States of America
MJ Megajoule
MOD Szenario „Moderate Entwicklung“
MPA Megapascal V
Mrd. Milliarde VES Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie
Mt Megatonne VM Verbrennungsmotor
MWel Megawatt-elektrisch
MWh Megawattstunden
W
WtW Well-to-Wheel Analyse
N
N Niederlande
NFZ Nutzfahrzeug (auch NF)
NIP Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie
Nm3 Normkubikmeter
NO Norwegen
NOW Nationale Organisation Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie
P
PE Primärenergie
PJ Petajoule
Pkm Personenkilometer
PKW Personenkraftwagen
RES Szenario „Ressourcenverknappung“
RME Rapsölmethylester
S
SNF Schwere Nutzfahrzeuge
T
t Tonne
tkm tausend Kilometer
Tsd. Tausend
8 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?Zusammenfassung und Schlussfolgerung 0
0 Zusammenfassung und
Schlussfolgerungen.
0.1. Zusammenfassung Auf Basis der Annahme, dass Wasserstoff künftig eine bedeutende
Rolle als Kraftstoff im Straßenverkehr spielt, untersucht German-
Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger Hy auf der Grundlage von drei unterschiedlichen Szenarien die
der Zukunft. Durch seinen Einsatz wird eine erhebliche Ver Perspektiven einer künftigen Bereitstellung von Wasserstoff als
ringerung der Abhängigkeit von zunehmend knapper und teurer Energieträger in Deutschland bis 2050. Ausgangspunkt ist die
werdenden fossilen Energieressourcen, sowie eine Reduzierung Analyse möglicher Entwicklungen des Kraftstoffmarkts als Teil
von Treibhausgasen und anderen Luftschadstoffen möglich. des Energiemarkts. Das heißt, der energiewirtschaftliche Kontext
Wasserstoff kann aus einer Vielzahl von Energiequellen herge- wird berücksichtigt.
stellt werden und ist vergleichsweise gut speicherbar. Der Einsatz
in der Brennstoffzelle ermöglicht die hocheffiziente und emissi- Ziel ist die Erarbeitung einer deutschen Wasserstoff-Roadmap un-
onsfreie Bereitstellung von Nutzenergie. Insbesondere für den ter Einbeziehung von Ressourcenverfügbarkeit, Energieeffizienz,
sehr stark von fossilem Öl abhängigen Bereich der kraftfahrzeug- Kosten, CO2-Minderungspotenzialen und Importabhängigkeit.
gestützten individuellen Mobilität (PKW, Nutzfahrzeuge) wird Darin enthalten ist die Analyse des kostenoptimalen Aufbaus der
deshalb mittel- und langfristig Wasserstoff als Alternativkraftstoff Infrastruktur für Wasserstoff-Produktion, -Transport und -Ver-
gesehen [BUNDESREGIERUNG 2004]. teilung. Die Entwicklung anderer alternativer Antriebskonzepte
(zum Beispiel Strom und Batterie) ist nicht Teil dieser Studie.
Ziele für die Mobilität von Morgen Warum Wasserstoff?
Die Emissionen aus dem Verkehr senken Wasserstoff (H2) selbst ist ein kohlenstoff
freier Energieträger
Die Abhängigkeit vom Erdöl verringern Wasserstoff ist aus allen Energiequellen
herstellbar
Die Energieeffizienz steigern H2 ermöglicht die Nutzung der hoch
effizienten Brennstoffzelle (BZ)
Den Anteil erneuerbarer Energien steigern Wasserstoff ist ein Energiespeicher für
erneuerbare Energien
Die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen H2 und BZ haben als Schlüsseltechnologien
Automobilindustrie stärken ein großes Potenzial für Wertschöpfung
Kraftstoffstrategie der Bundesregierung:
Wasserstoff kann künftig eine bedeutende
Rolle als Kraftstoff im Straßenverkehr spielen
Abbildung 0-1: Ziele für den Verkehrssektor in Deutschland
90 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Die zentralen Fragestellungen zur Einführung von Wasserstoff im In der Übergangsphase ergänzen regional verfügbarer Wasser-
Verkehrssektor lassen sich zusammenfassend wie folgt beantworten: stoff aus Industrieanlagen(Nebenprodukt), der nur über kurze
Wege zu transportieren ist, beziehungsweise die Produktion vor
Welchen Anteil am zukünftigen Kraftstoffbedarf kann Ort (Elektrolyse oder Reformierung).
Wasserstoff übernehmen? Der Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur erfolgt sukzessive,
startend von Ballungszentren aus. Die Investitionskosten für den
Wasserstoff kann bis 2050 im Verkehrssektor ein wesentlicher Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur bis
Energieträger werden und im betrachteten Szenario „Res- 2030 liegen bei knapp 1 Mrd. Euro pro Jahr.
sourcenverfügbarkeit“ bis zu 40 Prozent des Energiebedarfs
im Verkehrssektor abdecken. Innerhalb der beiden ande- Welche Wirkungen hat der Einsatz von Wasserstoff im Ver-
ren Szenarien „Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ kehrssektor auf Mobilitätskosten, Emissionen, Anteil erneuer-
können bis zu 23 Prozent abgedeckt werden. barer Energien und Abhängigkeit von Energieimporten?
Je nach Rahmenbedingungen kann Wasserstoff bis 2050 bis
zu 70 Prozent der PKW und Leichten Nutzfahrzeuge (LNF) Mobilität mit Wasserstoff und Brennstoffzellen wird zu heutigen
versorgen. Dies ist auch bei starker fossiler Ressourcenver- Kosten möglich sein, wenn die Entwicklungsziele bei Brenn-
knappung darstellbar. stoffzellenfahrzeugen erreicht werden. Nach einer Einführungs-
phase liegen die Wasserstoffkosten zwischen 3 und 4 Eurocent
Aus welchen Energiequellen lässt sich Wasserstoff wirt- pro Kilometer.
schaftlich bei steigendem Bedarf (Zeithorizonte 2020, 2030, Wasserstoff kann die Kohlendioxid-Emissionen des Verkehrs-
Ausblick auf 2050) herstellen? sektors um bis zu 80 Prozent reduzieren. Die Flottenemissionen
(Wasserstoff-Brennstoffzellen-PKW) in Deutschland können bis
Bei drastischem Rückgang fossiler Energieimporte (German- auf 20 g CO2/km in 2050 reduziert werden (bei Verwendung von
Hy-Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“) müssen verstärkt erneuerbaren Energien und Kohle mit CCS).
erneuerbare Energien eingesetzt, höhere Effizienzsteige- Der Anteil erneuerbarer Energien an der Wasserstofferzeugung
rungen erreicht und energiesparendes Verhalten umgesetzt kann im Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“ bis 2050 auf über
werden. 60 Prozent gesteigert werden. Mit Importen erneuerbarer Ener-
Zur Herstellung von Wasserstoff wird ein Primärenergiemix gien ist eine noch höhere Quote möglich.
verwendet. Dabei können kurzfristig Nebenprodukt-Was- Ein höherer Anteil erneuerbarer Energien führt im Szenario
serstoff, Erdgasreformierung onsite und Biomassevergasung „Moderate Entwicklung“ zu Mehrkosten von ca. 15 Prozent. Im
eine Rolle spielen. Langfristig überwiegt die Herstellung Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“ sind erneuerbare Energien
aus Kohle mit CO2-Abscheidung und Speicherung (CCS) und wettbewerbsfähig.
Windenergie. Mögliche Risiken bestehen im Ausfall der Die Abhängigkeit des Verkehrssektors von Energieimporten
CCS-Technologie und einer Verzögerung beim Ausbau der kann von aktuell rund 95 Prozent auf – je nach Szenario – bis zu
erneuerbaren Energien. 75 Prozent gesenkt werden.
Wie lässt sich Wasserstoff vom Ort der Produktion zu den Ver- Abbildung 0-2 zeigt zusammenfassend die Roadmap zur Einfüh-
brauchern transportieren? rung von Wasserstoff in Deutschland bis 2050.
Bei der Verteilung von Wasserstoff dominieren die Lieferung
von flüssigem Wasserstoff (Anfangsphase mit geringen Men-
gen) sowie die Versorgung mit Druckwasserstoff-Pipelines (ab
2030, kostengünstiger bei großen Mengen).
10 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?x Ein höherer Anteil erneuerbarer Energien führt im Szenario „Moderate Entwicklung“ zu Mehrkosten
von ca. 15%. Im Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“ sind erneuerbare Energien wettbewerbsfähig.
Zusammenfassung und Schlussfolgerung 0
x Die Abhängigkeit des Verkehrssektors von Energieimporten kann von aktuell rund 95 Prozent auf – je
nach Szenario – bis zu 75 Prozent gesenkt werden.
Abbildung 0-1 zeigt zusammenfassend die Roadmap zur Einführung von Wasserstoff in Deutschland bis
2050.
Abbildung 0-2: Wasserstoff-Roadmap für Deutschland bis 2050
Abbildung 0-2: Wasserstoff-Roadmap für Deutschland bis 2050
0.2. Schlussfolgerungen Batterien sind eine notwendige Schlüsseltechnologie für
zukünftige Mobilitätskonzepte. Batterieelektrische oder Plug-in
Aus den Analysen im Rahmen der drei GermanHy-Szenarien lassen Hybrid-Fahrzeuge sind eine komplementäre Lösung.
sich folgende Schlussfolgerungen zur Bedeutung von Wasserstoff Biokraftstoffe werden trotz der begrenzten Verfügbarkeit eine
unter verschiedenen energiewirtschaftlichen und -politischen Rah- wichtige Rolle auch im Verkehrssektor spielen, insbesondere 10
menbedingungen ziehen: jedoch für andere Verkehrsträger wie LKW, Flugzeuge und
Schiffe.
Im Szenario „Moderate Entwicklung“ ist der Einsatz von Wasser- Wind ist wegen der unterstellten hohen Potenziale längerfristig
stoff sinnvoll aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, der CO2-Min- die bedeutendste erneuerbare Energieressource für Wasserstoff.
derung und der Versorgungssicherheit.
Im Szenario „Klimaschutz“ ist Wasserstoff erforderlich, um den Die Einführung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
Beitrag des Verkehrssektors zur Senkung der CO2-Emissionen erfordert – insbesondere in der Einführungsphase – eine Flankie-
sicherzustellen und die erneuerbaren Energien in den Verkehr rung durch entsprechende Rahmenbedingungen. Das Nationale
zu integrieren. Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnolo-
Im Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“ ist Wasserstoff zwin- gie (NIP) trägt wesentlich dazu bei, die richtigen Voraussetzungen
gend, um zumindest einen Teil der heutigen individuellen Mobi- für die Markteinführung der Technologien zu schaffen. Weiterer
lität auch künftig zu gewährleisten. Untersuchungsbedarf über die Ergebnisse von GermanHy hinaus
ist in Kapitel 7 zusammenfassend dargestellt.
Zentrale weitere energiewirtschaftliche und -politische Aspekte
lassen sich wie folgt einordnen:
In allen Szenarien und in allen Sektoren ist Energieeffizienz
steigerung notwendig.
111 Hintergrund
1 Hintergrund.
1.1. Ausgangslage und Motivation In der Kraftstoffstrategie der Bundesregierung als Teil der
Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie [BUNDESREGIERUNG 2004]
Die zentralen Herausforderungen für die Mobilität von Morgen stellt Wasserstoff deshalb eine wichtige mittel- bis langfristige
sind auch für den Verkehrssektor Energieversorgungssicherheit Perspektive als Kraftstoff im Verkehrssektor dar.
und Klimaschutz. Die Ziele der Bundesregierung sind:
Ein flächendeckender Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur
Das Treibhausgasminderungsziel Deutschlands beträgt muss sich folgenden Herausforderungen stellen:
40 Prozent bis 2020 (wenn die EU das Ziel von 30 Prozent
verabschiedet; Basisjahr jeweils 1990). Weitere Schad Der Energieaufwand und die damit verbundenen Emis
stoffemissionen (Stickoxide, Rußpartikel etc.) müssen eben- sionen sind je nach Herstellungspfad sehr unterschiedlich.
falls gesenkt werden. Die Einführung von Wasserstoff erfordert eine neue Pro-
Verringerung der Erdölabhängigkeit: aktuell importiert duktions-, Transport- und Verteilungsinfrastruktur, was mit
Deutschland 97 Prozent seines Erdölbedarfs. entsprechenden Investitionen verbunden ist.
Steigerung der Energieeffizienz: die Energieproduktivität Es gilt, die Gesamtpotenziale verfügbarer Primärenergie
soll um 3 Prozent pro Jahr erhöht werden, 2007 stieg sie um sowie deren effizienteste energiewirtschaftliche Nutzung
1,5 Prozent. im Einzelfall zu betrachten. Sollte es zur Verknappung der
Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien im Verkehr: Primärenergiequellen kommen, ist im Einzelfall politisch
Der Anteil an der Kraftstoffversorgung soll dafür von aktuell zu entscheiden, ob diese nicht an anderer Stelle effektiver
6 auf 17 Prozent in 2020 steigen. eingesetzt werden können.
Sicherung des Produktions- und Technologiestandortes: Neben Wasserstofffahrzeugen werden zusätzlich andere
250 Milliarden Euro Wertschöpfung pro Jahr; 2 Millionen Effizienztechnologien wie z. B. batteriebetriebene Elektro-
direkte und indirekte Arbeitsplätze im Automobilbereich. fahrzeuge in zukünftigen Mobilitätskonzepten zur An
wendung kommen. Hier gilt es integrierte Gesamtkonzepte
Wasserstoff gilt als eine Option, diese Herausforderungen in für die Mobilität der Zukunft zu entwickeln.
besonderer Weise zu meistern und die Abhängigkeit vom Erdöl
zu verringern. Die Vorteile des Wasserstoffs sind: Die Studie GermanHy soll dazu beitragen, eine realistische Ana-
lyse über die Potenziale und Herausforderungen von Wasserstoff
Wasserstoff selbst ist ein kohlenstofffreier Energieträger, und seinen Alternativen zu erstellen. Da nicht alle Aspekte einer
bei dessen Verbrennung keine Schadstoffe entstehen. zukünftigen Energieversorgung im Rahmen von GermanHy
Wasserstoff ist aus allen Energiequellen, insbesondere er- beantwortet werden können, konzentriert sich GermanHy auf die
neuerbaren Energien herstellbar. Analyse der Einführung von Wasserstoff ins Energiesystem.
Wasserstoff ermöglicht die Nutzung der hocheffizienten Da der Verkehrssektor bislang die höchste Abhängigkeit von
Brennstoffzelle (doppelte Effizienz gegenüber herkömm- Erdöl und die geringste Energieumwandlungseffizienz hat und
lichem Verbrennungsmotoren). gleichzeitig durch hohe Wertschöpfung große Investitions
Wasserstoff ist ein Energiespeicher für erneuerbare potenziale besitzt, konzentriert sich die Analyse auf die mög-
Energien. Er kann fluktuierende erneuerbare Energien liche Einführung von Wasserstoff im Verkehrssektor. Da der
(Wind, Sonne) in der stationären Energieversorgung Straßenverkehr den größten Anteil am Energieverbrauch des
ausgleichen und diese zusätzlich jederzeit für den Verkehr Verkehrssektors innehat und Flugzeug und LKW aufgrund des
verf ügbar machen. relativ hohen Speicherbedarfs von Wasserstoff weniger geeignet
Wasserstoff und Brennstoffzellen haben als Schlüssel erscheinen, wird im Rahmen von GermanHy davon ausgegangen,
technologie ein großes Potenzial für Entwicklung und dass Wasserstoff vornehmlich in PKW, leichten Nutzfahrzeugen
Wertschöpfung insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. und Bussen zum Einsatz kommt.
12 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?Hintergrund 1
Um Wasserstoff in größeren Mengen in die Energiesysteme GermanHy fokussiert auf die Einführung von Wasserstoff als
zu integrieren, sind große Anstrengungen bei Forschung und alternativer Kraftstoff im Verkehrssektor. Dies erfolgt im gesam-
Entwicklung sowie bei Investition und Anwendung nötig. Das tenergiewirtschaftlichen Kontext Deutschlands. Die Entwick-
NIP soll hier in den nächsten zehn Jahren wesentliche Impulse lung anderer alternativer Antriebskonzepte (zum Beispiel reine
geben. Vor diesem Hintergrund hat das Bundesministerium für Batteriefahrzeuge) wird hier nicht betrachtet und muss geson-
Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) im Herbst 2007 die dert untersucht werden.
Erarbeitung der Studie „GermanHy – Woher kommt der Wasser-
stoff in Deutschland bis 2050?“ beauftragt. GermanHy soll der Auch im stationären Energiesektor kann Wasserstoff in Brenn-
Nationalen Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellentech- stoffzellen eingesetzt werden. Hier tritt Wasserstoff jedoch –
nologie (NOW) Entscheidungsgrundlagen für die Ausgestaltung zumindest kurz - und mittelfristig – nicht als Energieträger in
des NIP im Bereich der Wasserstoffinfrastruktur (F&E-Bedarf, Erscheinung, da er zum größten Teil dezentral in Reformern
Demonstrationsvorhaben) liefern. hergestellt wird und weder zwischengespeichert noch über
kürzere oder weitere Strecken transportiert werden muss. Eine
weitere Option ist mittelfristig die Herstellung von Wasserstoff
1.2. Zielsetzung und Aufgabenstellung in sogenannten Pre-Combustion-Anlagen, die CO2 aus fossilen
Energien wie Kohle und Erdgas speicherbar machen. Auch hier
GermanHy untersucht die Perspektiven einer künftigen Bereitstel- fällt Wasserstoff in großen Mengen an. In Zukunft sind Kombina-
lung von Wasserstoff als Energieträger für den Verkehr in Deutsch- tionen denkbar, in denen dieser Wasserstoff dem Verkehrssektor
land bis 2050. Dabei werden folgende zentrale Fragestellungen zur zugeführt wird und alternativ über Verbrennung in Gasturbinen
Einführung von Wasserstoff im Verkehrssektor beantwortet: oder Brennstoffzellen direkt zur Stromerzeugung dient.
Mittel- bis langfristig kann eine Wasserstoff-Versorgungsinfra-
Welchen Anteil am zukünftigen Kraftstoffbedarf kann Was- struktur für den Verkehrssektor außerdem interessant werden,
serstoff übernehmen? um Wasserstoff als speicherbaren Energieträger neben Strom
Aus welchen Energiequellen lässt sich Wasserstoff wirt- insbesondere bei fluktuierendem Energieangebot (zum Beispiel
schaftlich bei steigendem Bedarf (Zeithorizonte 2020, 2030, Windenergie) für stationäre Anwendungen zu nutzen.
Ausblick auf 2050) herstellen?
Wie lässt sich Wasserstoff vom Ort der Produktion zu den
Verbrauchern transportieren? 1.3. Rolle und Vorgehensweise von GermanHy
Welche Wirkungen hat der Einsatz von Wasserstoff im Ver-
kehrssektor auf Mobilitätskosten, Emissionen, Anteil erneuer- Basis der Arbeiten sind zentrale deutsche energiewirtschaftliche
barer Energien und Abhängigkeit von Energieimporten? Studien ( zum Beispiel BMWi Energiereport 2005, BMU
Leitstudie2007 ), zentrale europäische Analysen ( CONCAWE /
Um diese Fragen zu beantworten: EUCAR /JRC 2007 ), mit der Industrie abgestimmte Technologie
datebanken ( CONCAWE /EUCAR /JRC 2007, Forschungs
berücksichtigt GermanHy den allgemeinen energiewirtschaft- projekt Hyways ), aber auch eigene Arbeiten der an GermanHy
liche Kontext, d. h. die möglichen Entwicklungen des Kraft- beteiligten Institute ( AWEO, [BMU 2007], Forschungsprojekt
stoffmarkts als Teil des Energiemarkts, Hyways ). GermanHy setzt uf nationalen und internationalen
untersucht GermanHy den kostenoptimalen Aufbau Forschungserkenntnissen zu Wasserstoff, insbesondere auf
der Infrastruktur für Wasserstoff-Produktion, -Transport dem europäischen Roadmap-Forschungsprojekt HyWays
und -Verteilung [www.hyways.de], auf.
und erarbeitet GermanHy eine deutsche Wasserstoff-Road- Über verschiedene Gremien und Veranstaltungen (CEP,
map unter Einbeziehung von Energieeffizienz, Kosten, CO2- www.cleanenergypartnership.de, VES, www.bmvbs.de/-
Minderungspotenzialen und Importabhängigkeit. ,1423.2458/Verkehrswirtschaftliche-Energi.htm, GermanHy-
131 Hintergrund
Workshop] sowie die fachliche Begleitung durch die NOW GmbH
(www.now-gmbh.de) wurden alle wesentlichen Akteure sowie
aktuelle Planungen für Wasserstoffprojekte in Deutschland
einbezogen. GermanHy orientiert sich an Aktivitäten ähnlicher
Roadmap-Prozesse und -Erfahrungen (wie etwa in Frankreich
(HyFrance) oder Norwegen (NorWays)) sowie an großen Modellie-
rungsprojekten (zum Beispiel DOE H2A Analysis (www.hydrogen.
energy.gov/h2a_analysis.html in den USA)). An zentralen Stellen
wurden neue, eigene Modelle erarbeitet oder weiterentwickelt
(Energiemodell, Wasserstoff-Infrastrukturmodell).
Kapitelübersicht und zentrale Aussagen:
In Kapitel 2 werden drei GermanHy-Szenarien vorgestellt,
die mit unterschiedlichen, in sich konsistenten Annahmen
mögliche energiewirtschaftliche und energiepolitische
Entwicklungen skizzieren und den Analyserahmen aufspan-
nen.
In Kapitel 3 werden die möglichen Herstellungspfade sowie
die Primärenergiepotenziale analysiert, die für Wasserstoff
genutzt werden können.
In Kapitel 4 wird die mögliche Nachfrage nach Kraftstoffen
und insbesondere Wasserstoff im Straßenverkehr (Wasser-
stoff-Penetration) dargestellt.
Kapitel 5 analysiert den Aufbau einer Wasserstoff-Produk-
tions-, Transport- und Verteilungsinfrastruktur.
Kapitel 6 plausibilisiert die Bereitstellung der Primärenergien
für die Wasserstoffproduktion durch Analyse des Gesamt
energiesystems (Endenergienachfrage und Primärenergie
verfügbarkeit).
Kapitel 7 stellt den weiteren Untersuchungsbedarf vor.
14 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?Szenarien und Annahmen 2
2 Szenarien und Annahmen.
GermanHy
2.1. Szenarien Das Szenario „Moderate Entwicklung“ ist eine Fortschreibung
längerfristiger, vergangener Entwicklungen im Sinne von
Zur Beantwortung der Leitfrage dieser Studie „Woher kommt „business as usual“. Das Szenario „Moderate Entwicklung“
2.derSzenarien
Wasserstoff?“ wurden drei verschiedene, in sich jeweils
und Annahmen wurde aus dem Referenz-Szenario der BMU-Leitstudie [BMU
konsistente Szenarien für den Zeitraum von 2000 bis 2050 2007] a
bgeleitet, welches auf der Trendprognose des Energie
2.1.
gewählt:Szenarien
„Moderate Entwicklung“, „Klimaschutz“ und reports IV [EWI/prognos 2005] aufbaut. Die Daten wurden im
„Ressourcenverknappung“. Die Szenarien unterscheiden sich Rahmen von GermanHy geringfügig angepasst und bis zum
Zur Beantwortung
durch der Annahmen
unterschiedliche Leitfrage dieser Studie „Woher und
und Rahmensetzungen kommt der Wasserstoff?“
Jahr wurden dabei
2050 fortgeschrieben, drei verschiedene,
wurden einige wesentliche
inbilden
sich jeweils konsistente
eine Bandbreite Szenarien
verschiedener für den Zeitraumab.
Entwicklungstrends von 2000 bis 2050an
Parameter gewählt:
aktuelle„Moderate
Entwicklungen angepasst. Zum Beispiel
Die Daten und„Klimaschutz“
Entwicklung“, Annahmen für die undSzenarien wurden aus vor-
„Ressourcenverknappung“. Diewurde für das Jahr
Szenarien 2020 ein realer
unterscheiden sichÖlpreis
durchin Höhe von 54 $/bbl
liegenden anerkannten Studien übernommen, wo nötig an- unterstellt. Dies erscheint aus heutiger Sicht sehr niedrig. Die
unterschiedliche Annahmen und Rahmensetzungen und bilden eine Bandbreite verschiedener
gepasst und um eigene Daten und Annahmen ergänzt. Für die Annahme im GermanHy-Szenario folgt damit aber den Ex
Entwicklungstrends ab. Die Daten und Annahmen für die Szenarien wurden aus vorliegenden
Szenarien „Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ dienten perten, die der M einung sind, dass sich das Ölpreisniveau
anerkannten Studien
die Analysen und übernommen,
Szenarien wo nötig
aus [EWI/prognos angepasst
2005] und und umwieder
eigene Daten und
reduzieren Annahmen
wird, ergänzt.Preisentwicklungen
dass die aktuellen
Für[BMUdie2007]
Szenarien „Moderate
als Basis. Entwicklung“
Das Szenario und „Klimaschutz“ dienten
„Ressourcenverknappung“ teilweisedie Analysen und Szenarien
spekulationsbedingt sind und aus
bei höheren Preisen
basiert angebotsseitig (das heißt, die Verfügbarkeit von Pri- bisher nicht
[EWI/prognos 2005] und [BMU 2007] als Basis. Das Szenario „Ressourcenverknappung“ basiert wirtschaftliche Ölvorkommen erschlossen werden.
märenergie betreffend) auf Analysen der LBST [LBST 2007c] und Zudem wurden konservative Mindestziele für die Reduktion
angebotsseitig (das heißt, die Verfügbarkeit von Primärenergie betreffend) auf Analysen der LBST (LBST
nachfrageseitig (das heißt die Endenergienachfrage betreffend) von Treibhausgasen und die Steigerung des Anteils erneu-
2007c) und nachfrageseitig (das heißt die Endenergienachfrageerbarer
auf [Prognos 2007; WI 2006].
betreffend)
E
auf [Prognos 2007; WI 2006].
nergien am Endenergieverbrauch unterstellt. Das
Einen zusammenfassenden Überblick über die zentralen Hintergründe Szenario „Moderate Entwicklung“
und Annahmen der dreiistSzenarien
demnach durch geringen
Einen zusammenfassenden Überblick über die zentralen Hin- Änderungs- beziehungsweise Handlungsdruck und leichte
gibt die folgende Abbildung wieder.
tergründe und Annahmen der drei Szenarien gibt die folgende Steigerungen der Energieeffizienz und des Anteils erneuerbarer
Abbildung wieder. Energien gekennzeichnet.
1 Moderate
Entwicklung 2 Klimaschutz
3 Ressourcen-
verknappung
Konservative Ambitionierte Massive Knappheit
Motivation
Trendfortschreibung Klimaschutzpolitik fossiler Ressourcen
54 $/bbl in 2020 54 $/bbl in 2020 248 $/bbl in 2020
Energiepreise (Rohöl)
111 $/bbl in 2050 111 $/bbl in 2050 202 $/bbl in 2050
Treibhausgas- -20% bis 2020 -40% bis 2020 -20% bis 2020
Minderungsziele -40% bis 2050 -80% bis 2050 -40% bis 2050
Mehrkosten Senkung der Antriebskosten des Brennstoffzellen-PKW/-NFZ
Brennstoffzellen-Auto auf das Niveau moderner Diesel-PKW/-NFZ
Erneuerbare Energien mindestens 20% Anteil am Primärenergieverbrauch bis 2020
Abbildung 2-1: Hintergründe
Abbildung 2-1: Zentrale ZentraleundHintergründe und
wesentliche Annahmen wesentliche
der drei G Annahmen der drei GermanHy-Szenarien
ermanHy-Szenarien
Das Szenario „Moderate Entwicklung“ ist eine Fortschreibung längerfristiger, vergangener
15
Entwicklungen im Sinne von „business as usual“. Das Szenario „Moderate Entwicklung“ wurde aus dem
Referenz-Szenario der BMU-Leitstudie [BMU 2007] abgeleitet, welches auf der Trendprognose des2 Szenarien und Annahmen
Von allen drei Szenarien bietet es prinzipiell den größten Zwänge zur Umsetzung von Maßnahmen zur Effizienzsteige-
Spielraum für die Herstellung von Wasserstoff für den Verkehrs- rung, so dass parallel zum Ausbau erneuerbaren Energien mit
sektor. Das Szenario „Klimaschutz“ ist gekennzeichnet durch einer noch intensiveren Erschließung der technischen Einspa-
schärfere Vorgaben bei der Reduzierung der Treibhausgase- rungspotenziale (früher und in größerem Umfang) gerechnet
missionen: bis 2020 müssen – so die getroffene Annahme – die wird. Das Szenario „ Ressourcenverknappung“ basiert auf Ana-
CO2-Emissionen um 40 Prozent reduziert werden, bis 2050 um lysen zur Primärenergieverfügbarkeit von [LBST 2007]. Andere
80 Prozent (Basisjahr 1990). zentrale Szenarioannahmen wurden aus den vorgenannten Sze-
narien übernommen (zum Beispiel Mindestanforderungen an
Wesentliche Parameter wie zum Beispiel Energiepreise und die CO2-Minderung aus dem Szenario „Moderate Entwicklung“).
Verkehrsleistungen entsprechend den Annahmen des Szenarios
„Moderate Entwicklung“. Demnach besteht im Vergleich zum
Szenario „Moderate Entwicklung“ ein größerer Handlungs- und 2.2. Annahmen
Änderungsdruck in Richtung Klimaschutzmaßnahmen. Auf
der Nachfrageseite werden in allen Sektoren deutlich mehr Alle drei Szenarien beruhen auf einem gemeinsamen Satz von
Anstrengungen und Erfolge bei der Steigerung der technischen relevanten ökonomischen und demografischen Eckdaten und
Effizienz unterstellt, während auf der Angebotsseite ein stär- deren Entwicklung bis zum Jahr 2050, die in Tabelle 2-1 zu
kerer Ausbau erneuerbarer Energien beziehungsweise eine sammengefasst sind. Diese Eckdaten wurden aus [BMU 2007] und
breite Einführung von Technologien zur Abscheidung und Spei- [UBA 2006] übernommen und bei Bedarf projektintern aktuali-
cherung von CO2 (CCS) für die CO2-arme Nutzung fossiler Brenn- siert (zum Beispiel Wechselkurs US-Dollar zu Euro oder Zinssatz).
stoffe zur Strom- und gegebenenfalls auch zur Wasserstoffpro- Für den im Fokus dieser Studie stehenden Verkehrssektor wurden
duktion angenommen wird. Das Szenario „Klimaschutz“ wurde darüber hinaus weitere Annahmen getroffen, auf die im Kapitel
aus dem Leitszenario der BMU-Leitstudie [BMU 2007] abgeleitet 4.1 näher eingegangen wird.
und ebenfalls teilweise an aktuelle Entwicklungen sowie Anfor-
derungen von GermanHy angepasst. Aus dem Klimaschutzziel Darüber hinaus wurden für Deutschland folgende wesentliche
für 2050 können sich in diesem Szenario Restriktionen für die Randbedingungen unterstellt, die von allen drei Szenarien erfüllt
Einführung und Herstellung von Wasserstoff ergeben (zum werden müssen:
Beispiel kein Wasserstoff aus Kohle ohne CCS). Das Szenario
„Ressourcenverknappung“ geht von einer drastischen Reduktion Die Anbaufläche für Energiepflanzen beträgt maximal
der Primärenergieverf ügbarkeit aus. Das heißt, stark steigende 4 Millionen Hektar (etwa ein Drittel der Anbaufläche).
Energiepreise und nicht steigerbare Ölfördermengen. Von einer Technologien zur Abscheidung und Speicherung von CO2
vollständigen Deckung der wachsenden Nachfrage nach Ener- (CCS) sind ab 2020 verfügbar.
gierohstoffen kann – im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Der Anteil von Wind- und Photovoltaik-Strommengen b eträgt
Szenarien – nicht mehr selbstverständlich ausgegangen werden. maximal 50 Prozent.
Die weitere Nutzung von fossilen Brennstoffen wird zunehmend Wasserstoff wird mindestens zu 50 Prozent aus erneuerbaren
stark eingeschränkt. So steht Erdöl in Deutschland ab 2030 nur Energien hergestellt.
noch sehr beschränkt zur Verfügung. Demzufolge wurden für Der Anteil von KWK an der Stromerzeugung beträgt minimal
dieses Szenario auf der Grundlage des aktuellen Preisniveaus 12 und maximal 40 Prozent.
stärker und schneller steigende Preise für fossile Primärenergie-
träger (zum Beispiel 248 $/bbl in 2020 beim Erdöl) angenommen Für das Szenario „Klimaschutz“ wurde außerdem angenommen,
(s. Tabelle 2-3 und Tabelle 2-4). Daraus folgt, dass erneuerbarer dass im Emissionshandel durchgängig etwa doppelt so hohe
Energien in diesem Szenario deutlich schneller konkurrenz reale Preise für eine Tonne CO2 zu zahlen sind (entsprechend den
fähig werden als im Szenario „Klimaschutz“ und daher intensiv Emissionshandelspreisen des Preispfades C aus [BMU 2007]) und
ausgebaut werden. Zudem steigen die Anreize beziehungsweise die minimalen Anteile von erneuerbaren Energien im Jahr 2020
16 GermanHy – Woher kommt der Wa sser stoff?2.2. Annahmen Szenarien und Annahmen 2
Alle drei Szenarien beruhen auf einem gemeinsamen Satz von relevanten ökonomischen und
demografischen Eckdaten und deren Entwicklung bis zum Jahr 2050, die in Tabelle 2.1 zusammengefasst
sind. Diese Eckdaten wurden aus [BMU 2007] und [UBA 2006] übernommen und bei Bedarf projektintern
aktualisiert (zum Beispiel Wechselkurs US-Dollar zu Euro oder Zinssatz). Für den im Fokus dieser Studie
stehenden Verkehrssektor wurden darüber hinaus weitere Annahmen getroffen, auf die im Kapitel 4.1
näher eingegangen wird.
Eckdatum Einheit 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2000- 2000-
2030 2050
Bevölkerung Mio. 82,2 82,4 81,4 79,4 77,3 75,1 -3% -9%
Erwerbstätige Mio. 38,8 38,9 39,0 37,5 37,0 35,8 -3% -8%
Haushalte Mio. 38,2 39,7 40,0 39,7 39,2 38,5 4% 1%
BIP Mrd. €2000 2.030 2.306 2.691 3.050 3.355 3.600 50% 77%
Anzahl PKW Mio. PKW 42,8 47,0 50,6 51,9 52,4 52,1 21% 22%
Personenverkehr Mrd. Pkm 1.169 1.285 1.433 1.511 1.560 1.536 29% 31%
Güterverkehr Mrd. tkm 490,0 607,0 748,0 843,0 918,0 980,0 72% 100%
Güterverkehr auf Mrd. tkm 346,0 437,0 540,0 604,0 658,0 704,0 75% 103%
der Straße
Wechselkurs $US/€ 1,4 konstant
Zinssatz für %/a 6,0 konstant
Investitionen
Tabelle 2-1: Entwicklung relevanter Eckdaten für die GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050
Tabelle 2-1: Entwicklung relevanter Eckdaten für die GermanHy-Szenarien von 2000 bis 2050
GermanHy
Darüber hinaus wurden für Deutschland folgende wesentliche Randbedingungen unterstellt, die von allen
drei Szenarien erfüllt
Szenario werden2000
Einheit müssen:
2006 2010 2020 2030 2040 2050 Quelle
x Die Anbaufläche
MODERAT + EUR/tCO2
für Energiepflanzen
0 0 5
beträgt
10
maximal
15
4 Millionen Hektar (etwa ein Drittel der
20 22,5 BMU, LEIT-06, Pfad "A"
Anbaufläche)
RESSOURCEN
KLIMA EUR/t
x Technologien zur 0
CO2Abscheidung0 und10Speicherung
20 30von CO
40 2 (CCS)
50 sind
BMU,
abLEIT-06, Pfad "C"
2020 verfügbar
x Der Anteil von Winde- und Photovoltaik-Strommengen
Tabelle beträgt maximal 50 Prozent
2-2: CO2-Preise der Szenarien
Tabellex 2-2: Wasserstoff wird mindestens
CO2-Preise der Szenarien zu 50 Prozent aus erneuerbaren Energien hergestellt
x Der Anteil von KWK an der Stromerzeugung beträgt minimal 12 und maximal 40 Prozent
Dieder
an Entwicklung
Strom- (27derstatt
Energieträgerpreise
14 Prozent), Wärme- ist entscheidend für die Wahl
(14 statt 7 Prozent) undtechnologischer Pfade zur mit großem Ausbaupotenzial an. Voraus
teuersten Alternative
Energieerzeugung im (17
Kraftstoffnachfrage Allgemeinen und zur deutlich
statt 10 Prozent) Wasserstofferzeugung
höher liegenim alsBesonderen.
setzungAuch beeinflussendass
ist allerdings, sie ein Wechsel zum Kraftstoff Wasser-
FürVerbraucherpreise
die das Szenario „Klimaschutz“
wesentlich. wurde
Die außerdem angenommen, dass im Emissionshandel durchgängig
in den beiden anderen Szenarien (s.angenommenen
Tabelle 2-2). Energieträgerpreise stoff in denoder
Szenarien
Strom „Moderate
in dieser Geschwindigkeit realisiert wird. Ist dies
etwa doppelt und
Entwicklung“ so hohe reale Preise
„Klimaschutz“ sindfür
in eine Tonne CO
der Tabelle zu zahlen sind (entsprechend
2-2 2zusammengefasst. Sie wurden den bestehenden
aus
nicht der Fall, steigen die Rohölpreise nicht vorhersagbar weiter.
Emissionshandelspreisen
Studien übernommen des Preispfades C aus [BMU
GermanHy abgeschätzt (so orientieren von
2007]) und die minimalen Anteile
Die Entwicklung derund wo nötig im Rahmen
Energieträgerpreise istvon
entscheidend sich die Preise
erneuerbaren
für Stroh, Energien im Jahr 2020 an Pflanzenöl
stärke-/zuckerhaltige der Strom- und
(27 Ethanol
statt 14 Prozent), Wärme- (14 statt 7 Prozent) und
für die Wahl technologischerPflanzen,
Pfade zur Energieerzeugung nun an dem
im Denenergetischen
Hintergrund für die angenommenen Preissteigerungen fos-
Kraftstoffnachfrage in(17 statt 10zuProzent) deutlichHeizöl).
höher liegen als in den beiden anderen Szenarien (s.
AKraftstoffäquivalent
llgemeinen und zurRelation mineralischem
Wasserstofferzeugung im Besonderen. siler Primärenergieträger im Szenario „Ressourcenverknappung“
Tabelle 2-2).
Auch beeinflussen sie die Verbraucherpreise wesentlich. Die bildet die unterstellte Verknappung auf dem Weltmarkt und
angenommenen Energieträgerpreise in den Szenarien
Jahr 2000 2010 2020 2030 für 2040 Deutschland.
2050 2000- Basis dieser
Refe-Annahmen bilden die detaillierten
Energieträger
„Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ sind in der Tabelle
Preise 2-3
in (ct/kWh)Analysen der LBST 2050 (sieherenzen
Kapitel 3.2.1). Diese befassen sich mit
Rohöl
zu sammengefasst. Sie wurden aus bestehenden 3,0 Studien
1,7 2,4 3,0 den3,9 weltweit
5,0 vorhandenen
65% 1)18
Energiereserven, deren möglicher Er-
Steinkohle
übernommen und wo nötig im Rahmen von1,0 0,6 abge-
GermanHy 0,7 0,8 schließung
0,9 1,1 im Zeitverlauf,
42% 1)den aktuellen und absehbaren Förder-
Braunkohle 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 -36% 1)
schätzt
Erdgas (so orientieren sich die Preise für Stroh,
für Industrie 1,1 stärke-/zucker
1,1 2,0 2,7 potenzialen
3,3 4,6 von Primärenergien
316% 1) sowie den Handelsbedingungen
haltige
Erdgas Pflanzen,
für HaushaltePflanzenöl und Ethanol nun 5,3an dem3,8 energe-
4,9 5,9 auf6,8dem8,4 Weltmarkt.
58% Die Verknappung
1) resultiert aus dem
Holz Kraftstoffäquivalent in Relation zu mineralischem
tischen 1,0 1,6 1,6 1,6 Erreichen
Heizöl). 2,1 2,6und Überschreiten
172% 2) des Fördermaximums („peak oil“,
Stroh 0,9 0,9 1,0 1,3 1,6 2,1 135% 3)
„peak gas“, etc.) und dem sich anschließenden Rückgang der
Zucker-/Stärkehaltige Pflanzen 1,6 0,9 1,3 1,6 2,1 2,7 65% 3)
Für das Szenario „Ressourcenverfügbarkeit“ wurden aufgrund
(Weizen) verfügbaren Menge des jeweiligen Energieträgers. Bei unverän
Biogas
der (ReststoffeVerknappung
unterstellten und 9,9
fossiler Ressourcen 9,5 9,8
abweichende 10,1 derter
10,4 oder
11,9 – wovon
20% in den 3)vergangenen Energieszenarien
Energiepflanzen) für Haushalte
Energiepreise angenommen. Diese sind in Tabelle 2-4 auf immer ausgegangen wurde – sogar noch drastisch steigender
Pflanzenöl 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 0% 3)
geführt. Ein deutlich höheres Preisniveau haben
Ethanol (Import) 0,9 in1,8 erster2,6
Linie 3,2 Nachfrage
4,1 5,3kommt
465% es zwangsläufig
3) und schnell zu enormen
Wasserkraft
die (modernisierte aber auch diejenigen
fossilen Energieträger, 4,8 erneuerbaren
6,2 6,9 6,9 Preissteigerungen.
6,9 6,6 38%Die Nachfrage
4) muss schließlich entweder auf
Anlagen)
Energieträger, die entweder indirekt über Wärmegutschriften geeignete Alternativen ausweichen oder aufgrund physischer
Geothermie-Strom (KWK) für 3), 4)
(Blockheiz
Haushalte k raftwerke) oder direkt als biogene Brennstoffe
21,0 19,7 10,7 an 9,8 Verknappungen
8,9 7,3 ebenfalls zurückgehen. Welche Möglichkeiten
-65%
Geothermie-Wärme
den Brennstoffmarkt (KWK) für
gekoppelt sind. Der Preis für Erdöl steigt im konkreten Fall für den3),deutschen
4) Markt bestehen beziehungs-
Haushalte 5,4 5,4 5,7 5,9 6,1 6,5 20%
demnach bis 2020 etwa um den Faktor 3,7 (Basis 2000). Danach weise welche Strategien verfolgt werden, hängt von einer Viel-
Windkraft-Strom (onshore) 9,7 7,4 5,6 5,3 5,3 5,3 -46% 5)
sinkt er langsam(offshore)
Windkraft-Strom und zwar um 18 Prozent bis a) 2050. auf 4,9 zahl
Dieses5,3
6,8 b)13,6 4,9 an Faktoren
4,9 (Welthandel,
-28% 5) Geopolitik, nationale Energie- und
Windkraft-Strom
den ersten Blick (Import
paradoxe ausVerhalten resultiert 6,2 aus4,8
der An3,7 3,6 Wirtschaftspolitik
3,6 3,6 -43% etc.) ab.6)Mangels methodologisch geeigneter
Skandinavien)
nahme, dass Erdöl ab dem Jahr 2020 das Preisniveau der bis dato Modelle gibt es bisher keine adäquaten Untersuchungen über
Photovoltaik-Strom (netzgekoppelt) 72,8 34,8 14,2 11,4 10,2 9,6 -87% 4)
tSolarthermie-Strom
euersten Kraftstoffalter n
(Import) ative – Wasserstoff aus
14,5 12,5Photovoltaik-
8,8 7,3 Preisentwicklungen
5,9 5,9 -59% unter3)dauerhafter und zunehmender Res-
Strom –Referenzen:
erreichen1)und
nach sogar übersteigen
[#HyWays-II]; würde. 3)
2) nach [dena-BTL]; Abnach
diesem Annahmen; sourcenverknappung.
Zeit-
eigenen 4) nach [BMU 2007]; 5) nach
[#BWE/Wind energy market survey 2000; #EWEA 2008; #AWEA 2004/Windforce]; 6) nach [#BWE/Wind energy market survey
punkt passt sich der Ölpreis an die weitere
2000; #HyWays]; a) Horns Rev; b) Butendiek; 6 Preisentwicklung der
Tabelle 2-3: Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger in den Szenarien
„Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ von 2000 bis 2050
17
19CO2 CO2 BMU, LEIT-06,
BMU, LEIT-06,
Pfad "A"Pfad "A"
RESSOURCEN
RESSOURCEN
0 CO2 0 0
KLIMA KLIMA EUR/tCO2EUR/t 100 2010 3020 4030 5040 BMU,
50 LEIT-06,
BMU, LEIT-06,
Pfad "C"Pfad "C"
Tabelle Tabelle -Preise
2-2: CO22-2: CO2der
-Preise
Szenarien
der Szenarien
2 Szenarien und Annahmen
Die Entwicklung
Die Entwicklung
der Energieträgerpreise
der Energieträgerpreise
ist entscheidend
ist entscheidend
für die Wahl
für die
technologischer
Wahl technologischer
Pfade zur
Pfade zur
Energieerzeugung
Energieerzeugung
im Allgemeinen
im Allgemeinen
und zur Wasserstofferzeugung
und zur Wasserstofferzeugung
im Besonderen.
im Besonderen.
Auch beeinflussen
Auch beeinflussen
sie sie
die Verbraucherpreise
die Verbraucherpreise
wesentlich.
wesentlich.
Die angenommenen
Die angenommenen
Energieträgerpreise
Energieträgerpreise
in den Szenarien
in den Szenarien
„Moderate„Moderate
Entwicklung“
Entwicklung“
und „Klimaschutz“
und „Klimaschutz“
sind in der
sind
Tabelle
in der 2-2
Tabelle
zusammengefasst.
2-2 zusammengefasst.
Sie wurdenSie aus
wurden
bestehenden
aus bestehenden
Studien übernommen
Studien übernommenund wo nötig
und woim nötig
Rahmenim Rahmen
von GermanHy
von GermanHy
abgeschätzt
abgeschätzt
(so orientieren
(so orientieren
sich die sich
Preise
die Preise
für Stroh,fürstärke-/zuckerhaltige
Stroh, stärke-/zuckerhaltige
Pflanzen,Pflanzen,
Pflanzenöl
Pflanzenöl
und Ethanol
und Ethanol
nun an dem
nun energetischen
an dem energetischen
Kraftstoffäquivalent
Kraftstoffäquivalent
in Relation
in Relation
zu mineralischem
zu mineralischem
Heizöl). Heizöl).
Energieträger
Energieträger Jahr 2000
Jahr 2010
2000 2020
2010 20302020 20402030 2050
2040 2050
2000- 2000-
Refe- Refe-
Preise in (ct/kWh)
Preise in (ct/kWh) 2050 2050
renzen renzen
Rohöl Rohöl 3,0 1,7
3,0 2,4
1,7 3,0
2,4 3,9
3,0 5,0
3,9 65%
5,0 1)
65% 1)
Steinkohle
Steinkohle 1,0 0,6
1,0 0,7
0,6 0,8
0,7 0,9
0,8 1,1
0,9 42%
1,1 1)
42% 1)
Braunkohle
Braunkohle 0,3 0,3
0,3 0,3
0,3 0,3
0,3 0,3
0,3 0,3
0,3 -36%
0,3 1)
-36% 1)
Erdgas für Industrie
Erdgas für Industrie 1,1 1,1
1,1 2,0
1,1 2,7
2,0 3,3
2,7 4,6
3,3 316%
4,6 1)
316% 1)
Erdgas für Haushalte
Erdgas für Haushalte 5,3 3,8
5,3 4,9
3,8 5,9
4,9 6,8
5,9 8,4
6,8 58%
8,4 1)
58% 1)
Holz Holz 1,0 1,6
1,0 1,6
1,6 1,6
1,6 2,1
1,6 2,6
2,1 172%
2,6 2)
172% 2)
Stroh Stroh 0,9 0,9
0,9 0,9
1,0 1,0
1,3 1,3
1,6 1,6
2,1 2,1
135% 135%
3) 3)
Zucker-/Stärkehaltige
Zucker-/Stärkehaltige PflanzenPflanzen 1,6 1,6
0,9 0,9
1,3 1,3
1,6 1,6
2,1 2,1
2,7 2,7
65% 65%3) 3)
(Weizen)(Weizen)
Biogas (Reststoffe
Biogas (Reststoffe und und 9,9 9,9
9,5 9,5 10,1
9,8 9,8 10,410,1 11,9
10,4 11,9 20% 20% 3) 3)
Energiepflanzen)
Energiepflanzen) für Haushalte
für Haushalte
Pflanzenöl
Pflanzenöl 7,6 7,6
7,6 7,6
7,6 7,6
7,6 7,6
7,6 7,6
7,6 7,6
0% 0%3) 3)
Ethanol Ethanol
(Import) (Import) 0,9 0,9
1,8 1,8
2,6 2,6
3,2 3,2
4,1 4,1
5,3 5,3
465% 465% 3) 3)
Wasserkraft
Wasserkraft (modernisierte
(modernisierte 4,8 4,8
6,2 6,2
6,9 6,9
6,9 6,9
6,9 6,9
6,6 6,6
38% 38% 4) 4)
GermanHy
Anlagen)Anlagen)
Geothermie-Strom
Geothermie-Strom (KWK) für (KWK) für 3), 4) 3), 4)
Haushalte
Haushalte 21,0 19,7 21,0 10,7
19,7 9,8 10,7 8,9 9,8 8,9
7,3 7,3
-65% -65%
Für das Szenario
Geothermie-Wärme
Geothermie-Wärme (KWK)„Ressourcenverfügbarkeit“
(KWK) für
für wurden aufgrund der unterstellten Verknappung fossiler 3), 4) 3), 4)
Haushalte abweichende Energiepreise
Haushalte
Ressourcen 5,4
5,4angenommen.
5,4 5,4
5,7Diese5,95,7 5,9
sind in 6,1
Tabelle 6,1
6,5 6,5
20%
2-3 aufgeführt. 20%deutlich
Ein
Windkraft-Strom
Windkraft-Strom (onshore) (onshore) 9,7 9,7
7,4 7,4
5,6 5,6
5,3 5,3
5,3 5,3
5,3 5,3
-46% -46% 5) 5)
höheres Preisniveau haben in erster Linie a) die fossilenb)Energieträger, aber auch diejenigen erneuerbaren
Windkraft-Strom
Windkraft-Strom (offshore)(offshore) 6,8 b)a)13,6
6,8 5,313,6 4,9 5,3 4,9
4,9 4,9
4,9 -28%
4,9 -28% 5) 5)
Energieträger,
Windkraft-Strom
Windkraft-Strom (Importdieaus
entweder
(Import ausindirekt über 6,2Wärmegutschriften
6,2
4,8 4,8 (Blockheizkraftwerke)
3,7 3,7
3,6 3,6
3,6 3,6 oder
3,6 3,6direkt-43%
-43% als6)biogene
6)
Skandinavien)
Skandinavien)
Brennstoffe an den Brennstoffmarkt gekoppelt sind. Der Preis für Erdöl steigt demnach bis 2020 etwa um
Photovoltaik-Strom
Photovoltaik-Strom
den Faktor 3,7 (Basis(netzgekoppelt)
(netzgekoppelt)
2000). Danach sinkt 72,8 14,2
72,8 er langsam
34,8 34,8
und zwar 14,2
11,4um 18 11,4
10,2 10,2
9,6
Prozent 9,6 Dieses
-87%
bis 2050. -87% auf den4)
4)
Solarthermie-Strom
Solarthermie-Strom
(Import) (Import) 14,5 12,5 14,5 8,812,5 7,3 8,8 5,9
7,3 5,9
5,9 -59%
5,9 -59% 3) 3)
ersten Blick
Referenzen:
paradoxe
Referenzen:
Verhalten
1) nach [#HyWays-II];
resultiert
1) nach [#HyWays-II];
aus3)der
2) nach [dena-BTL];
Annahme,
2) nach [dena-BTL];
nach eigenen
dass Erdöl
3) nachAnnahmen;
ab dem
eigenen Annahmen;
4) nach [BMU
Jahr
4) nach
2007];
2020
[BMU
5) nach
das
2007]; 5) nach
Preisniveau
[#BWE/Wind der bis
[#BWE/Wind
energy dato
market
energy teuersten
survey
market
2000; Kraftstoffalternative
survey
#EWEA2000;2008;
#EWEA
#AWEA
2008; – Wasserstoff
2004/Windforce];
#AWEA aus [#BWE/Wind
Photovoltaik-Strom
2004/Windforce];
6) nach 6) nach [#BWE/Wind – erreichen
energy market
energy
survey
market survey
2000; #HyWays];
2000; #HyWays];
a) Horns Rev;
a) Horns
b) Butendiek;
Rev; b) Butendiek;
6 6
und sogar übersteigen würde. Ab diesem Zeitpunkt passt sich der Ölpreis an die weitere Preisentwicklung
Tabelle Tabelle
2-3: Annahmen
2-3: Annahmen
zur Entwicklung
zur Entwicklung
realer Preise
realerderPreise
Energieträger
der Energieträger
in den Szenarien
in den Szenarien
der teuersten Alternative mit großem Ausbaupotenzial an. Voraussetzung ist allerdings, dass ein Wechsel
„Moderate „Moderate
Entwicklung“
Entwicklung“
und „Klimaschutz“
und „Klimaschutz“
von 2000 vonbis2000
2050bis 2050
zum Kraftstoff
Tabelle Wasserstoff
2-3: Annahmen oderrealer
zur Entwicklung Strom in der
Preise dieser Geschwindigkeit
Energieträger realisiert wird. Ist dies nicht der Fall,
in den Szenarien
„Moderate Entwicklung“ und „Klimaschutz“ von 2000 bis 2050
steigen die Rohölpreise nicht vorhersagbar weiter.
19 19
Energieträger Jahr 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2000-2050 Refe-
Preise in ct/kWh renzen
Rohöl 3,0 6,9 11,1 10,4 9,8 9,1 201% 1)
Steinkohle 1,0 3,5 5,6 5,2 4,9 4,5 353% 2)
Braunkohle 0,3 0,7 1,1 1,0 1,0 0,9 188% 2)
Erdgas für Industrie 1,1 4,6 9,4 9,3 8,4 8,3 657% 1)
Erdgas für Haushalte 4,1 7,3 12,3 12,5 11,9 12,1 197% 1)
Holz 1,0 1,6 5,9 5,5 5,2 4,8 395% 3)
Stroh 0,9 0,9 4,7 4,4 4,2 3,9 328% 2)
Zucker-/Stärkehaltige 1,6 3,8 6,0 5,6 5,3 4,9 201% 2)
Pflanzen (Weizen)
Biogas (Reststoffe und 9,9 9,5 15,8 16,0 15,4 15,6 58% 3)
Energiepflanzen) für
Haushalte
Pflanzenöl 7,6 7,6 11,1 10,4 9,8 9,1 19% 2)
Ethanol (Import) 0,9 7,4 11,8 11,1 10,5 9,6 928% 2)
Geothermie-Strom (KWK) 2)
für Haushalte 20,5 15,5 1,7 1,7 2,7 2,7 -87%
Geothermie-Wärme (KWK) 2)
für Haushalte 5,5 6,4 7,7 7,7 7,5 7,5 37%
Referenzen: 1) nach [HyWays-II]; 2) eigene Annahmen
Tabelle 2-4: Abweichende Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger im Szenario
Tabelle 2-4: Abweichende Annahmen zur Entwicklung realer Preise der Energieträger im
„Ressourcenverknappung“ von
2000 bis 2050
Szenario „Ressourcenverknappung“ von 2000 bis 2050
Den Hintergrund für die angenommenen Preissteigerungen fossiler Primärenergieträger im Szenario
„Ressourcenverknappung“ bildet die unterstellte Verknappung auf dem Weltmarkt und für Deutschland.
Basis dieser Annahmen bilden die detaillierten Analysen der LBST (siehe Kapitel 3.2.1). Diese befassen
sich mit den weltweit vorhandenen Energiereserven, deren möglicher Erschließung im Zeitverlauf, den
aktuellen und absehbaren Förderpotenzialen von Primärenergien sowie den Handelsbedingungen auf
18
dem Weltmarkt.GermDie
a n Verknappung
H y – W o h e r kresultiert
o m m t d aus
e r Wdem
a s s eErreichen
r s t o f f ? und Überschreiten des Fördermaximums
(„peak oil“, „peak gas“, etc.) und dem sich anschließenden Rückgang der verfügbaren Menge desSie können auch lesen
