WOHER KOMMT ZUKÜNFTIG DER WASSERSTOFF FÜR DIE (GRUNDSTOFF -)INDUSTRIE?
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WOHER KOMMT ZUKÜNFTIG DER WASSERSTOFF FÜR DIE (GRUNDSTOFF -)INDUSTRIE? d e n a - W o r k s h o p „ N e u s t r u k t u r i e r u n g i n d u s t r i e l l e r W e r t s c h ö p f u n g s k e t t e n , 2 0 th September 2021 x Dr. Andrea Herbst, Prof. Dr. Martin Wietschel Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI © Fraunhofer
Grüner Wasserstoff und Syntheseprodukte werden in Zukunft für
die Erreichung d. Treibhausgasneutralität benötigt...
..., vor allem in bestimmten Industriesektoren wie z.B. der Grundstoffchemie und der Eisen- und Stahlindustrie
Direkte Emissionen nach Endanwendung u. Sektor Energienachfrage inkl. Feedstocks
1000
Naphtha
900 Other fossil
Waste non-
800
RES
Energy demand in TWh
Coal
700
Fuel oil
600 Natural gas
500 Solar
energy
Other RES
400
Ambient
300 Heat
District Heat
200 Biomass
Syn.
100 methane
Hydrogen
0
2018 2030 2045 2018 2030 2045 2018 2030 2045 2018 2030 2045 Electricity
© Fraunhofer 8Gt_Bal 8Gt_Elec 8Gt_H2 8Gt_SynF
Seite 2
Quelle: Fraunhofer ISI – FORECAST Modell
Potenziale für erneuerbare Energien in Deutschland reichen
voraussichtlich nicht aus, ...
Bandbreiten der H2-Nachfrage / des H2-Angebots in DE
› ... den Bedarf an Wasserstoff und Syntheseprodukten
unter den Aspekten Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit
und Akzeptanz kosteneffizient zu decken
› Import von grünem Wasserstoff u. Synthese-
produkten kann dazu beitragen, die Lücke zwischen
Wasserstoffnachfrage und -angebot zu schließen
› Große Nachfragemengen erfordern einen Import aus
Ländern mit günstigen klimatischen Bedingungen
› Der Aufbau von Produktions- und Transport-
kapazitäten für Wasserstoff und seine
Syntheseprodukte ist jedoch zeit- und kapitalintensiv
› Verbunden mit hohen Produktionskosten im Vergleich
zu fossilen Energieträgern
Quellen: Ausfelder et al. 2021, Wietschel et al. 2021, NOW 2021, Wietschel et al. 2020 Quelle: Hebling et al. 2019 (oben), Ausfelder et al. 2021 (unten)
© Fraunhofer
Seite 3
Potentielle Produktionsländer für (grünen) Wasserstoff für die
deutsche (Grundstoff-)Industrie, sowohl innerhalb EU
EU Wasserstoffproduktion in 2030 (erwartet)
› Europäische Union
› 40 GW Elektrolysekapazitäten
bis 2030
› 40 GW in Europas Nachbarschaft
(Export in die EU)
› MENA & Osteuropa
› OPEC-Staaten
› Entwicklungs- u. Schwellenländer
(Afrika, Südamerika)
› USA, China, Australien
© Fraunhofer Quelle: The European Clean Hydrogen Alliance
Seite 4
Potentielle Produktionsländer für (grünen) Wasserstoff für die
deutsche (Grundstoff-)Industrie, als auch außerhalb
Länderübersicht der zehn größten PtX-Flächenpotenziale
› Europäische Union
› 40 GW Elektrolysekapazitäten
bis 2030
› 40 GW in Europas Nachbarschaft
(Export in die EU)
› MENA & Osteuropa
› OPEC-Staaten
› Entwicklungs- u. Schwellenländer
(Afrika, Südamerika)
› USA, China, Australien
© Fraunhofer Quelle: Fraunhofer IEE (2021): PtX-Atlas. Studie im Auftrag des BMU
Seite 5
Viele Länder mit günstigen klimatischen Bedingungen erzeugen
bereits heute signifikante Mengen an Ammoniak
› Weltweite Produktion und bestehende Länderübersicht Ammoniak Produktion 2020
Transportinfrastruktur
40
Millionen Tonnen
› Trennung Synthesegaserzeugung und 35
Haber-Bosch-Prozess: 30
› Wasserstoffhaltiges Synthesegas aus der 25
Dampfreformierung kann „relativ einfach“
20
durch CO2-neutralen Wasserstoff ersetzt werden
15
› Ammoniak für Seefahrt u. als 10
H2-Transportmedium 5
› Ausbau globaler Produktionskapazitäten 0
› Effizienzverluste
› Hohes Eutrophierungs- u. Versauerungspotential
Quelle: USGS 2021
© Fraunhofer
Seite 6Viele Länder mit günstigen klimatischen Bedingungen erzeugen
bereits heute signifikante Mengen an Ammoniak
ACME
› Weltweite Produktion und bestehende EuroChem Oman
Transportinfrastruktur Northwest Russia 0.9 Mt/pa
1.1 Mt/pa
› Trennung Synthesegaserzeugung und (2024)
Haber-Bosch-Prozess: NEOM
Saudi Arabia
› Wasserstoffhaltiges Synthesegas aus der 1.2 Mt/pa
Western Green
Dampfreformierung kann „relativ einfach“ (2025)
Energy Hub (WGEH)
durch CO2-neutralen Wasserstoff ersetzt werden Western AustraliaSteigende Nachfrage nach der MtO-Route erfordert Ausbau der
"grünen" H2-Methanol-Kapazitäten
Methanol:
› Synthese von Wasserstoff und CO2 – heute größtenteils
aus Dampfreformierung von Erdgas Erneuerbare und Biomethanol Projekte 2021
› Umstellung auf erneuerbares Synthesegas
› CO2-neutraler Wasserstoff und CO2
› Benötigt CO2 als Rohstoff
Methanol-zu-Olefinen (MtO):
› Herstellung von Olefinen/HVC über "grünes"
H2-Methanol als Zwischenprodukt
› Gesamtenergiebedarf der „grünen“
wasserstoffbasierten Ethylenproduktion
über MtO deutlich höher
Quelle: Methanol Institute
› Beinahe Verdopplung der Methanolproduktion der
letzten Dekade (Großteil in China)
© Fraunhofer
Seite 8„Grüne“ H2-DRI Produktion vorteilhaft für Länder mit kosten-
günstiger EE-Stromversorgung
› Direktreduktion von Eisenerz mit Erdgas ist
Globale DRI Produktion nach Region (2018)
bereits Stand der Technik und wird großindustriell
eingesetzt
› Iran u. Indien
› Umstieg auf erneuerbaren Wasserstoff scheint
ohne große technische Hürden möglich
› Projekte untersuchen Machbarkeit unter Einsatz
von Wasserstoff (H2-DRI)
› HYBRIT (SSAB/LKAB/Vattenfall) in Schweden
› ArcelorMittal und SALCOS in Deutschland
› COURSE50 in Japan
› Schnellerer Aufbau von DRI-Kapazitäten mit
Erdgas als Brückentechnologie bis 2030 denkbar
Quelle: Midrex Technologies, Inc.
› OPEX dominant: Wirtschaftlichkeit hängt stark
von den Preisen der Energieträger ab
© Fraunhofer
Seite 9Insgesamt großes Marktpotenzial mit neuen Chancen und
Herausforderungen
› Potenzieller Importmarkt: H2/PtX Märkte im Vergleich zu anderen weltweiten Rohstoffmärkten (billion USD)
› langfristig wahrscheinlich zw.
100 und 700 Milliarden Euro
pro Jahr
› Neue Importabhängigkeiten
und Risiken
› Importrisiko reduziert sich, wenn
› partnerschaftliche und langfristige
Beziehungen
› zu demokratisch, politisch u.
wirtschaftlich stabilen
H2-Produktionsländern
Quelle:
© https://www.ibisworld.com/global/market-size/global-oil-gas-exploration-production/
Fraunhofer
(oil/gas
Seite 10 markets); own calculations for H2 and metal commoditiesAber Kapitalgeber und Anreizsysteme werden benötigt
› Zukünftige Marktpreise bisher wohl deutlich unterschätzt, da diese sich häufig nur an den Herstellkosten orientieren
› hinzu kommen z.B. Risikoaufschläge, Gewinnmargen, Steuern, Vertrieb, ...
› kann zu Überkompensation der günstigen Erneuerbaren führen
› Kapitalgeber werden nur dann ausreichend und günstiges Kapital zur Verfügung stellen,
› wenn eine stabile, langfristige und sichere Nachfrage nach Wasserstoff gegeben ist
› sowie bi- und multilaterale Abkommen länderspezifische Risiken adressieren
› Bisher fehlen Anreizsysteme, um für die Exportländer attraktive Marktbedingungen für die Wasserstoffproduktion
und den Transport zu schaffen
› Investitionsförderinstrumente
› Maßnahmen zur Schaffung einer gesicherten Wasserstoffnachfrage (beispielsweise Quoten)
› Instrumente zum Ausgleich der höheren Kosten (beispielsweise Einspeisetarife oder CCfDs)
Quelle: Fraunhofer ISI (2021): HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas, Öko Institut (2021)
© Fraunhofer
Seite 11Nachhaltigkeit als Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche
Wasserstoffwirtschaft
› Der Aufbau der erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten, der Elektrolyseure zur Wasserstoffherstellung und der
Syntheseanlagen benötigt Ressourcen wie Bauflächen, Wasser, Energie und CO2, und ist mit entsprechenden
Umweltfolgen behaftet
Schadstoff-
Wasserbedarf Abfall emissionen THG-Emissionen
Landumnutzung CO2-Quellen
Ökologie CO2-freie Strom-/
Flächenbedarf Wärmeerzeugung
S oziales Ökonom ie Stromgestehungskosten
Arbeitsbe-
dingungen Infrastruktur
Kinderarbeit Beschäftigungsquote Investitionen
Wertschöpfungskette
vorgelagerte Prozesse Rohstoffe, Transport Produktion Transport Versorgungspunkte, Endver- Lebensende
Energiequellen Umwandlung braucher
Quelle: Fraunhofer ISI (2021): HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas
© Fraunhofer
Seite 12Nachhaltigkeit als Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche
Wasserstoffwirtschaft
› Der Aufbau der erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten, der Elektrolyseure zur Wasserstoffherstellung und der
Syntheseanlagen benötigt Ressourcen wie Bauflächen, Wasser, Energie und CO2, und ist mit entsprechenden
Umweltfolgen behaftet
› Weiterhin basiert die Stromproduktion in potenziellen Produktionsländern oftmals noch auf fossilen Quellen
› Deshalb ist es wichtig, Nachhaltigkeitskriterien möglichst auf internationaler Ebene zu entwickeln und anzuwenden
› Dabei ist darauf zu achten, dass diese Länder auch ihre eigenen energie- und klimapolitischen Ziele erreichen können
› In den Produktionsländern sind deshalb eine Einbettung der Wasserstoffstrategie in die nationale Energiestrategie
sowie eine enge Koordination mit industriepolitischen Instrumenten zentral, um nationale Ziel- und Ressourcenkonflikte
zu vermeiden
© Fraunhofer
Seite 13Aktuell existieren keine globalen Standards für die Herstellung und den Import von (grünem) Wasserstoff © Fraunhofer Quelle: Velazquez Abad, A., & Dodds, P. (2020). Green hydrogen characterisation initiatives: Definitions, standards, guarantees of origin, and challenges. Energy Policy, 138, 1-13. Seite 14
Internationale Zusammenarbeit und lokale Kompetenzen sind
notwendig
› Geordnete Integration der Importstrategie in die internationale Zusammenarbeit notwendig
› Dieses erfordert den gezielten Aufbau von Vertrauen, um entgegenzuwirken, dass Länder im Bereich technologischen
und wissenschaftlichen Wissens trotz lokaler Produktion und Export international weiterhin und langfristig abgehängt
werden könnten
› Capacity building und die geordnete Integration der notwendigen Infrastruktur in einen regionalen sozialen und
ökonomischen Kontext, kann die notwendige multilaterale Zuverlässigkeit, lokale Energieversorgung sowie ökonomische
Marktattraktivität begünstigen
› Neben dem Beitrag zur globalen Energiewende sind die Schaffung von Arbeitsplätzen und der Ausbau lokaler
Wertschöpfung in den Produktionsländern zentrale Treiber für den Aufbau einer global vernetzten Wasserstoffwirtschaft
› Dies erfordert zielgerichtete Strategien für den Aufbau wettbewerbsfähiger Industrie- und Dienstleistungssektoren
entlang der Wertschöpfungskette
© Fraunhofer
Seite 15Ausgewählte Abkommen bzw. Interessensbekundungen zu
H2-Import Umsetzungsprojekten
Land Projekttitel beteiligte Firmen/Institutionen Prozess/Produkte Status Leistung/Dimension Budget
2 Milliarden € für
4 GW Solar- & Windenergie,
Helios Green Fuels Bundesregierung, Thyssenkrupp, Wasserstoff, internationale Projekte im
Saudi-Arabien Planung 650t H2 pro Tag
Project ACWA Power, Air Products & Chemicals Ammoniak Rahmen der Nationalen
3000t NH3 pro Tag
Wasserstoffstrategie
50 Millionen € & 50
Australien HyGATE Deutsche & Australische Regierung Wasserstoff Planung k.A.
Millionen AUS$
2 Milliarden € für
2022: 130.000l
Bundesregierung, Siemens Energy AG, Wasserstoff, internationale Projekte im
Chile Haru Oni Planung 2024: 55.000.000l
Porsche AG eFuels Rahmen der Nationalen
2026: 550.000.000l
Wasserstoffstrategie
200 MW EE-Kapazität Bereitstellung 90 Millionen
Marokko k.A. Bundesregierung, GIZ, DWV Wasserstoff Planung
100 MW H2-Kapazität € an Krediten
45 GW Wind-/Solarpark
Wasserstoff, 30 GW Elektrolyseure
Kasachstan k.A. SVEVIND Planung k.A.
Ammoniak ca. 3 Mio. t/a EE-H2 oder EE-
Ammoniak
bis zu 40 Millionen Euro
Nambia k.A Bundesregierung Wasserstoff Planung k.A. aus dem Konjunktur- u.
Zukunftspaket
900 Millionen € zum
Außerhalb EU H2Global Bundesregierung, u.a. Wasserstoff Planung k.A.
Ausgleich Preisdifferenzen
Quelle: Fraunhofer ISI (2021): HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas
© Fraunhofer
Seite 16Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Andrea Herbst
Competence Center Energy Technology and Energy Systems
Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI
Breslauer Straße 48 | 76139 Karlsruhe | Germany
Phone +49 721 6809-439 | Fax +49 721 6809-439
mailto: andrea.herbst@isi.fraunhofer.de
https://www.isi.fraunhofer.de/de/themen/wasserstoff.html
http://www.forecast-model.eu
http://www.isi.fraunhofer.de
Beiträge von:
Prof. Dr. Martin Wietschel, Prof. Dr. Wolfgang Eichhammer, Dr. Matthias Rehfeldt, Dr. Jana Thomann
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