Modellgestützte Wirtschaftlichkeitsbewertung von Betriebskonzepten für Elektrolyseure in einem Energiesystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien

Medientyp: Dissertation

Titel: Modellgestützte Wirtschaftlichkeitsbewertung von Betriebskonzepten für Elektrolyseure in einem Energiesystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien

Beteiligte: Michaelis, Julia [Verfasser:in]

Erschienen: [2018]

Sprache: Deutsch; Deutsch

ISBN: 978-3-83961-373-3

RVK-Notation: QR 530 : Allgemeines

Schlagwörter: modeling ; Wasserstoff ; Elektrolyse ; hydrogen ; energy economy ; Modellierung ; Energiewirtschaft ; electrolysis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Technische Universität Dresden, 2018

Anmerkungen:

Beschreibung: Um die internationalen Klimaschutzziele zu erreichen, ist es notwendig, Strom verstärkt aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Gleichzeitig bedarf es flexibler Verbraucher zum Ausgleich der schwankenden Stromeinspeisung. Da nicht alle Anwendungen vollständig auf die direkte Nutzung von Strom umgestellt werden können, werden weitere Energieträger als Speichermedium benötigt. Wasserstoff, der über die flexibel steuerbare Elektrolyse aus Strom und Wasser gewonnen werden kann, ist ein vielfältig nutzbarer Energieträger, z.B. für die chemische Industrie oder für Brennstoffzellenfahrzeuge. Heute ist der Einsatz des Elektrolyseurs noch nicht wirtschaftlich, da die Wasserstoffgestehungskosten über denen konkurrierender Verfahren liegen. Bei geänderten Rahmenbedingungen und fortschreitender Entwicklung der Elektrolysetechnologie kann sich dies jedoch ändern, weshalb sich die Frage stellt: Kann ein Elektrolyseur im deutschen Energiesystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien zukünftig wirtschaftlich betrieben werden? Zur Beantwortung der Fragestellung wird zunächst auf Stromhandelsplätze und die aktuelle Marktsituation für flexible Technologien am Strommarkt eingegangen und Entwicklungen im Bereich der Wasserstoffproduktion und -nachfrage werden vorgestellt. Um zukünftige Strombörsenpreise für verschiedene Szenarien zu bestimmen, wird anschließend ein fundamentales Simulationsmodell erstellt. Zwei Handelsplätze, die für den Elektrolyseurbetrieb von Bedeutung sind, stehen im Fokus: der Spotmarkt für den kurzfristigen Stromhandel und der Regelleistungsmarkt für die Vermarktung flexibler Lasten. Für den Regelleistungsmarkt werden Preise anhand eines Opportunitätskostenansatzes bestimmt. Die simulierten Marktpreise werden als Eingangsdaten für ein Optimierungsmodell verwendet, das den Deckungsbeitrag für den Betrieb eines Elektrolyseurs unter Berücksichtigung technischer Restriktionen maximiert. Verschiedene Betriebskonzepte werden hierbei untersucht, die den direkten Absatz von Wasserstoff, dessen Rückverstromung oder auch die Regelleistungsvorhaltung berücksichtigen. Anhand der erzielten Erlöse und Kosten lassen sich die Konzepte bewerten und die Forschungsfrage beantworten. Anhand von drei aus der Literatur ausgewählten Szenarien werden Entwicklungspfade des Energiesystems sowie verschiedene Ausprägungen techno-ökonomischer Parameter des Elektrolyseurs bis zum Jahr 2050 festgelegt. Die Szenarien unterscheiden sich u.a. hinsichtlich des Ausbaus erneuerbarer Energien und der Energieträgerpreise. Es zeigt sich, dass ein wirtschaftlicher Betrieb, wenn überhaupt, erst langfristig, d.h. voraussichtlich nach dem Jahr 2030, möglich ist. Dafür muss die Investition in den Elektrolyseur deutlich sinken und der Wirkungsgrad steigen oder die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen müssen eine hohe Auslastung mit niedrigen Strombezugskosten ermöglichen. Als wirtschaftlich gilt der Elektrolyseurbetrieb, wenn Wasserstoff kostengünstiger hergestellt werden kann als mit konventionellen Verfahren. Dies gelingt v.a. dann, wenn zusätzlich Regelleistung vorgehalten wird. Die Rückverstromung von Wasserstoff ist in den meisten Fällen nicht rentabel. Soll die Elektrolyse früher Einsatz finden, da sie möglicherweise für das Erreichen der Klimaschutzziele unumgänglich wird, bedarf es hierfür gezielter Anreize. ; The international climate targets can only be achieved by generating moreelectricity using renewable energy sources. At the same time, flexible electricityconsumers are needed to balance the fluctuating generation from renewables.As not all the electricity produced can be used directly, additional energycarriers are required as storage medium. Hydrogen that is produced by the flexibleand controllable electrolysis of electricity and water is a versatile energycarrier, e.g. for the chemical industry or fuel cell electric vehicles. So far, this isnot yet profitable, because the hydrogen production costs using electrolysis exceedthose of competing methods. This could change under altered frameworkconditions and given the ongoing advances in electrolysis technology, whichbegs the question: Could hydrogen production using electrolysis be profitablein a future German energy system with high shares of renewable energies?To answer this question, electricity markets and the current market situationfor flexible technologies are examined and developments in the field of hydrogenproduction and demand are presented. A fundamental simulation modelis constructed to determine the future development of electricity market pricesin different scenarios. The focus lies on two markets of relevance for operatingelectrolysers: the spot market for short-term electricity trading and the marketfor balancing power that allows the marketing of flexible loads. The priceson the market for balancing power are calculated using an approach based onopportunity costs. The simulated prices serve as input to an optimization modelthat maximizes the contribution margin of an electrolyser taking technicalconstraints into account. Different concepts are considered that include the directsale of hydrogen, its reconversion into electricity as well as the provisionof balancing power. The concepts are evaluated using the revenues and costsand the results used to answer the research question.Three scenarios selected from the literature depict different development pathwaysof the energy system as well as different values for the electrolyser’stechno-economic parameters up to the year 2050. The scenarios differ withregard to the deployment of renewable energy sources and the prices for energycarriers among other criteria. It becomes clear that profitable operation ofelectrolysers will, if at all, only be possible in the long term, probably from2030 onwards. To achieve this, the electrolyser’s specific investment has todecrease and its efficiency has to increase or the framework conditions in theenergy system must allow high full load hours of the electrolyser at low electricitycosts. Operation is considered profitable if hydrogen can be producedvia electrolysis at lower costs than conventional production methods. This isachieved in particular if the electrolyser is used to provide balancing power.Reconverting hydrogen into electricity is not profitable in most cases. However,electrolysis may become essential at an earlier point in time to meet climatetargets. In this case, specific incentives are needed for its use.

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