Teil 2 – H2-Index-Modell - DBI

BMBF-Initiative
Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
ABSCHLUSSBERICHT
Wirtschaftliche Bewertung der HYPOS-Wertschöpfungsketten zur Wasserstofferzeugung im Kontext der verschiedenen Nutzungspfade – H2-Index
Teil 2: H2-Index-Modell
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS EAST GERMANY
Kurztitel: HYPOS
Bearbeitung:
DBI – Gastechnologisches Institut
gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Leipzig, den 15.07.2016
H2-Index – Modell
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................... 4
Tabellenverzeichnis ............................................................................................................ 5
Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen ........................................................... 5
1
Einleitung ..................................................................................................................... 6
2
Grundlagenbetrachtungen zu den HYPOS-Wertschöpfungsketten ......................... 9
3
Umsetzung der Modellierung .....................................................................................11
3.1
Grundsätze der Modellierung .................................................................................11
3.2
Einstufung der Elemente ........................................................................................12
3.3
Key Performance Indikatoren - KPI ........................................................................13
3.3.1
Grundsätzliches ..............................................................................................13
3.3.2
Beschreibung der KPI .....................................................................................13
3.4
4
Technische Ausgangsdaten – Wertebasis, Ursprünge der verwendeten
verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Daten ..............................................16
Beschreibung des H2-Index-Modells ........................................................................18
4.1
Allgemeiner Aufbau des Programmes ....................................................................18
4.2
Umsetzung der Elementbibliothek ..........................................................................19
4.2.1
Quellen ...........................................................................................................20
4.2.2
Leitungselemente ............................................................................................22
4.2.3
Chemische Umwandlung ................................................................................23
4.2.4
Speicher ..........................................................................................................24
4.2.5
Abnehmer .......................................................................................................25
4.3
Die Benutzeroberfläche - Eingabemaske ...............................................................26
4.4
Ablauf der Simulation .............................................................................................28
4.5
Ausgabe .................................................................................................................28
4.5.1
Einfache Simulation ........................................................................................28
4.5.2
Sensitivitätsanalyse .........................................................................................29
4.6
5
Beispielsimulation ..................................................................................................30
Bewertung der Projektskizzen durch H2-Index ........................................................32
5.1
Ablauf der Bewertung .............................................................................................32
5.2
Erläuterung der Ergebnisauswertung für die Projektskizzen ...................................33
5.3
Zusammenfassung der Bewertung der 2. Projektwelle ...........................................34
2
H2-Index – Modell
6
Zusammenfassung und Ausblick ..............................................................................35
7
Anhang ........................................................................................................................37
7.1
KPI Eingabemaske .................................................................................................37
7.2
Algorithmen für die Grundelemente ........................................................................38
7.3
Berichte ..................................................................................................................44
7.3.1
204 – Bimeb ....................................................................................................44
7.3.2
207 – H2-Safety-Re-Design ............................................................................48
7.3.3
208 – Megalyseur............................................................................................50
7.3.4
211 – FlugH2afen............................................................................................54
7.3.5
215 – H2OptKWK............................................................................................56
7.3.6
217 – HyPros ..................................................................................................58
7.3.7
218 – Ressy – Hys ..........................................................................................60
7.3.8
219 - H2 – HD .................................................................................................62
7.3.9
220 – Coomet .................................................................................................65
7.3.10 221 – ImplaN ...................................................................................................68
3
H2-Index – Modell
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
Einordnung des Vorhabens H2-Index in die HYPOS-Begleitforschung......... 6
Abbildung 2:
Gesamtübersicht der Elemente der Wertschöpfungsketten, gegliedert nach
Themenfeldern. ............................................................................................ 7
Abbildung 3:
Aufbau der Benutzeroberfläche für das H2-Index-Tool. ...............................11
Abbildung 4
Anordnung der Elemente im Blockdiagramm der Programmierumgebung
Simulink. Das Beispiel zeigt den Aufbau von Themenfeld 1. .......................18
Abbildung 5:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Quellen ........................20
Abbildung 6:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Leitung .........................22
Abbildung 7:
Detailansicht zu Bereich 6.4, Berechnung der Betriebskosten eines
Leitungselementes. .....................................................................................22
Abbildung 8:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie chemische Umwandlung.
....................................................................................................................23
Abbildung 9:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Speicher .......................24
Abbildung 10: Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Abnehmer ....................25
Abbildung 11: Funktionen der Benutzeroberfläche. Der Programmaufbau, ebenso wie die
Struktur der Benutzeroberfläche, ist an die Übersicht der
Wertschöpfungskette in Abbildung 1 angelehnt. ..........................................26
Abbildung 12: Eingabemöglichkeiten für OPEX und CAPEX Parameter in der
Benutzeroberfläche des H2-Index-Tools. Bei der Wahl der
Betriebsparameter ist besondere Sorgfalt auf die Abstimmung der
Anlagengrößen zu legen. ............................................................................27
Abbildung 13: Entwicklung der produzierten Wasserstoffmenge über die Betriebsdauer
einer PEM Elektrolyse aufgrund einer Wirkungsgraddegradation im Verlauf
der Lebensdauer. Durch das vorgeschlagene Projekt sollte nicht nur der
Wirkungsgrad verbessert werden, die Degeneration sollte ebenfalls
verlangsamt werden. ...................................................................................29
Abbildung 14: Entwicklung der produzierten Wasserstoffmenge über die Betriebsdauer des
betrachteten Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf
der Lebensdauer. ........................................................................................47
Abbildung 15: Entwicklung des Wasserstoffpreises über die Betriebsdauer des betrachteten
Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf der
Lebensdauer. ..............................................................................................47
Abbildung 16: Entwicklung der produzierten Wasserstoffmenge über die Betriebsdauer des
betrachteten Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf
der Lebensdauer. ........................................................................................53
Abbildung 17: Entwicklung des Wasserstoffpreises über die Betriebsdauer des betrachteten
Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf der
Lebensdauer. ..............................................................................................53
4
H2-Index – Modell
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Spezifische Investitionen des Elektrolyseurs (Auszug der
Gesamtkostenstruktur) ................................................................................17
Tabelle 2:
Farbkodierung für Blöcke des Simulink Quellcodes .....................................19
Tabelle 3:
Übersicht zu den bewerteten Projektskizzen ...............................................34
Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen
Formelzeichen und Indizes:
𝑖
Zinssatz in %
𝐾𝐵
Betriebskosten
𝐾𝐵,𝑠𝑝𝑒𝑧.
spezifische Betriebskosten bezogen auf Produktmenge
𝐾𝐵,𝑎𝑙𝑙𝑔.
die allgemeinen (absolute) Betriebskosten für ein Jahr
𝐾𝐵,𝑢𝑛𝑎𝑏.
betriebsunabhängigen Kosten für ein Jahr,
𝐾𝐴𝑏
jährliche Abschreibungskosten
𝐾𝐼 ,
Investition
𝑃
Nennleistung in kW
𝑄
Menge eines erzeugten Produktes
𝑅𝑒𝑠
Schrittweite der Zeitschritte
𝑡𝐴𝑏
Abschreibungszeit
𝑡𝐵
Betriebszeit in Stunden pro Jahr
𝑡𝑆
Anzahl der Zeitschritte
CO, CO2
Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid
H2
Wasserstoff
Abkürzungen:
BHKW
Blockheizkraftwerk
KPI
Key Performance Indicators
i.N.
Im Normzustand, alle Volumenströme von Gasen werden im Normzustand angegeben (273,15 K, 1,013255 bar)
5
H2-Index – Modell
1
Einleitung
Die HYPOS-Initiative hat in ihrer strategischen Ausrichtung das übergeordnete Ziel die Produktion von Grünem Wasserstoff durch eine effiziente Forschung und Entwicklung wettbewerbsfähig zu gestalten. Angedacht sind Verbesserungen des Standes der Technik in den
unterschiedlichsten Erzeugungs- und Abnehmerpfaden, unter anderem in den Bereichen chemische Industrie, Mobilität und Energieversorgung, zu unterstützen.
In diesem Zusammenhang entstand der Wunsch die innovativen Forschungsanträge objektiv
auf ihre wirtschaftlichen Einflüsse innerhalb der Wertschöpfungsketten zur Grünen Wasserstoffproduktion zu überprüfen, zu vergleichen und schließlich eine zielführende Förderungspolitik anhand der erzielten Ergebnisse zu gewährleisten. Das H2-Index-Modell ist hierbei als
Hilfsinstrument für die Lenkungsgremien konzipiert zur effektiven Ausrichtung der Forschungsprojekte an der HYPOS-Strategie. Das H2-Index-Modell stellt eine unabhängige, objektive
Möglichkeit dar, um die Wirtschaftlichkeit von eingereichten Projektskizzen des HYPOS Konsortiums zu bewerten. Es ermöglicht eine objektive Bewertung des monetären Einflusses der
angestrebten Forschungsziele auf das Endprodukt und damit eine gezielte Unterstützung zur
Erreichung des strategischen Ziels der HYPOS-Initiative. Es ist darüber hinaus als Werkzeug
für das HYPOS-Konsortium zur Schärfung der Innovationsstrategie vorgesehen. Das H2-Indexmodell ist integraler Bestandteil der HYPOS-Begleitforschung (s Abbildung 1).
Abbildung 1:
Einordnung des Vorhabens H2-Index in die HYPOS-Begleitforschung
Das zu entwickelnde Simulationsmodell sollte in der Anfangsphase des HYPOS-Vorhabens
zur Berechnung des Wasserstoff-Index für die einzelnen Verwertungspfade eingesetzt werden. Mit Hilfe des Modells soll das Kostensenkungspotenzial der HYPOS-Innovationen objektiv im Kontext der gesamten Wertschöpfungskette ermittelt werden. Die relevanten Wertschöpfungsketten wurden bereits in der ersten Stufe der HYPOS-Strategieentwicklung definiert. Dabei soll auf verfahrenstechnische sowie auf wirtschaftliche Einflüsse technischer Innovationen
6
H2-Index – Modell
eingegangen werden. Gleichzeitig sind aber auch Sensitivitätsanalysen für bestimmte Einflüsse und Projektionen der Kostensenkungspotenziale in die Zukunft zu integrieren. Dies dient
als ein Vergleichskriterium für die Bewertung von Projektskizzen und Einzelvorhaben.
Der komplexe Aufbau der Wertschöpfungskette mit den unterschiedlichsten Kombinationen
der einzelnen Elemente (siehe Abbildung 2) sollte übersichtlich in einer Benutzeroberfläche
zusammengefasst werden. Damit kann das gesamte Spektrum möglicher Wertschöpfungsketten sowie deren Interaktionen durch Nebenprodukte und Synergien abgebildet werden.
Abbildung 2:
Gesamtübersicht der Elemente der Wertschöpfungsketten, gegliedert nach Themenfeldern.
Innerhalb der Studie werden zunächst im Kapitel 2 die Grundbegriffe für die Wertschöpfungsketten kurz erläutert. Daran anschließend werden im Kapitel 3 die Strategie der Modellierung
sowie die Umsetzung des H2-Index-Models ausführlich erklärt. Zusätzlich werden aufbauend
auf dem Entwurf der Wertschöpfungsketten für Wasserstoff die Hintergründe der Modellierung
aufgezeigt und erläutert. Der Schwerpunkt der Analyse mit dem H2-index-Modell soll auf der
Wirtschaftlichkeit der betrachteten Innovationen liegen. Diese Aufgabenstellung legte eine
Vereinfachung der verfahrenstechnischen Komponenten nahe. Diese werden daher nur soweit abgebildet, als das die Effizienzparameter wie Wirkungsgrade bzw. Stoffumwandlungsgrade und damit die Massen- und Energiebilanzen dargestellt sind. Die gesamte wirtschaftliche und technische Modellierung wurde dabei auf wenige Key-Performance Indikatoren (KPI)
beschränkt, welche ausführlich beschrieben werden.
7
H2-Index – Modell
Kapitel 4 behandelt die Details zum verwendeten Algorithmus und den hinterlegten mathematischen Zusammenhängen. Das Kapitel enthält den Aufbau der Programmierung mit Erklärungen zum entwickelten Algorithmus und dem Code in Matlab/Simulink. Die Möglichkeiten der
Interaktion mit dem Programm über die entwickelte Benutzeroberfläche werden aufgezeigt.
Ein- und Ausgabemöglichkeiten sind in diesem Kapitel aufgezeigt und anhand einer Beispielsimulation wird der Ablauf des Programmes demonstriert.
Kapitel 5 behandelt den Ablauf der Skizzenbewertungen und erklärt den Aufbau der Bewertungsprotokolle welche sich im Anhang befinden.
8
H2-Index – Modell
2
Grundlagenbetrachtungen zu den HYPOS-Wertschöpfungsketten
Abbildung 2 zeigt die in der Strategiephase entwickelten Wertschöpfungsketten des grünen
Wasserstoffes mit den wesentlichen Elementen1. Zur besseren Strukturierung sind die Elemente der Wertschöpfungsketten jeweils einem von vier Themenfeldern zugeordnet. Themenfeld 1 beinhaltet die Komponenten der Strombereitstellung, dazu gehören Elemente der Stromerzeugung aus grünen Quellen sowie Komponenten der Stromleitung vom Ort der Erzeugung
bis zum Abnehmer. Themenfeld 2 besteht aus den Komponenten der chemischen Umwandlung, hierzu gehört neben unterschiedlichen Elektrolyseverfahren und deren peripheren Anlagenbestandteilen auch die direkte Kohlenwasserstoffsynthese. Themenfeld 3 umfasst Komponenten des Wasserstofftransportes. Darunter fallen nicht nur der direkte Transport, sondern
auch Lösungen für eine saisonale oder kurzfristige Lagerung. Themenfeld 4 zeigt mögliche
Verknüpfungen der Wasserstoffanwendung auf. Hier finden sich Komponenten in denen Wasserstoff direkt verbraucht wird oder allgemein verschiedene Möglichkeiten des Wasserstoffabsatzes.
Die Begriffe Wertschöpfungskette und Elemente sollen im Folgenden hinsichtlich ihrer Bedeutung für das H2-Index-Modell definiert und beschrieben werden.
Eine Wertschöpfungskette bezeichnet dabei eine gesamte Technologielinie, bestehend aus
verschiedenen Elementen, von der Energieerzeugung durch erneuerbare Quellen bis zu einem Zwischenprodukt z.B. in der chemischen Industrie oder einem Endprodukt, z.B. Energie
in der Wertschöpfungskette der Energieversorgung. Am Ende jeder Kette steht in jedem Fall
ein Produkt das mit einem Endverbraucherpreise belegt wird. In dem Endverbraucherpreis
sind sämtliche Kosten und Deckungsbeiträge, welche in den Elementen der Wertschöpfungskette anfallen, kumuliert. Der ermittelte Preis ist ein Indiz für die Konkurrenzfähigkeit der betrachteten Technologielinie und wird daher im Weiteren als der H2-Index bezeichnet.
Ein Element in der Wertschöpfungskette ist definiert als eine Baugruppe, welche entweder
durch ein Unternehmen hergestellt oder betrieben werden kann. Die Elemente repräsentieren
typischerweise einen Prozessschritt innerhalb der Wertschöpfungskette zur Umwandlung,
zum Transport oder zur Speicherung von Energie- oder Stoffströmen. Damit sind Elemente
gekennzeichnet durch eine verfahrenstechnische Umwandlungsfunktion sowie durch Investitions- und Betriebskostenfunktionen, welche sich aus dem Verfahrensschritt ergeben. Die Parameter der Funktionen sind variabel und können als Key Performance Indicators definiert
werden. Politische Rahmenbedingungen können in der vorliegenden Version des H2-IndexModells nur insoweit abgebildet werden, als das ihre Effekte in Form von Kosten auf den betriebswirtschaftlichen Teil des Elementmodells wirken. Damit sind die Elemente klar von politischen Rahmenbedingungen oder Geschäftskonzepten abgetrennt.
Die Elemente sind gemäß der Wertschöpfungskette miteinander verknüpft. Die Verknüpfungen repräsentieren Energie- oder Stoffströme und bilden gleichzeitig Schnittstellen zwischen
den Elementen. An den Schnittstellen werden die Eigenschaften der Energie- und Stoffströme
übergeben. Die Eigenschaften sind Mengenströme, die mit einem zeitlichen Profil behaftet
sein können sowie spezifischen Kosten. Durch die feste Verknüpfung ist gleichzeitig die Kompatibilität zwischen Ausgangs- und Eingangsseite zweier Elemente gegeben.
Damit ist das H2-Index-Modell ein klassisches Entity-Relationship-Modell.
1
Henel, M.; Müller-Syring, G.; Krause, H. Krause: Entwicklung einer strategischen Projektplanung und
Benchmarking-Konzepte. Abschlussbericht DBI, 15.06.2015
9
H2-Index – Modell
Gemäß dem Ansatz einer kosteneffizienten Produktion von „grünem“ Wasserstoff im Rahmen
der HYPOS-Initiative bildet die Analyse der Wertschöpfungsketten die Grundlage für die Entwicklung der strategischen Projektplanung sowie die anschließende Ausarbeitung der Forschungsschwerpunkte und der Bewertungskriterien. Für die Analyse werden Investitionskosten (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX) als Elemente der Gestehungskosten des Endproduktes berücksichtigt und Potenziale für die Material- und Energieeffizienz integriert. Aus dem
Beitrag eines Elementes zu den Gestehungskosten kann dessen Bedeutung für die Gesamtkette als auch der mögliche Beitrag zur Kostensenkung abgeleitet werden. Im Ergebnis erhält
man ein objektives Kriterium für die Bewertung von Forschungsideen und eine Steuerungsoption, um das wirtschaftliche Ziel effizient und zügig zu erreichen. Dieser methodische Ansatz
wurde im Rahmen des Basisprojektes „H2-Index“ entwickelt.
10
H2-Index – Modell
3
3.1
Umsetzung der Modellierung
Grundsätze der Modellierung
Zur Erstellung des H2-Index-Tools wurde die Programmierumgebung Matlab/Simulink gewählt. Mit dieser Software ist es möglich, Echtzeitmodellierungen kompliziertester Abläufe zu
erstellen und damit numerische Berechnungen durchzuführen. Zusätzlich ermöglicht das Programm eine umfangreiche Datenanalyse und graphische Darstellung der Ergebnisse. Mit der
Wahl der Programmierumgebung wird die Möglichkeit offen gelassen, das Tool in einen beliebig detailgetreuen Grad weiter ausbauen zu können und neue Funktionalitäten hinzuzufügen.
Das Ziel ist es, in Zukunft vor allem dynamische, technische Prozesse und ihren Einfluss auf
die preisliche Entwicklung innerhalb der Elemente der Wasserstoffwertschöpfungskette abzubilden.
Es wurde eine vorläufige, graphische Benutzeroberfläche für das H2-Index-Tool entwickelt.
Diese dient hauptsächlich der internen und effektiven Bearbeitung durch das DBI. Darüber
hinaus macht sie die grundlegenden Abläufe im Modell für Außenstehende anschaulich und
trägt damit zur Akzeptanz der erstellten Bewertungen bei (siehe Abbildung 3). Eine Umsetzung
des Modells in ein Software-Tool für ungeschulte Nutzer ist in der hier vorgestellten Version
nicht vorgesehen, dazu sind unter anderem noch erhebliche Anpassungen an die Benutzerfreundlichkeit vorzunehmen. Die komplexe Zusammenstellung von Wertschöpfungsketten
birgt eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten. Ebenso unterliegen die zugrunde liegenden Daten
teilweise dem Urheberrecht aus mehreren vorgelagerten Projekten.
Abbildung 3:
Aufbau der Benutzeroberfläche für das H2-Index-Tool.
11
H2-Index – Modell
Es wurde für die einzelnen Komponenten der Wertschöpfungskette eine Elementbibliothek in
Simulink angelegt. Mit Hilfe der Benutzeroberfläche können die Komponenten in einer Vielzahl
von Konfigurationen zusammengefügt werden. Somit besteht die Möglichkeit unterschiedlichste Nutzungspfade abzubilden.
Eine Vereinfachung des technischen Modells wurde erreicht, indem verfahrenstechnische
Komponenten für jedes Element der Wertschöpfungskette auf allgemeine Betriebsparameter
(Key Performance Indikatoren - KPI) beschränkt wurden. Mit dieser Verallgemeinerung wurde
eine maximale Flexibilität erzeugt, mit der es möglich ist, auf unterschiedlichste Innovationsvorschläge einzugehen. Eine ausführliche Erläuterung der KPI findet sich in Kapitel 3.3.
Der Innovationsgehalt von Projekten wird über Veränderung einzelner KPI abgebildet,
wodurch eine vergleichende Bewertung der monetären Entwicklungen ermöglicht wird. Durch
die Verwendung von statischen Key Performance Parametern werden technische Vorgänge
in den einzelnen Elementen ebenfalls statisch modelliert, dabei wird im Modell eine konstante
Auslastung und ein konstanter Stoff- und Energiestrom angenommen.
Bei der Umsetzung der Programmierung wurde die Möglichkeit eingefügt dynamische Eingangsdaten (z.B. Windgeschwindigkeitsprofil) in der Strombereitstellung (Themenfeld 1) zu
verarbeiten. Dabei wird auf dynamische Profile aus eigenem Bestand zurückgegriffen. Dies
muss vom Benutzer allerdings im Quellcode umgestellt werden, die Standardeinstellung verarbeitet statische KPI. Eine durchgängige Weitergabe von dynamischen Profilen in allen Komponenten und Themenfeldern wurde im gegenwärtigen Status nicht realisiert, dies ist jedoch
aktuell Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten.
Die Ergebnisse der Simulation, die spezifischen Kosten und die erzeugte Stoffmenge werden
gemittelt über ein Jahr betrachtet und als einzelne Werte ausgegeben.
3.2
Einstufung der Elemente
Trotz ihrer unterschiedlichen Inhalte können die Elemente in den vier betrachteten Themenfeldern nach ihren allgemeinen Eigenschaften und den ihnen zugrunde liegenden Prozessen
jeweils einer von fünf Gruppen zugeordnet werden. Die Gruppen ergeben sich aus den verallgemeinerten Hauptprozessen innerhalb jedes Elementes und unterteilen sich in:

Quellen

Leitungselemente

Chemische Umwandlung

Abnehmer

Speicher
Für die Elemente innerhalb jeder Gruppe konnte die programmiertechnische Umsetzung der
Berechnung jeweils vereinheitlicht werden, womit eine Modularität in der Zusammenstellung
der Wertschöpfungsketten erreicht werden konnte. Repräsentative Abbildungen des Quellcodes in Simulink zu den einzelnen Gruppen befinden sich in Kapitel 4.1.
Die Zuordnung zu einer dieser Gruppen legt den Grundalgorithmus fest, nach welchem die
KPI der jeweiligen Elementgruppe im Programm verarbeitet werden und Einfluss auf den H2Index nehmen. Innerhalb der gebildeten Gruppen ist die Modellierung der einzelnen Elemente
12
H2-Index – Modell
damit nahezu identisch. Obwohl unterschiedliche Bestandteile der Wertschöpfungskette betrachtet werden, ist die Verarbeitung der Eingabe und damit die Struktur der Ausgabe jedes
Elementes bis auf geringe Anpassungen gleich.
3.3
Key Performance Indikatoren - KPI
3.3.1
Grundsätzliches
Für die Bewertung der Projektskizzen ist es erforderlich den jeweils zu erwartenden Beitrag
der eingereichten Vorhaben zur Erreichung des HYPOS Zieles (Senkung der Gestehungskosten für grünen Wasserstoff) zu beschreiben. Hierbei sind für Wertschöpfungskettenelemente,
welche durch das Projekt verändert werden sollen, mindestens die in Kapitel 3.3.2 beschriebenen KPI vom entsprechenden Antragsteller zu formulieren.
Je KPI ist sowohl der Stand der Technik als auch die durch das Projekt zu erwartende Verbesserung anzugeben. Für Projektskizzen, welche lediglich Nebenkomponenten eines Elementes betreffen, sollen die wirtschaftlichen und technischen Gesamtauswirkungen auf das
gesamte Element dargestellt werden. Die Grundlagen, Bezugsgrößen und Annahmen zur Berechnung des jeweiligen KPI sind anzugeben.
Sollten keine oder nicht alle KPI ausgefüllt werden können oder andere Parameter relevant
sein, ist kurz zu erläutern, warum diese nicht zutreffend sind bzw. sind geeignete KPI zu ergänzen. In diesem Fall werden, wenn notwendig, Werte nach dem Stand der Technik (abgestimmter Datensatz von DBI, s. Kapitel 3.4) verwendet.
Unabhängig von dieser Mindestforderung sollten in den Projektskizzen alle spezifischen technisch sowie wirtschaftlich relevanten Angaben zum jeweiligen Element tabellarisch aufgeführt
werden. Somit kann eine detaillierte Bewertung mit dem H2-Index-Tool erfolgen.
Als Vorlage für die Antragsteller wurde eine vereinheitlichte KPI-Liste als Excel-Dokument erstellt. Das ausgefüllte Template bildet die Grundlage für die weitere Bewertung. Das entsprechende Template ist in der Anlage 7.1 enthalten.
3.3.2
Beschreibung der KPI
Im Folgenden sollen die verwendeten KPI im Detail erläutert werden.
1. Investitionskosten:
Investitionskosten können als Summe für ein Element angegeben werden. Alternativ
kann eine Liste von Komponenten und deren Investitionskosten übergeben werden.
Diese Liste muss jedoch vollständig sein.
Die Investitionskosten sollten einer Anlagengröße/ Nennleistung zugeordnet sein, um
so Skalierungseffekte abbilden zu können. Innerhalb des H2-Index-Tools werden Skalierungsstufen vorgeschlagen. Abweichungen müssen angegeben werden. Innerhalb
der Eingabemaske des H2-Index-Tools besteht die Möglichkeit die Investitionskosten
als absolute oder als spezifische Größe anzugeben, Werden Investitionskosten als absoluter Wert angegeben, so wird angenommen, dass sie für die angegebene Anlagengröße gültig sind und die Elemente jeweils darauf abgestimmt sind. Spezifische Investitionskosten beziehen sich jeweils auf

den installierten Nennmengenstrom des abgegebenen Produktes,
13
H2-Index – Modell

bei Speichern auf die maximale speicherbare Menge des Produktes (m³ (i.N.)).

Bei Windkraftanlagen zum Beispiel auf die installierte elektrische Nennleistung
(kW el),

bei einem Elektrolyseur auf die installierte Nennleistung Wasserstoff (m³/h (i.N.))
oder die elektrische Nennleistung (kW el).
Je Element kann nur eine Bezugsgröße verwendet werden. Alle spezifischen Investitionen sind darauf umzurechnen.
2. Betriebskosten
Betriebskosten können als jährliche Gesamtkosten bzw. spezifische Gesamtkosten angegeben werden oder als Liste von Komponenten mit zugehörigen Betriebskosten.
Auch bei den Betriebskosten ist Vollständigkeit erforderlich. Hilfsmittel, die aus anderen
Elementen stammen, werden gesondert über die Schnittstellen der Elemente erfasst.
Betriebskosten sollten, wie auch die Investitionskosten, der betrachteten Anlagengröße zugeordnet sein.
Es sind zwei Arten von Betriebskosten vorgesehen:

zeitbezogene Betriebskosten und

mengenbezogene Betriebskosten.
Beide Kostenarten können parallel verwendet werden. Dopplungen in deren Bestandteilen sind zu vermeiden.
Zeitbezogene Betriebskosten werden immer bezogen auf ein Geschäftsjahr angegeben. Werden als Bezugsgröße die Volllaststunden oder die jährliche Verfügbarkeit verwendet, so wird der Wert mit Hilfe der Angaben zur Lebensdauer (KPI 4) auf jährliche
Betriebskosten umgerechnet. Die Angaben sind aufeinander abzustimmen.
Mengenbezogene Betriebskosten beziehen sich auf die Menge des abgegebenen Produktes (Energie – kWh, Volumen - m³ (i.N.), etc.). Die Bezugsgröße muss, wie auch bei
den Investitionskosten, einheitlich gewählt werden und mit dem Folgeelement abgestimmt sein.
3. Arbeitsbereich
Für die Modellierung eines Elementes ist die Auslegungsgröße der Nennleistung
Grundlage, um statische Prozesse zu modellieren. Die Nennleistung bezieht sich auf
die Produktleistung der Kernkomponente eines Elementes (z.B. Energiestrom – kW,
Wasserstoffvolumenstrom – m³/h (i.N.)).
Elektrolyseure und andere Einheiten können üblicherweise deutlich außerhalb ihrer
Nennleistung betrieben werden, deshalb soll der vorgesehene Regelbereich der Kernkomponente angegeben werden:

Mindestleistung: Leistung, unterhalb derer kein Betrieb möglich ist

Maxleistung: höchst möglicher Betriebspunkt.
Zwischen diesen Grenzen spannt sich der Regelbereich für eine dynamische Fahrweise auf. Die Angabe ist auf die Nennleistung bezogen.
14
H2-Index – Modell
Im Fall von Speicherelementen wird lediglich die Nennkapazität angegeben (z.B. Energiemenge – kWh, Wasserstoffvolumen – m³/h (i.N.)
4. Lebensdauer
Die Lebensdauer bezieht sich auf die Kernkomponente eines Elementes. Sie kann in
Jahren oder Stunden angegeben werden. Bei der Angabe in Jahren wird davon ausgegangen, dass die Lebensdauer unabhängig von der tatsächlichen Betriebszeit begrenzt ist. Angaben in Stunden beziehen sich auf die tatsächliche Betriebszeit umgerechnet auf Volllaststunden.
Die jährliche Betriebszeit entspricht der durchschnittlichen Verfügbarkeit für den Betrieb über die Lebensdauer der Anlage in Vollaststunden pro Jahr. Ausgenommen sind
planmäßige Ausfälle durch Wartung und Instandhaltung.
5. Anteil der Anlagenerneuerung nach Ablauf der Lebensdauer der Kernkomponente:
Typischer Weise haben Komponenten in einem Element unterschiedliche Lebensdauern. Beispielsweise übersteigen die Lebensdauern der Infrastrukturkomponenten wie
Gebäude, Medienversorgung, Verkehrsanbindung deutlich die der Kernkomponente.
Unter diesem Punkt ist der Anteil an den Investitionskosten (in Prozent) anzugeben,
der bei Erneuerung der Kernkomponente zu reinvestieren ist.
6. Wirkungsgrad, Nutzungsgrad
Der Wirkungs- oder Nutzungsgrad ist das Verhältnis der eingesetzten Hauptenergiebzw. -rohstoffmenge zur Produktmenge bei Nennleistung. Für zukünftige dynamische
Modellierungen ist die Möglichkeit vorgesehen, auch eine Wertetabelle für eine Nutzungsgradfunktion in Abhängigkeit vom Leistungspunkt innerhalb des Regelbereiches
zu hinterlegen.
7. Wirkungs- und Nutzungsgradveränderungen (Degradation)
Über die Lebensdauer der Kernkomponente kann eine Degradation stattfinden. Sie
wird in %-Nutzungsgradverlust je Zeiteinheit angegeben. Dies ist ein durchschnittlicher
Wert, welcher sich jeweils auf ein Betriebsjahr bezieht.
8. Anfahrzeiten bis Nennlast
Für viele Komponenten werden Anfahrzeiten bis zur vollen Betriebsbereitschaft benötigt. Die Anfahrzeiten beziehen sich auf:

einen Start aus dem „kalten“ Zustand, d.h. die Anlage wurde über längere Zeit nicht
betrieben oder war abgeschaltet oder

einen Start aus dem Stand-by-Betrieb, d.h. die Anlage ist betriebsbereit bei einer
Produktionsleistung von 0 bis zum Betrieb bei Nennlast.
15
H2-Index – Modell
Technische Ausgangsdaten – Wertebasis, Ursprünge der verwendeten verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Daten
3.4
Die Ausgangsdaten, welche den einzelnen Elementen zugrunde gelegt wurden, sind aus unterschiedlichen Quellen zusammengetragen. Die verwendeten Quellen für den initialen Datensatz der einzelnen Elemente, sowie die Beispielrechnungen können grundsätzlich in:

Studien

eigene Projektarbeiten

Herstellerangaben und

„DBI-eigenes Know-How“ / Erfahrungswerte
enthalten sein.
Grundlage der wirtschaftlichen Berechnung bilden die Investitionskosten der einzelnen Komponenten, Elemente und Nebenanlagen (z.B. Stromanschluss, Elektrolyseur inkl. Peripherie,
Installation / Errichtung, Zwischen- und Untergrundspeicher usw.) innerhalb der Wertschöpfungskette, welche aus Angaben untersuchter Studien, den Autoren zugänglichen Projektinformationen sowie konkreten Marktdaten (z.B. Herstellerangaben) zusammengestellt wurden.
Diese sind im Wesentlichen:

Dr. Frank Graf, Manuel Götz, Marco Henel, Dr. Tanja Schaaf, Dr. Robert Tichler:
DVGW-Abschlussbericht G 3/01/12 TP B-D, Technoökonomische Studie von Powerto-Gas-Konzepten, November 2014

Gert Müller-Syring, Marco Henel, Wolfgang Köppel, Herwig Mlaker, Dr. Michael Sterner, Dr. Thomas Höcher DVGW-Abschlussbericht G1/07/10: Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz, Februar 2013

Stolzenburg, K., Hamelmann, R., Wietschel, M., Genoese, F., Michaelis, J., Lehmann,
J., Miege, A., Krause, S., Sponholz, C., Donadei, S., Crotogino, F., Acht, A., Horvath,
P.-L.: Integration von Wind-Wasserstoff-Systemen in das Energiesystem. NOW-Studie, Berlin, 2013

Rücksprache und Verifizierung von Angaben und Informationen mit Hilfe der HYPOSMitglieder (KPI-Datenblätter)
Die Datenbasis wird durch DBI fortlaufend erweitert und aktualisiert.
Nachfolgend sind als Beispiel die relevanten Kostenpositionen zu den Investitionen für die
Elektrolyse (Tabelle 1) aufgeschlüsselt. Darin enthalten sind auch die Degressionsfaktoren für
Anlagen bis 10 MW el. Ähnliche Aufstellungen zu Kosten und Degressionsfaktoren für die weiteren Komponenten, Elemente und Nebenanlagen sind in die Betrachtungen der hier vorliegenden Studie eingeflossen.
16
H2-Index – Modell
Tabelle 1:
Spezifische Investitionen des Elektrolyseurs (Auszug der Gesamtkostenstruktur)
Leistung des Elektrolyseurs*
Kosten / Degressionsfaktoren
0,1 – 0,4 MW
1.200 EUR/kW el / 1,00
0,5 – 0,9 MW
1.100 EUR/kW el / 0,92
1,0 – 4,9 MW
1.000 EUR/kW el / 0,84
5,0 – 10,0 MW
900 EUR/kW el / 0,75
> 10,0 MW
900 EUR/kW el / 0,75
* in Elektrolyseur enthalten: Elektrolyse-Stack, Wasseraufbereitung, Gastrocknung/-reinigung, Piping, Abwärmebehandlung, Heizung, Gleichrichter, MSR
Der abgebildete Leistungsbereich für Elektrolyseure spiegelt die aktuell am Markt verfügbaren
und in Demonstrationsprojekten umgesetzten Anlagengrößen wider. Die gezeigten Kosten beziehen sich dabei immer auf die gesamte Elektrolyse (Stack) inkl. Wasseraufbereitung, Gastrocknung, Piping, Gleichrichter, MSR (intern) und Heizung / Abwärmebehandlung.
17
H2-Index – Modell
4
Beschreibung des H2-Index-Modells
4.1
Allgemeiner Aufbau des Programmes
In der Umsetzung der Programmierung sind verschiedene Bestandteile zu unterscheiden, welche entweder in Matlab oder in Simulink ablaufen. Die Benutzeroberfläche ist in Matlab programmiert, dadurch existieren alle Rahmenparameter der Simulation zuerst in Matlabs eigenem Parameterraum. Diese Daten werden teilweise in Matlab aufgearbeitet (siehe Annuitätsberechnung, Gleichung 4.4) und erst zur eigentlichen Simulation der Zeitreihen an Simulink
übergeben. Dort findet die Berechnung der erzeugten Stoffmengen und der Kosten statt. Das
Simulink Modell ist an den Aufbau der Wertschöpfungskette in Abbildung 2 angelehnt. Einzelne Elemente sind auch als solche im Blockdiagramm von Simulink vorzufinden. Dies ist in
Abbildung 4 am Beispiel von Themenfeld 1 dargestellt. Schnittstellen zwischen den Elementmodellen sind Stoff- und Energieströme.
Abbildung 4
Anordnung der Elemente im Blockdiagramm der Programmierumgebung Simulink. Das Beispiel zeigt den Aufbau von Themenfeld 1.
Die Ergebnisse jedes Schrittes eines Simulationsdurchlaufes werden als Zeitreihen zwischengespeichert und nach Ablauf der Simulation an Matlab übergeben. Dort werden die Zeitreihen
weiter ausgewertet. Danach stehen die gewünschten Parameter zur Speicherung und für die
Darstellung in der graphischen Benutzeroberfläche in Matlab zur Verfügung.
Als Grundlage für die Berechnungen wurden drei Quellen genutzt:

Zeitreihen aus eigenem Datenpool (z.B. Windprofile)

KPI nach Angaben der Antragsteller

KPI für statische Berechnung aus eigenen Quellen
Nicht alle Parameter, welche für die Berechnungen verwendet werden, stehen in der Benutzeroberfläche zur Anpassung zur Verfügung. Der Zins für die Berechnung der Annuität beträgt
zum Beispiel 3% und ist fix in den Dateien mit den Grundparametern integriert. Weiterhin wird
bei der Ermittlung der spezifischen Preise der Produkte jedes Themenfeldes jeweils ein Deckungsbeitrag von 10% hinzugerechnet. Änderungen an diesen Einstellungen müssen im
Quellcode vorgenommen werden.
18
H2-Index – Modell
Angaben zu Anlagengrößen in den KPI-Listen können unter anderem mit ihrer Nennleistung
in kWh referenziert werden, oder in produziertem Stoff pro Vollaststunde. Derartige Angaben
müssen für die Umsetzung der Simulation in Simulink an die Länge der verwendeten Zeitschritte angepasst werden. Ebenso müssen alle anderen KPI, welche sich auf Werte für ein
komplettes Jahr beziehen auf die Schrittweite der Simulation angepasst werden. In der Umsetzung der Programmierung ist daher ein Parameter für die Auflösung vorgesehen („Resolution“ in den Blockdiagrammen von Kapitel 4.2 orange gekennzeichnet), dieser wird in Minuten
angegeben und gibt die Länge jedes Zeitschrittes an. Es ist daher möglich, Simulationen mit
beliebiger Zeitauflösung durchzuführen. Sollten Eingangsdaten in höheren Auflösungen vorliegen oder aus anderen Gründen eine Verringerung der Schrittweite notwendig sein, dann
muss im Quellcode auch die Gesamtschrittzahl der Simulation angepasst werden.
4.2
Umsetzung der Elementbibliothek
Innerhalb der Programmierung in Simulink lassen sich zwei Wirkungen auf die Wertschöpfungskette unterscheiden:

die verfahrenstechnischen Effekte jedes Elementes

die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.
Während sich die Details über Wirkungsgrad und die Kapazität (Skalierung, Nennleistung) auf
die Stoff- und Energiebilanzen auswirken, bestimmen die anfallenden Kosten für Investition
und Betrieb der Elemente den Preis für das Endprodukt. Die Kapital- und Betriebskosten werden über ein Jahr summiert betrachtet. Der spezifische Preis des Endproduktes, der H2-Index,
ergibt sich damit als Quotient aus den Jahresgesamtkosten und der Menge der Jahresproduktion.
In den folgenden Darstellungen ist jeweils repräsentativ ein Quellcode für ein Element aus
jeder der fünf Gruppen dargestellt, in welche sich die Elemente (siehe Kapitel 3.2) gliedern
lassen. Die Algorithmen der einzelnen Elementgruppen sind in der Anlage 7.2 in einer höheren
Auflösung dargestellt.
Die Komponenten des Simulink Quellcodes sind farblich nach ihrer Funktion abgetrennt.
Tabelle 2:
Farbkodierung für Blöcke des Simulink Quellcodes
Schalter zwischen dynamischer und quasistatischer Betrachtung
Aus KPI ermittelte Betriebsparameter
Zeitreihen (eingehend als auch ausgehend)
Konstante Parameter/ Rechenelemente
Simulationsspezifische Parameter (zeitliche Auflösung, etc.)
Übergabeschnittstellen (Ein- und Ausgangspunkte)
Parameter außerhalb der KPI Liste
19
H2-Index – Modell
4.2.1
Quellen
2
3
4
1
Abbildung 5:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Quellen
Abbildung 5 zeigt den Aufbau des Simulink Blockdiagramms für das Element TF 1.1 der Wertschöpfungskette exemplarisch als typisches Modell eines Elementes der Kategorie Quellen.
Bereich 1 in der Abbildung 5 kennzeichnet die Möglichkeit ein Windprofil zu hinterlegen, indem
an dieser Stelle eine Wertetabelle in das Programm eingelesen wird. Dadurch wird eine über
das Jahr dynamisch verlaufende Energieerzeugung berechnet. Die gelb gekennzeichneten
Blöcke berechnen aus dem zugrunde gelegten Windprofil ein Stromprofil. Diese Umrechnung
erfordert spezifische technische Parameter der Windkraftanlage, welche nicht in den KPI Listen vorgesehen sind, sondern vom Benutzer im Quellcode je nach Anforderung per Hand angepasst werden. Diese Option ist in der aktuellen Version des H2-Index.Tools in der Programmierung umgesetzt, wurde jedoch im Zuge der Bewertungsphase nicht in Anspruch genommen.
Es besteht daneben die Möglichkeit, über die Angabe der Nennleistung und die Anzahl der
Volllaststunden eine kontinuierliche Stromversorgung der Folgeelemente zu gewährleisten
(Bereich 2 in Abbildung 5). Die Menge erzeugten Produktes 𝑄 pro Zeitschritt in dieser quasistatischen Betrachtung errechnet sich durch Einbeziehung der Anlagengröße (Nennleistung)
𝑃 in kW, der Betriebszeit 𝑡𝐵 in Stunden pro Jahr, der Simulationslaufzeit 𝑡𝑆 in Minuten sowie
der Auflösung der Zeitschritte 𝑅𝑒𝑠 in Minuten (Gleichung 4.1).
𝑄=
𝑃 ∙ 𝑡𝐵
∙ 𝑅𝑒𝑠
𝑡𝑆
(4.1)
Spezifische Betriebskosten (pro erzeugter Menge Q) werden ebenso zu den Gesamtkosten
addiert wie betriebsunabhängige Kosten und die Kapitalkosten in Form der Annuität (Bereich
3 in Abbildung 5). Die für jeden Zeitschritt der Berechnung errechnen sich nach Gleichung 4.2:
𝐾𝐵 = 𝑄 ∙ 𝐾𝐵,𝑠𝑝𝑒𝑧. + 𝐾𝐵,𝑎𝑙𝑙𝑔.
(4.2)
Darin sind 𝑄 die Menge Produkts, 𝐾𝐵,𝑠𝑝𝑒𝑧. die spezifischen Betriebskosten und 𝐾𝐵,𝑎𝑙𝑙𝑔. die allgemeinen Betriebskosten.
20
H2-Index – Modell
Die allgemeinen Betriebskosten 𝐾𝐵,𝑎𝑙𝑙𝑔. pro Zeitschritt werden anhand von Gleichung 4.3 bestimmt:
𝐾𝐵,𝑎𝑙𝑙𝑔. =
𝐾𝐵,𝑢𝑛𝑎𝑏. + 𝐾𝐴𝑏
∙ 𝑅𝑒𝑠
𝑡𝑆
(4.3)
Diese Gleichung beinhaltet die betriebsunabhängigen Kosten 𝐾𝐵,𝑢𝑛𝑎𝑏. Für ein Jahr, die Abschreibungskosten 𝐾𝐴𝑏 pro Jahr (Annuität), die Simulationslaufzeit 𝑡𝑆 in Minuten sowie die Auflösung 𝑅𝑒𝑠 der einzelnen Schritte in Minuten.
Gleichung 4.4 beschreibt die Bestimmung der Abschreibungskosten 𝐾𝐴𝑏 mithilfe der Annuitätenmethode. Inbegriffen ist die Höhe der notwendigen Investition 𝐾𝐼 , der Zinssatz 𝑖 und die
Abschreibungszeit 𝑡𝐴𝑏 .1
𝐾𝐴𝑏 = 𝐾𝐼 ∙
𝑖 ∙ (1 + 𝑖)𝑡𝐴𝑏
(1 + 𝑖)𝑡𝐴𝑏 − 1
(4.4)
Da in der KPI-Liste zwischen Haupt- und Nebenelementen unterschieden wird und diese jeweils voneinander abweichende Lebensdauern und damit Abschreibungszeiten haben, ergibt
sich die Abschreibung als Summe der einzeln berechneten Abschreibungen von Haupt- und
Nebenelementen.
Die Berechnungen erfolgen in einzelnen Zeitschritten, sodass zu jedem Simulationsschritt nur
anteilig Kosten und Stoffmengen anfallen. In dem vorliegenden Programm wurden die Produktströme und anfallenden Kosten über alle Schritte integriert betrachtet. Der Wert eines Parameters X nach dem Durchlauf der Simulation mit der Anzahl T der Zeitschritte ist dann
𝑇
𝑋(𝑇) = ∑ 𝑋(𝑡)
𝑡=0
(4.5)
Die Laufzeit eines Simulationsdurchlaufes ist auf ein Jahr beschränkt, die Auflösung der Zeitschritte wird in Simulink als variabler Parameter behandelt, ist allerdings im Matlab Code bei
den vorliegenden Berechnungen fest als Stundentakt initialisiert. Die Laufzeit beträgt damit
365 Tage ∙ 24 h. = 8760 Zeitschritte pro Simulationsdurchlauf. Der Parameter „Resolution“ ist
daher in den aktuellen Berechnungen mit 60 Minuten pro Zeitschritt hinterlegt. Alle Ergebnisse
(grün gekennzeichnete Blöcke im Simulink Code). liegen nach dem Durchlauf einer Simulation
als Datensätze in dem Umfang der Zeitschritte vor. Die Werte werden mit einem Matlab Skript
aus den Zeitreihen extrahiert, in den an Matlab übergebenen Zeitreihen entspricht der Jahresgesamtwert für einen Parameter jeweils dem letzten Eintrag in jeder Zeitreihe.
Am Übergabepunkt (rot gekennzeichnet) übergeben die Quellelemente einen Produktstrom,
im gezeigten Beispiel in Form von elektrischer Energie in kWh, an die folgenden Programmteile. Die im Element erzeugten Mengen sowie die Summe der anfallenden Kosten werden als
Zeitreihen außerhalb des Simulink Programteiles für die spätere Auswertung zwischengespeichert (Bereich 4 in Abbildung 5).
1
Däumler, K.-D.; Grabe, J.: Grundlagen der Investitions- und Wirtschaftlichkeitsrechnung, 12. Auflage,
Verlag Neue Wirtschafts-Briefe, 2007, ISBN 978-3-482-52302-1.
21
H2-Index – Modell
4.2.2
Leitungselemente
3
5
4
1
2
Abbildung 6:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Leitung
2
1
3
Abbildung 7:
Detailansicht zu Bereich 6.4, Berechnung der Betriebskosten eines Leitungselementes.
Abbildung 6 zeigt das Simulink Model des Elementes TF 3.3 beispielhaft für ein Leitungselement. Der eingehende Stoffstrom (Bereich 1 in Abbildung 6) wird entweder auf die Maximalkapazität der ausgewählten Leitung begrenzt (Bereich 2 Abbildung 6) oder, sollte das davorliegende Themenfeld 2 durch einen Bypass-Parameter als statisch deklariert werden, kontinuierlich vollständig ausgelastet (Bereich 3 in Abbildung 6). Dadurch ist die weitergeleitete
Menge entkoppelt von der Skalierung und gegebenenfalls der dynamischen Fahrweise der
Erzeugungsanlage (z.B. Elektrolyse, Stromerzeugung). Die anfallenden Kosten (Bereich 4 in
Abbildung 6) sowie die an Folgeelemente übergebenen Stoffmengen entsprechen dann einer
vollständigen Auslastung des Leitungselementes. Diese Art der Berechnung bedeutet dann
einen konstanten Stoffstrom zu den nachgelagerten Verbrauchern. Ohne diese Überbrückung
22
H2-Index – Modell
können auch dynamische Daten verarbeitet und weitergegeben werden. Ein Wechsel zwischen den beiden Berechnungswegen ist über ein Eingabefeld in der Benutzeroberfläche
möglich. Die betriebsunabhängigen Kosten (Wartungskosten und Kapitalkosten, Bereich 3 in
Abbildung 7) werden in einer dynamischen Berechnung entweder anteilig über die aktuelle
Auslastung berechnet (Bereich 1 in Abbildung 7), oder sollen vollständig angerechnet werden
(Bereich 2 in Abbildung 7).
Bereich 5 in Abbildung 6 kennzeichnet die zwischengespeicherten Zeitreihen für angefallene
Kosten und geleitete Stoffmengen über alle Zeitschritte der Simulation.
4.2.3
Chemische Umwandlung
5
2
3
1
2
4
6
Abbildung 8:
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie chemische Umwandlung.
Abbildung 8 zeigt das Simulink Blockdiagramm für eine Elektrolyseanlage. Die eingehende
elektrische Energie (Bereich 1 in Abbildung 8) wird entweder durch die Anlagengröße begrenzt
(Bereich 2 in Abbildung 8) oder, bei einer statischen Strombereitstellung, anhand der Anlagenskalierung und der angegebenen Anzahl Volllaststunden berechnet (Siehe Gleichung 4.1).
Bei einem dynamischen Energieeingang werden die Anfahrzeiten der Elektrolyse beachtet
(Bereich 2 in Abbildung 8), dadurch verringert sich gegebenenfalls die nutzbare Energie, dieses Modell ist nicht vollständig ausgebaut und getestet, da in den durchgeführten Bewertungen
keine Profile hinterlegt wurden. Auf die quasistatische Berechnung hat die Annahme von definierten Anfahrzeiten keinen Einfluss.
23
H2-Index – Modell
Die Betriebskosten können in der KPI-Liste (Siehe Anhang 7.1) auch als Kosten pro Betriebsstunde angegeben werden. Bereich 4 in Abbildung 8 enthält daher auch Blöcke welche diesen
Kostenfaktor berücksichtigen. Die Berechnung der Betriebskosten (Bereich 4 in Abbildung 8)
für den Betrieb der Elektrolyseanlage folgt dem Schema aus Abbildung 7.
Der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff kann optional noch mit einem Verkaufswert
versehen werden, dies geschieht im aktuellen Stand des Programmes noch außerhalb der
Benutzeroberfläche. Der Erlös aus der Sauerstoffverwertung vermindert in der Simulation die
allgemeinen Betriebskosten und führt letztendlich zu geringeren Produktionskosten für den
Wasserstoff.
Um Verbrauchsmittel für die Peripherie einer chemischen Umwandlungsanlage berechnen zu
können, wird in Bereich 5 in Abbildung 8 die aktuelle Auslastung (rot gekennzeichnet) als
Übergabeparameter an andere Elemente ermittelt.
Unabhängig von der Art der Berechnung (statisch oder dynamisch) werden in diesem Element
zusätzlich zu Kosten und Stoffmengen auch die aktuelle Auslastung der Anlage und Gesamtlaufzeit als Zeitreihen gespeichert (Bereich 6 in Abbildung 8). Diese Option wurde im Hinblick
auf die dynamische Berechnung von Wasserstoff-Wertschöpfungsketten eingefügt und ist in
den vorliegenden Bewertungen (Kapitel 7.3) nicht mit eingeflossen.
4.2.4
Speicher
1
2
3
Abbildung 9:
4
Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Speicher
Der prinzipielle Aufbau des Simulink Modells ist der eines Leitungselementes mit dem Unterschied, dass sich die Betriebsführung und die weitergegebene Menge Material an der Anzahl
Speicherzyklen errechnet (Bereich 1 in Abbildung 9). Derartige Angaben sind in den KPI Listen
nicht direkt vorgesehen, Annahmen zu den Details der Betriebsführung und der Aufteilung der
Betriebskosten werden in direkter Absprache mit den Antragstellern ermittelt oder durch Standardannahmen aus der Literatur ergänzt. Für die Berechnung der Betriebskosten ist demnach
die Anzahl von Ein- uns Ausspeisungen, sowie die Auslastung des Speichers relevant. Damit
ist zum Beispiel der Fall abgedeckt, dass nur ein gewisses Speichervolumen eines großen
Untertagespeichers genutzt wird. Dann fallen die betriebsunabhängigen Ausgaben und die
Kapitalkosten nur anteilig an. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Rest der Speicheranlage vollständig genutzt bzw. anderweitig vermietet wurde. Über die Angabe der jährlichen
24
H2-Index – Modell
Speicherzyklen wird eine mittlere Menge berechnet, welche pro Zeitschritt weitergegeben werden kann. Mit dieser Angabe wird das Speicherelement wie ein Leitungselement behandelt.
Demzufolge entspricht die Berechnung der Kosten für dieses Element (gekennzeichneter Bereich 3 in Abbildung 9) der Berechnung der Kosten für ein Leitungselement.
4.2.5
Abnehmer
2
4
1
3
1
Abbildung 10: Simulink Modell für ein Element aus der Kategorie Abnehmer
Abbildung 10 zeigt das Blockdiagramm für Element TF 4.7 “lokale Lösung der Stromversorgung“. Auch hier besteht die Möglichkeit die Aufnahme von Wasserstoff von den vorgelagerten
Elementen abhängig zu machen (Bereich 1 in Abbildung 10) oder anhand der Anlagengröße
einen Wasserstoffverbrauch festzulegen (Bereich 2 in Abbildung 10). Die spezifischen Kosten
für den aus Wasserstoff erzeugten Strom berechnen sich aus den Kapitalkosten sowie den
spezifischen und unabhängigen Kosten (Bereich 3 in Abbildung 10). In dem dargestellten Element besteht zusätzlich auch die Möglichkeit, die aus der Verbrennung gewonnene Wärme
mit einem Preis zu versehen. Der Erlös aus der Verwertung des Nebenproduktes geht in der
Simulation als negativer Posten in die Kosten ein. Die Auslastung der Rückverstromungsanlage wird ebenfalls gespeichert (Bereich 4 in Abbildung 10), allerdings in der vorliegenden
Version des H2-Index-Tools noch nicht für weitere Berechnungen außerhalb von Simulink verwendet. Die entstehenden Zeitreihen werden für die weitere Auswertung in Bereich 5 in Abbildung 10 gespeichert.
Abbildung 10 zeigt das Modell einer Brennstoffzelle als Abnehmer. Unterschiedliche Abnehmer sind in unterschiedlichen Detailgraden programmatisch abgebildet, in der Wertschöpfungskette „chemische Industrie“ ist der H2-Index Beispielsweise nur als Preis für den bezogenen Wasserstoff ausgelegt und es wurde kein verfahrenstechnisches Modell für die Anlage
eines derartigen Abnehmers hinterlegt.
25
H2-Index – Modell
4.3
Die Benutzeroberfläche - Eingabemaske
Mit Hilfe der Benutzeroberfläche, dargestellt in Abbildung 11, kann schnell und übersichtlich
eine Wertschöpfungskette aus den unterschiedlichsten Elementen der Themenfelder zusammengestellt werden. Ein betrachtetes Element wird automatisch mit einem initial hinterlegten
Satz Betriebsparameter aufgerufen. Die im Programm zur Verfügung stehenden KPI sind auf
unterschiedliche Anlagengrößen abgestimmt. Ausgehend von diesem Grundparametersatz
können dann Anpassungen vorgenommen werden, um auf unterschiedliche Projektskizzen
eingehen zu können. Die Menüs zur manuellen Anpassung der KPI sind in Abbildung 12 dargestellt.
Abbildung 11: Funktionen der Benutzeroberfläche. Der Programmaufbau, ebenso wie die Struktur der Benutzeroberfläche, ist an die Übersicht der Wertschöpfungskette in Abbildung 1 angelehnt.
Wird die Wertschöpfungskette aus einzelnen Elementen zusammengestellt, so fällt der Skalierung der einzelnen Anlagen zueinander eine wichtige Bedeutung bei der Ermittlung des H2Index zu.
Von den Grundeinstellungen im Programm ausgehend, werden die Elemente als quasi-dynamisch behandelt. Dabei legen die technischen Betriebsparameter und die Menge der zur Verfügung stehenden Ressourcen die Menge produzierten/konsumierten oder weitergeleiteten
Produktes fest. Stehen daher einem Element mehr Ressourcen zur Verfügung als dieses aufgrund seiner Anlagengröße verarbeiten kann, wird der Verbrauch und damit auch die Produktion während der Simulation beschränkt.
26
H2-Index – Modell
Im Allgemeinen bedeutet dies eine (eventuell unbeabsichtigte) Verringerung der spezifischen
Kosten, da große vorgelagerte Anlagen gewöhnlich günstiger Ressourcen zur Verfügung stellen können als kleinere, in ihrer Größe auf die Folgeelemente angepasste, Elemente. Damit
werden die Bezugskosten für die nachgelagerten Elemente zwar geringer, es ist jedoch darauf
zu achten, dass dies tatsächlich im aktuell zu simulierenden Szenario vorgesehen ist. Stehen
hingegen nicht ausreichend Ressourcen für die Prozesse in nachgelagerten Elementen zur
Verfügung, werden diese nachgelagerten Anlagen nicht optimal ausgelastet. In einem solchen
Fall entstehen höhere spezifische Investitions- und Betriebskosten, welche zu einer eventuell
ungewollten Preissteigerung beim Endprodukt und einer Verfälschung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führen. Daher ist es für die optimale Simulation einer gesamten Wertschöpfungskette unabdingbar, vor der Eingabe genau zu definieren, in welchen Rahmen sich die betrachtete Projektskizze einordnet.
Abbildung 12: Eingabemöglichkeiten für OPEX und CAPEX Parameter in der Benutzeroberfläche des H2-Index-Tools. Bei der Wahl der Betriebsparameter ist besondere Sorgfalt auf die Abstimmung der Anlagengrößen zu legen.
Um die genannten Skalierungseffekte innerhalb der Wertschöpfungskette teilweise zu umgehen, besteht die Möglichkeit, ganze Themenbereiche als statische Elemente zu betrachten.
Zum Beispiel kann durch die Schaltfläche „Bypass TF1“ eine unabhängige Strombereitstellung
für alle nachfolgenden Elemente gesichert werden. In diesem Zusammenhang wird ein fixer
Strompreis vom Benutzer angegeben, welcher für alle nachgelagerten Elemente gültig ist. Die
verbrauchte Energiemenge ist in diesem Fall nicht mehr von der produzierenden Anlage abhängig, sondern vom Bedarf des Folgeelementes. Dadurch wird eine exakte Abstimmung der
Anlagengrößen umgangen. Die Möglichkeit der statischen Betrachtung besteht ebenfalls für
27
H2-Index – Modell
die Themenbereiche TF2 und TF3, hier jedoch bezogen auf eine statische Bereitstellung von
Wasserstoff für die folgenden Themenfelder.
Wie eine derartige Modellierung im Detail abläuft ist in Kapitel 4.6 anhand eines konkreten
Beispiels demonstriert.
4.4
Ablauf der Simulation
Die Ergebnisse der Modellierung beziehen sich grundsätzlich auf ein Geschäftsjahr. Dabei
werden die spezifischen Kosten aus der produzierten Gesamtmenge und den Gesamtkosten
ermittelt. Die Gesamtkosten ergeben sich aus CAPEX und OPEX. Zusätzlich wird für jedes
betrachtete Element ein Deckungsbeitrag von 10% auf den spezifischen Preis addiert.
Wie in Kapitel 4.2.1 und 4.2.5 dargestellt, können innerhalb der Simulation dynamische Lastkurven zur Berechnung verwendet werden. Oft liegen Angaben allerdings in Volllaststunden
pro Jahr vor, dann werden diese Volllaststunden auf einen durchschnittlichen Teillastbetrieb
über das ganze Jahr zurückgerechnet. Also bewirkt eine Betriebsstundenzahl von weniger als
8760 pro Jahr eine entsprechende, allerdings gleichmäßige Verminderung der Nennleistung
zu jedem Zeitpunkt im betrachteten Zeitraum. Es wird noch immer mit Zeitreihen gerechnet,
nur bestehen diese dann aus konstanten Werten zu jedem Zeitschritt.
Werden Lebensdauern in Betriebsstunden angegeben, wird die Lebensdauer außerhalb des
Programms in Betriebsjahre umgerechnet. Daraus ergibt sich die Annuität, welche vom Algorithmus in Matlab ebenfalls vor dem Ablauf der Simulation ermittelt wird und während der Berechnungen als ständiger, konstanter Betriebskostenanteil in jedem Programmschritt auf die
Gesamtkosten addiert wird.
4.5
4.5.1
Ausgabe
Einfache Simulation
Die spezifischen Kosten für das Endprodukt, welche in den Elementen eines Themenfeldes
entstehen, werden nach dem Durchlauf der Simulation in dafür vorgesehenen Feldern der
Nutzeroberfläche dargestellt. Die Einheiten sind dabei den Themenfeldern angepasst entweder in €/kWhel, €/ m³ (i. N.) und/oder €/kWhHi angegeben.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, sich den gesamten Parametersatz, wie er in der aktuellen Berechnung verwendet wurde, zusammen mit den eben genannten Kosten als Excel Datei
zu speichern.
Die Excel Dateien können anschließend aus zwei Simulationsdurchläufen der gleichen Wertschöpfungskette direkt vom Tool verglichen werden. Das Ergebnis dieses Vergleiches ist wiederum eine Excel Datei, welche nur doch die Parameter enthält, die zwischen den beiden
Simulationsdurchläufen verändert wurden sowie die Ergebnisse aus beiden Berechnungen.
28
H2-Index – Modell
4.5.2
Sensitivitätsanalyse
Es besteht die Möglichkeit die Auswirkung der schrittweisen Entwicklung eines einzelnen Parameters auf den H2-Index der gesamten Kette zu untersuchen. Hierzu werden mehrere Simulationen automatisch nacheinander durchgeführt, während sich die Werte dieses Parameters schrittweise verändern. Dazu werden eine Ober- und Untergrenze sowie die Schrittweite
festgelegt. Das Ergebnis (H2-Index) einer kompletten Wertschöpfungskette wird dann in Abhängigkeit von der schrittweisen Anpassung dieses Parameters ermittelt. Dies ist sinnvoll,
wenn der Einfluss einer Veränderung des Wirkungsgrades über die Zeit untersucht wird oder
zum Abschätzen des Einflusses von diversen Preisentwicklungen auf den H2-Index.
Die Ausgabe nach Abschluss einer derartigen Sensitivitätsanalyse geschieht dann in einer
Excel Datei, welche die Liste der verwendeten Werte für den Parameter zusammen mit den
entsprechenden Ergebnissen auflistet. Die Preisentwicklung wird dem Nutzer außerdem graphisch, wie in Abbildung 13 zu sehen, innerhalb der Benutzeroberfläche dargestellt.
Abbildung 13: Entwicklung der produzierten Wasserstoffmenge über die Betriebsdauer einer
PEM Elektrolyse aufgrund einer Wirkungsgraddegradation im Verlauf der Lebensdauer. Durch das vorgeschlagene Projekt sollte nicht nur der Wirkungsgrad
verbessert werden, die Degeneration sollte ebenfalls verlangsamt werden.
29
H2-Index – Modell
4.6
Beispielsimulation
Im folgenden Beispiel wird der Ablauf einer Bewertung anhand einer fiktiven Projektskizze
demonstriert. Die Projektskizze behandelt eine Wasserstofftransportleitung, wobei angenommen wird, dass der Antragsteller in seinem Projekt ein günstigeres Material für die Leitungsauslegung erforscht.
Die Rahmenbedingungen in den nicht betroffenen Teilen der Wertschöpfungskette werden
zuerst festgelegt. Dazu wird davon ausgegangen, dass grüner Strom aus einer Windkraftanlage mit einer Leistung von 5 MW bezogen werden kann. Eine Elektrolyseanlage produziert
mithilfe dieses Stromes grünen Wasserstoff, welcher über die Leitung, welche Bestandteil des
beantragten Projektes ist, zum Endkunden befördert werden soll. In der Beispielrechnung werden zwei repräsentative Abnehmer dargestellt:

die chemische Industrie und

ein BHKW, welches den Wasserstoff zur Rückverstromung verwendet.
Der Einfluss der Wasserstoffleitung auf den Preis der jeweiligen Endprodukte wird untersucht.
Im Folgenden werden die Eingaben in den jeweiligen Elementen der Themenfelder fixiert.
Themenfeld 1: Strombereitstellung
Es soll ausschließlich grüner Strom aus Windenergie bezogen werden, dazu werden Größe
und Betriebsparameter einer Anlage so gewählt, dass die Stromerzeugung den Strombedarf
einer nachgeschalteten Elektrolyseanlage zu 100 % decken kann.
Es werden keine weiteren Elemente aus Themenfeld 1 in der Simulation betrachtet. Es handelt
sich also um eine lokale Anlage, bei welcher auf den Anschluss an ein Stromverteilnetz verzichtet werden kann.
Nach einem ersten Durchlauf des Programmes ergibt sich als Zwischenergebnis ein Strompreis in €/kWh. Die Ergebnisse aus der getrennten Betrachtung von Themenfeld 1 werden
weiter verarbeitet, indem der Strompreis für die Betrachtung der Elektrolyseanlage auf den im
vorherigen Durchlauf ermittelten Wert fixiert wird. Sollte bei der Simulation der Windanlagen
ein Windprofil hinterlegt worden sein, entkoppelt man dadurch die Fahrweise der Elektrolyse
von der fluktuierenden Verfügbarkeit des Windstromes.
Themenfeld 2: Chemische Umwandlung
Die betrachtete Anlage in diesem Beispiel wird als Alkalische Elektrolyseanlage als Gesamtsystem betrachtet. Es besteht die Möglichkeit, die Parameter einzelner Bestandteile einer solchen Anlage separat anzupassen, dies setzt allerdings eine exakte Abstimmung aller Einzelelemente voraus. In dieser speziellen Beispielrechnung ist die gewinnbringende Verwertung des erzeugten Sauerstoffs nicht vorgesehen.
Als Ergebnis des zweiten Simulationsdurchlaufes dieser Beispielanlage ergibt sich ein Preis
für den Wasserstoff in €/m³ (i.N.) bzw. €/kWhHi.
30
H2-Index – Modell
Themenfeld 3: Transport
Der Endabnehmer wird aus der Elektrolyse über eine Pipeline mit Wasserstoff versorgt, das
Material dieser Pipeline ist Gegenstand der untersuchten (fiktiven) Projektskizze. Verglichen
wird der Preis für die Leitung des Wasserstoffes in einer konventionellen Stahlleitung mit einer
Leitung aus Kunststoff.
Der Rohrdurchmesser bzw. die Leitungskapazität wird auf die Wasserstoffproduktion angepasst, die Investitionskosten sowie Betriebskosten sollen vollständig getragen werden, es besteht also eine Exklusivnutzung der Leitung, alternativ kann eine anteilige Berechnung der
Betriebskosten betrachtet werden, sollte die Kapazität einer Leitung von der betrachteten Teilkette nicht vollständig ausgenutzt werden.
Das Zwischenergebnis ist dann der anteilige Preis, welcher durch den notwendigen Transport
durch diese Leitung entstanden ist in €/m³ (i. N.) bzw. €/kWhHi
Themenfeld 4: Abnehmer
Für das Beispiel werden zwei Wertschöpfungsketten betrachtet, einerseits die Nutzung des
Wasserstoffs als Grundstoff in der chemischen Industrie und andererseits die Nutzung des
Wasserstoffs in einem BHKW zur Energieversorgung (Strom und Wärme).
1) Chemische Industrie
Für die chemische Industrie als Abnehmer ist der Gesamtpreis aus den spezifischen
Kosten der vorgelagerten Elemente von Interesse. Der H2-Index bezeichnet in diesem
Fall also den Preis für Wasserstoff nach erfolgter Weiterleitung, an der Übergabestelle
zum Abnehmer in €/m³ (i. N.).
2) Rückverstromung im BHKW
Der zweite betrachtete Pfad dieser Beispielrechnung beinhaltet die Rückverstromung
des erzeugten Wasserstoffes in einem Brennstoffzellen-BHKW. In das Ergebnis wird
in diesem Fall die gesamte BHKW Anlage mit einbezogen. Zusammen mit den OPEX
und CAPEX dieser Anlage ermittelt sich, in Verbindung mit dem Preis des verwendeten
Wasserstoffes, ein Preis für den erzeugten Strom. Es wird hier außerdem davon ausgegangen, dass die erzeugte Abwärme zu einem festen marktüblichen Preis verkauft
werden kann, was sich als negativer Kostenfaktor auf die Preisbildung des Stromes
auswirkt.
Das Ergebnis, der H2-Index, ist hier der Preis pro erzeugter Strommenge in €/kWhel.
31
H2-Index – Modell
5
5.1
Bewertung der Projektskizzen durch H2-Index
Ablauf der Bewertung
Im Rahmen des Projektes wurden die Projektskizzen der zweiten Einreichungswelle durch das
H2-Index-Tool analysiert und das jeweilige Kostensenkungspotenzial für die jeweilige Wertschöpfungskette bestimmt. Dieses diente anschließen den Gremien der HYPOS-Initiative zur
Priorisierung der Skizzen. Mit diesem Prozess wurde gleichzeitig das H2-Index-Tool verifiziert
und seine Tauglichkeit für die wirtschaftliche Bewertung von Projektskizzen nachgewiesen.
Die Analyse einzelner Projektskizzen durch das H2-Index-Tool läuft grundsätzlich in fünf Schritten ab:
1. Skizzen werden überreicht
2. Allgemeine Prüfung auf Bewertbarkeit
3. Plausibilitätsprüfung KPI
4. Rückfragen/Kontaktaufnahme gemeinsame Bestimmung des Kostensenkungspotenzials und Sensitivitätsanalyse
5. Berichtserstellung mit den finalen Ergebnissen des H2-Index-Tools
Nach der Übergabe der zu bewertenden Projektskizzen wurde von der DBI in den meisten
Fällen direkter Kontakt zu den Antragstellern aufgenommen, um offene Fragen bezüglich der
erhaltenen KPI-Listen zu klären. Aus der Art der beantragten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, in Verbindung mit den ausgefüllten KPI Listen, wurde dabei in Rücksprache mit den
Antragstellern überprüft, ob das Projekt mit Hilfe des H2-Index-Tools bewertbar ist.
Aus der Formulierung der KPI für das H2-Index-Tool ergibt sich, dass vor allem Projektanträge
zu bewerten sind, welche direkten Einfluss auf bereits bestehende Komponenten in den einzelnen Elementen ausüben. Projekte, welche auf technische Innovation oder eine Optimierung
technischer Komponenten abzielen, sind daher im Allgemeinen geeignet, um mit Hilfe des H2Index-Tools bewertet zu werden.
Als „Enabler“ und damit als nicht bewertbar, werden Skizzen eingestuft, welche als unumgänglich für eine umfängliche Markteinführung von Wasserstoff als grünem, breit zugänglichem
Energieträger gelten, dabei jedoch nicht zu greifbaren Verbesserungen in den KPI der Elemente der Wertschöpfungskette führen. Dazu gehören zum Beispiel sicherheitsrelevante technische Lösungen, der Aufbau von initialen Vermarktungsstrukturen oder Untersuchungen von
ökonomisch-technischen Prozessabstimmungen sowie die Abstimmung mit Marktszenarien
und Ähnliches. Sollte ein Projekt als nicht bewertbar eingestuft worden sein, findet sich eine
ausführliche Begründung in dem entsprechenden Bericht. Die Priorisierung der Projektskizze
durch die HYPOS-Gremien erfolgt dann weiteren Kriterien (s. HYPOS-Strategie).
Die verbliebenen Projekte wurden mit Hilfe des H2-Index-Tools bewertet, wobei der Ablauf der
Bewertung der geschilderten Beispielsimulation aus Kapitel 4.6 entsprach. Die Ergebnisse
wurden nach einem festen Muster dokumentiert. Dieses ist in Kapitel 5.2 näher ausgeführt.
Die zusammengefassten Ergebnisse wurden zeitgleich mit der Übergabe der Berichte an den
Lenkungskreis am 03.12.2015 vorgestellt.
32
H2-Index – Modell
5.2
Erläuterung der Ergebnisauswertung für die Projektskizzen
In der Auswertung jeder Skizze werden alle Annahmen erläutert, welche von der DBI für alle
Bereiche der Wertschöpfungskette getroffen wurden, und welche nicht direkt von den Projektskizzen adressiert werden.
Gliederung der Bewertungsbögen:
1. Kurzzusammenfassung
Beinhaltet eine kurze und allgemein gehaltene Beschreibung der Ziele der bewerteten
Projektskizze.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette
Beschreibung des behandelten Themenfeldes sowie der Skalierung der betrachteten
Anlage. Dieser Teil beinhaltet auch die Annahmen zur Art der vorgelagerten und nachgelagerten Elemente in der betrachteten Wertschöpfungskette.
3. Verwendete KPI
Hier werden die KPI des Elementes nach aktuellem Stand der Technik mit den KPI aus
den Zielen der Projektskizze gegenübergestellt.
4. Wirtschaftliche Bewertung
Dieser Punkt beinhaltet eine Auflistung der Annahmen, welche zusätzlich zu den Angaben in den KPI-Listen getroffen wurden. Die dadurch erhaltenen Parameter hinsichtlich der Fahrweise des betrachteten Elementes sowie die vervollständigten Teile der
KPI-Liste.
5. Ergebnisse
Hier finden sich die Preise des Endproduktes (H2-Index) nach aktuellem Stand der
Technik, direkt gegenübergestellt zu den Ergebnissen der Simulation nach verbesserten KPI wie sie vom Antragsteller angegeben wurden.
6. Sensitivitätsanalyse
Hier findet sich, für den Fall, dass eine Sensitivitätsanalyse erstellt wurde, eine graphische Darstellung der Entwicklung des H2-Index. Dies setzt voraus, dass Angaben zur
Wirkungsgraddegradation gemacht wurden oder ähnliche Angaben zu zeitlich veränderlichen Parametern von Antragstellern kommuniziert wurden.
33
H2-Index – Modell
5.3
Zusammenfassung der Bewertung der 2. Projektwelle
Von den zehn zur Bewertung mit dem H2-Index-Tool eingereichten Skizzen wurden sechs als
nicht bewertbar eingestuft, für vier wurden Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse der Bewertungen fielen für alle in Frage kommenden Skizzen positiv aus, es konnte bei allen bewerteten Innovationen festgestellt werden, dass durch die vorgeschlagenen Projekte eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht wird.
Die Berichte zu den Projektskizzen in der Form wie sie dem Lenkungskreis übergeben wurden
finden sich im Kapitel 7.3.
Tabelle 3:
Übersicht zu den bewerteten Projektskizzen
SkizzenNr.
Einschätzung zur Bewertbarkeit
mit Index Tool
Bezeichnung
204
Bimeb
Bewertung erfolgt
207
Innovatives Re-Design der Übertageanlagen von Untergrundspeichern bei der Umnutzung für H2
Einstufung als „Enabler“
Bewertung nicht möglich
208
Mega-Lyseur
Bewertung erfolgt
211
FlugH2afen
Pilotprojekt:
Daten für Gesamtanlage fehlen
Bewertung nicht möglich
215
H2OptiKWK
Forschung an Prozessoptimierung
Bewertung nicht möglich
217
Wasserstoffsensorik / HyProS
Nicht relevant im Gesamtumfang, da
Sicherheitstechnik, Einstufung als
„Enabler“
Bewertung nicht möglich
218
RESSY-HYS
Bewertung nicht möglich
219
H2-Hochdrucktank / H2-HD
Bewertung erfolgt
220
Methanol aus CO2 durch Kopplung von
Absorption und Hydrierung / COOMet
Bewertung erfolgt
221
ImplaN - Aufbau Initialstruktur für H2 Tank- Einstufung als „Enabler“
stellen
Bewertung nicht möglich
34
H2-Index – Modell
6
Zusammenfassung und Ausblick
Ziel des Projektes war es, eine verfahrenstechnische und kostenmäßige Übersicht der einzelnen Wertschöpfungsketten in einem Modell abzubilden. Mit dem Modell sollte ein objektives
Vergleichskriterium für die Bewertung von Projektskizzen und Einzelvorhaben erzeugt werden.
Es wurde eine arbeitsfähige Version des H2-Index-Tools erstellt, welche zur Bewertung eingehender Projektskizzen verwendet werden konnte. Zu diesem Zweck wurde eine Elementbibliothek innerhalb der Programmierumgebung von Matlab/Simulink aufgebaut. Die Skizzen
der Einzelvorhaben konnten mit dem H2-Index-Tool in seiner jetzigen Ausbaustufe bewertet
werden und somit konnte der Beitrag der Einzelvorhaben zur Erreichung des Gesamtzieles
messbar gemacht werden.
Die für die Bewertung mit dem H2-Index-Tool ausgewählten Projektskizzen wurden in Kooperation mit den jeweiligen Antragstellern und den Themenfeldverantwortlichen auf ihre Bewertbarkeit hin untersucht. Von den zehn zur Bewertung mit dem H2-Index-Tool eingereichten
Skizzen konnten vier auf ihre Wirtschaftlichkeit untersucht werden. Es wurden ausführliche
Berichte über die Ergebnisse der Bewertungen sowie detaillierte Erläuterungen für die von der
Bewertung ausgeschlossenen Projektskizzen verfasst und an den Lenkungskreis übergeben.
Durch die Sichtbarmachung des monetären Einflusses der bewerteten Skizzen konnte das
HYPOS-Konsortium bei seiner Zielerreichung mit quantitativen Aussagen unterstützt werden.
Eine öffentliche Verwendung des H2-Index-Tools ist momentan nicht gegeben, dies erfordert
eine erhebliche Erweiterung der Programmierung für die Benutzeroberfläche im Speziellen
und des zugrunde liegenden Algorithmus im Allgemeinen. Unabhängig davon steht das H2Index-Tool dem HYPOS-Konsortium kostenfrei zur Verfügung und wird weiterhin zur Fortentwicklung der Strategischen Ausrichtung der HYPOS-initiative eingesetzt.
Nach der initialen Einschätzung der ausgewählten Projektskizzen wird im weiteren Verlauf die
kontinuierliche Begleitung der entsprechenden Umsetzung notwendig. Für die Begleitung der
Strategieumsetzung ist, neben der regelmäßigen Analyse aktueller Projektergebnisse und der
Anpassung der Software für die Bewertung zukünftiger Skizzen, eine erhebliche Erweiterung
der Programmfunktionalität geplant.
Insbesondere soll die Funktionalität des H2-Index-Tools um folgende Inhalte erweitert werden:

Schärfung der Technologieanforderungen durch Berücksichtigung von sich verändernden politischen und wirtschaftlichen Randbedingungen,

Präzisierung der Basis- und Inputdaten durch eine Modellierung der relevanten Märkte
in der HYPOS Region und darüber hinaus

Benchmarking der HYPOS-Ergebnisse (Wasserstoffindex) im Vergleich zu konventionellen Wasserstoff-Produktionspfaden

Untersuchungen der Implementierung der HYPOS-Innovationen in anderen Märkten
außerhalb des EEG und europäischer Richtlinien – Analyse von Exportchancen in anderen Wirtschaftsgebieten

Optimierung der vorhandenen Elemente der Wertschöpfungskette, Analyse der wirksamsten Innovationsbereiche

Entwicklung von Handlungsempfehlungen an politische Entscheidungsträger für die
Beseitigung von wirtschaftlichen Hemmnissen
35
H2-Index – Modell

Erweiterung der Sensitivitätsanalyse auf mehr als einen Parameter, Darstellung synergetischer Effekte.

Erstellung eines vereinfachten Tools zur eigenständigen Überprüfung der Key Performance Indikatoren und zur Durchführung von Sensitivitätsanalysen.
36
H2-Index – Modell
7
7.1
Anhang
KPI Eingabemaske
37
H2-Index – Modell
7.2
Algorithmen für die Grundelemente
Algorithmus eines Quellelementes:
38
H2-Index – Modell
Algorithmus eines Leitungselementes:
39
H2-Index – Modell
Algorithmus eines Leitungselementes: Modul – spezifische Kosten
40
H2-Index – Modell
Algorithmus eines Elementes für chemische Umwandlung:
41
H2-Index – Modell
Algorithmus eines Abnehmerelementes:
42
H2-Index – Modell
Algorithmus eines Speicherelementes:
43
H2-Index – Modell
7.3
Berichte
7.3.1 204 – Bimeb
204- Bimeb
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 204
Bimeb – Entwicklung neuartiger Bipolarplatten aus metallbeschichteten Verbundwerkstoffen für die PEM-Elektrolyse
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Kostensenkung sowie die Verbesserung der
Qualität bei der Herstellung von Bipolarplatten für die Elektrolyse.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Die Bewertung erfolgt für geplante Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit im Element TF 2.6
PEM-Elektrolyse
44
H2-Index – Modell
Die betrachtete Anlagengröße wird vom Antragsteller mit einer Nennleistung von 5 m³ (i. N.)/h
angegeben.
Vorgelagerte Elemente: Im Themenfeld 1 wird angenommen, dass Strom aus Windkraftanlagen über das lokale Verteilnetz bezogen wird.
Nachgelagerte Elemente: Im Themenfeld 3 wird der Abtransport des erzeugten Wasserstoffes durch Wasserstoff-Trailer realisiert. Ein Abnehmer für den produzierten Wasserstoff wird
nicht spezifiziert, das Ergebnis betrifft den Preis des Wasserstoffes nach erfolgter Weiterleitung. Übergabepunkt ist beim Endverbraucher/Tankstelle.
3. Verwendete KPI
KPI
KPI Beschreibung
Stand der nach ProTechnik
jekt
Einheit
1. Investitionskosten

spezifische Investitionskosten
2000
1640
€/kW el
4700
4700
€/a
5
5
m³ (i. N.)/h
10-100
5-120
%
35.000
50.000
h
6000
6000
h/a
45
40
%
80
84
%
1,32
0,9
%/a
2. Betriebskosten gesamt

als jährlicher Gesamtwert
3. Arbeitsbereich des Elementes

Nennleistung/Nennkapazität

Regelbereich Mindest und Max.-Leistung
4. Lebensdauer

Gesamtlebensdauer

Jährliche Betriebsstunden

Anteil der Anlagenerneuerung nach
Ablauf der Lebensdauer der Kernkomponente
5. Wirkungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgradveränderung (Degradation)
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Grundlagen:
Für die Kostenberechnung werden die spezifischen Investitionskosten wie angegeben verwendet. Über den Wirkungsgrad und den oberen Brennwert von Wasserstoff errechnet sich
die Leistungsaufnahme der betrachteten Anlagen als 21,88 kW vor der Neuerung, sowie
20,8 kW nach der Neuerung. Die Investitionskosten belaufen sich daher auf 43.750 Euro nach
dem angegebenen Stand der Technik bzw. 34.161 Euro nach der Durchführung des Projektes.
45
H2-Index – Modell
Die Betriebskosten einer Anlage dieser Größe wurden durch die DBI mit 4.700 Euro pro Jahr
abgeschätzt.
Die Lebensdauer der Nebenkomponenten wurde aus den Angaben in der KPI Liste gemittelt
und mit 15 Jahren angenommen. Die jährlichen Betriebsstunden wurden von uns mit 6.000 h
angesetzt, damit ergibt sich eine Gesamtlebensdauer der Kernkomponente von rund 6 Jahren
beim aktuellen Stand der Technik und von 8,3 Jahren nach dem Projekt.
Für die Berechnung der Abschreibung wurde eine Lebensdauer von rund 6 bzw. 8,3 Jahren
aus den angegebenen Jährlichen Betriebsstunden und der Angabe der Lebensdauer in Betriebsstunden (maximalen Laufzeit?) ermittelt. Zinsen für die Gesamtinvestition werden mit
3 % angenommen.
Der Strompreis wird konstant mit 6 Cent pro kWh angenommen.
Ergebnisse:
Stand der Technik
Nach dem Projekt
Produzierte Menge im ersten Jahr
30.000 m³ (i.N.)
30.000 m³ (i.N.)
Wasserstoffpreis beim Endabnehmer
0.701 €/m³ (i.N.)
0.204 €/kWh
0.606 €/m³ (i.N.)
0.178 €/kWh
Im Endpreis der Bewertung sind jeweils 2,5 Cent pro m³ (i.N.) bzw. 0,7 Cent/kWh für die Weiterleitung des produzierten Wasserstoffes an den Endabnehmer vorgesehen.
Durch die vorgeschlagenen Verbesserungen in dem Themenfeld verringern sich die Produktionskosten von Wasserstoff demnach um 9,5 Cent pro m3 (i.N.), bzw. 2,6 Cent/kWh.
Im betrachteten Szenario entspricht dies einer Verbesserung des Wasserstoffpreises für den
Endkunden von ca. 15 %.
46
H2-Index – Modell
Sensitivitätsanalyse
Abbildung 14: Entwicklung der produzierten Wasserstoffmenge über die Betriebsdauer des betrachteten Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf der Lebensdauer.
Abbildung 15: Entwicklung des Wasserstoffpreises über die Betriebsdauer des betrachteten
Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf der Lebensdauer.
47
H2-Index – Modell
7.3.2
207 – H2-Safety-Re-Design
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 207
H2-Safety-Re-Design – Innovatives Re-Design der Übertageanlagen von Untergrundspeichern bei der Umnutzung für H2
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Es soll ein innovatives Sicherheitskonzept für bestehende Obertageanlagen eines Untergrundgasspeichers entwickelt werden.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Angesiedelt im Themenfeld 3, Transport und Speicherung, wird die Verwendung von bestehenden Erdgas Untergrundspeichern (TF 3.7) für die Wasserstoffspeicherung betrachtet. Dazu soll das Sicherheitskonzept der Obertageanlage an die veränderten Bedingungen, welche
durch das Speichern von Wasserstoff entstehen, analysiert und angepasst werden.
Das Projekt selbst ist dem Querschnittsthemenfeld 6 Sicherheit zuzuordnen.
48
H2-Index – Modell
3. Verwendete KPI
Der Forschungsansatz trägt einen „enabling“ Charakter ist nicht auf die wirtschaftliche Optimierung von Komponenten ausgerichtet. Deshalb kann keine KPI-Liste generiert werden.
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Das Projekt wird als unumgänglicher Schritt auf dem Weg zur Nutzung von Untertageanlagen
zur Wasserstoffspeicherung verstanden. Inhalt des Antrages ist eine Analyse der Umsetzbarkeit nach Sicherheitsaspekten. Im Ergebnis soll die Verwendbarkeit und eventuell der Anpassungsbedarf bestehender Sicherheitskonzepte bewertet werden.
Aufgrund des Grundlagen- und enabling Charakters des Antrages ist die die Bewertung mit
dem H2-Index-Tool nicht durchführbar.
49
H2-Index – Modell
7.3.3
208 – Megalyseur
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 208
Mega-Lyseur – Konzeption eines modularen, innovativen und
kosteneffizienten Multimegawatt PEM-Elektrolysesystems von
10 MW und aufwärts sowie die Entwicklung, das Design und der
Aufbau eines PEM-Elektrolyse-Moduls von ca. 2 MW
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Konzeption eines modularen, innovativen und
kosteneffizienten Multimegawatt PEM-Elektrolysesystems von 10 MW und aufwärts sowie die
Entwicklung, das Design und der Aufbau eines PEM-Elektrolyse-Moduls von ca. 2 MW.
Die Entwicklung des Konzeptes für die modulare Skalierbarkeit der Multi-MW-Elektrolyse erfolgt primär unter der Berücksichtigung von Kosten, Produktsicherheit und Zulassungsfähigkeit. Ein zentraler Baustein ist eine innovative und neu entwickelte modulare Leistungselektronik. Die PEM Elektrolysestacks werden mit neu entwickelten, gewebeverstärkten MEAs
50
H2-Index – Modell
(engl.: membrane electrode assemblies) / CCMs (engl.: catalyst coated membrane) mit einer
Membrandicke von 75 – 150 µm neu konzipiert und aufgebaut. Diese von FuMa-Tech neu
entwickelten Membranen besitzen eine höhere Leitfähigkeit und eine erhöhte mechanische
Festigkeit, bzw. Standzeit, gegenüber unverstärkten Standardmembranen.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Die Bewertung erfolgt für geplante Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit im Element TF 2.6
PEM-Elektrolyse. Die betrachtete Anlagengröße wird vom Antragsteller mit einer Nennleistung
von 2 MW angegeben.
Vorgelagerte Elemente: Im Themenfeld 1 wird angenommen, dass Strom aus Windkraftanlagen über das lokale Verteilnetz bezogen wird.
Nachgelagerte Elemente: Im Themenfeld 3 wird der Abtransport des erzeugten Wasserstoffes durch Wasserstoff-Trailer realisiert. Ein Abnehmer für den produzierten Wasserstoff wird
nicht spezifiziert, das Ergebnis betrifft den Preis des Wasserstoffes nach erfolgter Weiterleitung. Übergabepunkt ist beim Endverbraucher/Tankstelle.
3. Verwendete KPI
KPI
KPI Beschreibung
Stand der nach ProTechnik
jekt
Einheit
6. Investitionskosten

gesamte Investitionskosten
2.800.000
2.100.000
€
47000
45000
€/a
2000
2000
kW
10-100
5-120
%
35.000
50.000
h
8000
8000
h/a
60
55
%
72
76
%
1,76
0,75
%/a
7. Betriebskosten gesamt

als jährlicher Gesamtwert
8. Arbeitsbereich des Elementes

Nennleistung/Nennkapazität

Regelbereich Mindest- und Max.Leistung
9. Lebensdauer

Gesamtlebensdauer

Jährliche Betriebsstunden

Anteil der Anlagenerneuerung nach
Ablauf der Lebensdauer der Kernkomponente
10. Wirkungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgradveränderung (Degradation)
51
H2-Index – Modell
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Grundlagen:
Für die Berechnung der Transportkosten werden die Investitionskosten sowie die jährlichen
Betriebskosten als Gesamtwert betrachtet.
Für die Berechnung der Abschreibung wurde eine Lebensdauer von 4,375 bzw. 6,25 Jahren
aus den angegebenen jährlichen Betriebsstunden und der maximalen Laufzeit ermittelt. Zinsen für die Gesamtinvestition werden mit 3% angenommen.
Der Strompreis wird als fest mit 6 ct/kWh angenommen. Im Endpreis der Bewertung sind jeweils 2,5 Cent pro m³ (i.N.) bzw. 0,7 Cent/kWh für die Weiterleitung des produzierten Wasserstoffes an den Endabnehmer vorgesehen.
Ergebnisse:
Produzierte Menge im ersten Jahr
Wasserstoffpreis beim Endabnehmer
Stand der Technik
Nach dem Projekt
3.25 Mio. m³ (i.N.)
3.61 Mio. m³ (i.N.)
0.538 €/m³ (i.N.)
0.158 €/kWh
0.433 €/m³ (i.N.)
0.129 €/kWh
Durch die vorgeschlagenen Verbesserungen in dem Themenfeld verringern sich die Produktionskosten von Wasserstoff demnach um 10,5 ct/m³ (i.N.) bzw. 2,9 ct/kWh.
Im betrachteten Szenario entspricht dies einer Verbesserung des Wasserstoffpreises für den
Endkunden von rund 23 %.
52
H2-Index – Modell
Sensitivitätsanalyse
Abbildung 16: Entwicklung der produzierten Wasserstoffmenge über die Betriebsdauer des betrachteten Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf der Lebensdauer.
Abbildung 17: Entwicklung des Wasserstoffpreises über die Betriebsdauer des betrachteten
Elementes aufgrund der Wirkungsgraddegradation im Verlauf der Lebensdauer.
53
H2-Index – Modell
7.3.4
211 – FlugH2afen
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 211
FlugH2afen – Bedarfsgerechte Wasserstoffbereitstellung für dezentrale Anwendungen an Flughäfen
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Im Rahmen des Verbundvorhabens „FlugH2afen“ soll am Flughafen Leipzig-Halle als möglichem Standort ein neuartiges Wasserstoffversorgungssystem installiert werden, das es erlaubt, autark und bedarfsgerecht Wasserstoff bereitzustellen. Um eine möglichst flexible Wasserstoffproduktion zu gewährleisten wird ein PEM-Elektrolysesystem (P > 0.5 MW) installiert,
das einen intermittierenden Betrieb mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen ermöglicht.
Eine bedarfsgerechte Speicherung des produzierten „grünen“ Wasserstoffs wird mit Hilfe der
neuartigen LOHC Speichertechnologie ermöglicht. Diese erlaubt es, temperaturgesteuert mit
Hilfe organischer Trägermoleküle Wasserstoff mit einer hohen Energiedichte von 2 kWh/kg in
flüssiger Form zu speichern und bedarfsgerecht bereitzustellen. Um die nötigen Temperaturniveaus für die Speicherung bzw. Freisetzung zu erreichen, wird ein dynamischer Wärmespeicher entwickelt, der – gespeist durch regenerative Wärmequellen wie z.B. Wärmekraftwerke –
direkt an den Wasserstoffspeicher angekoppelt wird. Zentrale Forschungs- und Entwicklungshighlights sind dabei:

Errichtung und Betrieb eines Elektrolyseurs für Grünwasserstofferzeugung
54
H2-Index – Modell

Einsatz organischer Trägerflüssigkeit LOHC für (innovative) Speicherung von H2

Kopplung des Wasserstoffsystems mit dem Wärmesystem

Betrieb und Einbindung eines teilweise Wasserstoff-versorgten BHKWs (Machbarkeitsuntersuchung) zur Wärmeauskopplung und bedarfsorientierten Rückverstromung

Machbarkeitsnachweis für das System als Einsatzszenarium am Flughafen

Szenarienentwicklung für Pipelineanbindung
Die Idee ist, durch geschickte Verschaltung eines Wärmespeichersystems mit solarer Beladung und eines LOHC Speichers den Wirkungsgradverlust bei H2-Speicherung von ca. 10 %
deutlich zu verbessern. Ausgangs- und Zielsystem also Elektrolyseur und Anwendung im Flughafenumfeld bleiben gleich.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Als lokales System wird das Projekt die Stromerzeugung, die Wasserstofferzeugung sowie die
Absicherung der Verfügbarkeit des Energieträgers durch Tanksysteme umgesetzt bzw. geplant. Gegenstand ist die Vernetzung des Systems in den Themenfeldern TF1 – TF4 (Mobilität).
3. Verwendete KPI
Derzeit liegen nicht alle KPI vor um die Wirtschaftlichkeit innerhalb einer statischen Kette zu
bewerten.
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Konzeption eines Wasserstoffbasierten Logistikbetriebes auf einem Flughafengelände. Es handelt sich damit um ein Demonstrationsprojekt mit dem Ziel bereits entwickelte Komponenten in die Anwendung zu überführen. Die
verfahrenstechnische Verbesserung besteht in der effizienten Kombination mehrerer neuer
innovativer Technologien mit bestehenden Versorgungssystemen. Eine Weiterentwicklung
einzelner Komponenten ist nicht vorgesehen.
Das Hypos-Index-Tool ist im Moment noch nicht dafür ausgelegt Prozesse zu bewerten, die
ihre Wirtschaftlichkeit aus der Nutzung dynamischer Betriebsweisen erzielen.
55
H2-Index – Modell
7.3.5
215 – H2OptKWK
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 215
H2OptikWK – Optimierungsmodell für den Betrieb von Elektrolyseanlagen im Verbund mit industriellen/kommunalen KWK-Anlagen, anderen Energiespeichern und multipler Wasserstoffnutzung – Steigerung des Einsatzes fluktuierenden Stromdargebots aus regenerativer Erzeugung
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Für das Vorhaben wird ein Bilanzkreis, z.B. ein Industrieunternehmen oder ein kommunaler
Versorger, betrachtet, der durch eine bilanzkreisinterne Wärme-, Strom- und Wasserstoff- (Eigen-)versorgung sowie den Schnittstellen zu übergeordneten Bilanzkreisen charakterisiert ist.
Die Stromversorgung erfolgt hierbei durch lokale Windkraftanlagen und PV-Einheiten, einer
Erzeugung in gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung (BHKW, Brennstoffzelle) sowie einem
Bezug aus dem Stromverteilnetz. Als Speichereinheiten dienen ein Wärmespeicher, ein Batteriespeicher sowie ein Elektrolyseur (ggf. mit lokalem Wasserstoffspeicher).
Der zu untersuchende Bilanzkreis wird in einem Bilanzierungs- und Optimierungsmodell abgebildet. Ziel dieser Abbildung ist die bilanztechnische Betrachtung der Steigerung des Anteils
56
H2-Index – Modell
erneuerbarer Energien von 25 % (Ausgangsmodell) schrittweise bis auf >80 % und deren anlagentechnischen und wirtschaftlichen Auswirkungen auf die industrielle und/oder kommunale
Versorgungseinheit. Mit dem Vorhaben sollen im Bereich zwischen einem Stromverteilnetz
und einem Wasserstoffverbundsystem technische und wirtschaftliche Optionen für die integrierte Wasserstofferzeugung und –anwendung mit dem besonderen Schwerpunkt der KWKRückverstromung und dezentralen Wasserstoffanwendung identifiziert werden.
Forschungsziel des Antragstellers ist die Entwicklung eines integrierten Optimierungsmodells
einschließlich der Anwendung auf Unternehmen im Einzugsbereich des mitteldeutschen Wasserstoffverbundsystems.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Im Projekt wird ein kompletter Bilanzkreis betrachtet, also die Wertschöpfungskette vom
Stromerzeuger bis zum Wasserstoffverbraucher. Es werden Prozessoptimierungen im Gesamtsystem vorgenommen. Damit ist die gesamte Wertschöpfungskette von TF1 – TF4 involviert. Das Projekt ist dem Querschnittsthemenfeld 5 Wirtschaftlichkeit zuzuordnen.
Das Forschungsziel ist damit nicht auf Weiterentwicklung einzelner Komponenten ausgerichtet
sondern auf einem optimalen dynamischen Betrieb dezentraler Einheiten.
3. Verwendete KPI
Durch den Charakter des Forschungsprojektes werden keine KPI von Komponenten verändert. Damit ist die Generierung einer KPI-Liste im Sinne des H2-index-Tools nicht möglich.
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Ziel des Projektes ist es, eine Optimierung der Wertschöpfungskette zu analysieren, um den
Einsatz von Wasserstoff als Energieträger gegenüber konventionellen Energieversorgung
wirtschaftlich zu gestalten.
Die Einordnung in das Querschnittsthemenfeld 6 und der Forschungsansatz lassen eine Bewertung durch das H2-Index-Tool nicht zu.
57
H2-Index – Modell
7.3.6
217 – HyPros
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 217
HyPros – Prozess- und Sicherheitssensorik für das WasserstoffQualitätsmanagement
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Im Zuge des Projektes sollen Sensorkonzepte entwickelt werden um die Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff sowie die Qualität des Produktes zu gewährleisten.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Ergebnisse aus dem Projekt finden in allen Bereichen der Wertschöpfungskette Anwendung,
welche sich mit dem Transport, der Speicherung und der Erzeugung von Wasserstoff beschäftigen TF2 – TF4. Konkret ist das Projekt dem Themenfeld 6 Sicherheit zuzuordnen.
3. Verwendete KPI
Die bereitgestellten KPI beziehen sich gemäß dem Forschungsansatz allein auf die zu entwickelnden Sensoren.
58
H2-Index – Modell
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Die Sensorsysteme stellen einen vernachlässigbar kleinen Teil der CAPEX und OPEX entsprechender Anlagen bzw. Wertschöpfungskette dar. Demgegenüber steht ihre Bedeutung für
den sicheren Betrieb.
Das Projekt wird als sicherheitsrelevantes „Enabler“-Projekt eingestuft und ist daher nicht für
die Bewertung mit dem H2-Index-Tool geeignet.
59
H2-Index – Modell
7.3.7
218 – Ressy – Hys
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 218
RESSY-HYS
Skalierbares Reaktorkonzept zur Fischer-Tropsch-Synthese unter Nutzung innovativer Trägerstrukturen zur Herstellung werthaltiger Kohlenwasserstoffe zur Energiespeicherung
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
03.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Reaktors zur Synthese von Kohlenwasserstoffen aus „grünem“ Wasserstoff und Abgas-Kohlenstoffdioxid. Das Verfahren soll zur
Verminderung des Kohlenstoffdioxidausstoßes beitragen.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Die Projektskizze siedelt sich im Themenfeld 4, „Verwertung und Verbrauch“ an und behandelt das Element 4.2, Kohlenwasserstoffsynthese.
3. Verwendete KPI
Es wurden keine KPI verwendet.
60
H2-Index – Modell
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Die Rahmenbedingungen für eine wirtschaftliche Bewertung des Projektes sind momentan
noch nicht gegeben. In einer frühen Absprache mit dem Koordinator wurde gefunden, dass
sich ein vergleichbarer Stand der Technik momentan nicht definieren lässt, da Anlagen für die
Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Abgas- Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff bisher
nicht außerhalb von Versuchsanlagen existieren.
Damit fällt das Projekt in den Bereich Grundlagenforschung und Innovationen und ist im Moment nicht durch das H2-Index-Tool bewertbar.
61
H2-Index – Modell
7.3.8
219 - H2 – HD
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 219
H2-HD – Kunststoff-Hybrid-Hochdruck-Tanksysteme für hohe
H2-Speicherdichte
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Die Verteilung von durch erneuerbare Energien erzeugtem „grünem“ Wasserstoff erfordert geeignete zentrale und dezentrale Speicher- und Transporttanks mit Größen im LKW- oder
Schienenverkehrsmaßstab. Diese sind für den Transport und die Verteilung des Wasserstoffs
zum Endkunden bzw. die kurzfristige Lagerung beim Endkunden unabdingbar. Um der Wasserstofftechnologie zum Durchbruch zu verhelfen, müssen über einen langen Zeitraum sicher
und zuverlässig zu betreibende Tanks mit einer hinreichend hohen Energiedichte bei möglichst
geringem Gewicht entwickelt und zur Serienreife gebracht werden. Durch ihre vergleichsweise
hohe erreichbare systemische Energiedichte bieten Hochdrucktanks eine Vielzahl an Vorteilen. Für einen wirtschaftlichen und ressourceneffizienten Betrieb dieser Tanksysteme muss
der Betriebsdruck gegenüber den derzeit im Einsatz befindlichen Tanksystemen nochmals
deutlich in den Bereich bis zu 1000 bar und zukünftig ggf. mehr erhöht werden.
Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines Kunststoff-Hybrid-Hochdruckbehälters mit einem Betriebsdruck von bis zu 1000 bar für den effizienten Transport von
62
H2-Index – Modell
gasförmigem Wasserstoff sowie der zum Nachweis der Betriebssicherheit erforderlichen PrüfInfrastruktur. Dabei sollen die relevanten werkstoffmechanischen Fragestellungen zum Alterungsverhalten von Kunststoffhybriden und metallischen Werkstoffen für den Anlagen- und
Druckbehälterbau grundlegend analysiert werden. Das Vorhaben schafft damit die Grundlagen für die zukünftige Entwicklung von leistungsfähigen Tanksystemen.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Die Bewertung erfolgt für geplante Veränderungen im Element TF 3.5 Wasserstoffversorgung
über Trailer. Die Anlagengröße wird vom Antragsteller mit 57.000 kWh transportiertem Wasserstoff pro Trailer angegeben.
Vorgelagerte Elemente: Im Themenfeld 1 wird angenommen, dass grüner Strom aus Windkraftanlagen über das lokale Verteilnetz bezogen wird. Im Themenfeld 2 wird eine Alkalische
Elektrolyse der Größenordnung 50 MW angenommen. Die Fahrweise der Elektrolyse wird
nicht vom Stromangebot bestimmt.
Nachgelagerte Elemente: Der Abtransport des erzeugten Wasserstoffes wird durch Wasserstoff-Trailer realisiert. Ein Abnehmer für den produzierten Wasserstoff (TF4) wird nicht spezifiziert. Das Ergebnis betrifft den Preis des Wasserstoffes nach erfolgter Weiterleitung. Übergabepunkt ist beim Endverbraucher/Tankstelle.
3. Verwendete KPI
KPI
KPI Beschreibung
Stand der nach ProTechnik
jekt
Einheit
11. Investitionskosten

gesamte Investitionskosten
800.0000
1.600.000
€
145.000
145.000
€/a
36500
57000
kW
-
-
-
15
15
a
12. Betriebskosten gesamt

als jährlicher Gesamtwert
13. Arbeitsbereich des Elementes

Nennleistung/Nennkapazität

Regelbereich
14. Lebensdauer

Gesamtlebensdauer

Jährliche Betriebsstunden
2000
2000
h/a

Anteil der Anlagenerneuerung nach
Ablauf der Lebensdauer der Kernkomponente
100
100
%
98
98
%
-
-
-
15. Wirkungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgradveränderung (Degradation)
63
H2-Index – Modell
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Grundlagen:
Der Strombezug der Elektrolyseanlage erfolgt zum festgelegten Preis von 6 ct/kWh.
Bei der Bewertung wird davon ausgegangen, dass Nebenkomponenten, welche nicht Bestandteil der Projektskizze sind auch nicht von der vorgeschlagenen technischen Anpassung
beeinflusst werden. In diesem Projekt zum Beispiel Kompressoranlagen bei der Befüllung der
Trailer sowie Elemente der Gaseinspeisung beim Abnehmer.
Für die Berechnung der Transportkosten werden die Investitionskosten sowie die jährlichen
Betriebskosten als Gesamtwert betrachtet.
Es wird angenommen, das 100 % der Anlage nach Ablauf der Kernkomponente erneuert werden müssen.
Für die Berechnung der gesamten transportierbaren Menge Wasserstoff wird davon ausgegangen das ein einzelner Trailer an 250 Tagen im Jahr seinen gesamten Inhalt einmal an
Abnehmer verteilt (Tankstellen, lokale Tanks bei Wasserstoffverbrauchern).
Ergebnisse:
Preis des Wasserstofftransportes
Stand der Technik
Nach dem Projekt
2,51 Cent/m³ (i.N.)
0,71 Cent/kWh
2,11 Cent/m³ (i.N.)
0,60 Cent/kWh
Der Endpreis des Wasserstoffes beim Endabnehmer enthält noch zusätzlich die Produktionskosten für den Wasserstoff durch die Elektrolyseanlage von 25 - 50 ct/m³ (i.N.).
Durch die vorgeschlagenen Verbesserungen in dem Themenfeld verringern sich die Kosten
des Wasserstofftransportes um 0,4 ct/m³ (i.N.), bzw. 0,11 ct/kWh.
Im betrachteten Szenario entspricht dies einer Verbesserung des Preises für den Wasserstofftransport von 18 %. Die Gesamtkostensenkung beim Endverbraucher beläuft sich bedingt
durch den vergleichsweise kleinen Kostenanteil des Transportes in Abhängigkeit vom Wasserstoffpreis nach der Elektrolyse auf 0,8 – 2 %.
64
H2-Index – Modell
7.3.9
220 – Coomet
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 220
COOMet - Entwicklung eines gekoppelten Verfahrens zur Nutzung von grünem Wasserstoff für eine energetisch optimierte
Methanol-Herstellung aus Biogas
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
02.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Das Projekt verfolgt das Ziel, die Gewinnung und Hydrierung von CO2 zur Erzeugung von
Basischemikalien in einer Prozessstufe energetisch optimiert zu bündeln. Hierzu soll die starke
Exothermie der Hydrierungsreaktion mit endothermen Prozessen der CO2-Gewinnung auf
chemischen Weg verkoppelt werden, so dass die Reaktionswärmen sich weitgehend neutralisieren und dadurch eine sehr starke Effizienzsteigerung erreicht wird. Der bereits in seinen
chemischen Grundlagen gezeigte Basisprozess ist dabei so weiterzuentwickeln, dass er verfahrenstechnisch durch den Bau einer kontinuierlich arbeitenden Technikumsanlage umgesetzt werden kann. Grundprinzip des Prozesses ist die direkte katalytische Hydrierung von
CO2-beladenen Absorbentien, die zur Abtrennung des CO2 aus Rauch- und Biogasen verwendet werden. Ziel des Verfahrens ist die Herstellung von Methanol unter Rückgewinnung der
Absorbentien und der erneute Einsatz der Absorbentien, um den stofflichen Kreislauf zu schließen. Da die Desorption von CO2 stark endotherm ist, heben sich die Reaktionswärmen mit
65
H2-Index – Modell
denen der Hydrierung auf. Der Vorteil des Prozesses ist es, dass die Thermoneutralität auf
chemischen Weg erreicht wird und nicht durch die verfahrenstechnische Prozessgestaltung.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Die Bewertung erfolgt für das Element Kohlenwasserstoffsynthese TF 4.2 im Themenfeld 4,
Verwertung und Verbrauch.
Vorgelagerte Elemente:
Es wird Wasserstoff aus einer bestehenden Erzeugungskette zu einem konstanten Festpreis
bezogen. Es wird angenommen, dass die Wasserstoffversorgung keinerlei Schwankungen unterliegt, welche den Betrieb der Syntheseanlage beeinflussen (statische Betrachtung). Das
Projekt baut damit auf den Innovationen der Vorkette auf.
3. Verwendete KPI
KPI
KPI Beschreibung
Stand der nach ProTechnik
jekt
Einheit
16. Investitionskosten

spezifische Investitionskosten
293
382
€/(t/a)
350
282
€/t
62500
1200
m³ (i. N.)/h
100
100
%
10
10
a
17. Betriebskosten

spezifisch
18. Arbeitsbereich des Elementes

Nennleistung/Nennkapazität

Regelbereich Mindest und Max.-Leistung
19. Lebensdauer

Gesamtlebensdauer

Jährliche Betriebsstunden
8000
8000
h/a

Anteil der Anlagenerneuerung nach
Ablauf der Lebensdauer der Kernkomponente
100
100
%
20. Wirkungsgrad

Wirkungs- oder Nutzungsgrad
-
-
%

Wirkungs- oder Nutzungsgradveränderung (Degradation)
-
-
%/a
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Grundlagen:
Da für das vorgeschlagene Verfahren aktuell keine industrielle Umsetzung stadtfindet werden
die spezifischen Erzeugungskosten mit Literaturwerten für die großindustrielle Methanolsynthese verglichen. Der direkte Vergleich ist damit besonders streng, da der spezifische Herstellungspreis des konventionellen Verfahrens durch das scale-up bevorteilt ist.
66
H2-Index – Modell
Das Projekt geht davon aus, dass durch die Innovationen der HYPOS-initiative Grüner Wasserstoff in einem großindustriellen Maßstab bereitgestellt wird und dezentral an CO2-Quellen
genutzt werden kann. Es wird progressiv von einem Wasserstoff Abnahmepreis von ca. 2 €/kg
ausgegangen.
Ergebnisse:
Stand der Technik
Nach dem Projekt
Produzierte Menge pro Jahr
500.000 t
9.600 t
Spezifischer Methanolpreis
384,3 €/t
321,7 €/t
Die vorgeschlagene Anlage wird unter den angegebenen Bedingungen den Methanolpreis der
Vergleichsanlage um 62,6 /t Methanol unterbieten können. Dies entspricht einer Verbesserung
um ca. 16 %.
67
H2-Index – Modell
7.3.10 221 – ImplaN
BMBF-Initiative Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation
Initiative HYPOS
HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS
EAST GERMANY
BERICHT
zur wirtschaftliche Bewertung einzelner Projektanträge im Kontext der HYPOS-Wertschöpfungsketten mit Hilfe des H2-Index-Tools
Bewertete Skizze:
Nr. 221
ImplaN – Aufbau Initialstruktur für Wasserstofftankstellen
Bewertung:
DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg
Martin Pumpa, Stefan Schütz, Hartmut Krause
Stand:
01.12.2015
1. Kurzzusammenfassung
Es soll eine Tankstelleninfrastruktur ausgelegt werden, welche für örtlich begrenzte Logistikflotten wirtschaftlich dimensioniert ist und damit zusätzlich als Initialstruktur den Anreiz zu
Wasserstoff-PKW für Privatpersonen verbessern soll.
2. Eingliederung in die Wertschöpfungskette:
Das Projekt ist im Themenfeld 4 angesiedelt, es betrachtet die Versorgung von Brennstoffahrzeugen an Tankstellen (TF 4.3.).
Vorgelagerte Elemente: Sind für diesen Fall alle Elemente der Themenfelder 1 – 3.
68
H2-Index – Modell
3. Verwendete KPI
Die Projektskizze ist dem Querschnittsthemenfeld 6 zuzuordnen und hat damit nicht die Verbesserung einzelner Elemente im Fokus. Eine KPI-Liste konnte somit nicht erstellt werden.
4. Wirtschaftliche Bewertung:
Erklärtes Ziel der Projektskizze ist die wirtschaftliche Auslegung eines lokalen Tankstellennetzes. Die Projektskizze wird als „Enabler“ eingestuft und zielt auf eine großflächige Nutzung
von Brennstoffzellenfahrzeugen in der Region.
Aufgrund des Charakters der Skizze ist die Bewertung mit dem H2-Index-Tool nicht durchführbar.
69