Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff: Wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen für H2 als nachhaltiger Energieträger [1. Aufl.] 9783658305758, 9783658305765

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XL
Grundlagen zum Forschungsgebiet (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 1-32
Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 33-45
Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 47-90
Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 91-121
Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 123-159
Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 161-195
Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 197-224
Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 225-286
Hauptbeiträge und Zusammenfassung (Robert Staiger, Adrian Tanțǎu)....Pages 287-297
Back Matter ....Pages 299-323

Citation preview

Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz

Robert Staiger · Adrian Tanțău

Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff Wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen für H2 als nachhaltiger Energieträger

Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz Reihe herausgegeben von Gregor Weber, Breunigweiler, Deutschland Markus Bodemann, Warburg, Deutschland René Schmidpeter, Köln, Deutschland

In dieser Schriftenreihe stehen insbesondere empirische und praxisnahe Studien zu nachhaltigem Wirtschaften und Effizienz im Mittelpunkt. Energie-, Umwelt-, Nachhaltigkeits-, CSR-, Innovations-, Risiko- und integrierte Managementsysteme sind nur einige Beispiele, die Sie hier wiederfinden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Nutzen, den solche Systeme für die Anwendung in der Praxis bieten, um zu helfen die globalen Nachhaltigkeitsziele (SDGs) umzusetzen. Publiziert werden nationale und internationale wissenschaftliche Arbeiten. Reihen herausgeber: Dr. Gregor Weber, ecoistics.institute Dr. Markus Bodemann Prof. Dr. René Schmidpeter, Center for Advanced Sustainable Management, Cologne Business School This series is focusing on empirical and practical research in the fields of sustainable management and efficiency. Management systems in the context of energy, environment, sustainability, CSR, innovation, risk as well as integrated management systems are just a few examples which can be found here. A special focus is on the value such systems can offer for the application in practice supporting the implementation of the global sustainable development goals, the SDGs. National and international scientific publications are published (English and German). Series Editors: Dr. Gregor Weber, ecoistics.institute Dr. Markus Bodemann Prof. Dr. René Schmidpeter, Center for Advanced Sustainable Management, Cologne Business School

Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/15909

Robert Staiger · Adrian Tanțău

Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff Wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen für H2 als nachhaltiger Energieträger

Robert Staiger University of Bucharest Buchheim, Deutschland

Adrian Tanțǎu University of Bucharest Bucharest, Rumänien

ISSN 2523-8620 ISSN 2523-8639  (electronic) Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz ISBN 978-3-658-30576-5  (eBook) ISBN 978-3-658-30575-8 https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National­ bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa­ tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Gabler ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany

Vorwort: Dr. Georg Kobiela Die heraufziehende Klimakrise verlangt nach raschen, tiefgreifenden und vielgestaltigen Lösungen. Die Dramatik und notwendige Veränderungsdynamik wie auch die Tiefe der Transformation wird im ökonomischen Mainstream erst langsam realisiert. Grüner Wasserstoff als nachhaltiger sekundärer Energieträger für die unterschiedlichen Anwendungen in den drei Energiesektoren Wärme, Strom und Mobilität wird zukünftig eine Schlüsselrolle in der Energieversorgung spielen. Der Umfang aktueller nationaler und internationaler Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten und spricht eine ebenso deutliche Sprache wie vielfältige politische Bekundungen. Energiewende und Industrietransformation auf europäischer Ebene können zu positiven Gesamtvolkswirtschaftlichen Effekten führen. Wasserstoff als nachhaltiger sekundärer Energieträger wird dabei ein wichtiges Bindeglied in den drei Energiesektoren Elektrizität, Wärme und Mobilität spielen, aber auch für die energieintensive Grundstoffindustrie zu einem bedeutenden eigenständigen Energieträger werden. Zum erfolgreichen Aufbau einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energieinfrastruktur bedarf es der umfassenden Betrachtung der mikro- und makroökonomischen Zusammenhänge. Nationale wie transnationale Märkte müssen entsprechend berücksichtigt und gestaltet werden, was über ein simples Matching von Güter- bzw. Faktorpreisen hinausgeht. Der Werkzeugkasten zur Rahmengestaltung ist vielfältig und enthält neben der CO 2-Bepreisung und potentiell international heiklen Grenzausgleichsregimes auch mögliche Werkzeuge wie Zertifizierungen, Carbon Contracts for Difference, Quotierungen und Veränderungen des (öffentlichen) Beschaffungswesens. Dieses Buch verbindet ökonomische, ökologische und technische Zusammenhänge mit dem Einsatz von grünem Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger und stellt einige relevante Betrachtungen für den Bereich der Nutzung von Brennstoffzellen im Mobilitätsbereich dar. Der Gesamtenergiebedarf in Form von Strom und Wasserstoff wird durch in den nächsten Jahrzehnten stark zunehmen und kumuliert ein Vielfaches des aktuellen nationalen Strombedarfs ausmachen. Hierzu wurden sowohl auf globaler, europäischer und nationaler Ebene in den letzten Jahren diverse Roadmaps erstellt. Allein die Defossilisierung der energieintensiven Grundstoffindustrie in den Bereichen Chemie, Stahl und Zement wird selbst ohne Berücksichtigung des Mobilitätssektors weitaus größere Mengen an erneuerbarer Energie benötigen, als sie in derzeitig praktizierten Ausbaupfaden in

VI

Vorwort: Dr. Georg Kobiela

Deutschland erreicht werden können. Die großskalige Nutzung von Biomasse stellt bei weitem keine generell klimaneutrale oder ökologisch unbedenkliche Strategie dar, hier sind die nachhaltigen Potenziale sowohl national als auch global durchaus begrenzt. Weder Elektrizität noch Wasserstoff werden insofern quasi unbegrenzt zur Verfügung stehen. Importe diverser klimaneutral bereitgestellter Energieträger werden von großer Relevanz sein und die entsprechenden Märkte können sich ähnlich umkämpft gestalten wie dies heutzutage für Erdöl, Kohle und Erdgas gilt. Eine Priorisierung des Einsatzes von Wasserstoff im Sinne einer Merit-Order für die Emissionsvermeidung erscheint hier angeraten. Mit entsprechender Marktgestaltung und -regulierung kann hierbei durchaus die Zahlungsbereitschaft diverser Anwendungsbereiche für die kostenoptimierte Umsetzung einer gelingenden Gesamttransformation nutzbar gemacht werden. Die benötigten Energiemengen durch innerhalb Deutschlands generierte erneuerbare Energien bereitzustellen stellt eine enorme Herausforderung dar. Solch eine Abdeckung und könnte nur durch ein sehr umfassendes Maßnahmenbündel realisiert werden und verlangt zugleich nach einem schnellen Kohleausstieg. Die notwendigen starken Nachfragerückgänge lassen sich allerdings nur erreichen durch eine Kombination von Effizienz- Konsistenz- und Suffizienzmaßnahmen wie der verstärkten Nutzung direktelektrischer Systeme und Vermeidung von Verlusten, neuer Produktionsprozesse, stark erhöhten energetischen Sanierungsraten im Gebäudebereich, einer Mobilitätswende mit Wegereduktionen und einem ambitionierter Modal Shift im Mobilitätsbereich inklusive einer Abkehr vom Flug- und motorisierten Individualverkehr, aber auch Einschränkungen wie eine Reduktion der über die letzten Jahrzehnte auf das dreifach angestiegenen proKopf-Fläche an Wohnraum. Auch eine Kreislaufwirtschaft mit geschlossenen Kohlenstoffkreisläufen wird den Bedarf an energieintensiven Neumaterialien senken, zugleich aber auch mit erhöhten Wasserstoffbedarfen einhergehen. Exemplarisch sei hierzu das chemische Recycling von derzeit lediglich zur Verbrennung einsetzbarer Kunststoffabfälle genannt. Im vorliegenden Buch werden mithilfe von Geschäftsmodell-Theorien die unterschiedlichen Anwendungen und auch möglichen künftigen Märkte in den mobilen und stationären Bereichen im Wärme- und im Mobilitätssektor beleuchtet. Diese Anwendungen basieren auf den aktuellen technologischen Stand, „Breakthrough“-Technologien werden hier nicht mit betrachtet. Als Referenz hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit dienen fossile Technologien auf ihrem aktuellen Entwicklungsstand. Hilfreich zur Einordnung der ökonomischen, ökologischen und marktrelevanten Konsequenzen ist die Beschreibung der wirtschafts- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen in den ersten Kapiteln. In den weiteren Kapiteln werden stationäre und mobile

Vorwort: Dr. Georg Kobiela

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Anwendungen von zumeist privaten Endkunden beschrieben, industrielle Kunden wie etwa die energieintensive Grundstoffindustrie stehen nicht im Fokus der vorliegenden Betrachtung. Mehrere Fallstudien stellen die ökologischen und ökonomischen Merkmale von grünem Wasserstoff dar und sollen an Beispielen die heute schon erreichbare Effizienz dezentraler Wasserstoffherstellung illustrieren. Insbesondere E-Fuels werden hierbei in den Fokus gestellt. Diese werden künftig sicherlich eine wichtige Rolle in der Energieinfrastruktur spielen, auch wenn noch nicht abzusehen ist, in welchen Weltregionen deren Produktion stattfinden wird. Das Buch schließt mit einer empirischen Studie zu ökonomischen, ökologischen und technischen Fragen mit grünem Wasserstoff ab. Hierdurch vermittelt es einen interessanten Überblick der im Netzwerk „Hydrogen Ambassadors“ vorherrschenden Denkweisen, wo sicherlich eine große Kompetenz hinsichtlich des Aufbaus und der Anwendung von Wasserstoff-Brennstoffzellen versammelt ist. Hierauf aufbauend lässt sich eine außerordentlich produktive Reflexion der vorherrschenden Sichtweisen beginnen, die freilich nur einen kleinen Ausschnitt aus der Gesamtschau darstellen auf mögliche Entwicklungen der Synthese und Verwendung von Wasserstoff und inwiefern andere Energieträger teilweise konkurrierend, teilweise ergänzend in ihrer Nutzung zunehmen werden. Mit dieser rahmenden Einordnung stellt die Arbeit einen lesenswerten Erkenntnisgewinn für Studierende und Dozent*innen in den Fachgebieten der Wirtschafts- und energiebezogenen Ingenieurswissenschaften dar und trägt dazu bei, die in unterschiedlichen Subkontexten vorherrschenden Perspektiven sichtbar zu machen. Auch Unternehmensvertreter*innen, die endkundenorientierte Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff entwickeln und umsetzen möchten dürften einen Gewinn aus dem vorliegenden Buch zeihen können. Wuppertal, Januar 2020 Dr. Georg Kobiela

Vorwort: Autoren Dieses Buch „Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff“ basiert auf der Forschungsdissertation zur Erlangung des Doktortitels von Herrn Robert Staiger. Herr Prof. Dr. Dr. A. Tanțǎu war wissenschaftlicher Betreuer und Koordinator dieser Forschungsarbeit. Seine langjährige Expertise im Bereich erneuerbaren Energien und deren möglichen Geschäftsmodellstrukturen waren für die Betreuung und Koordinierung dieser Arbeit eine Bereicherung. Das besondere Interesse in diesem Buch liegt in der Betrachtung des „nachhaltigen“ grünen Energieträgers Wasserstoff, den möglichen Anwendungen und deren heutigen und zukünftigen Geschäftsmodell Strukturen. Dabei wurden eine Vielzahl von unterschiedlichen Themenbereichen in die Forschungsarbeit mit eingebunden. Die Komplexität und die dabei notwendigen Betrachtungen über den „Tellerrand“ der Geschäftsmodelltheorien waren dabei unabdingbar. Technische, ökologische und wirtschaftswissenschaftliche Betrachtungen waren für die Beantwortung der Forschungsfragen von bedeutender Relevanz. Der Untersuchungsbereich erstreckte sich auf stationäre und mobile Anwendungen mit grünem Wasserstoff als sekundärer Energieträger. Ziele und Aufgabe der Arbeit Ziel und Aufgabe der Arbeit war es charakteristische Eigenschaften von bestehenden und neuen Geschäftsmodellen mit grünem Wasserstoff zu quantifizieren und auf Ihre Relevanz zu prüfen und zu beschreiben. Aus den Zielen der Arbeit wurde die Frage nachgegangen wie mit grünem Wasserstoff als nachhaltigem Energieträger die zukünftigen Anwendungen gestaltet und entwickelt werden können. Die zentrale Forschungsfrage der Arbeitet lautete dabei: Welche besonderen Eigenschaften im Geschäftsmodellbaustein Werteversprechen/ Nutzenversprechen, sind für die stationären und mobilen Anwendungen mit Wasserstoff als grünem sekundärem nachhaltigen Energieträger von besonderer Bedeutung? Aus den verschiedenen Forschungsarbeiten der letzten Jahre werden die besonderen Eigenschaften für Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff auf ihre Relevanz geprüft und dargestellt werden. Untersucht werden dabei stationäre und mobile Anwendungen mit grünem Wasserstoff.

Vorwort: Autoren

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Abbildung 1 zeigt die Haupt- und Nebenziele der Arbeit.

Abbildung 1: Ziele der Forschungsarbeit Quelle: Eigene Darstellung.

Diese Ziele werden in einzelne Forschungsfragen überführt, die es gilt in dieser Arbeit zu beantworten. Dazu werden weiterer Unterteilungen in Nebenfragen vorgenommen, die in den unterschiedlichen Forschungsarbeiten in den einzelnen Kapiteln des Buches zu beantwortet. Tabelle 1 zeigt ein Auszug möglicher sekundärer Forschungsfragen.

Vorwort: Autoren

Tabelle 1:

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Weitere sekundäre Forschungsfragen

Kapitel

Nebenfragen

2

Grundlagen

3

Umwelt+ökonomische Auswirkungen mit H2

4

Archetypische Geschäftsmodelle

5

Geschäftsmodelle für stationäre Anwendungen

Was ist Energie und welche Bedeutung hat „das Gut“ in der heutigen Volkswirtschaft Was ist fossile Energie und erneuerbare (grüne) Energie? wo sind die Unterschiedsmerkmale? Welche ökologischen und ökonomische Konsequenzen hat die Nutzung fossiler Energieträger? Was ist grüner H2? Was bedeutet Nachhaltigkeit grundsätzlich und in Bezug auf grünen Wasserstoff (H2)? Was sind Geschäftsmodelle und welche Strukturen gibt es? Wie ist die Geschäftsmodell-Theorie von Osterwald/Pigneur aufgebaut? Wie sehen die Umweltauswirkungen in der heutigen Energieinfrastruktur aus? Welche Energiewanlder gibt es heute und wo sind die Unterschiede? Sind Kraftwerke für erneuerbare Energien ökonomisch/ökologisch sinnvoll? Wie wird H2 hergestellt und welche Auswirkungen haben die Prozesse auf Umwelt und Ökonomie? Was sind Stromgestehungskosten und wie werden diese für Prozesse berechnet? Ist es ökonomisch empfehlenswert, H2 als grünen Energieträger einzusetzen? Welche Konsequenzen hat grüner H2 für die Energieinfrastruktur/Ökologie/Ökonomie? Welches sind Eigenschaften von grünem H 2 für die Bausteine in einem Geschäftsmodell (Werte/Nutzenversprechen, Value Propositions)? Welche Marktteilnehmer gibt es mit grünem H2? was sind Geschäftsfelder und welche Einteilung gibt es mit grünem H2? Was sind mögliche archetypische Geschäftsmodelle und wie sind sie strukturiert? Welche achetypischen Geschäftsmodelle gibt es für die grünen H2-Anwendungen? Welches sind die Eigenschaften der einzelnen Bausteine von archetypischen Geschäftsmodelle? Wie können die stationären Anwendungen eingeteilt werden? Wie hoch ist die Marktnachfrage nach stationären Anwendungen? Wie sehen die zukünftigen Potenziale für grünen H2 im stationären Segment aus? Was sind Brennstoffzellen? Welche stationäre Systeme gibt es und wo sind die Unterscheidungsmerkmale? Wie können stationäre Systeme berechnet werden? Welche Hilfsmittel (Simulationen) gibt es und wie arbeiten diese? Wie sehen Vergleiche zwischen konventionellen und stationären H2-Anwendungen aus? Was sind hybride Systeme? Wie sehen mögliche Potenziale in den noch H2-Nischenmärkten aus? Welches sind die Eigenschaften der verschiedenen Bausteine von Geschäftsmodelle im stationären Anwendungsbereich?

Vorwort: Autoren

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6

Geschäftsmodelle für mobile Anwendungen

7

Geschäftsmodelle für Power- to- X Anwendungen

8

Empirische Studie

Wie kann der Mobilitätssektor eingeteilt werden? Wie hoch ist die Marktnachfrage nach H 2 Fahrzeugen? Wie sehen die zukünftige Potenziale für grünen H2 im Mobilitätsbereich aus? Wie sehen Vergleiche zwischen konventionellen BEV und Brennstoffzellenfahrzuege (FCEV) aus? Welche Möglichkeiten mit H2 gibt es für kommerzielle Fahrzeuge? Welches sind die Eigenschaften der verschiedenen Bausteine von Geschäftsmodelle im mobilen Anwendungsbereich? Was sind PtX-Anwendungen? Sind diese essentiell für eine erneuerbare Energieinfrastruktur? Welches Potenzial wird diesem Konzept prognostiziert? Welche Anwendungen sind für grünen H2 geeignet? Wie sehen die ökonomischen/ökologischen Vorteile gegenüber konventionellen Anwendungen aus? Welche Beispiele gibt es für H2-Anwendungen in der Zukunft? Wie sehen die Eigenschaften der verschiedenen Bausteine von Geschaftsmodellen im PtX Anwendungsbereich aus? Welches sind die Ziele der empirischen Studie? Wie sehen mögliche Hypothesen aus? Wie sieht das Fragedesign aus? Wie erfolgt die Auswertung? Welche Tools werden genutzt? Wie können Hypothesen falsifiziert werden? Wie sind die Zusammenhänge zu den unterschiedlichen Forschungsbereichen?

Quelle: Eigene Darstellung.

Mit Hilfe einer Expertenbefragung in einem Wasserstoffnetzwerk werden qualitative und quantitative Daten zusätzlich erfasst. Diese werden zusammen mit den einzelnen Forschungsarbeiten für die Beantwortung der Fragen zum Thema grüner Wasserstoff zusätzlich herangezogen. Von Bedeutung sind die Eigenschaften der verschiedenen Bausteine von Geschäftsmodellen. Die Informationen werden statistisch aufbereitet und als Ergebnisse dargestellt. So können die in Kapitel 8.5.1 aufgestellten Hypothesen zu H2 als erneuerbarem Energieträger geprüft und im Kontext mit den Geschäftsmodell-Eigenschaften bewertet werden. Die vorliegende Arbeit soll darlegen, wie GM aufgebaut sein können. Dazu wird das GM in die vier Bereiche Angebot, Infrastruktur, Kunden und Ertrag eingeteilt. Diese wiederum konstituieren sich nach Osterwalder und Pigneur in insgesamt neun Bausteinen. Diese beschreiben die Geschäftsmodelle und zeigen, auf Basis welcher Logik ein Unternehmen erfolgreich sein kann. Abbildung 2 zeigt die Struktur der Geschäftstätigkeit von Unternehmen, ausgehend von Geschäftsfeldern und den möglichen archetypischen Geschäftsmodelle.

Vorwort: Autoren

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Abbildung 2: Geschäftstätigkeit von Unternehmen Quelle: Eigene Darstellung.

Methodeneinsatz Um die gesteckten Ziele der vorliegenden Arbeit zu erreichen, wurden unterschiedliche Instrumente und Methoden eingesetzt. Diese wurden dazu genutzt, Berechnungen, statistische Auswertungen sowie primäre und sekundäre Daten zu prüfen, zu bewerten und daraus neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Die Kriterien für den Methodeneinsatz richteten sich dabei nach den Fragestellungen in dieser Arbeit. Es wurden mathematische/statistische, primär und sekundäre Daten, Feldtest Daten, Fallstudien, Simulationsprogramme und eine empirische Studie (Expertenbefragung) als Methoden Wahl gewählt

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Vorwort: Autoren

Folgende Methoden und Daten kommen dabei zum Einsatz: 1. Mathematische und statistische Methoden werden verwendet, um beispielsweise Wirtschaftlichkeit zu berechnen, zu prüfen und zu vergleichen. Hier kommen dynamische und statische Methoden zum Einsatz. 2. Für wirtschaftliche Betrachtungen im Bereich Energie und H2 werden Recherchen anhand von primären und sekundären Daten durchgeführt. Diese werden mithilfe von Datenbanken, Tabellenkalkulationen etc. auf Plausibilität und Korrektheit geprüft. 3. Feldtest-Daten werden zur Prüfung von wissenschaftlichen Aussagen, Plausibilitäten und Ergebnissen eingesetzt. 4. Fallstudien werden eingesetzt, um Daten zu bestimmten spezifischen Fragen und Problemstellungen zu gewinnen. 5. Softwareprogramme werden für Berechnungen, Darstellungen, grafische Darstellungen verwendet. 6. Ein weiteres Hilfsmittel zur Prüfung, Darstellung und Berechnung von Forschungsfragen sind Simulationsmodelle, die mithilfe von bestimmten Software-Algorithmen speziell im Bereich PV, dezentrale Energiesysteme, Gebäudehülle und Kraft-WärmeKopplung (KWK) zum Einsatz kommen, und Instrumente wie das Global Emission Model for Integrated Systems (GEMIS). Diese Simulationen ermöglichen es, die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen unterschiedlicher Energietransformationsprozesse mit denen von grünem H2 zu vergleichen, um daraus Antworten auf die Forschungsfragen zu gewinnen. 7. Für zukunftsorientierte Betrachtungen werden Experten zum Thema befragt. Die Expertenbefragung wird über das Netzwerk „Hydrogen Ambassador“ durchgeführt. Mithilfe der dabei erhobenen quantitativen und qualitativen Daten können die aufgestellten Fragen und Hypothesen zum Nutzenversprechen (Value Proposition) für Geschäftsmodelle mit H2 als Energieträger auf Plausibilität und Relevanz geprüft werden. Tabelle 2 zeigt, welche Instrumente für die Beantwortung der Forschungsfragen verwendet wurden.

Vorwort: Autoren

Tabelle 2:

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Eingesetzte Instrumente der Arbeit Instrumente

Mathematische Methoden statisch/dynamisch

Aufgabe - Überprüfung von Daten und Fakten - Plausibilitätschecks, ökonomische Sinnhaftigkeit

1. Primäre/sekundäre Daten

- Zeitliche Vergleiche, Tendenzen, Korrelationen - Rückschlüsse auf Trends, Vergleich von Zuständen - Ökonomische Betrachtungen

2. Feldtests

- Aktuelle Informationen von Applikationen – Rückschlüsse auf mögliche Trends - Design- und Marketing-Betrachtungen - Marktreaktionen

3. Fallstudien

- Überprüfung von Daten und Fakten - Marketing-Untersuchung

4. Softwarepakete

- Prüftools, Darstellung Diagramme, Vergleiche, Plausibilität

- Windows Programme 5. Simulation und

Softwaretools - GEMIS - EnergyPro, ETU Planer, BHKW Ulimate, E!Sankey, BW MFCA, ETU Gebäudesimulation, ETU PV/Solarthermie 6. Expertenbefragung (online)

-

Überprüfung von Daten und Fakten, Plausibilitätschecks Ökonomische Berechnungen Ökologische Berechnungen Variationen und Anzahl von Berechnungen Variantenvergleich

- Statistische Auswertungen mit der Software SPSS - Varianzanalyse - Darstellungssystematik, Dokumentation

Quelle: Eigene Darstellung.

Aufbau der Arbeit Kapitel 1 stellen die Grundlagen der vorliegenden Arbeit dar. Alle weiteren Kapitel enthalten wissenschaftliche Untersuchungen der letzten Jahre zum Thema Wasserstoff als grüner nachhaltiger Energieträger mit Ergebnissen zu spezifischen Eigenschaften von Geschäftsmodelle für mobile und stationäre Anwendungen mit grünem Wasserstoff. Eines der Hauptaugenmerk in diesem Buch gilt dem Baustein „Value Proposition/Werteversprechen/Nutzenversprechen“ mit den vier Bereichen (Kunden, Angebote, Infrastruktur und Ertrag). Diese finden in jedem der Kapitel 3–7 Anwendung und werden in Kapitel 8 anhand empirischer Daten einer Bewertung und einem Vergleich unterzogen. Im Einzelnen präsentieren die Kapitel die folgenden Inhalte: In Kapitel 1 werden die Grundlagen zum Forschungsgebiet herausgearbeitet und der aktuelle Stand der Forschung aufgezeigt. Abschnitt 1.1 behandelt die Grundsätze im

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Vorwort: Autoren

Umgang mit Energie und stellt damit wichtige Grundlagen für die folgenden Teile der Arbeit dar. Abschnitt 1.2 und 1.4 beschreibt die heutige ökologische und ökonomische Debatte um die Wahl zwischen konventionellen Energieträgern und grüner Energie. Auch wird auf die Notwendigkeit von nachhaltigem Handeln eingegangen und grundlegende Zusammenhänge des Nachhaltigkeitsgedankens werden gezeigt. Abschnitt 4 erläutert grünen H2, dessen Herstellungsmöglichkeiten sowie ökonomische und ökologische Sachverhalte, die für die Nutzung von grünem H2 von Bedeutung sind. Kapitel 2 erklärt die strukturellen Merkmale von Geschäftsmodellen und das für die Arbeit genutzte Geschäftsmodell von Osterwalder und Pigneur. In Kapitel 3 werden Umwelt- und ökonomische Auswirkungen der Nutzung von grünem H2 als erneuerbarem Energieträger untersucht. Es werden bekannte Energiesysteme umwelttechnisch und ökonomisch analysiert und mit möglichen substituierbaren H2-Anwendungen verglichen. Auf dieser Basis werden wichtige Merkmale der Ergebnisse von grünem H2 beschrieben und bewertet. Diese Merkmale können für unternehmerischen Erfolg bzw. Misserfolg ausschlaggebend sein. Wichtig ist die Klärung, wie grüner H2 dazu beitragen kann, die Umwelt- und Klimaproblematik zu minimieren, und wie hoch dabei die Potentiale für die unterschiedlichen Anwendungen sind. Zugleich sollen die ökonomischen Konsequenzen im Vergleich zu den heute im Einsatz befindlichen Energieträgern aufgezeigt werden. Kapitel 4 analysiert archetypische Geschäftsmodelle mit grünem H2. Die Geschäftsmodelle werden dabei nach den unterschiedlichen Anwendungen unterteilt. Wichtige Eigenschaften der einzelnen Geschäftsmodell-Bausteine werden als Grundlage für die weitere Arbeit in Tabellenform dargestellt. Kapitel 5 analysiert stationäre/portablen Anwendungen mit grünem H2. Es wird geklärt, welche Anwendungen heute und zukünftig zur Auswahl stehen können. Dabei wird untersucht, wie stationäre H2-Anwendungen funktionieren, welche Probleme bei der Nutzung von H2 auftreten können und welche ökonomischen und ökologischen Vorteile solche Systeme bieten. Zudem wird der Frage nachgegangen, welche spezifischen Geschäftsmodell-Bausteine aus den Anwendungen hervorgehen. Mithilfe von softwaregestützten Simulationsmodellen werden wichtige Erkenntnisse zu den charakteristischen Eigenschaften dieser Bausteine erarbeitet, dargestellt und verglichen. Das Ziel des Kapitels ist es, eine Systematik der heutigen stationären Anwendungen von H2 als erneuerbarem Energieträger darzustellen. Es werden die unterschiedlichen stationären Anwendungen, technologische Gemeinsamkeiten, mögliche Risiken und disruptiven Situationen aufgezeigt. In Kapitel 6 werden mobile Anwendungen als Grundlage für innovative Geschäftsmodelle mit grünem H2 analysiert. Untersucht wird, welche Chancen Wasserstoff als erneuerbarer Energieträger bietet und wie sich einschlägige Geschäftsmodelle gestalten

Vorwort: Autoren

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können. Es erfolgt eine Systematisierung der heute und zukünftig möglichen mobilen Anwendungen von grünem H2 bzw. von auf Basis von H2 künstlich erstellten Kraftstoffen. Mit einem Well-to-Wheel-Modell werden die spezifischen Merkmale ökonomisch und ökologisch dargestellt. Dazu werden heutige Fahrzeug mit E-Fahrzeugen (Battery Electric Vehicle, BEV) und Brennstoffzellen-Fahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) verglichen und bewertet. Des Weiteren werden kommerzielle mobile Anwendungen analysiert. Abschließend werden in diesem Kapitel die Bausteine und die charakteristischen Eigenschaften der unterschiedlichen GM dargestellt und beschrieben. Kapitel 7 analysiert die neu entstehenden, noch auf Nischenmärkte beschränkten Anwendungen und Prozesse mit H2 als Energieträger. Diese neuen Anwendungen und Prozesse gliedern sich in eine Vielzahl von Varianten, die mit dem Begriff Power to X bezeichnet werden. Es wird genauer analysiert, wie diesbezügliche Geschäftsmodelle aufgebaut sein können und wie ihre Eigenschaften zu beschreiben sind. Mithilfe von Simulationssoftware und aktuellen Case Studies werden diese Anwendungen auf ihre ökonomische und ökologische Tauglichkeit geprüft und wichtige Eigenschaften von zukünftigen GM dargestellt. Um weitere quantitative und qualitative Informationen zu erhalten und so die aufgestellten Hypothesen bestätigen oder widerlegen zu können, wurden Experten aus einem internationalen Wasserstoffnetzwerk zur Entwicklung von GM für H2-Nutzwerte befragt. In Kapitel 8werden die Ergebnisse dieser Studie beschrieben, ausgewertet und zur Hypothesenprüfung eingesetzt. Die quantitativen und qualitativen Daten werden für die Analyse möglicher Geschäftsmodelleigenschaften (insbesondere des Bausteins Value Proposition) herangezogen. Die Ergebnisse aus den Forschungsarbeiten der Kapitel 3–8 werden in Kapitel 9 diskutiert und es werden Schlussfolgerungen zur Beantwortung der Forschungsfragen gezogen. Zudem wird ein Ausblick auf die Möglichkeiten gegeben, die H 2 als grüner sekundärer erneuerbarer Energieträger mit Blick auf die Bausteine der Geschäftsmodellstrukturen bietet. Mögliche Einschränkungen und neue Fragestellungen werden dokumentiert, damit diese in zukünftigen wissenschaftlichen Arbeiten weiter untersucht werden können.

Januar 2020 /Buchheim,Bukarest

Inhaltsübersicht

Inhaltsverzeichnis ...................................................................................................................... XXI Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................... XXVII Tabellenverzeichnis..................................................................................................................XXXI Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................................... XXXV Zusammenfassung ............................................................................................................... XXXVII

1

Grundlagen zum Forschungsgebiet ....................................................................................... 1

2

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften ........................................................ 33

3

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff .............. 47

4

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff ................................... 91

5

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff ................. 123

6

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff ...................................... 161

7

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff................................. 197

8

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff ................................... 225

9

Hauptbeiträge und Zusammenfassung ............................................................................. 287

Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 299 Anhang ...................................................................................................................................... 317

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................... XXVII Tabellenverzeichnis..................................................................................................................XXXI Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................................... XXXV Zusammenfassung ............................................................................................................... XXXVII

1

Grundlagen zum Forschungsgebiet ..................................................................... 1 1.1 Energie und Energieumwandlung ......................................................................1 1.1.1 Energiesektoren und Sektorenkopplung .................................................2 1.1.2 Primärenergie, Sekundärenergie, Endenergie und Nutzenergie ............4 1.2 Erneuerbare grüne Energieträger ......................................................................5 1.3 Wichtigkeit des Forschungsbereichs .................................................................6 1.4 Konventionelle Energieträger ............................................................................8 1.4.1 Effizienz der Energieumwandlung ...........................................................8 1.4.2 Ökologische Konsequenzen mit fossilen Energieträgern ......................10 1.4.3 Ökonomische Konsequenzen mit fossilen Energieträgern ...................19 1.4.4 Begrenztheit und Nachhaltigkeit von fossilen Energieträgern .............22 1.5 Wasserstoff als grüner Energieträger ..............................................................23 1.5.1 Einleitende Bemerkungen zum grünen Wasserstoff ............................23 1.5.2 Wasserstoff Grundlagen ........................................................................28

2

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften ........................................ 33 2.1 Begriffsdefinition Geschäftsmodell .................................................................33 2.2 Geschäftsmodell Ansätze .................................................................................34 2.3 Ziele von Geschäftsmodelle .............................................................................34 2.4 Bereiche von Geschäftsmodelle ......................................................................35 2.5 Geschäftsmodellinnovationen als Reaktion auf Veränderungen der Umwelt .............................................................................................................36 2.6 Geschäftsmodelltheorie von Osterwalder und Pigneur ..................................37 2.7 Zusammenfassung ...........................................................................................44

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Inhaltsverzeichnis

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Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff ...................................................................................................... 47 3.1 Hintergrund und Merkmale von grünem Wasserstoff .................................... 47 3.2 Energiewandler für grünen Wasserstoff ......................................................... 50 3.2.1 Konventionelle Kraftwerke zur Elektrizitätsgewinnung ....................... 50 3.2.2 Kraftwerke mit erneuerbarer Energie .................................................. 53 3.3 Herstellungsprozesse von Wasserstoff ........................................................... 61 3.4 Umweltauswirkungen von grünem Wasserstoff............................................. 64 3.4.1 Umweltauswirkungen am Beispiel einer Fallstudie .............................. 64 3.4.2 Diskussion der Umweltauswirkungen im Fallstudien Beispiel ............. 65 3.4.3 Umweltkosten als externe Kostenbestandteile bei der Energieumwandlung ............................................................................. 65 3.5 Forschungsziele ............................................................................................... 67 3.6 Methoden ........................................................................................................ 68 3.7 Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff ..................................... 71 3.7.1 Fallstudie 1: Dezentrale Anlage mit Photovoltaik ................................ 77 3.7.2 Fallstudie 2: Dezentrale Wasserstoffherstellung Laufzeit 20 Jahre ..... 78 3.7.3 Fallstudie 3: Verifizierung Aussage CEO H. Simonsen NEL ................... 81 3.7.4 Fallstudie 4: Dezentrale Wasserstoffherstellung Laufzeit 8 Jahre ....... 83 3.8 Zusammenfassung ........................................................................................... 85 3.8.1 Grundsätzliches zur Analyse von grünem Wasserstoff ........................ 85 3.8.2 Geschäftsmodell Bausteine zur Analyse von grünem Wasserstoff ...... 87 3.8.3 Zwischenresümee: Umwelt und ökologische Merkmale von grünem H2 ............................................................................................. 90

4

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff .................... 91 4.1 Nachfrage von Wasserstoff als grüner Energieträger ..................................... 91 4.2 Markteilnehmer einer grünen H2-Ökonomie .................................................. 95 4.3 Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff.............................. 96 4.3.1 Geschäftsfelder als Basis für die Geschäftsmodelle ............................. 96 4.3.2 Geschäftsfeld: Herstellung von grünem Wasserstoff ......................... 103 4.3.3 Geschäftsfeld: Infrastruktur mit grünem Wasserstoff ....................... 109 4.3.4 Geschäftsfeld: Anwendungen mit grünem Wasserstoff .................... 111 4.4 Zusammenfassung ......................................................................................... 116 4.4.1 Grundsätzliches zu Archetypische Geschäftsmodelle ........................ 116 4.4.2 Geschäftsmodell Bausteine zu archetypischen Geschäftsmodelle .... 117 4.4.3 Zwischenresümee: archetypische Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff ......................................................................................... 121

Inhaltsverzeichnis

XXIII

5

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff .. 123 5.1 Hintergrund zu stationären/portablen Anwendungen ................................ 123 5.2 Forschungsziele ............................................................................................. 130 5.3 Methodik ....................................................................................................... 130 5.4 Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen ............................... 133 5.4.1 Heutiger Heizungsmarkt ..................................................................... 133 5.4.2 Fallstudie 1 Berechnungen zu Kraft-Wärme-Kopplung Systeme ....... 134 5.4.3 Fallstudie 2: Hybride Heizungssysteme .............................................. 140 5.4.4 Fallstudie 3: KWK Anlagen mit Brennstoffzelle .................................. 146 5.5 Nischenprodukte ........................................................................................... 149 5.5.1 Brennstoffzellensysteme für Nischenmärkte ..................................... 149 5.5.2 Energieautarke Systeme mit Fallstudie .............................................. 151 5.6 Zusammenfassung ........................................................................................ 154 5.6.1 Grundsätzliche Zusammenhänge zu stationäre/portable Anwendungen .................................................................................... 154 5.6.2 Geschäftsmodell Bausteine zu stationäre/portable Anwendungen .. 155 5.6.3 Zwischenresümee: stationäre Anwendungen mit grünem Wasserstoff ......................................................................................... 158

6

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff ...................... 161 6.1 Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen ..................................................... 161 6.1.1 E-Fahrzeuge (BEV) versus Brennstoffzellen-Fahrzeug (FCEV) ............ 167 6.1.2 Brennstoffzellen-Fahrzeug (FCEV) ...................................................... 172 6.2 Forschungsziele ............................................................................................. 173 6.3 Methoden ..................................................................................................... 174 6.4 Mobilitätsanwendungen ............................................................................... 176 6.4.1 Brennstoffzellenfahrzeuge und Elektrofahrzeuge ............................. 176 6.4.2 Trends bei E-Fahrzeugen und Brennstoffzellen-Fahrzeugen ............. 177 6.4.3 Fallstudie 1: Verbrennungsantrieb, E- , und Brennstoffzellen Fahrzeug ............................................................................................. 179 6.5 Brennstoffzellen- versus Batteriefahrzeuge ................................................. 184 6.6 Kommerzielle Fahrzeuge............................................................................... 184 6.7 Zusammenfassung ........................................................................................ 190 6.7.1 Grundsätzliches zu Mobilitätsanwendungen ..................................... 190 6.7.2 Geschäftsmodell Bausteine zu Mobilitätsanwendungen .................. 192 6.7.3 Zwischenresümee: Mobilitäts-Anwendungen mit grünem Wasserstoff ......................................................................................... 194

XXIV

Inhaltsverzeichnis

7

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff ................. 197 7.1 Hintergrund zu Power-to-X-Anwendungen................................................... 197 7.1.1 Power to Power (PtP) .......................................................................... 198 7.1.2 Power to Heat (PtH) ............................................................................ 199 7.1.3 Power to Gas (PtG) .............................................................................. 199 7.1.4 Gas to Power (GtP) .............................................................................. 200 7.1.5 Power to Liquid (PtL) ........................................................................... 201 7.1.6 Power to Fuel (PtF).............................................................................. 201 7.1.7 Sun to Fuel (PtF) .................................................................................. 201 7.2 Forschungsziele und Methodik ..................................................................... 202 7.3 Märkte für Power-to-X-Anwendungen mit grünem Wasserstoff ................. 203 7.4 Powert- to- X Geschäftsmodelle.................................................................... 216 7.5 Zusammenfassung ......................................................................................... 222 7.5.1 Grundsätzliches zu Powert-to-X Anwendungen ................................. 222 7.5.2 Geschäftsmodell Bausteine zu Powert to X Anwendungen ............... 222 7.5.3 Zwischenresümee PtX-Anwendungen mit grünem Wasserstoff ........ 224

8

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff ................... 225 8.1 Hintergrund der Studie .................................................................................. 225 8.2 Fragendesigns ................................................................................................ 226 8.3 Auswertungen mit SPSS ................................................................................. 228 8.4 Deskriptive Ergebnisse................................................................................... 229 8.4.1 Allgemeine Ergebnisse zu Energie und Wasserstoff ........................... 230 8.4.2 Geschäftsmodellrelevante Faktoren ................................................... 237 8.4.3 Stationäre Anwendungen ................................................................... 243 8.4.4 Mobilitätsanwendungen mit Wasserstoff .......................................... 244 8.4.5 Value Proposition im Wasserstoff-Mobilitätsbereich ........................ 246 8.4.6 Brennstoffzellen und Batteriefahrzeuge............................................. 249 8.4.7 Power- to- X Anwendungen ................................................................ 254 8.5 Hypothesen Test ............................................................................................ 255 8.5.1 Abgeleitete Hypothesen ..................................................................... 255 8.5.2 Chi -Test............................................................................................... 256 8.5.3 Produkt-Moment-Korrelation nach Pearson ...................................... 256 8.5.4 Beispiel 1: Hypothese Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeug ........... 258 8.5.5 Beispiel 2: Hypothese Umweltfreundlichkeit und FCEV ..................... 260 8.5.6 Beispiel 3: Hypothese Umweltfreundlichkeit und unbegrenzte Energiequelle ...................................................................................... 263

Inhaltsverzeichnis

XXV

8.6 Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff ................................................................................................... 265 8.6.1 Zusammenfassung von archetypische GM und H2 spezifische Eigenschaften ..................................................................................... 266 8.6.2 Stationäre/portable Geschäftsmodellstrukturen .............................. 269 8.6.3 Mobile Geschäftsmodellstrukturen ................................................... 274 8.6.4 PtX Geschäftsmodellstrukturen ......................................................... 279 8.7 Zusammenfassung ........................................................................................ 285 9

Hauptbeiträge und Zusammenfassung............................................................ 287 9.1 Hauptbeiträge ............................................................................................... 287 9.2 Zusammenfassung ........................................................................................ 291 9.3 Limitationen .................................................................................................. 296 9.4 Ausblick auf weiter Forschungsarbeiten ...................................................... 297

Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 299 Anhang ...................................................................................................................................... 317

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1:

Ziele der Forschungsarbeit ......................................................................X

Abbildung 2:

Geschäftstätigkeit von Unternehmen ................................................. XIII

Abbildung 3:

Primärenergieverbrauch 2018 ................................................................1

Abbildung 4:

Effizienzsteigerungen in den Energiesektoren: heute und zukünftig .....4

Abbildung 5:

Primäre und sekundäre Energieträger ....................................................5

Abbildung 6:

Energieeffizienz am Beispiel eines Kohlekraftwerks ...............................9

Abbildung 7:

Keeling-Kurve CO2-Konzentration von 1960-2019 ................................12

Abbildung 8:

Keeling Kurve CO2 Konzentration der letzten 800.000 Jahre ...............13

Abbildung 9:

Temperaturanstieg der letzten 100 Jahren ...........................................14

Abbildung 10: Jährliche Temperaturänderungen seit 1880 .........................................14 Abbildung 11: Meeresspiegelanstieg durch Eisschmelze .............................................15 Abbildung 12: Nachhaltigkeitsmodelle .........................................................................23 Abbildung 13: Grüne Herstellungsprozesse für H2 .......................................................30 Abbildung 14: Geschäftsmodell Charakteristika ..........................................................33 Abbildung 15: Business Model Canvas .........................................................................38 Abbildung 16: Schnittmenge Value Proposition ...........................................................39 Abbildung 17: Energieflussschema eines Kohlekraftwerks mit Anwendungsbeispiel .............................................................................52 Abbildung 18: Preisentwicklung PV-Module in Wp ......................................................54 Abbildung 19: Preisentwicklung PV Anlage kWp ..........................................................54 Abbildung 20: Wachstumsrate PV GWp .......................................................................55 Abbildung 21: Stromgestehungskosten von offshore-Windkraftanlagen....................58 Abbildung 22: Externe Kosten der Stromumwandlung ................................................66 Abbildung 23: Energiemodell........................................................................................70 Abbildung 24: Berechnungsmethode für die H2-Herstellung .......................................75 Abbildung 25: Geschäftsfelder mit grünem H2 .............................................................99 Abbildung 26: Schema für die Klassifizierung von Geschäftsmodell-Strukturen ...... 101 Abbildung 27: Auswertungsstruktur für Geschäftsmodelle ...................................... 102 Abbildung 28: Dezentrale und zentrale H2-Herstellung ............................................ 103 Abbildung 29: Bereiche der H2-Erzeugung ................................................................ 104 Abbildung 30: PEMFC – chemische Reaktion ............................................................ 127

XXVIII

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 31: Marktentwicklung: Stückzahlen von Brennstoffzellen ....................... 128 Abbildung 32: Marktentwicklung: Leistung nach Anwendungen von Brennstoffzellen .................................................................................. 128 Abbildung 33: Marktentwicklung: Brennstoffzellen Typen ....................................... 129 Abbildung 34: FCH-Brennstoffzelle Modell ................................................................ 131 Abbildung 35: Wirkungsgrad konventioneller und KWK ............................................ 135 Abbildung 36: Brennstoffzellenverstärker ................................................................. 142 Abbildung 37: Brennstoffzellen Heizungsmodell ....................................................... 143 Abbildung 38: Fallstudie 3: KWK Lastgang Wärme und Strom .................................. 147 Abbildung 39: Fallstudie 3: KWK Kostenverteilung Erdgas 0,045 €/kWh .................. 148 Abbildung 40: Fallstudie 3: KWK Kostenverteilung grüner H2 0,25 €/kWh ............... 149 Abbildung 41: Dezentrale autarke Systeme ............................................................... 152 Abbildung 42: Energieflussdiagramm Verbrennungsantrieb ..................................... 165 Abbildung 43: Aktuelle Wasserstofftankstellen in Europa Stand Juni 2019 .............. 166 Abbildung 44: Grundstoffe für die Batterieherstellung ............................................. 169 Abbildung 45: Wirkungsgradkette batteriebetriebenen Fahrzeuge .......................... 170 Abbildung 46: Umweltauswirkungen von Elektroauto und Dieselauto ..................... 171 Abbildung 47: Wirkungsgradketten von Brennstoffzellen Fahrzeuge ....................... 173 Abbildung 48: Energiemodell Mobilität ..................................................................... 175 Abbildung 49: Wirkungsgrad eines elektrischen Fahrzeugs ...................................... 176 Abbildung 50: Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Autos ...................................... 177 Abbildung 51: Riversimple-Brennstoffzellenfahrzeug im Vergleich .......................... 183 Abbildung 52: Dieselbus und Brennstoffzellenbus im Anschaffungskostenvergleich ............................................................. 187 Abbildung 53: Heutige Power-to-X-Anwendungen .................................................... 202 Abbildung 54: Grüner H2 in Power-to-Gas- und Gas-to-Power Prozessen ................ 203 Abbildung 55: Wasserstoffproduktion in den nächsten 8 Jahren .............................. 204 Abbildung 56: Prozesswege von grünen Energiequellen zu Anwendungen .............. 204 Abbildung 57: Ist-Situation und zukünftige Entwicklung von Elektrolyse und Methanisierung ................................................................................... 209 Abbildung 58: PtX Infrastruktur und Nutzung von H2 ................................................ 210 Abbildung 59: Bandbreite der Investitionskosten für Elektrolyseanlagen ................ 211 Abbildung 60: Strompreisbestandteile 2018 in Deutschland .................................... 212

Abbildungsverzeichnis

XXIX

Abbildung 61: Dynamische Investitionsrechnung Annuitätenfaktor ........................ 215 Abbildung 62: Speichersysteme................................................................................. 219 Abbildung 63: Multifuel-Tankstelle ........................................................................... 220 Abbildung 64: Welt ohne Kohle und Nuklearenergie ................................................ 230 Abbildung 65: H2 idealer Energieträger ..................................................................... 231 Abbildung 66: Wasserstoff wirtschaftlich nutzbar .................................................... 231 Abbildung 67: Wasserstoff und Energieabhängigkeit ............................................... 232 Abbildung 68: Wissen über Wasserstoff ................................................................... 233 Abbildung 69: Wasserstoff-Energiepreise ................................................................. 234 Abbildung 70: Wasserstoff Wirtschaft ....................................................................... 235 Abbildung 71: Wasserstoff Herstellung mit Windenergie ......................................... 236 Abbildung 72: Wasserstoff-Infrastruktur ................................................................... 237 Abbildung 73: Wasserstoff und Energiequellen ........................................................ 238 Abbildung 74: Wasserstoff und Energiekosten ......................................................... 238 Abbildung 75: Werteversprechen von Wasserstoff: Verfügbarkeit .......................... 239 Abbildung 76: Werteversprechen von Wasserstoff: Energieautarkie ....................... 240 Abbildung 77: Werteversprechen von Wasserstoff: Lagerfähigkeit ......................... 240 Abbildung 78: Werteversprechen von Wasserstoff: Umweltfreundlichkeit ............. 241 Abbildung 79: Werteversprechen von Wasserstoff : Unabhängigkeit ...................... 241 Abbildung 80: Werteversprechen von Wasserstoff: lokale Produktion und Verwendung ....................................................................................... 242 Abbildung 81: Werteversprechen von Wasserstoff: Management von Überkapazitäten und Volatilität ......................................................... 242 Abbildung 82: Wasserstoff und dezentrale Energieversorgung ................................ 243 Abbildung 83: Wasserstoff und Notstromversorgungen .......................................... 244 Abbildung 84: Wasserstoff und Elektrolyseur ........................................................... 244 Abbildung 85: Wasserstoff und Brennstoffzellen Fahrzeuge .................................... 245 Abbildung 86: Wasserstoff und Lastkraftwagen ....................................................... 245 Abbildung 87: Wasserstoff und Busse ....................................................................... 246 Abbildung 88: Werteversprechen von Wasserstoff - Reichweite ............................. 247 Abbildung 89: Werteversprechen von Wasserstoff - Füllzeit .................................... 247 Abbildung 90: Werteversprechen von Wasserstoff - Emissionsfreiheit ................... 248 Abbildung 91: Wasserstoff und Umweltbelastung - Feinstaub ................................. 248

XXX

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 92: Wasserstoff und Fahrverbote ............................................................. 249 Abbildung 93: Wasserstoff und Fahrzeugtypen ......................................................... 249 Abbildung 94: Wasserstoff und Fahrzeugtypen ......................................................... 250 Abbildung 95: Wasserstoff und Mobilität - Infrastruktur .......................................... 250 Abbildung 96: Wasserstoff und Batterie-Infrastruktur .............................................. 251 Abbildung 97: Wasserstoff - Fahrzeuge versus Batterie- Fahrzeuge ......................... 252 Abbildung 98: Speichermaterialien ............................................................................ 252 Abbildung 99: Wasserstoff oder Batterie ................................................................... 253 Abbildung 100: Investitionskosten FCEV und BEV ....................................................... 253 Abbildung 101: Zukunft von Power- to-X Zukunft ....................................................... 254 Abbildung 102: Wasserstoff und Speicher ................................................................... 254 Abbildung 103: Vergleich.............................................................................................. 259 Abbildung 104: Linearer positiver Zusammenhang ..................................................... 262 Abbildung 105: Umwelt/Verfügbarkeit ........................................................................ 265

Tabellenverzeichnis Tabelle 1:

Weitere sekundäre Forschungsfragen .................................................. XI

Tabelle 2:

Eingesetzte Instrumente der Arbeit ..................................................... XV

Tabelle 3:

Energiepotenzial erneuerbarer Energieträger ........................................6

Tabelle 4:

Wirkungsgrade von heutigen konventionellen Kraftwerkstypen ...........9

Tabelle 5:

Schlüsselwerte für Klimaindikatoren ....................................................16

Tabelle 6:

Wahrscheinlichkeiten globaler Risiken .................................................16

Tabelle 7:

Auswirkungen globaler Risiken .............................................................17

Tabelle 8:

Kohlenstoffverbrennung .......................................................................18

Tabelle 9:

CO2-Ausstoß pro kWh für unterschiedliche Energieträger ...................19

Tabelle 10:

Umweltkosten pro kWh ........................................................................21

Tabelle 11:

Herstellprozess von Wasserstoff ...........................................................31

Tabelle 12:

Stöchiometrische Gleichung zur Wasserstoffelektrolyse .....................31

Tabelle 13:

Elemente des Geschäftsmodell nach Osterwald/Pigneur ....................38

Tabelle 14:

Nutzenversprechen mit grünem H2 ......................................................41

Tabelle 15:

Eckdaten konventionelle Kraftwerke ....................................................51

Tabelle 16:

Kapazität, Erzeugung und Anteil der Wasserkraft an der globalen Stromerzeugung in den Szenarien des World Energy Council ..............59

Tabelle 17:

Übersicht über regenerative Kraftwerke ..............................................60

Tabelle 18:

Erzeugung von H2 ..................................................................................62

Tabelle 19:

Prozesswirkungsgrade ...........................................................................63

Tabelle 20:

Umweltfaktoren CO2-Äquivalent ..........................................................64

Tabelle 21:

Umweltvergleich Fallstudie 1 ................................................................65

Tabelle 22:

Gestehungskosten und externe Kosten ................................................67

Tabelle 23:

Kennzahlen von Elektrolyseverfahren...................................................74

Tabelle 24:

Physikalische Eigenschaften von H2 ......................................................76

Tabelle 25:

Fallstudie 1: Berechnung der primären Energieeinheit ........................77

Tabelle 26:

Fallstudie 2: Kosten Elektrolyse Laufzeit 20 Jahre ................................79

Tabelle 27:

Fallstudie 2: Kosten Verdichter Laufzeit 20 Jahre .................................79

Tabelle 28:

Fallstudie 2: LCOE Prozess über 20 Jahre ..............................................80

Tabelle 29:

Fallstudie 3: Kosten Elektrolyse Laufzeit 20 Jahre ................................81

Tabelle 30:

Fallstudie 3: Kosten Verdichter Laufzeit 20 Jahre .................................82

XXXII

Tabellenverzeichnis

Tabelle 31:

Fallstudie 3: LCOE Prozess Laufzeit 20 Jahre ........................................ 82

Tabelle 32:

Fallstudie 3: Ergebnisse ......................................................................... 83

Tabelle 33:

Fallstudie 4: Berechnungen Prozess 1 Elektrolyse ................................ 84

Tabelle 34:

Fallstudie 4: Berechnungen Prozess 2 H2 verdichten und speichern ... 84

Tabelle 35:

Fallstudie 4: LCOE Prozess über 8 Jahre ............................................... 84

Tabelle 36:

Nutzenversprechen mit grünem H2 ...................................................... 87

Tabelle 37:

Nutzenversprechen und charakteristische Eigenschaften ................... 88

Tabelle 38:

Bausteine und charakteristische Eigenschaften für grünen Wasserstoff ........................................................................................... 89

Tabelle 39:

H2 Unternehmungen ............................................................................. 96

Tabelle 40:

Prozesse archetypischer Geschäftsmodelle ....................................... 105

Tabelle 41:

Archetypische GM für das Geschäftsfeld Erzeugung dezentral ......... 107

Tabelle 42:

Archetypische Geschäftsmodellstrukturen für das Geschäftsfeld Erzeugung zentral................................................................................ 109

Tabelle 43:

Archetypische Geschäftsmodelle für das Geschäftsfeld Infrastruktur ........................................................................................ 110

Tabelle 44:

Anwendungen mit grünem H2 ............................................................ 111

Tabelle 45:

Mobilitätsanwendungen ..................................................................... 113

Tabelle 46:

Archetypische Mobilitäts-Geschäftsmodelle ...................................... 114

Tabelle 47:

Stationäre Anwendung ....................................................................... 115

Tabelle 48:

Archetypische Mobilitäts-Geschäftsmodelle – Anwendungen .......... 116

Tabelle 49:

Archetypische Geschäftsmodelle für alle drei Geschäftsfelder ......... 117

Tabelle 50:

Stationäre und portable Anwendungen ............................................. 123

Tabelle 51:

Brennstoffzellentypen ......................................................................... 125

Tabelle 52:

2018 Wärmemarkt in Deutschland ..................................................... 133

Tabelle 53:

Fallstudien 1: physikalische Parameter .............................................. 138

Tabelle 54:

Fallstudie 1: Ergebnisse ....................................................................... 139

Tabelle 55:

Eigenschaften/Wertversprechen Mikro KWK ..................................... 140

Tabelle 56:

Fallstudie 2: Berechnungsergebnisse FCH und FCA ............................ 144

Tabelle 57:

Fallstudie 2: Berechnungsergebnisse im Vergleich FCH und FCA ...... 144

Tabelle 58:

Eigenschaften/Wertversprechen FCA ................................................. 146

Tabelle 59:

Fallstudie 3: KWK Standard Erdgas 0,045 €/kWh ............................... 147

Tabelle 60:

Fallstudie 3: KWK Wasserstoff grüner H2 0,25 €/kWh........................ 148

Tabellenverzeichnis

XXXIII

Tabelle 61:

Sicherheitsbereiche mit Brennstoffzellen .......................................... 150

Tabelle 62:

Eigenschaften/Nutzen-Wertversprechen Ersatzstromversorgung .... 151

Tabelle 63:

Fallstudie dezentrales autarkes System ............................................. 153

Tabelle 64:

Eigenschaften/Wertversprechen Energieautarke Systeme ............... 154

Tabelle 65:

Zukünftige archetypische Geschäftsmodelle stationär ..................... 155

Tabelle 66:

Nutzenversprechen stationärer Systeme ........................................... 156

Tabelle 67:

Bausteine und charakteristische Eigenschaften stationäre Anwendungen .................................................................................... 156

Tabelle 68:

Ziele des Weltwirtschaftsforum ......................................................... 162

Tabelle 69:

Mobile Anwendungen ........................................................................ 163

Tabelle 70:

Unterscheidungsmerkmale heutiger Antriebsstränge ....................... 164

Tabelle 71:

Hersteller von Brennstoffzellen-Fahrzeugen ..................................... 178

Tabelle 72:

Stärken-Schwächen-Analyse von FCEV im Vergleich zu BEV ............. 179

Tabelle 73:

PEE und TEI Berechnung Benzinfahrzeug........................................... 179

Tabelle 74:

PEE und TEI Berechnung BEV fossil .................................................... 180

Tabelle 75:

PEE und TEI Berechnung BEV EEQ PV ................................................ 180

Tabelle 76:

PEE und TEI Berechnung FCEV fossil .................................................. 180

Tabelle 77:

PEE und TEI Berechnung FCEV EEQ PV ............................................... 181

Tabelle 78:

Fallstudie 1: Berechnungsergebnisse ................................................. 181

Tabelle 79:

Fallstudie 1: Ökonomische Ergebnisse ............................................... 182

Tabelle 80:

Vergleiche der Nutzenversprechen ICE/BEV/FCEV ............................ 182

Tabelle 81:

Stärken-Schwächen-Analyse von Brennstoffzellenbussen ................ 185

Tabelle 82:

Chancen-Risiken-Analyse von Brennstoffzellenbussen ..................... 186

Tabelle 83:

Archetypische Geschäftsmodelle Archetyp M1: BrennstoffzellenFahrzeuge mit Druckspeicher ............................................................. 191

Tabelle 84:

Werteangebot fossiler und grüner H2-Energieträger......................... 192

Tabelle 85:

Wertangebote Mobilitätssektor ......................................................... 193

Tabelle 86:

Bausteine und charakteristische Eigenschaften mobile Anwendungen .................................................................................... 193

Tabelle 87:

LCOE-Berechnungen und Trends........................................................ 215

Tabelle 88:

Geschäftsmodelle mit PtX-Anwendungen ......................................... 217

Tabelle 89:

Vergleich PtX-Prozessen ..................................................................... 218

Tabelle 90:

Nutzenwerte/Kundennutzen Power- to- X Anwendungen ................ 221

XXXIV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 91:

Bausteine und charakteristische Eigenschaften Power-to- X Anwendungen ..................................................................................... 223

Tabelle 92:

Hypothesen ......................................................................................... 255

Tabelle 93:

Kreuztabelle BEV/FCEV ....................................................................... 258

Tabelle 94:

Phi Test ................................................................................................ 260

Tabelle 95:

Kreuztabelle Umwelt und FCEV .......................................................... 261

Tabelle 96:

Kreuztabelle Umwelt und Nachhaltigkeit ........................................... 264

Tabelle 97:

Archetypische Geschäftsmodelle: Zusammenfassung ....................... 266

Tabelle 98:

Zusammenfassung: Wichtige Faktoren mit grünem H2 ...................... 267

Tabelle 99:

Zusammenfassung: Erfolgsversprechende Eigenschaften von grünem H2 ........................................................................................... 268

Tabelle 100:

Zusammenfassung: Nutzenversprechen Erzeugung/Infrastruktur .... 269

Tabelle 101:

Zusammenfassung: Eigenschaften für stationäre/portable Systeme 270

Tabelle 102:

Archetype A1 stationäre Eigenschaften für grünen H2....................... 271

Tabelle 103:

Archetype A2 stationäre Eigenschaften ............................................. 272

Tabelle 104:

Archetype A3 Portable Eigenschaften ................................................ 273

Tabelle 105:

Zusammenfassung: Mobile Anwendungen mit grünem H2................ 275

Tabelle 106:

Bewertung Mobile BZ Fahrzeuge mit Druckspeicher ......................... 276

Tabelle 107:

Bewertung Mobile Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mit grünem H2 ......................................................................................................... 278

Tabelle 108:

Bewertung Mobile BZ Fahrzeuge mit Druckspeicher+ Batterie ......... 279

Tabelle 109:

Value Proposition für PtX Anwendungen ........................................... 280

Tabelle 110:

Bewertung GM Bausteine für zentrale Rückeinspeisung mit PtX ...... 281

Tabelle 111:

Bewertung GM Bausteine für zentrale Speicherung mit PtX ............. 283

Tabelle 112:

Bewertung GM Bausteine für zentrale synthetische Treibstoffe mit PtX ....................................................................................................... 284

Abkürzungsverzeichnis ASE BAFA bdew BEV BHKW BMU BMWi BZ C CHP COP CO2 CPC DENA DIN DLR DWV e.g. EBPD EE EEA EEG EEQ EnEV et al. etc. EU FCH FCEV GEMIS GM GuD GW GWh GWh/a H2 ICE IEA Ifeu IPCC ISO

Academia de Studii Economice din Bucuresti (Bucharest University of Economic Studies) Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft Batterie Fahrzeug (Battery Electrical Vehicle) Blockheizkraftwerk Bundesministerium für Umwelt Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Brennstoff Zelle Kohlenstoff Blockheizkraftwerk (Combined heat and power) Leistungszahl (Coefficiency of Performance) Kohlendioxid (Carbon dioxide) thermischer Hochtemperatur-Solarsysteme (CPC) Deutsche Energie Agentur Deutsche Industrie Norm Deutsche Luft und Raumfahrt Zentrum Deutscher Wasserstoff Verband exempli gratia (zum Beispiel) Gebäuderichtlinie Erneuerbare Energie European Environment Agency Erneuerbare-Energien-Gesetz Erneuerbare Energie Quelle Energie Einspar Verordnung et alii (und weiter) et cetera (und so weiter) European Union Brennstoffzellenheizgerät (Fuel Cell Heating) Brennstoffzellen Fahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle) Globales Emission Modell Geschäftsmodell Gas und Dampfturbinen Kraftwerk Gigawatt Leistung Gigawatt Stunden Gigawatt Stunden pro Jahr Wasserstoff (Hydronium) Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine) Internationale Energie Agentur Institut für Energie- und Umweltforschung Intergovernmental Panel on Climate Change International Standardization Organization

XXXVI

K KfW kg kJ kW kWh kWhel KWK LCOE LKW MTOE Nm³ NOx O2 OPEC ÖNV PEE PEMFC ppm PV PtX PWh RE RES SOx SPF SPSS SWOT tCO2 TCO Toe TÜV TWh UBA UN ZSW

Abkürzungsverzeichnis

Kelvin (Temperatur Differenz) Kreditanstalt für Wiederaufbau Kilogramm Gewicht Kilo Joule Energieeinheit Kilowatt Leistung Kilowatt Stunden Kilowatt Stunden – Electric Energy Kraft-Wärme-Kopplung Stromgestehungskosten (Levelized Cost of Energy) Lastkraftwagen Mega Tons Oil Equivalent Norm Kubikmeter Stickoxide Sauerstoff Erdölproduzierende Staaten Öffentlicher Nahverkehr Primäre Energie Einheit Proton Exchange Membrane Brennstoffzelle (Fuel Cell) parts per million Photovoltaik Power zu X (Umwandlung von elektrischer Energie in unterschiedliche Energieformen (Gas, Flüssige Treibstoffe, Wärme etc.) Petawatt Stunden Renewable Energy (erneuerbare Energie) Regenerative Energie Systeme Schwefel Oxid Jahresarbeitszahl (Seasonal Performance Factor) Statistisches Softwarepacket von IBM Strength-Weaknesses-Opportunities-Threats analysis tons of Carbon dioxide Total Cost of Ownership (Lebenszykluskosten) Tonne Öl Äquivalent Technischer Überwachungsverein Terrawatt Stunden Umwelt Bundesamt (German Federal Environment Agency) United Nations (New York, USA) Zentrum für Solar und Wasserstoff Forschung

Zusammenfassung Water is the Coal of the Future (Jules Verne 1870) Ziel einer jeder Unternehmensführung ist es, das eigene Unternehmen profitabel und langfristig im Markt einzurichten. Die Funktionsweise eines Unternehmens wird in der Wirtschaftswissenschaft mithilfe von Geschäftsmodellen (GM) beschrieben. Diese beschreiben, in welcher Form ein Unternehmen für Kunden und Geschäftspartner einen Nutzen stiftet und wie die so generierten Umsätze in das Unternehmen zurückfließen, um dieses profitabel und langfristig am Markt zu halten. Aufgabe und Ziel der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit ist es, mögliche Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff (H2) im stationären und mobilen Anwendungsbereich darzustellen und bewerten. Eine mögliche Einteilung von H2-Geschäftsmodellen wird aus den drei Energiesektoren Elektrizität, Wärme und Mobilität abgeleitet. Dabei werden die spezifischen Bausteine/Elemente nach dem Geschäftsmodell von Osterwalder und Pigneur verwendet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Baustein des Value Proposition oder auch Werteversprechen bzw. Nutzenversprechen. Damit können charakteristische Eigenschaften heutiger und zukünftiger innovativer Geschäftsmodelle im Bereich grüner H2 dargestellt, beschrieben und bewertet werden, um möglichst erfolgreiche Geschäftsmodelle zu entwickeln und zu implementieren. Ohne die Ressource Energie gäbe es die heutigen industriellen Volkswirtschaften in heutiger Form nicht. Fossile Energieträger wie Öl, Kohle und Gas gelten als wichtigstes Gut in unseren globalen Volkswirtschaften. Dabei kann H2 als grüner sekundärer Energieträger durch die aktuell stattfindende Transformation von einer fossilen in eine erneuerbare Energieinfrastruktur eine bedeutende Rolle zukommen. Der rasante Ausbau erneuerbarer Energiequellen in den letzten zwei Dekaden, bedingt durch technologische, politische, soziale, ökologische und ökonomische Faktoren, hat unsere Energieinfrastruktur bereits fundamental verändert. Mit dem Wandel von einer kohlenstoffgetriebenen hin zu einer dekarbonisierten, nachhaltigen und hocheffizienten Energieinfrastruktur werden auch Änderungen unserer heutigen industriellen Volkswirtschaften einhergehen, und zwar auf der mikro- wie auch makroökonomischen Ebene. Diese Änderungen werden technische, sozioökonomische, wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen haben. Heutige wirtschaftswissenschaftliche Methoden und Modelle im Energiebereich sind überholt und müssen den zukünftigen Anforderungen angepasst werden. So wird eine neue interdisziplinäre Sichtweise benötigt, um die neuen zur Verfügung stehenden Energietechnologien ökonomisch und ökologisch in die

XXXVIII

Zusammenfassung

noch zur Verfügung stehenden Strukturen zu integrieren und zu diesem Zweck zu adaptieren. Zwei technologische Bereiche, die im Rahmen der Energiewende eine große Rolle spielen werden, sind das Internet (Internet 4.0, Digitalisierung, Internet der Dinge) und die Dekarbonisierung, also die Umstellung der fossilen Energiesysteme, die durch die Klimakonferenz in Paris Ende 2015 vorangetrieben wurde. Beide Bereiche werden zukünftig zum Internet der Energie verschmelzen. Dekarbonisierung, Dezentralisierung und Digitalisierung werden die Energiesektoren Mobilität, Wärme und Elektrizität zukünftig grundlegend verändern. Es ist absehbar, dass die heutige konventionelle Energieumwandlung durch ineffiziente zentrale Großkraftwerke in einigen Jahrzehnten der Vergangenheit angehören werden. Um die fossilen Energieträger zu reduzieren und den Einsatz erneuerbarer Energiequellen voranzutreiben, sind neue Energiekonzepte erforderlich. Zukünftig müssen Tausende neuer hocheffizienter dezentraler Energiesysteme, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, installiert und vernetzt werden. Diese Systeme müssen in der zukünftigen Energieinfrastruktur organisiert und verwaltet werden. Die neuen Betreiber werden zukünftig Energie konsumieren sowie produzieren. Diese neue Klasse von Prosumenten wird auf dem Energiemarkt neu auftreten. Dabei sind in den neuen hocheffizienten dezentralen Energiesystemen Verknüpfungen über innovative Netzwerktechnologien unabdingbar. In den neuen dezentralen Systemen wird zukünftig eine Vielzahl an Daten gespeichert. Diese Informationen über Smart-X-Systeme zusammenzufassen und als Ganzes im Energienetz zu steuern und zu regeln wird künftig eine große Herausforderung sein, die aber auch enorme Chancen für Unternehmen eröffnen kann. Die großen Mengen an Daten (Big Data) erfordern neue und intelligente verbundene Kommunikationsnetze. Die sich so eröffnenden Chancen mit erfolgreichen innovativen Geschäftsmodellen zu nutzen ist die Aufgabe aller Akteure und Entrepreneure in diesen Geschäftsfeldern. Die unterschiedlichen erneuerbaren Energiequellen stellen volatile Energie in einer viele Tausend Mal höheren Menge zur Verfügung, als global pro Jahr benötigt wird. Die volatilen Eigenschaften der erneuerbaren Energiequellen werden durch innovative Technologien und Speicherlösungen immer effizienter, ökonomisch vorteilhafter und stabiler regelbar und damit für die Energieinfrastrukturen berechenbarer zur Verfügung gestellt. Heute können Endkunden bereits zu den aktuellen Strombezugskosten selbst Energie erzeugen, z. B. mithilfe von Photovoltaiksystemen. Diese sogenannte Netzparität (Grid Parity) ist bereits heute in mehr als 80 % der Energiemärkte global gesehen erreichbar. Studien belegen das Potenzial weiterer Kostenreduzierungen aus heutiger Sicht von über 50 % bis 2030. Dadurch sind die Stromgestehungskosten für erneuerbare Energiesysteme niedriger als für alle konventionellen Energiesysteme. Das eröffnet ein

Zusammenfassung

XXXIX

neues riesiges Marktpotenzial für innovative und hocheffiziente Anwendungen im privaten, öffentlichen und industriellen Bereich. Als möglicher Energieträger wird dabei grünem H2 eine Schlüsselrolle zu kommen. H2 als grüner nachhaltiger sekundärer Energieträger wird als Bindeglied zwischen den erneuerbaren volatilen Energiequellen und den hocheffizienten dezentralen Energieumwandlungssystemen fungieren. H2 kann in beliebigen Mengen produziert, gespeichert und auf lange Strecken ohne Verluste transportiert werden. Die primären erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie stehen für jedermann kostenlos zur Verfügung. Seit nunmehr einigen Jahren sind durch innovativen Fortschritt und exponentielle Wachstumsraten Solarzellen (Photovoltaik-Systeme) und Windkraft kostengünstiger umzuwandeln, als fossile Brennstoffe in heutigen konventionellen Kraftwerken. Diese regenerativen Energiequellen wie Solar, Wind und Biomasse sind der Schlüssel für die H2-Herstellung in der Zukunft. Damit besteht das erste Mal die Möglichkeit, H2 als konkurrenzfähiger, alternativer und nachhaltiger grüner Sekundärenergieträger in ausreichenden Mengen zu generieren und dezentral als Substitut für die heutigen fossilen Energieträger zur Verfügung zu stellen. Dies hat zukünftig wirtschaftliche, technische und soziale Auswirkungen auf alle Energielieferanten und Energienutzer in privaten, öffentlichen und industriellen Bereichen. Der Einsatz von „grünem“ H2 als Bindeglied in den drei Energiesektoren kann umwelt- und gesundheitsschädliche Emissionen von Treibhausgasen, NOx und Feinstaub reduzieren und verhindern. Eine starke Reduzierung ist notwendig, um den Klimawandel noch zu kontrollieren und seine Folgen wie die der Energieabhängigkeit regional wie global mit allen daraus resultierenden gesellschaftlichen Konflikten (Migration, Kriege durch Energieabhängigkeiten) zu minimieren. H2 als grüner nachhaltiger Energieträger kann nur erfolgreich eingesetzt werden, wenn bestimmte Marktmechanismen von Angebot und Nachfrage dabei in Kraft gesetzt werden. H2 muss somit als grüner Energieträger für Anwendungen rund um H 2 unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten im Markt in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen. Aus unternehmerischer Sicht können durch neue innovative Geschäftsmodelle Produkte und Dienstleistungen erfolgreich in die unterschiedlichen betrachteten Marktsegmente implementiert werden. Für Geschäftsmodelle gilt gleichermaßen, was alle Modelle auszeichnet: Sie können aufgrund der realen Komplexität nur Teile eines gesamten Unternehmens und seiner Umwelt darstellen und beschreiben. Deshalb ist es bei der Modellierung wichtig, die Komplexität auf die wesentlichen Parameter zu reduzieren. Diese Parameter oder Eigenschaften im grünen H2-Kontext zu katalogisieren und zu bewerten ist die Aufgabe dieser Arbeit. Dafür werden unterschiedliche zur Verfügung stehende Instrumente angewandt. Simulationsprogramme (z. B. für PV-Systeme, Kraft-

XL

Zusammenfassung

Wärmekopplung, Gebäudehüllen, Heizungstechniken) und speziell entwickelte ökonomische und ökologische Modelle sollen helfen, Aussagen zu den charakteristischen Eigenschaften (wie Verbräuche, Energiekosten, Kundennutzen, Komplexität, Risiken, Handhabung und Umweltbelastungen) zu machen. Die Resultate werden anschließend mit unterschiedlichen Methoden ausgewertet und verglichen, um die Forschungsfragen beantworten zu können. Neue Erkenntnisse zur Nutzung und Anwendung von grünem H 2 als sekundärem nachhaltigem Energieträger sollen helfen, bestehende und zukünftige Geschäftsmodelle auf Relevanz zu prüfen, zu überarbeiten, neu zu entwickeln, besser zu verstehen und erfolgreicher zu implementieren.

1

Grundlagen zum Forschungsgebiet

1.1

Energie und Energieumwandlung

In der Naturwissenschaft wird Energie mit der Fähigkeit gleichgesetzt, eine Wirkung zu zeigen. Energie hat die Fähigkeit, externe Effekte zu erzeugen, z. B. als mechanische Arbeit, Wärme oder Licht (Osterhage 2019; Hassel et al. 2018; Döring 2019; Engel und Reid 2019; Mardorf 2019; Osterhage 2019). Physikalisch betrachtet kommt Energie in unterschiedlichen Formen vor: als potentielle , kinetische, chemische, elektrische, nukleare oder thermische Energie (Dohlus 2018). Die Umwandlung einer Form von Energie in eine andere erfolgt in der Regel über thermische und chemische Prozesse. Die dabei wirkenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten werden in den vier Hauptsätzen der Thermodynamik beschrieben (Döring 2019). Über 85 % der heute weltweit genutzten Energie werden unter Verwendung fossiler Energiequellen gewonnen (ENI 2018 2018; IEA 2018). Die tägliche Fördermenge von Rohöl liegt bei über 90 Mio. Barrel (IEA 2018; BP 2018). Ein Barrel hat ein Volumen von 159 Litern; dies sind somit 14,3 Mrd. Liter täglich. Die Fördermenge von Kohle liegt bei ca. 21 Mio. Tonnen täglich (IEA 2018). Diese bedeutenden Mengen an fossilen Energieträgern werden für ein breites Spektrum an chemischen Umwandlungsprozessen benötigt. Dabei resultiert eine hohe Schadstoffbelastung der Umwelt, speziell durch CO 2 als wesentliches klimarelevantes Treibhausgas (Rosenzweig et al. 2018; Hutter 2018). Der weltweite Jahresprimärenergiebedarf betrug 2018 über 13.500 Million Tons of Oil Äquivalent (Mtoe) bzw. ca. 580 Exajoule (Exa = 1018) oder 1,667 x 1014 kWh. (IEA 2019) siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: Primärenergieverbrauch 2018 Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (IEA 2019; BP 2018).

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_1

2

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Fossile Energieträger wie Kohle werden häufig in zentralen Kraftwerken genutzt um chemische Energie (Verbrennung) in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Art der Energiewandlung ist sehr ineffizient und durch die chemische Verbrennung umweltschädlich. Die Lösung sind hocheffiziente und mit regenerativer Energie betriebene Systeme die keine schädlichen Emissionen freisetzen und unabhängig von fossilem Energieträger sind. Zugleich kann Energie als wichtiges ökonomisches Gut kostengünstig in verschiedene Energieformen umgewandelt werden. Innovative und effiziente Energiewandler unter Verwendung erneuerbarer Energieträger sind damit die Grundlage der zukünftigen Energieversorgung (Osterhage 2019; Ibisch 2018; Seba 2017). Weltweit wird gegenwärtig jedoch nur ein kleiner Teil des jährlichen Primärenergiebedarfs aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt (IEA 2019). Der von Wasserkraftwerken generierte Anteil an bereitgestellter Energie liegt dabei bei über 10 % (IEA 2018). Aktuelle Studien zeigen, dass eine 100%ige Deckung durch erneuerbare Energieträger bis 2050 ökonomisch und technisch machbar ist (IRENA 2019; Svilengatyin 2018; Brown 2018). 1.1.1

Energiesektoren und Sektorenkopplung

Die heutige Energieinfrastruktur kann in drei Sektoren unterteilt werden. Der erste Energiesektor ist die elektrische Energieversorgung. Die Umwandlung fossiler und nuklearer Energieträger in Elektrizität beruht auf chemischen oder physikalischen Prozessen (Verbrennung, Kernspaltung) mit einem Gesamtwirkungsgrad von durchschnittlich unter 40 % (Mardorf 2019; Kulacki 2018; Wiesche 2018). Die elektrische Energie wird dabei meist von zentralen Großkraftwerken in ein Hochspannungselektrizitätsnetz eingespeist, darin transportiert und dann transformiert in Niederspannungsnetzwerke übertragen, um sie den Verbrauchern verfügbar zu machen. In Deutschland ist das Elektrizitätsnetz über 1,5 Mio. km lang. In ihm sind über 70.000 Transformatoren installiert, um ein für Verbraucher geeignetes Spannungsniveau herzustellen; die Umwandlungsverluste liegen dabei bei 5–7 % und treten meist in Form von Wärme auf (AGEB 2019; Evers 2010). Ein weiterer der drei Energiesektoren ist die Bereitstellung von thermischer Energie in Form von Wärmeenergie, also einer Prozesswärme, die durch chemische Verbrennungsvorgänge entsteht, beispielsweise bei der Gewinnung von Elektrizität aus fossilen Brennstoffen oder Gasbrennwertgeräte für die Beheizung eines Gebäudes. Je nach Anwendung werden Niedertemperatur- und Hochtemperaturprozesse unterschieden. Speziell die Wärmeverluste in den thermischen Übertragungsnetzen (beispielsweise zwischen einem Verbrennungsofen und dem Wasser, das als Medium für den Antrieb einer Dampfturbine verwendet wird) verringern die Effizienz solcher Systeme.

Energie und Energieumwandlung

3

Einen weiteren Energiesektor bildet der Bereich von Mobilität und Transport. Als Antriebssystem im Mobilitätsbereich werden heute größtenteils Verbrennungsmaschinen verwendet, die nach den thermodynamischen Grundsätzen arbeiten (Carnot-Prozess) (Döring 2019; Dohlus 2018). Diese Maschinen nutzen flüssige und gasförmige Energieträger, um durch chemische Reaktion (Verbrennung) Bewegungsenergie freizusetzen. Dabei werden bei heutigen Hochleistungsmotoren Wirkungsgrade von max. 25– 30 % erreicht. Die restlichen 70 % der durch Verbrennung freigesetzten Energie werden als thermische Energie an der Oberfläche des Motors und an die Umwelt abgegeben. Weitere Energieanteile gehen durch Reibungsverluste in Wärme über. Nach Abzug aller in der Energiewandlungskette auftretenden Verluste kommen weniger als 20 % der eingesetzten Energie am Rad der Fahrzeuge zum Einsatz (Karle 2017). Die heutigen flüssigen und gasförmigen Energieträger (Benzin, Diesel, Methangas) stammen aus den fossilen Primärenergieträgern wie Erdöl, Kohle und Erdgas. Diese drei Sektoren wurden in der Vergangenheit unabhängig voneinander betrachtet. Seit dem vermehrten Einsatz erneuerbarer Energieträger als Reaktion auf den fortschreitenden Klimawandel, auf die Gefahr der Energieabhängigkeit und auf hohe Energiekosten werden die drei Sektoren heute zunehmend in ihrer Gesamtheit (holistisch) betrachtet. Diese Sektorenkopplung ist der Schlüssel zu der seit Mitte der 90er Jahre stattfindenden Energiewende im Sinne einer Abkehr von fossilen Energieträgern (Emonts 2017; IRENA 2019; Svilengatyin 2018). Ziel der Sektorenkopplung ist es, mithilfe erneuerbarer Energieträger eine Dekarbonisierung, also eine Reduktion des CO2-Ausstoßes in den Energieumwandlungsprozessen zu erreichen. Erneuerbare elektrische Energie kann in den verschiedenen Sektoren direkt oder nach Speicherung in anderen Energieträgern, z. B. H2 oder künstlichen Treibstoffen, eingesetzt werden. Voraussetzung für die Sektorenkopplung ist ein zielführender Einsatz der unterschiedlichen Energieträger zur Deckung der jeweiligen Energiebedarfsmengen. Abbildung 4 zeigt den heutigen ineffizienten Umgang mit Primärenergie. Die mögliche Zukunft mit hocheffizienten erneuerbaren Energie Systemen kann die notwendige Menge an Primärenergie mit Hilfe EEQ erheblich senken.

4

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Abbildung 4: Effizienzsteigerungen in den Energiesektoren: heute und zukünftig Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Reich 2018; Tetzlaff 2011; Wiesche 2018; Viebahn und Zelt 2018)

1.1.2

Primärenergie, Sekundärenergie, Endenergie und Nutzenergie

Es werden Primär- und Sekundärenergieträger unterschieden (Böckh 2018). Bei Primärenergieträgern handelt es sich um ursprünglich vorkommende Energiequellen wie Erdöl, Kohle, Gas, Wind und Holz, die in andere Formen umgewandelt werden, z. B. Biomasse in Pellets, Windenergie in elektrischen Strom und Erdöl durch Raffinerieprozesse in flüssige Treibstoffe wie Benzin oder Diesel. Diese Umwandlungsprozesse sind, wie bereits erwähnt, mehr oder weniger mit Verlusten behaftet. Die dabei hergestellten und zur Verfügung stehenden Energieträger werden als sekundäre Energieträger bezeichnet. Abbildung 5 zeigt den Zusammenhang zwischen Primärenergie, Sekundärenergieträger, Endenergie und Nutzenergie.

Erneuerbare grüne Energieträger

5

Abbildung 5: Primäre und sekundäre Energieträger Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Böckh 2018; Reich 2018; Kulacki 2018).

H2 kommt in der Natur nur in chemischer Verbindung mit anderen Stoffen vor und muss somit aus den unterschiedlichen chemischen Verbindungen gelöst werden. Erforderlich hierfür ist elektrische Energie (Elektrolyse), Biomasse und Wärme (Dampfreformierung) oder Wärme (Hochtemperaturen) mithilfe von Solarthermie, um den H2-Anteil in den Verbindungen zu trennen, zu speichern und zu transportieren.

1.2

Erneuerbare grüne Energieträger

Als grüne Energie wird eine Energie bezeichnet, die aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird. Diese erneuerbaren Energiequellen würden in ausreichender Form zur Deckung des Energiebedarfs weltweit zur Verfügung stehen. Vergleicht man die jährlich notwendige Energiemenge mit der solaren Einstrahlung, so liefert die Sonneneinstrahlung mehr als 7.400-mal mehr Energie pro Jahr im Vergleich zur aktuellen Energiemenge, die global gesehen benötigt wird (Quaschning 2018; Mertens 2018). Zu diesen Energiequellen gehören Solarstrahlung (Sonnenlicht), Wind (Luftbewegungen), Biomasse (Pflanzen), Regen (Verdampfung), Wasserkraft (Flüsse und Seen), Gezeiten (Gravitationskräfte), Wellenbewegungen (Gravitation und Temperaturdifferenzen) und Geothermie (Erdwärme). Gegenwärtig werden nur ca. 15 % des Primärenergieverbrauchs weltweit durch erneuerbare Energien gedeckt, 5–6 % des Weltprimärenergieverbrauchs durch andere erneuerbare Energiequellen als Wasserkraft. Um das nahezu unerschöpfliche Potenzial der primären Energieträger Sonne, Wind und Biomasse zu verdeutlichen, zeigt Tabelle 3

6

Grundlagen zum Forschungsgebiet

eine Gegenüberstellung des weltweit vorhandenen Potenzials an erneuerbaren Energien. Tabelle 3:

Energiepotenzial erneuerbarer Energieträger

Energieressource

Potenzial EEQ

Faktor Primärenergie

Weltweite primäre Energiemenge

1,667 x 1014 kWh/a

1

Solareinstrahlung/a

1,119 · 1018 kWh/a

>7.000

400–1800 Terawatt Leistung ca. 4–100 Mal mehr als notwendig

4–100

0,3 – 0,8 facher Primärenergieverbrauch 5.5 * 1013 kWh/a – 1,67 * 1014 kWh/a (200–600 * 1014 (Exa-)Joule )

0,3–2

Wasserkraft

90 % Potenzial, 2.800 GW, geschätzt ca. 25–40 %

0,25–0,4

Geothermie

hängt von den Verfahren ab

0,5–10

Technologieabhängig

0,2–0,8

Windenergie Biomasse

Meeresenergie/Gezeiten

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Martinez 2019; Quaschning 2018; Mertens 2018; Zhou et al. 2015).

Allein die Solareinstrahlung ist mehr als 7.000-mal größer als der gesamte weltweite Energieverbrauch pro Jahr. Die erneuerbaren Energiequellen sollten dort genutzt werden, wo sie in großer Menge vorkommen. Jedes Land hat spezifische erneuerbare Energiequellen, die regional genutzt werden können. Beim Einsatz von grünen statt fossilen Energiequellen müssen fünf Aspekte genauer betrachtet werden: die Effizienz der Energieumwandlung (Kap 1.4.1), die ökologischen Folgen dieses Prozesses (Kap. 1.4.2), die wirtschaftlichen Auswirkungen (Kap. 1.4.3), die Endlichkeit fossiler Energiequellen und die Nachhaltigkeit der eingesetzten Energieressourcen (Kap. 1.4.4).

1.3

Wichtigkeit des Forschungsbereichs

Heutige Betriebe und Unternehmen, die sich mit regenerativen Energiesystemen (RES) beschäftigen, führen schon längst kein Nischendasein mehr. Das Marktpotenzial von RES geht schon heute in die Milliarden Euro pro Jahr mit Wachstumsraten, die – je nach Anwendung –im zweistelligen Bereich liegen. Dabei sind unterschiedliche Technologiebereiche involviert, z. B. der Maschinenbau für die Produktion von Windkraftanlagen, der elektrotechnische bzw. Elektronikbereich für den Bau von Generatoren, Schaltanlagen, Regelungstechnik, Sensorik, Wechselrichtern, Photovoltaikzellen und Brennstoff-

Wichtigkeit des Forschungsbereichs

7

zellen sowie der Chemiebereich für die Bereitstellung von Basismaterialien für Brennstoffzellen. Weltweit sind bereits Millionen von Arbeitsplätzen im Erneuerbare-Energien-Geschäftsfeld entstanden. Durch den rasanten technologischen Wandel und die exponentiell gestiegenen Nachfragemengen im Bereich der Erneuerbare-Energie-Systeme kann heute schon zu ähnlichen Kosten erneuerbare Energie bereitgestellt werden (Wind-, Solarenergie) als mit fossilen Energiesystemen. Mit dieser Entwicklung – gleiche Kosten für die Umwandlung erneuerbarer Energien wie für konventionelle Energien – ist die ökonomische Voraussetzung dafür geschaffen, dass sich der bisher fossil ausgerichtete Energiemarkt grundlegend ändern wird. Die Energiesysteme wandeln sich von zentralen, ineffektiven, unflexiblen und starren Systemen zu intelligenten, mit erneuerbaren Energien betriebenen hocheffizienten, vernetzten, dezentralen Systemen. Diese dezentralen Systeme werden – je nach Ausführung und Größe – neue Netz, Reglungs- und Speicherkonzepte benötigen. Diese technologischen Änderungen bieten Herstellern, Dienstleistern, Lieferanten und Verbrauchern neue Produkt- und Marktchancen. Dabei werden alle Energiesektoren von Mobilität bis hin zu thermischer Energieerzeugung für Prozesse, Industrien und Gebäude oder der Elektrizitätserzeugung in dezentralen und zentralen Anlagen betroffen sein. Das dringendste generationenübergreifende Problem, der Klimawandel, wird durch die Energiewende von fossilen Energieträgern und deren klimaschädlichen Treibhausgasen hin zu einer nachhaltigen, sauberen Energieversorgung abgeschwächt. Für Länder mit hoher Solareinstrahlung werden sich aus den Umwälzungen weitreichende ökonomische und soziale Konsequenzen ergeben, da diese Länder mit geringeren Energiekosten als heute energieautark werden können. Dadurch werden Abhängigkeiten im Kampf um existierende und neu zu erschließende fossile Energieressourcen weltweit minimiert. Entwicklungsländer können ihre eigenen erneuerbaren Energieressourcen kostengünstiger nutzen, als es Abhängigkeiten von fossilen Energieträgern einiger weniger Länder erlauben. Hier findet zukünftig die Wertschöpfung im Lande statt und dadurch können diese volkswirtschaftlich unabhängiger entscheiden und agieren. Gleichzeitig werden dabei weniger Treibhausgase emittiert. Eine Abkehr von konventionellen Energieressourcen bedeutet auch eine Umverteilung heutiger Geldflüsse für Energieimporte. Geldflüsse aus den Importländern werden durch den verstärkten Einsatz von EEQ umgeleitet. Volkswirtschaftlich können sich dadurch Verlagerungen wirtschaftlichen Wachstums ergeben, die Auswirkungen auf die heutigen globalen Energieinfrastrukturen haben können. Erneuerbare Energien (Sonnenstrahlen, Windbewegungen). sind als solche kostenlos. Kraftwerke wie Wind- oder PV-Anlagen müssen wie konventionelle Anlagen finanziert, aufgebaut und betriebswirtschaftlich bewertet werden. Nach Abschreibung der Anlagen können sie jedoch – abgesehen von den laufenden Betriebskosten – ohne Aufwendungen für Energieträger (wie

8

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Kohle oder Öl) genutzt werden, da die Energiequelle „Solar- und Windenergie“ ohne zusätzliche Kosten für jedermann zur Verfügung steht. Die Konsequenzen sind heute in Ländern mit hohem Öl- oder Gas-Export Anteil heute schon sichtbar. Die zeigt sich in Form von Reduzierungen in Investitionen in neue Infrastrukturen, der Reduzierung sozialer Ausgaben für die Bevölkerung und einem geringeren Bruttosozialprodukt. Bisher sind die Auswirkungen noch gering, da die Nachfrage nach fossilen Energieträgern noch immer sehr hoch ist und weiter steigen wird.

1.4

Konventionelle Energieträger

1.4.1

Effizienz der Energieumwandlung

Bei jeder Energieumwandlung entstehen Umwandlungsverluste. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energien in verschiedene Formen ineinander umwandelbar sind, aber nicht gebildet oder vernichtet werden (Energieerhaltungssatz). Es entstehen dabei Umwandlungsverluste bei der Änderung in eine andere Energieform. Die dadurch für die Nutzung verloren gegangene Energie wird als Anergie, die der Nutzung zugeführte Energie wird als Exergie bezeichnet (Böckh 2018; Dohlus 2018; Döring 2019; Engel und Reid 2019; Mardorf 2019). Heutige Umwandlungssysteme mit fossilen Energiequellen beruhen auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Carnot-Kreisprozesse, elektrotechnische Vorgänge). Die technische Umsetzung in den Kraftwerken hat sich seit vielen Jahrzenten nur wenig geändert (Wiesche 2018). Die heutigen Energiebilanzen und deren Wirkungsgradketten von fossilen und nuklearen Kraftwerken implizieren eindeutig eine Notwendigkeit des schnellen Handelns, um neue Wege einzuschlagen und veraltete ineffiziente Energieumwandlungssysteme zu ersetzen. So beträgt der Anergie-Anteil im Wandlungsprozess teilweise mehr als die Hälfte der nutzbaren Energie. Abbildung 6 zeigt den Energiefluss eines heutigen Standard-Kohlekraftwerks.

Konventionelle Energieträger

9

Abbildung 6: Energieeffizienz am Beispiel eines Kohlekraftwerks Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Wiesche 2018; Olander 2007; Mardorf 2019; Kulacki 2018; Konstantin 2018a).

Angesichts des heutigen Effizienz- bzw. Wirkungsgrades, der ökologischen Auswirkungen (Emissionen von Treibhausgasen: 2018: > 32,5 Mrd. Tonnen CO2) (Schönwiese 2019; IEA 2019) und ökonomischen Faktoren (wie Energiekostenkalkulationen unter Berücksichtigung – also Internalisierung – der Kosten von Umweltbelastungen) dieser Energieumwandlungsprozesse kann konstatiert werden, dass diese Systeme durch effizientere und emissionsfreie ersetzt werden müssen (Ibisch 2018; Seba 2017; Böckh 2018). Ein heutiges zentrales Energiewandlungssystem wie ein Kohlegroßkraftwerk mit Hunderten Megawatt an elektrischer Leistung hat einen Gesamtwirkungsgrad von weniger als 40 %. Das bedeutet, dass der Exergie-Anteil, der tatsächlich als elektrische Energie ins Netz eingespeist werden kann, bei weniger als 40 % liegt. Die restliche Energie (60 %) wird ungenutzt meist in Form von Wärme emittiert. Tabelle 4 zeigt die Wirkungsgrade und CO2-Emissionen/kWh von heutigen konventionellen Kraftwerkstypen. Tabelle 4:

Wirkungsgrade von heutigen konventionellen Kraftwerkstypen

Kraftwerkstypen

Wirkungsgrad

CO2-Äquivalent

Braunkohlekraftwerke

< 40 %

1,2 kg/kWh

Steinkohlekraftwerke

< 40 %

0,8 kg/kWh

Heizölkraftwerke

< 40 %

0,6 kg/kWh

Gastkraftwerke

< 40 %

0,4 kg/kWh

Gas- und Dampfturbinenkraftwerke

< 50 %

0,4 kg/kWh

Kernkraftwerk

< 35 %

0,05 kg/kWh

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Wiesche 2018; KEA 2019; Döring 2019).

10

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass heutige Kohlekraftwerke einen Wirkungsgrad von unter 40 % besitzen. Braunkohlekraftwerke haben aufgrund der zu verbrauchenden Menge und des Energiegehalts des Energieträgers Braunkohle die höchsten Schadstoffemissionen (ausgedrückt als CO2-Äquivalent-Faktor). Beispielweise stößt das Kohlekraftwerk bei einer erzeugten kWh Strom 1,2 kg an CO2 aus. Proteste von Umweltaktivisten beispielsweise in Deutschland richten sich gerade wegen der hohen Emissionswerte gegen diese Art der Kraftwerkstechnologie. Die Verantwortlichen in Politik und Regierung sollten daher bestrebt sein, Kohlekraftwerke zukünftig zu ersetzen. Moderne Gas-/Dampfturbinenkraftwerke erreichen Wirkungsgrade von > 50 %. Die Schadstoffemissionen von fossil betriebenen Kraftwerken liegen bei 0,4–1,2 kg/kWh CO2. Kernkraftwerke verursachen durch ihren Energieumwandlungsprozess keine oder lediglich sehr geringe CO2–Belastungen. Doch müssen die möglichen Risiken von Strahlungsbelastungen über Hunderte Generationen, Entsorgungsproblematiken (Materialrisiken und Lagerstätten) und wirtschaftliche Risiken (Träger der zukünftigen Aufwendungen) in die Beurteilung der Kernkraft einbezogen werden (Demir 2014; Liebert et al. 2016; Meyer; Podbregar 2016; Reichstein 2018; Repohl 2019). 1.4.2

Ökologische Konsequenzen mit fossilen Energieträgern

Die ökologischen Folgen der Verbrennung fossiler Energieträger sind gravierend. Bei einem weltweiten Primärenergieeinsatz von über 13.500 Mtoe beträgt die Menge an CO 2Emissionen nach den aktuellen Daten der Internationalen Energieagentur 32,5 Milliarden Tonnen CO2/a (siehe Kapitel 2.1) (IEA 2019). Zusätzlich werden durch die Verbrennung weitere Gase (CO, SO2, NOx) freigesetzt. Bei den unterschiedlichen Energieumwandlungsprozessen (Verbrennung) entstehen außerdem Stoffpartikel in unterschiedlicher Größe, die in die Atmosphäre emittiert werden. Je nach Größe der Partikel sind diese für Menschen beim Einatmen gefährlich (Landrigan et al. 2018). Die gesundheitlichen Risiken und die dadurch entstehenden gesundheitlichen Aufwendungen und die Umweltkosten sind dabei nicht zu vernachlässigen (Stern 2008; WHO 2015b; Matthey A. 2019; Landrigan et al. 2018) Hauptmerkmal fossiler Energieträger ist eine Kombination aus Kohlenstoff- und Wasserstoffmolekülen. Je nachdem, wie viele Teile an Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten sind, ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften dieser fossilen Energieträger. Diese Eigenschaften zeigen sich speziell im Verbrennungsprozess durch unterschiedliche Heizwerte und die Höhe der Schadstoffemissionen in Form von CO2 und weiteren Verbrennungsgasen. Mittlerweile ist wissenschaftlich anerkannt, dass die heutigen Energieumwandlungsprozesse mit fossilen Brennstoffen wesentlich zur globalen Erwärmung und zum Klimawandel beitragen (Masson und Delmotte 2018; Chambers et al. 2017; Diffenbaugh

Konventionelle Energieträger

11

et al. 2017; Ibisch 2018; Nerem et al. 2018; R. S. Nerem, B. D. Beckley, J. T. Fasullo, B. D. Hamlington, D. Masters and G. T. Mitchum 2014; Schönwiese 2019; UCSD 2019). Dies ist vor allem auf anthropogene Treibhausgase zurückzuführen, die bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Gas und Öl durch Menschen entstehen. Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukt der Energieumwandlung ist neben Wasserdampf das zweitwichtigste Treibhausgas, das die Erderwärmung beeinflusst. Es hat damit äußerst schädliche Effekte auf die natürliche Lebensumgebung, die für alle Menschen regional und global heute schon spürbar sind (Diffenbaugh et al. 2017; Ibisch 2018; Masson und Delmotte 2018; Nerem et al. 2018; Rosenzweig et al. 2018; Schönwiese 2019; Hutter 2018). Seit der Industrialisierung um 1850 ist der CO2-Ausstoß um über 40 % gestiegen. Aktuell liegt der CO2-Ausstoß bei > 32,5 Milliarden Tonnen CO2/a (IEA 2019). Gegenwärtig besteht in der Luft eine CO2-Konzentration von mehr als 413 ppm (UCSD 2019). Diese CO2-Konzentration nimmt jedes Jahr kontinuierlich zu. Um die globalen Klimaziele zu erreichen, auf die sich im Januar 2016 in Paris über 200 Regierungen geeinigt haben, ist rasches und konsequentes Handeln weltweit erforderlich; nur so kann die Begrenzung der Erderwärmung auf unter 2 °C erreicht werden. Nach Ansicht von Klimaforschern wird beim Erreichen dieses Ziels die Klimaveränderung noch durch Menschen kontrollierbar bleiben (Masson und Delmotte 2018; Schönwiese 2019). Abbildung 7 zeigt die sogenannte Keeling-Kurve (CO2-Kurve), die die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre über eine Zeitperiode anzeigt und die seit Beginn der exakten Messung in den 1960er Jahren laufend aktualisiert wird (UCSD 2020).

12

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Abbildung 7: Keeling-Kurve CO2-Konzentration von 1960-2019 Quelle: (UCSD 2020)

Um diese CO2-Konzentration einordnen zu können, zeigt Abbildung 8 die CO2-Konzentration der letzten 800.000 Jahre. Deutlich wird hier die Zunahme der durchschnittlichen Konzentration von 230 auf über 400 ppm CO2 in nur 100 Jahren.

Konventionelle Energieträger

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Abbildung 8: Keeling Kurve CO2 Konzentration der letzten 800.000 Jahre Quelle: (UCSD 2020)

Der Kohlendioxidgehalt ist somit heute um ein Vielfaches höher als vor 800.000 Jahren. Dass dieser Anstieg vom Menschhand verursacht wird, ist heute wissenschaftlicher Konsens (Schönwiese 2019; Rosenzweig et al. 2018). Dennoch sehen immer noch einige Politiker und Wissenschaftler den Klimawandel als naturgegebenes Phänomen. Von den Skeptikern eines vom Menschen verursachten Klimawandels wird argumentiert, dass die Vielzahl von Klimamodellen sehr unterschiedliche Ergebnisse liefere. Eine korrekte Interpretation sei dadurch nicht formulierbar und der Klimawandel daher nicht mit Gewissheit auf den menschlichen Umgang von fossilen Energieträgern zurückzuführen. Den aktuellen Klimawandel auf politischer und wissenschaftlicher Ebene zu leugnen ist nach heutiger wissenschaftlicher Faktenlage gegenüber den nächsten Generationen jedoch nicht verantwortbar. Parallel zum Anstieg des CO2-Ausstoßes stieg proportional in derselben Zeitspanne auch die globale gemittelte Temperatur auf der Erde (siehe Abbildung 9). Dieser Anstieg ist weitestgehend auf die steigende CO2-Konzentration in der Atmosphäre zurückzuführen (Rosenzweig et al. 2018). Dies hängt mit der Absorptionsfähigkeit der CO2 Moleküle zusammen.

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Grundlagen zum Forschungsgebiet

Abbildung 9: Temperaturanstieg der letzten 100 Jahren Quelle: (NASA 2019).

Abbildung 10: Jährliche Temperaturänderungen seit 1880 Quelle: (NASA 2019).

Konventionelle Energieträger

15

Abbildung 10 zeigt die jährliche Temperaturänderungen seit den 1880er Jahren. In der Grafik sieht man den konstanten Temperaturanstieg seit den Aufzeichnungen der Temperaturen. Abbildung 11 zeigt einen Anstieg des Meeresspiegels über die letzten 20.000 Jahre um ca. 120 m mit dem damit korrelierenden Temperaturanstieg. Die letzten 10.000 Jahre war dabei kein nennenswerter Anstieg zu verzeichnen. Die Ursache dafür ist die konstante durchschnittliche Temperatur in dieser Zeitperiode, hervorgerufen durch das konstante CO2-Niveau in der Atmosphäre. Bei Abschmelzen der noch verbliebenen Eis Menge an den Polen könnte der Meeresspiegel um weitere 60 m steigen. Temperature and sea-level change over the last 20.000 years

+2 K +1 K 0

0 -1 K

-70

-2 K -3 K y -

4

-140

K

-20000

-15000

-10000

-5000

0

2016 2000

Abbildung 11: Meeresspiegelanstieg durch Eisschmelze Quelle: In Anlehnung an (Quaschning 2018; Nerem et al. 2018; R. S. Nerem, B. D. Beckley, J. T. Fasullo, B. D. Hamlington, D. Masters and G. T. Mitchum 2014; Schönwiese 2019).

Im Zeitraum von 20.000 bis 10.000 Jahren vor Christus ist der Meeresspiegel, ausgelöst durch eine Temperaturerhöhung um 3,5 Kelvin, um 120 m gestiegen. Abbildung 11 zeigt, welch starke Auswirkungen eine Erwärmung um weitere 2 Kelvin für die Erde haben könnte. Seit den Aufzeichnungen der wichtigsten Wetterparameter wie Temperatur, Niederschlag und extreme Wettersituationen und weiteren Messwerten bspw. zu Treibhausgasen in der Atmosphäre und Meeresspiegelanstieg ist mit den sogenannten Schlüsselwerten für Klimaindikatoren festzustellen, dass in den letzten vier Jahren die höchsten Werte zu verzeichnen sind. Dies zeigen die Indikatoren und das Ranking des Jahreszeitraums (Tabelle 5).

16

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Tabelle 5:

Schlüsselwerte für Klimaindikatoren

Indikatoren

Zeitperiode

Werte

Bewertung

Mittlere Globale Oberflächentemperatur Anomalie

2017 Jahresmittelwert

+ 0,46 °C

Zweithöchster Wert

Änderung des globalen Wärmegehalts der Ozeane in 0-700 m

2017 Jahresmittelwert

1.58* 1023 J

Höchster Wert

Mittlere globale CO2-Konzentration

2016 Jahresmittelwert

403 ppm CO2

Höchster Wert

Mittlerer Globaler Meeresspiegelanstieg

2017 Dezember

8 cm

Höchster Wert

Arktische Meereisausdehnung im Sommer Minimum

2017 September

4.64 Mill. km²

achtniedrigster

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (WEF 2019).

Mögliche Globale Risiken und die Auswirkungen werden in Tabelle 6 und Tabelle 7 dargestellt. Das World Economic Forum hat diese in einem Risiko-Report 2019 aufgezeigt. Tabelle 6:

Wahrscheinlichkeiten globaler Risiken

Rang 2015

2017

2018

2019

1

ZwischenstaatGroßflächige licher Konflikt mit unfreiwillige regionalen Folgen Migration

2016

Extreme WetterEreignisse

Extreme WetterEreignisse

Extreme WetterEreignisse

2

Extreme WetterEreignisse

Extreme WetterEreignisse

Großflächige unfreiwillige Migration

Natürliche Katastrophen

Ausfall von KlimawandelMilderung und Anpassung

3

Versagen der nationalen Führungen

Ausfall von KlimawandelMilderung und Anpassung

Wichtige natürliche Katastrophen

Cyber-Attacken

Natürliche Katastrophen

4

Staatszusammen- ZwischenstaatGroßflächiger bruch oder Krise licher Konflikt mit Terroranschlag regionalen Folgen

5

Hohe strukturelle Wichtige Arbeitslosigkeit natürliche oder UnterKatastrophen beschäftigung

Datenbetrug und Datenbetrug und Diebstahl Diebstahl

Massiver Vorfall Ausfall von von Datenbetrug/ Klimawandel-diebstahl Milderung und Anpassung

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (WEF 2019; Collins 2019).

Cyber-Attacken

Konventionelle Energieträger

Tabelle 7:

17

Auswirkungen globaler Risiken

Rang

2015

2016

2017

2018

2019

1

WasserKnappheit

Ausfall von Klimawandel-Milderung und Anpassung

Massenvernichtungswaffen

Massenvernichtungswaffen

Massenvernichtungswaffen

2

Schnelle und massive Ausbreitung von Infektionskrankheiten

Massenvernichtungswaffen

Extreme Wetter- Extreme Wetter- Ausfall von Ereignisse Ereignisse KlimawandelMilderung und Anpassung

3

Massenvernichtungswaffen

WasserKnappheit

WasserKnappheit

Natürliche Katastrophen

Extreme WetterEreignisse

4

ZwischenstaatGroßflächig licher Konflikt mit unfreiwillig regionalen Folgen Migration

Natürliche Katastrophen

Ausfall von KlimawandelMilderung und Anpassung

WasserKnappheit

5

Ausfall von KlimawandelMilderung und Anpassung

Ausfall von Klimawandel Milderung und Anpassung

WasserKnappheit

Natürliche Katastrophen

starke EnergiePreiserhöhung

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (WEF 2019; Collins 2019).

Seit den 1970er Jahren hat ein Umdenken bei der Nutzung konventioneller Energieträger eingesetzt. Die erste und zweite Energiekrise in den 1970er Jahren, die Kernschmelze in Tschernobyl 1986, die Fukushima-Katastrophe 2011, der wissenschaftliche Nachweis der Erderwärmung durch anthropogene Treibhausgase und der damit einhergehende Klimawandel sind wichtige Stationen auf dem Weg für ein strategisches Umdenken in der Energienutzung (Stern 2008; Schönwiese 2019; Rosenzweig et al. 2018; Campbell 2005). Um die ökologischen Konsequenzen der Umwandlung fossiler Energiequellen zu verstehen, sind Kenntnisse der stöchiometrischen Grundlagen der Chemie notwendig. Eine Grundlagengleichung besagt: „In einer chemischen Reaktion bleiben die Massebestandteile der Elemente gleich“ (Ziegenbalg 2019; Ortanderl 2019; Schwarzbach 2018). Das Prinzip lässt sich am Beispiel der Verbrennung von Kohle als Energieträger verdeutlichen. Diese sogenannte Redoxreaktion erfolgt unter Energieabgabe von Wärme und Licht (Ortanderl 2018; Haberberger 2018). Eine Verbrennung von Kohlenstoff ist nur

18

Grundlagen zum Forschungsgebiet

durch Zugabe von Sauerstoff möglich. Die abgeleitete chemische Reaktionsgleichung und die Berechnung der molaren Masse sind in Tabelle 8 ersichtlich. Tabelle 8:

Kohlenstoffverbrennung

Elemente

C

+

O2

Æ

CO2

Molekulare Masse g/mol

12

+

16 · 2

Æ

12 + 2 · 16

Massengleichung g

12

+

32

Æ

44

Masse pro kg

1

+

2,66

Æ

3,66

-393 kJ/mol

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Schwarzbach 2018).

Um die möglichen Konsequenzen der Umweltauswirkungen bei der Verbrennung von Kohle zu berechnen, werden die Molmassen der einzelnen Elemente und die entsprechende Reaktionsgleichung benötigt. Ein Mol Kohlenstoff wiegt 12 g, 1 Mol Sauerstoff 32 g und 1 Mol Kohlenstoffdioxid 44 g: Auf 1 kg Masse bezogen wird 2,66 kg Sauerstoff bei einer kompletten Redoxreaktion (Verbrennung) benötigt. Dabei werden 3,66 kg CO2 in die Atmosphäre emittiert. Abhängig von der Kohlenstoffart (z. B. Braun-/Steinkohle) des Energieträgers wird mehr oder weniger Wärme freigesetzt. Diese abgegebene Energiemenge wird auch als Heizwert von Brennstoffen bezeichnet (Schreiter 2018). Die abgegebene Wärmeenergie im Verhältnis zum CO2-Ausstoß kann als Bewertungskriterium für den Vergleich unterschiedlicher Brennstoffe in Bezug auf Umweltauswirkungen genutzt werden. Dieser Faktor wird als CO2-Äquivalenzfaktor oder auch Global Warming Potential Factor (GWPF) bezeichnet (IFU 2019). Als Beispiel für die Feststellung des CO2-Äquivalenzfaktors bei einem konventionellen Kohlekraftwerk wird die folgende Berechnung durchgeführt: Um die Emissionen von einer kWh umgewandelte elektrische Energie durch ein Kohlekraftwerk zu berechnen, werden folgende Parameter benötigt: der Kraftwerkwirkungsgrad (hier 40 %) und der Heizwert der Energieressourcen für das Kohlekraftwerk (Steinkohle bzw. Braunkohle). Der Heizwert gibt an, wie viel Energie pro kg bei der chemischen Reaktion (Verbrennung) freigesetzt wird. Hier wird noch zwischen dem oberen und unteren Heizwert unterschieden. Diese hängen von der vorhandenen Wassermenge im Brennstoff ab. Dieser Wasseranteil muss bei der Verbrennung zunächst mit Hilfe von Energie verdampft werden. Steinkohle hat dabei einen hören Heizwert als Braunkohle (Schreiter 2018). 1 kg Braunkohle liefert bei der Verbrennung 5,5 kW und emittiert, wie in Tabelle 8 bei vollkommener Verbrennung aufgezeigt, 3,66 kg CO2. Das CO2-Äquivalent wird berechnet aus 3,66 kg CO2/5,5 kWh. Dies ist somit ein CO2-Äquivalent von 0,66 kg CO2/kWh. 1 kg Steinkohle liefert 8,5 kW und emittiert 3,66 kg CO2; das CO2-Äquivalent beträgt 0,43 kg CO2/kWh. Bei einem Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks von weniger als 40 %

Konventionelle Energieträger

19

emittiert somit eine produzierte kWh elektrische Energie 0,66/0,6 = 1,6 kg/kWh CO2 bei Braunkohle 1 kg CO2 kg/kWh und bei Steinkohle. Dies kann analog für alle kohlenstoffhaltigen Verbindungen wie Diesel, Benzin oder Methangas berechnet werden. Das GEMIS-Simulationsprogramm berechnet die CO2Äquivalenzzahlen für die unterschiedlichen Energieumwandlungsprozesse in der realen Umwelt. Diese Zahlen werden für alle gesellschaftlich relevanten Berechnungen zu Treibhausgasen und Vergleichen herangezogen und genutzt. Tabelle 9 zeigt den CO2-Ausstoß verschiedener Energieträger umgerechnet auf eine produzierte kWh. Tabelle 9:

CO2-Ausstoß pro kWh für unterschiedliche Energieträger

Energieträger

Umrechnungseinheiten

CO2-Äquivalenzfaktor

kg/kWh

0,565

Kohle

kg/kg

0,82

Heizöl

kg/l

0,32

kg/m³

0,25

Elektrizität (Mix)

Gas Diesel

kg/l

0,33

Benzin

kg/l

0,288

Pellets

kg/kg

0,027

Photovoltaik

kg/kWh

0,02–0,05

Windgenerator

kg/kWh

0,01–0,02

Quelle: In Anlehnung an (Fritsche 2018; KEA 2019; IFU 2019).

1.4.3

Ökonomische Konsequenzen mit fossilen Energieträgern

Die zerstörerischen Konsequenzen von Treibhausgasen und Schadstoffen aus der Verbrennung fossiler Energieträger stehen heute außer Zweifel (Rosenzweig et al. 2018; Schönwiese 2019). Dabei müssen die ökonomischen Auswirkungen auf die Infrastruktur und auch auf das heutige Gesundheitssystem betrachtet werden (Landrigan et al. 2018; Lüdtke 2018). Auch sind die Konsequenzen der Kernreaktorunfälle der letzten 30 Jahre sehr deutlich geworden. Die Auswirkungen der nuklearen Katastrophen in Tschernobyl und Fukushima sind bis heute auf der ganzen Welt mess- und sichtbar (Grotzky 2018; Podbregar 2016; Liebert et al. 2016; Jordan 2018; Fairlie 2016). Bis heute sind die Auswirkungen und Folgen für die Gesellschaft noch nicht aufgearbeitet worden (Repohl 2019). Für die Beseitigung der Schäden aus der Tschernobyl- und Fukushima-Katastrophe sind bis heute Milliarden von Euro aufgewendet worden (UN 1990; Liebert et al. 2016; Meyer; Peterson 2016; Podbregar 2016; Reichstein 2018). Diese Aufwendungen werden von den Steuerzahlern aufgebracht. Auch zukünftige Kosten für die Entsorgung

20

Grundlagen zum Forschungsgebiet

nuklearer Abfälle gehen zu Lasten der Steuerzahler. Würden den Betreibern solcher Kraftwerke alleine die Risiken (Haftpflichtversicherung) und Entsorgungskosten auferlegt, wäre ein wirtschaftlicher Betrieb solcher Kraftwerke sehr fragwürdig. Heutige Kernkraftwerksbetreiber in Deutschland haben sich 2018 mit 25 Mrd. Euro aus der Verantwortung für die Entsorgung der nuklearen Abfälle entzogen. Zukünftig werden die Steuerzahler für die Entsorgungskosten und Risiken, die über diesem Betrag liegen, aufkommen müssen. Aufgrund der langen Halbwertzeiten der nuklearen Abfallprodukte und der mit ihnen verbundenen Risiken werden hunderte folgende Generationen damit beschäftigt sein, die radioaktiven Abfälle zu kontrollieren und abzusichern. Dasselbe gilt auch für die Zerstörung von Vermögenswerten wie Gebäuden und Infrastruktur durch die schleichenden Umwelteinwirkungen. Allein 2017 hat die Münchner Rückversicherung Milliardenbeträge für die Beseitigung von Umweltschäden durch den Klimawandel bezahlt (Re 2018). In den letzten 30 Jahren wurden neue und hocheffiziente Energieumwandlungssysteme entwickelt. Aktuelle Publikationen, Fallstudien und Trenderhebungen zeigen, dass erneuerbare Energiequellen zukünftig wirtschaftlich günstiger bereitgestellt werden können als konventionell betriebene Umwandlungsprozesse mit fossilen Energieträgern. Studien zufolge werden solare Systeme wie PV-Anlagen in Zukunft die kostengünstigsten aller Energieumwandlungssysteme sein (Kost 2018). Die oben bereits erwähnten externen Kosten für Umwelt und Gesundheitsschäden müssen von der Allgemeinheit bzw. dem Steuerzahler getragen werden. Dies muss in der aktuellen Debatte um die Energiekosten berücksichtigt werden. Anhand von Emissionsfaktoren und Umweltkosten pro Tonne emittierter Schadstoffe können die vermiedenen Umweltschäden und Umweltkosten für die verschiedenen Technologien zur Stromerzeugung berechnet werden. Tabelle 10 zeigt die Umweltkosten für die Erzeugung von Strom mit unterschiedlichen Energieträgern.

Konventionelle Energieträger

Tabelle 10:

21

Umweltkosten pro kWh

Stromerzeugung

Luftverschmutzung CO2-Kosten in Cent/kWh

Treibhausgas CO2-Kosten in Cent/kWh

Gesamte Kosten für Umweltverschmutzung in Cent/kWh

Konventionelle Energieträger (Öl, Kohle, Gas, Nuklear) Brown coal

2,1

8,7

10,8

Fossil gas

1,0

3,9

4,9

Oil

2,4

5,6

Nuclear

8,0 (* 6–18)

Erneuerbare Energiequellen (EEQ) Hydro

0,14

0,04

0,18

Wind

0,17

0,09

0,26

Photovoltaic

0,62

0,56

1,18

Biomass

1,1

2,78

3,9

Quelle: In Anlehnung an (UBA 2014; WHO 2015a; Matthey A. 2019; Meyer).

Diese zusätzlichen Umweltkosten werden wenig in der Öffentlichkeit publiziert und diskutiert. Würden diese Kosten in die heutigen Energiepreise mit einfließen, resultierte dies in ein schnelleres Umdenken in Bezug auf den Einsatz konventioneller Energieträger. Denn zurzeit muss die gesamte Gesellschaft die Umweltkosten in Form indirekter Steuern und Abgaben tragen. Eine direkte Zuordnung zu den Verursachern bleibt dabei aus (Matthey A. 2019). Die heutigen Energiepreise für fossile und nukleare Energien spiegeln daher nicht die korrekte Kalkulation für heutige Energiekonsumenten wider. Eine genaue Vollkostenrechnung für eine produzierte Energieeinheit für die Allgemeinheit mit allen Kostenbestandteilen für die unterschiedlichen Kraftwerktypen steht nicht zur Verfügung. Dabei sind Umweltkosten jedoch ökonomisch höchst relevant. Nicholas Stern beschrieb bereits 2006 in seinem Buch „Review on the Economics of Climate Change“ (Stern 2008) diesen Sachverhalt. Nach seinen Überlegungen bezifferte er die Kosten durch Klimawandel auf jährlich bis zu 20 Prozent des globalen Bruttoinlandprodukts. Die Umweltkosten werden durch den Klimawandel zukünftig weiter steigen (Matthey A. 2019). Auch sind die möglichen Gesundheitsgefahren und die aus ihnen resultierenden Gesundheitskosten in die Überlegungen zu den tatsächlichen Energiekosten einzubeziehen. Hier sind die aktuellen Diskussionen über Feinstaub und gesundheitliche Folgen zu nennen (Landrigan et al. 2018).

22

1.4.4

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Begrenztheit und Nachhaltigkeit von fossilen Energieträgern

Die Begrenztheit der fossilen Energieträger erfordert eine Umorientierung in Richtung auf unendliche, d. h. erneuerbare Energieressourcen. Diese Umorientierung wird, bedingt durch den technologischen Fortschritt, den Klimawandel, politische Ziele und ökonomische Faktoren, bereits in erheblichem Maße vollzogen. Der aufgrund der wachsenden Bevölkerungszahl und der Industrialisierung steigende Energiebedarf auf der Erde erfordert neue, umweltfreundliche und wettbewerbsfähige Energieressourcen. Das Angebot und die Preisgestaltung von fossilen Energieträgern können durch Kartelle wie die Organisation erdölexportierender Länder (Organization of the Petroleum Exporting Countries OPEC) in bestimmtem Rahmen gesteuert werden. Je nach Marktstellung können sich die Preise für fossile Energieträger dabei drastisch ändern. Dies kann, wie in der jüngeren Geschichte, weltweit zu sozialen Konflikten führen. Die vielen Milliarden Dollar, die heutige Volkswirtschaften für Importe von Energieträgern ausgeben, könnten beim Einsatz länderspezifischer erneuerbarer Energien direkt vor Ort in eine nachhaltige und umweltfreundliche Energieversorgung investiert werden. Die einzelnen Volkswirtschaften wären dadurch energieunabhängig und zukünftig nicht durch ölfördernde Länder erpressbar. Inhaltlich eng verknüpft mit der Endlichkeit fossiler Energieträger ist die Forderung nach einer künftigen nachhaltigen Energieversorgung. Der Grundgedanke des Nachhaltigkeitsbegriffs geht in das 17. Jahrhundert zurück. Hans Carl von Carlowitz definierte 1713 Nachhaltigkeit als Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Konservierung von Holzinventar (Lüdtke 2018). Es ging darum, nur so viel Holz zu schlagen, wie wieder nachwächst, d. h. eine Balance zwischen Abholzung und Aufforstung einzuhalten. Auf die Energieträger übertragen bedeutet dies, dass eine Balance zwischen Energiebereitstellung und Energieumwandlung gefunden werden muss. Dies ist mit fossilen Energieträgern in kurzen Betrachtungszeiträumen nicht möglich. Unter der heutigen Definition von Nachhaltigkeit (siehe ISO 14000 und BrundtlandDefinition) sind keine physikalischen Benchmarks für die Umsetzung einer Energiewende erforderlich. In den neunziger Jahren wurde das Konzept des nachhaltigen Dreiecks (das DreiSäulen-Modell der Nachhaltigkeit) entworfen (Lüdtke 2018). Dieses Konzept der Nachhaltigkeit verbindet Umwelt-, Wirtschaft- und soziale Aspekte. Vor jeder Entscheidung sollten alle drei Dimensionen bedacht werden, um eine nachhaltig vertretbare Lösung zu finden. Das Konzept des Nachhaltigkeitsdreiecks wird für die Energiewende jedoch nur dann anwendbar sein, wenn zudem die Kriterien der Dauerhaftigkeit verwendet werden. Das heißt, es müssen klare und eindeutige Ziele (prüfbar und messbar) fixiert werden. Abbildung 12 zeigt die Kriterien für eine dauerhaft nachhaltige Energiezukunft

Wasserstoff als grüner Energieträger

23

(Vorrangmodell der Nachhaltigkeit). Das Kriterium der Dauerhaftigkeit liefert dabei präzise Entscheidungskriterien. Bei der Nachhaltigkeitsdefinition nach dem Drei-SäulenModell (ISO 14000) bedeutet dies, dass immer mehrere Optionen möglich sind, die von den einzelnen Akteuren je nach ihren Zielen definiert werden können. Die heutige Definition von Nachhaltigkeit lässt aufgrund der Formulierung „um ihre eigenen Bedürfnisse zu erfüllen“ einen großen Interpretationsspielraum. Die Gefahr ist groß, dass Regierungen diese wenig konkrete Formulierung ausnutzen, um die Ziele gegenwärtiger Generationen über die Bedürfnisse künftiger Generationen zu stellen. Eine klare und eindeutige Definition nachhaltigen Handelns kann nur durch die Beantwortung der ökologischen Fragen gelöst werden. Denn die wirtschaftliche und soziale Sphäre werden ohne intakte Ökologie künftig nicht funktionieren können.

Abbildung 12: Nachhaltigkeitsmodelle Quelle: In Anlehnung an (Hutter 2018; Lüdtke 2018; Kropp A. 2019).

Im Drei-Säulen-Modell werden alle drei Bereich gleichwichtig und gleichberechtigt betrachtet. Nachhaltigkeit ist nur mit Rücksichtnahme aller drei Bereiche möglich. Im Vorrangmodell werden die einzelnen Bereiche, Wirtschaft, Ökologie und Soziales in Abhängigkeit zu Ihrer Beziehung gesehen. Grundaussage dieses Modells ist: „keine Wirtschaft ohne eine Gesellschaft, keine Gesellschaft ohne Ökologie“.

1.5

Wasserstoff als grüner Energieträger

1.5.1

Einleitende Bemerkungen zum grünen Wasserstoff

Das Thema „Wasserstoff (H2) als grüner nachhaltiger sekundärer Energieträger“ wird zukünftig einen hohen Stellenwert für die heutigen Energieinfrastrukturen bekommen. Der rasant wachsende Ausbau an erneuerbaren Energie Systeme mit Hilfe von Wind-

24

Grundlagen zum Forschungsgebiet

und Solar-Kraftwerken (PV Anlagen) erfordert durch die volatilen Eigenschaften dieser Energiequellen ein Umdenken unserer veralteten zentralen Energieinfrastruktur. Es gibt bereits in Deutschland Situationen, in denen bei Windstarken und gleichzeitiger hoher solarer Einstrahlung mehr elektrische Energie erzeugt als benötigt wird. Es kommt zu einem Energie-Überangebot, das durch abregeln der erneuerbaren Kraftwerke abgebaut wird. Durch die Abregelungen der erneuerbaren Kraftwerksleistungen bei Energieüberangeboten entstehen für die heutigen Energienutzer unnötige hohe Aufwendungen, die Energienutzer indirekt über die Energiekostenabrechnungen bezahlen. Die nicht genutzten Energiemengen können zukünftig durch neue technologische Energiekonzepte wie beispielweise Energieumwandlungsprozesse (Power to X), neue Speichertechnologien und effiziente Wasserstoff Energiewandler (Brennstoffzellen) genutzt werden. Ökonomisch können heute schon in vielen Ländern und Regionen auf der Erde erneuerbare Energien günstiger bereitgestellt werden als aus konventionellen Kraftwerken. Dies rührt aus den exponentiellen Wachstumsraten für erneuerbare Kraftwerke der letzten Jahre her. Die Stromgestehungskosten (englisch Levelized Cost of Electricty, LCOE) sind daher heute in vielen Ländern der Erde mit hohen erneuerbaren Energiepotentialen bereits unter den Kosten von konventionellen Energiesystemen wie denen auf Kohle-, Öl- oder Nuklearenergie-Basis. Aufgrund der volatilen Eigenschaften erneuerbarer Energiequellen müssen Lösungen gefunden und angeboten werden, die eine kontinuierliche Bereitstellung von erneuerbarer Energie in den Versorgungsnetzen möglich machen. Hier kann H2 als speicherbarer, gut transportierbarer und in beliebigen Mengen verfügbarer sekundärer Energieträger als Bindeglied zwischen volatilen erneuerbaren Energiequellen und den Energieversorgungsnetzen dienen. Gleichzeitig kann H2 als wichtiger Baustein einer Energieversorgungsarchitektur dienen, die den Wandel von der kohlenstoffbasierten zur kohlenstofffreien Energieversorgung vollzieht. Diese Dekarbonisierung soll den Kohlendioxid Ausstoß merklich senken und die Abhängigkeiten von konventionellen Energieträgern im Energiewende Prozess minimieren. Kohlendioxid als wichtigstes der klimaschädlichen Gase, welche bei den heutigen konventionellen Energieumwandlungsprozessen emittiert werden, spielt bei der Frage der Klimaerwärmung eine Hauptrolle. Um den von Menschen verursachten rapiden Klimawandel zu begrenzen, müssen diese Kohlendioxid Emissionen auf ein Minimum reduziert werden, sodass das geforderte 1.5-K-Ziel noch zu erreichen ist. Sollte dieser Temperaturanstieg überschritten werden, sind sich die Wissenschaftler einig, dass Rückkopplungen entstehen, die das Klima und das Leben auf der Erde für die nächsten Generationen grundlegend ändern (Kipppunkte). Diese Änderungen können gravierende Folgen für Mensch, Tier und Umwelt haben. Diese Auswirkungen sind speziell am Nordpol durch die immer höheren Durchschnittstemperaturen sichtbar. Weitere Auswirkungen ist der Meeres-

Wasserstoff als grüner Energieträger

25

spiegelanstieg, die immer extremeren Wetter Phänomene (Wind/regen/Stürme), die immer stärkeren verheerenden Brände in vielen Teile der Welt (siehe aktuell Australien), stärker und lang an haltige trocken Perioden in Afrika mit Nahrungsmittelknappheit und Hungersnot als ein paar Beispiele. Die hohen Mengen konventioneller fossiler Brennstoffe wie Kohle, Gas und Öl, die täglich in den Energieumwandlungsprozessen verbrannt werden, die immer höhere Nachfrage aufgrund des schnellen volkswirtschaftlichen Wachstums, die exponentiell wachsende Weltbevölkerung und die gleichzeitige Abholzung der Regenwälder führen dazu, dass die Kohlendioxid-Belastung in den unteren Luftschichten der Erde kontinuierlich ansteigt. Aktuell liegt die CO2 Konzentration (04.01.2020) bei 413 ppm CO2. 1961 betrug dieser Wert noch 315 ppm CO2. In den 1600 – 1900 Jahre bei durchschnittlich 260 ppm CO2. Erneuerbare Energiequellen (EEQ) wie Wind, Sonnenstrahlung, Photovoltaik (PV), Wasserkraft, Biomasse, Geothermie, Wellen und Gezeiten, vor allem aber effizientere Energieinfrastrukturen können diese möglichen Folgen mildern und im besten Fall ganz eliminieren. Der Wandel von einer kohlenstoffbasierten hin zu einer nachhaltigen, auf EEQ basierenden Energiewirtschaft, der in den 1990er Jahren begonnen hat, wird dabei alle Gesellschaftsbereiche betreffen. Änderungen in Gesellschaften sind meist mit Konflikten verbunden, die ökonomischer, sozialer und technischer Natur sein können und einer rationalen Basis entbehren. Zukünftig sollten alle Akteure im Energietransformationsprozess mit einbezogen werden, um langfristig gute energetische Lösungen anzubieten. Dass sich der Umgang mit fossilen Energieträgern ändern muss, ist dabei allen Entscheidungsträgern bewusst. Zwei technologische Entwicklungen sind dabei von besonderer Bedeutung: die Dekarbonisierung der Energieinfrastruktur und die Digitalisierung, insbesondere das Internet der Dinge. Ihre zukünftige Verknüpfung wird als Internet der Energie bezeichnet. Dezentrale hochintelligente und vernetzte Energiewandler werden eine neue Energieinfrastruktur ermöglichen. Jeder der dezentralen Energiewandler wird zugleich Energie produzieren und konsumieren. So werden sich neue Geschäftsfelder mit neuen Geschäftsmodellstrukturen und neuen Geschäftsaktivitäten ergeben. Eine neue Klasse von Prosumenten wird entstehen, die Elektrizität herstellen und verkaufen sowie kaufen und konsumieren. Die Notwendigkeit der Energietransformation ergibt sich daraus, dass die Emissionen von Treibhausgasen und andere durch die Umwandlungsprozesse bedingte Umweltbelastungen abzuschwächen sind. Die Bindung von fossilen Energieressourcen zu verringern, ist ein weiteres wichtiges Ziel. Energie als ökonomisches Gut ist für alle Volkswirtschaften von essenzieller Bedeutung für Wachstum, Stabilität und Sicherheit.

26

Grundlagen zum Forschungsgebiet

H2 als Bindeglied zwischen den volatilen Energiequellen wie PV, Sonnen- und Windkraft einerseits und dem Energiewandler bzw. Energienutzer andererseits wird in der Zukunft eine entscheidende Rolle spielen. Vor allem seine Transportfähigkeit, in beliebigen Mengen, Speicherbarkeit und Verfügbarkeit machen diesen Energieträger außer ordentlich interessant. Aufgrund dieser Eigenschaften ist der sekundäre Energieträger Wasserstoff für die Pufferung volatiler erneuerbarer Energiequellen prädestiniert. Bei neuen dezentralen Systemen für die grüne H2-Herstellung können bereits EEQ verwendet werden, die nicht mehr von Volatilität geprägt sind. Eine solche nichtvolatile EEQRessource, die frei und unbegrenzt zur Verfügung steht, kann mit unterschiedlichen Anwendungen die Energiefluktuation in der zukünftigen Energieinfrastruktur ausgleichen und so die Versorgungssicherheit gewährleisten. Diese Anwendungen können äußerst vielschichtig und unterschiedlich sein und reichen von kleinen intelligenten dezentralen Energieerzeugungssystemen bis zu großen zentralen H2-Systemen (Power to Gas, Power to Liquid, Power to Fuel), die das H2-Gas in das heutige Gasversorgungsnetz einspeisen können. Je nach Energiequelle werden sich regionale Energiecluster bilden, in denen unterschiedliche Energiewandlungssysteme zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann in sehr windstarken Gebieten die Windkraft stärker genutzt werden (Gebirge, Onshore-Windkraft), in Gebieten mit landwirtschaftlichen Strukturen vor allem Biomasse und in Gebieten am Meer Energie aus Gezeiten und Wellen. Auch auf globaler Ebene können sich Energiecluster bilden, z. B. PV-Systeme und Solarthermie in den südlichen Regionen sowie Windkraft- und Wellenkraftwerke an den Küsten. Nahe dieser auf erneuerbarer Energie basierenden Kraftwerken werden sich H2-Produktionsanlagen ansiedeln bzw. von Anfang an Bestandteil der mit erneuerbarer Energie betriebenen Kraftwerke sein. Der Schlüssel zu einer erfolgreichen H2-Nutzung ist die wirtschaftliche Herstellung von grünem H2 mithilfe von EEQ und dessen Speicherung. Speicher werden – je nach Anwendung und Größe – in verschiedenen Variationen zur Verfügung stehen, wie chemische Batteriesysteme unterschiedlicher Größen und Leistungen, Gaskavernen, Kurzzeitspeicher, Gasnetzwerke, Druckspeicher, Flüssiggasspeicher und chemische H 2-Speicher (flüssig, Metallhydrid-basiert etc.). Dem Technologiebereich der Speichersysteme wird zukünftig eine Schlüsselrolle dabei zukommen, H2 in unterschiedlichen chemischen oder physikalischen Formen und Volumina zu speichern und zu verteilen. Die Speicherfähigkeit von H2 als Energieressource wird künftig die Energie- und Wirtschaftsmärkte (z. B. Energieversorgung, Netzbetreiber, Verbraucher, Anwender, Hersteller, Dienstleister) radikal ändern. Der Weg von der konventionellen ineffizienten zentralen Energieerzeugung hin zu einer intelligenten vernetzten hocheffizienten dezentralen Energieerzeugung mit EEQ wird die Lösung der meisten Energieprobleme für die kommenden Generationen darstellen.

Wasserstoff als grüner Energieträger

27

Damit sich Unternehmen erfolgreich im Markt der Energietransformation etablieren können, benötigen sie Visionen, vorausschauendes Denken, Risikobereitschaft und spezifische innovative Geschäftsmodelle. Geschäftsmodelle als Instrument des strategischen und operativen Managements bilden zu einem wesentlichen Teil die Grundlage dafür, gegenüber Mitwettbewerbern Wettbewerbsvorteile zu generieren. Geschäftsmodelltheorien beschreiben somit, welche Eigenschaften von Unternehmen wichtig sind, um profitabel und langfristig am Markt zu agieren. Dabei können Modelle ein Unternehmen nur schemenhaft beschreiben. Die Modellbildung muss daher die wichtigsten erfolgskritischen Elemente und deren charakteristische Eigenschaften abbilden. Hier gibt es eine Menge unterschiedlicher Geschäftsmodelltheorien, die heute in den verschiedenen Unternehmungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann in der Automobilindustrie die Entwicklung vom Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine, ICE) hin zu E-Mobilität (Battery Electric Vehicle, BEV) bislang gut funktionierende Geschäftsmodellstrukturen obsolet machen. Im ungünstigsten Fall sind diese durch innovative Technologien und Wettbewerbsvorteile bedingten Umwälzungen im Markt (darunter fundamental neue Eigenschaften wie ein höheres Werte und Nutzenversprechen, monetäre Vorteile, Einfachheit, ökologische Vorteilhaftigkeit, Technologiewandel, einfachere Produktionsverfahren, Schutzrechte) mit der Geschäftsaufgabe von Unternehmen verbunden. Um dies zu verhindern, ist eine kontinuierliche Prüfung der aktuellen Geschäftsaktivitäten intern wie auch extern erforderlich. Das bestehende Geschäftsmodell sollte kontinuierlich auf seine Tauglichkeit geprüft werden, um den neuen Herausforderungen standzuhalten. Dabei spielt die Größe der Unternehmen keine Rolle, wie die Geschichte des Untergangs namhafter Unternehmen (Triumph, Nixdorf Computers, KODAK, SolarWorld usw.) gelehrt hat. Heutige Märkte können durch technologische Innovationen, die teilweise destruktive Auswirkungen haben, radikal geändert werden. Dadurch können neue Marktstrukturen mit neuen Produkten und Dienstleistungen entstehen, die frühere Produkte substituieren und neue ökonomische Potenziale entstehen lassen. Beispiele für solche destruktiven Auswirkungen aus der Vergangenheit sind Mobiltelefone, Tablets, Internetinfrastrukturen, Energiedienstleistungen, PV-Systeme, dezentrale und zentrale Energiewandler. Aktuelle Beispiele sind die E-Mobilität oder Batteriespeicher, die ganze Wirtschaftsbereiche (wie die Automobilindustrie mit ihren Zulieferern und Dienstleistungen) verändern werden. Geschäftsmodellinnovationen spielen dabei eine wichtige Rolle im Fortbestand der Unternehmen. Unternehmen müssen neue Innovationsprozesse anstoßen um Produkte zu optimieren, Prozesse zu verschlanken und neue Nutzen für Kunden oder Lieferantengruppe zu bieten. Hier spielen besonders latente Bedürfnisse von Kunden eine besonders wichtige Rolle. Die Risiken von Geschäftsmodellinnovationen sind aufgrund der schnellen technologischen Entwicklung als sehr hoch zu bewerten und die Haltbarkeit erfolgreicher

28

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Modelle kann ggf. nur wenige Jahre betragen. Die vorliegende Arbeit fokussiert die Implikationen von Geschäftsmodellen mit grünem Wasserstoff für stationäre und mobile Anwendungen in Unternehmungen. 1.5.2

Wasserstoff Grundlagen

Unter grünem Strom wird die Elektrizität verstanden, die durch die Umwandlung erneuerbarer Energiequellen wie Wasser- und Windkraft, Photovoltaik und Biomasse erzeugt wird. Ähnlich wie grüner Strom kann von grünem Wasserstoff als sekundärem Energieträger gesprochen werden. Der Wasserstoff wird mit Hilfe erneuerbarer Energiequellen hergestellt. Ein Elektrolyseur Beispielsweise spaltet mit Hilfe von elektrischem Strom Wasser in die Bestandteile H2 und O2 auf. Wird H2 mit konventionellen Energieträgern hergestellt, spricht man von grauem Wasserstoff (Staiger und Tanţău 2019a). Grüner Wasserstoff passt ideal als erneuerbarer nachhaltiger sekundärer Energieträger in die aktuell stattfindende Energietransformation. Wasserstoff kann gespeichert werden und jederzeit für die Energieumwandlung zu Elektrizität, synthetischem Kraftstoff oder Wärme verwendet werden (Dincer 2016; Baur 2018; Michalski 2017; Rosen 2016; Shell 2017; Smolinka et al. 2018). Grüner Wasserstoff ist der ideale Energieträger für eine Energietransformation zu einer CO2-neutralen Energieversorgung. Wasserstoff als speicherbarer Energieträger kann die volatilen Eigenschaften der erneuerbaren Energiequellen ideal ausnutzen, da er speicherbar, gut transportierbar und in beliebigen Mengen verfügbar ist. Über Versorgungsnetze wie Gas-Pipelines kann Wasserstoff zu den Konsumenten transportiert werden. Kleinere Abnehmer und solche ohne Pipeline-Anschluss können über Transportstrukturen versorgt werden, wie sie heute bereits bestehen, beispielsweise mit Lkw und Tanklastzügen (Fang et al. 2015; Dincer 2016; Coutanceau 2018). Anwendungsgebiete für grünen Wasserstoff sind Kraftstoffe für den Mobilitätssektor, Wärmegewinnung über Mikro-BKWs mit Brennstoffzellen und elektrische Energieversorgung. Grün hergestellter Wasserstoff reduziert die Abhängigkeit von konventionellen Energieträgern wie Öl und Gas und kann dezentral hergestellt werden, was die regionale Wertschöpfung erhöht. Wasserstoff lässt sich überall mit verschiedenen erneuerbaren Energiequellen herstellen und kann ohne größere Verluste verteilt werden (Reich 2018). Im Normalfall tritt Wasserstoff nur als Molekül in Umgebungsbedingungen auf. Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommenden Element im Universum; er repräsentiert etwa 90 % aller Atome und etwa drei Viertel der Gesamtmasse (Haberberger 2018; Shell 2017; Ortanderl 2018; Haberberger 2018; Geitmann 2013; Fuchs 1972). Atomarer Wasserstoff reagiert mit organischen Verbindungen (Kohlenstoff-Elemente C) zu

Wasserstoff als grüner Energieträger

29

komplexen Mischungen. Wasserstoff findet man fast in jeder organischen Verbindung wieder. Organische Verbindungen findet man in allen Lebewesen und in fossilen Energieträgern in Form von Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen. In höheren Alkanen wie Benzin und Diesel liegt das Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis bei etwa 1:2 und in Kohle bei nur etwa 1:1. Je höher der Wasserstoffgehalt eines Kohlenwasserstoffs ist, desto geringer sind der Kohlendioxidgehalt und damit die Treibhausgasemissionen bei der chemischen Verbrennung (Oxidation). Es gibt die unterschiedlichsten Umwandlungsprozesse zur Produktion und Herstellung von Wasserstoff. Die weltweite Produktion von Wasserstoff beträgt zwischen 1700 und 2200 TWh/Jahr bzw. ca. 570–730 Mrd. Nm³. 19,3 Mrd. Nm³, d. h. rund 60 TWh Wasserstoff wird in Deutschland produziert. Als Nebenprodukt in Raffinerien werden nochmals die gleichen Mengen an Wasserstoff hergestellt. Davon werden heute 98 % der H2-Menge aus fossilen Energieträgern hergestellt. Hauptanwendungsgebiete sind die Düngemittelherstellung (Ammonium), Raffinerien, Methanol-Herstellung und Stahlherstellung/Metallbearbeitung. In diesen Prozessen fallen riesige Mengen an Treibhausgase an (Zhou et al. 2019). Besonders die Transportfähigkeit, die Speicherbarkeit und Verfügbarkeit machen H2 zu einem idealen Energieträger als Bindeglied zwischen fluktuierenden (volatilen) erneuerbaren Energiequellen und den Verbrauchern. Dieses Bindeglied ist zukünftig von besonderer Bedeutung für die Koppelung der einzelnen Energiesektoren (Staiger und Tanţău 2019a). Diese Sektorenkopplung hat ein großes Effizienzpotenzial und ist die Grundlage der aktuellen Energiewende in Deutschland. Die Stromgestehungskosten von Solarenergie mit Hilfe photovoltaischer Systeme sind heute durch die exponentielle Nachfragemenge auf ähnliche Energiekostenniveaus wie konventionelle Kraftwerke gesunken. Gegenwärtig wird bereits in über 80 % der Länder weltweit elektrische Energie durch PV zu Bezugspreisen angeboten (Seba 2017). Studien weisen darauf hin, dass weitere 50 % der Stromgestehungskosten in den nächsten 10 Jahren reduziert werden können (Kost 2018; Fuhs 2017; Mertens 2019; Ray 2018; Smolinka et al. 2018). Schon heute können Länder mit hoher solarer Einstrahlung die elektrische Energie aus PV-Systemen kostengünstiger umwandeln als Energie aus konventionellen fossilen Energieträgern. Auch bei Windkraftanlagen sind ähnliche Effekte sichtbar (Kost 2018). Aufgrund der immer größeren und leistungsstärkeren Windkraftanlagen sind Stromgestehungspreise zu heutigen Bezugspreisen möglich. Diese niedrigen Energiekosten für erneuerbare Energiequellen erlauben trotz Umwandlungsverlusten die ökonomisch und ökologisch sinnvolle Herstellung von grünem H2 als erneuerbarem Energieträger. H2 als speicherbarer und jederzeit zur Verfügung stehender Energieträger kann die volatilen Eigenschaften der zu seiner Herstellung verwendeten erneuerbaren Energiequellen

30

Grundlagen zum Forschungsgebiet

kompensieren. So können mögliche Überkapazitäten dieser volatilen Energiequellen für die Herstellung von H2 genutzt werden. Abbildung 13 zeigt mögliche Herstellprozesse für grünen Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen.

Abbildung 13: Grüne Herstellungsprozesse für H2 Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Schumberger 2004).

Für die Herstellung von grünem H2 mithilfe erneuerbarer Energiequellen werden heute die Elektrolyse und die Dampfreformierung von Biomasse eingesetzt. Weitere Ansätze wie Hochtemperatur-Solarthermie und Photosynthese sind technisch heute schon möglich (Reich 2018). Im Vergleich zu anderen Energieträgern hat Wasserstoff den höchsten Energieinhalt.: Vergleicht man 1 kg Wasserstoff mit Benzin so benötigt man 2,75 kg Benzin für die gleiche Energiemenge. Um 1 kg Wasserstoff herzustellen, werden dementsprechend große Mengen an Energie benötigt. Um 1 kg H2 herzustellen, werden heute ca. 50– 55 kWh benötigt. Bei einem Energieinhalt von 33.33 kWh/1 kg Wasserstoff muss dementsprechend bei der Herstellung mehr Energie eingesetzt werden, als bei der Verbrennung zur Verfügung steht. Diese Umwandlungsverluste sollten möglichst so gering wie möglichst gehalten werden; dies ist eine vordingliche Aufgabe der Energietechnik. Die chemische Grundgleichung der Wasserstoffspaltung für die Herstellung ist immer gleich. Der verfahrenstechnische Unterschied resultiert daraus, welche Reaktionsschritte bei der Umwandlung für ein Verfahren notwendig ist. Grundgleichung: 2 H2O + Energie ֞ 2 H2 + O2 ; dH0 = + 571 kJ/mol

Wasserstoff als grüner Energieträger

31

Die Reaktionsenthalpie für die Herstellung von Wasserstoff kann in Form von Wärme, Elektrizität, chemischer Energie oder durch Energie von Photonen bereitgestellt werden. Tabelle 11 zeigt die heutigen Herstellprozesse und die dazu notwendigen Energieformen. Tabelle 11:

Herstellprozess von Wasserstoff

Herstellungsprozesse

Energieformen

Wasserelektrolyse

Elektrische Energie

Wasserdampfelektrolyse

Elektrische Energie + Wärme

Elektrochemische Wasserspaltung

Elektrische Energie

Thermische Wasserspaltung

Wärme (Hochtemperatur)

Dampfreformierung 2 H2O + CH4 ֞ 4 H2 + CO2

Chemische Energie

Reaktion mit Metallen H2O + Zn ֞ H2 + ZnO

Chemische Energie

Biologische Wasserspaltung

Lichtenergie/Photonen

Photolytische Wasserspaltung

Lichtenergie/Photonen

Quelle: Eigene Darstellung in Anlegung an (Shell 2017; Schumberger 2004; Coutanceau 2018; Baur 2018; Shell 2017).

Entscheidend ist bei der Herstellung von grünem Wasserstoff, in welcher Form die Energie für die Umwandlungsprozesse generiert wird: elektrische Energie durch erneuerbare Energiesysteme, Wärme mittels thermischer Hochtemperatur-Solarsysteme (CPC), chemische Energie über Biomasse. Die Grundgleichung für die Elektrolyse folgt nach der stöchiometrischen Gleichung (Tabelle 12): Tabelle 12:

Stöchiometrische Gleichung zur Wasserstoffelektrolyse 2 H2

+

O2

Æ

2 H2O

2* (2*1)

+

1* (2*16)

Æ

2* (2*1+16)

Massengleichung g

4

+

32

Æ

36

Masse per g

1

+

8

Æ

9

Chemische Elemente Molekulare Masse g/mol

-572 kJ/mol

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Ortanderl 2019).

Um 1 g H2 über Elektrolyse zu generieren, werden 8 g Sauerstoff benötigt. Die für die Generierung von H2 notwendige Energiemenge beträgt 572 kJ bzw. 158,9 W. Bei 4 g Massengleichung wären dies 39,7 W. Bei einem Kilogramm H2 wären es 39,7 kWh/kg an

32

Grundlagen zum Forschungsgebiet

Energiemenge. Diese Energiemenge entspricht dem oberen Heizwert für H2. Bei dem Herstellprozess von 1 kg H2 werden ca. 9 kg an Wasser benötigt. Um 1 kg H2 herzustellen, werden ca. 50-55 kWh elektrische Energie benötigt. Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 60 % wird bei Herstellung von 1 kg H2 zugleich die 9fache Menge an Wasser benötigt. Aktuelle Studien erwarten eine Abnahmemenge von 50 Mio. Tonnen H2 bis 2050, die hauptsächlich in Industrie und Verkehr eingesetzt werden. Es wird ein Produktionswachstum von 3,5 % pro Jahr prognostiziert. Heute wird der meiste Wasserstoff aus fossilen Ressourcen hergestellt. Damit Wasserstoff zu einer klimafreundlichen Alternative zu fossilen Brennstoffen werden kann, muss sichergestellt werden, dass endliche natürliche Ressourcen im gesamten Lebenszyklus des Energieträgers H2 möglichst wenig beeinträchtigt werden. Es wird erwartet, dass 50 bis 60 % des gesamten Wasserstoffs für den wachsenden Verkehrsmarkt bis 2030 aus erneuerbaren oder kohlenstoffarmen Quellen stammen werden (DENA 2018b).

2

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

2.1

Begriffsdefinition Geschäftsmodell

Bereits 1957 wurde der Begriff Geschäftsmodell (engl. Business Model) in einem Artikel von (Bellman 1957). Weitere Artikel stammen aus den 1960er Jahren, z. B. von Jones (Jones 1960) und McGuire (1965). Die damalige Bedeutung des Begriffs Geschäftsmodell war diffus und uneinheitlich. Es wurde als eine Art Konstruktionsplan eines Unternehmens verstanden, der Prozesse, Aufgaben und Kommunikationsbeziehungen umfasst. Das Geschäftsmodell wurde als Prozess- und Datenmodell begriffen (Stähler 2014). Speziell im IT- und Software-Bereich sind neue und zahlreiche Geschäftsmodelldefinitionen entstanden (Wirtz 2016) Die Entstehung der Geschäftsmodelltheorie wird vor allem der New Economy zugeschrieben (1998–2001). Der Ursprung des Konzeptes wird mit der Entstehung der Wirtschaftsinformatik Mitte der 1970er Jahre im Zusammenhang mit der Geschäftsmodellierung verortet. Eine einheitliche Definition des Geschäftsmodellbegriffs gibt es bisher in der wissenschaftlichen Literatur nicht (Wirtz 2018). Wirz (Wirtz 2016) und Schallmo (Schallmo 2014, 2018) beschreiben eine Vielzahl an Definitionen. In den meisten davon zeichnet sich das Geschäftsmodell dadurch aus, dass es Elemente, Objekte, Konzepte oder Komponenten in einen Zusammenhang bringt. Diese Kombinationen dienen dazu, neue Werte (Produkte, Dienstleistungen) zu schaffen und zu sichern. Die charakteristischen Eigenschaften von Geschäftsmodellen zeigt Abbildung 14.

Abbildung 14: Geschäftsmodell Charakteristika Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Schallmo 2013; Martinez 2019).

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_2

34

2.2

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

Geschäftsmodell Ansätze

In der Literatur gibt es – je nach Forschungsgebiet – verschiedene theoretische Ansätze zur Beschreibung von Geschäftsmodellen. Die wichtigsten Ansätze sind der technologische, der organisatorische und der strategische Ansatz. Die Literatur zu Geschäftsmodellen geht auf den technologischen Ansatz zurück, der auf den Konzepten Business Modeling und Electronic Business basiert. Diese unterschiedlichen Ansätze sind von Timmers (Timmers 1999), Wirtz (Wirtz B. 2018; Wirtz 2000, 2018) beschrieben. Die Grundlage des organisatorischen Ansatzes ist die Architektur einer Unternehmung. Elemente sind Unternehmensdesign, Entscheidungszentralisation, Stellenplanung und Verbindungsstrukturen. Der Ansatz geht auf die betriebswirtschaftliche Organisationstheorie von Lindner/Cantrell (Lindner 2000) und Tikkanen et al. (Tikkanen 2005) zurück. Der jüngste Ansatz in der Geschäftsmodelltheorie ist der strategische Ansatz. Darin wird eine enge Verbindung zwischen Geschäftsmodell und Strategie vorausgesetzt. Bei strategieorientierten Ansätzen werden nicht nur unternehmensinterne Elemente und Prozesse, sondern auch unternehmensexterne Faktoren wie Wettbewerb und Innovationen berücksichtigt. Dieser Ansatz wird von Hamel/Wirtz (Wirtz 2018), Betz (Betz 2002), Magretta (Magretta 2002) und Afuah (Afuah 2003) vertreten. Alle Ansätze haben einen Fokus auf die unternehmensinterne Wertschöpfungskette gemeinsam. Im technologieorientierten Ansatz wird der Modellierungsprozess als zentral erachtet, im organisatorischen Ansatz die Prozessoptimierung und im strategischen Ansatz die Operationalisierung. Diese Ansätze sind von (Hedman 2003) und (Rentmeister 2003) beschrieben.

2.3

Ziele von Geschäftsmodelle

Ziel der Erstellung eines Geschäftsmodells ist es, eine optimale Kombination aus den unterschiedlichen Elementen der Unternehmenstätigkeit zu erreichen. Dies ermöglicht eine höhere Marktakzeptanz und höhere Umsatz- und Gewinnerwartungen durch Produkte, die von Mitwettbewerbern kaum imitierbar sind. Diese Erarbeitung einer individuell auf das eigene Unternehmen zugeschnittenen Struktur ist Hauptgegenstand der Arbeit mit einem Geschäftsmodell. Die wichtigsten Ziele von Geschäftsmodellstrukturen sind: - Sicherstellung von Profitabilität und Fortbestand des Unternehmens - Definition der Geschäftstätigkeit - Visualisierung der Aktivitäten - Reduktion der Komplexität

Bereiche von Geschäftsmodelle

35

- Ganzheitliches Verständnis des Unternehmens, damit Risiken und Potenziale besser abzuschätzen sind - Identifikation von Chancen und Risiken - Nutzung von Effizienzvorteilen und Synergien - Prüfen der strategischen Ausrichtung Ein Geschäftsmodell ist die Grundlage für die unternehmerische Leistungserstellung. Es definiert, welche Inputgüter eingesetzt werden und wie diese im innerbetrieblichen Leistungsprozess und im Rahmen von kooperativen Aktivitäten in Output fähige Leistungen für die betrachteten Märkte transformiert werden können; außerdem zeigt es Ansatzpunkte zur Generierung von Erlösen und Kosten durch die Geschäftstätigkeit auf. Diese können als Grundlage für Erfolg und Misserfolg des ökonomischen Verhaltens analysiert werden. Ein Geschäftsmodell stellt eine modellhafte Beschreibung eines Unternehmens dar. Es kann aus mehreren Bausteinen bestehen und bezieht sich auf die strategische und operative Grundausrichtung eines Geschäftsfeldes (Timmers 1999; Freiling 2010; Osterwalder und Pigneur 2011). Ein Geschäftsmodell kann als Gestaltungs- und Planungsinstrument des Implementierungsmanagements eingeordnet werden (Freiling 2010). Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Geschäftsmodelle als Instrument für interne Planungs-, Entscheidungs- und Umsetzungsprozesse dienen und die betrieblichen Produktions- und Leistungssysteme abbilden sollen. Aufgabe eines Geschäftsmodells ist es, die gegenwärtigen Geschäfte zu optimieren, Mitwettbewerber zu analysieren und sich von ihnen abzugrenzen, Wettbewerbsvorteile, Potenziale und Risiken zu erkennen und zu bewerten, Geschäftsideen zu bewerten und zu verstehen sowie Geschäftsideen und Kundennutzen darzustellen. Geschäftsmodelle erlauben Aussagen über zukünftige Erträge, Wertschöpfung und Personalbedarf.

2.4

Bereiche von Geschäftsmodelle

Für den ökonomischen Erfolg eines Geschäftsmodells sind vier Bereiche ausschlaggebend: das Nutzenversprechen (Angebot), die Kunden, die Wertschöpfungsarchitektur (Infrastruktur) und das Ertragsmodell (Osterwalder und Pigneur 2011). Das Nutzenversprechen (Value Proposition) stellt dar, wie im relevanten Markt ein möglichst hoher Nutzen im Vergleich zum Wettbewerb erzielt werden kann. Dies kann Beispielsweise aus einer Marktlücke resultieren. Schlüsselfaktoren für die Schaffung und Verteidigung eines möglichen hohen wirtschaftlichen Nutzenversprechens sind die Produkt- und Innovationsfähigkeit, die Positionierung im Markt, die Markenführung, disruptive Innovationen, spezifische Marktsegmente und mögliche Markt-

36

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

nischen, die Kommunikation im Markt, die Kundenbeziehungen, die Vertriebswege, strategische Partnerschaften und Zusammenarbeit mit Dritten. 8. Der Bereich Kunden umfasst alle Kundensegmente. Das Zentrum des Geschäftsmodells bilden die Kunden. Profitable Kunden sind ausschlaggebend für die Überlebensfähigkeit eines Unternehmens. 9. Der Bereich Wertschöpfungsarchitektur umfasst Prozesse, die zur Wertschöpfung im Unternehmen führen. Diese sind abhängig von internen und externen Leistungsträgern. Hier werden alle Funktionsbereiche im Unternehmen berührt, was Abstimmungsprozesse notwendig macht. Schlüsselressourcen sind die Mitarbeiter, deren Qualifikation, die eingesetzten Technologien, der Produktionsprozess und die Kernkompetenzen in Form von Patenten, Lizenzen und Verfahren. Schlüsselprozesse sind die Erstellung der Marktleistung, die dazu notwendigen Rahmenbedingungen sowie bestimmte Standards und Kennzahlen. 10. Der Bereich des Ertragsmodells resultiert aus den beiden skizzierten Elementen. Hier werden die erlösbezogenen Möglichkeiten des Nutzenversprechens durch die auf die Wertschöpfungsarchitektur bezogenen Kosten und Aufwendungen in den Prozessen definiert und bestimmt. Für das Ertragsmodell sind folgende Schlüsselfaktoren von Bedeutung: die Kostenstruktur, mögliche Erlösquellen, die Ertragsmodellrechnung, die Geschäftstypenwahl und die Dynamik der Zahlungsströme (Cashflows) im Unternehmen. Die grundsätzliche Frage bei Geschäftsmodellen lautet: Wer (Bereich 2) kauft was (Bereich 1) von wem (Bereich 3) für wie viel (Bereich 4)?

2.5

Geschäftsmodellinnovationen als Reaktion auf Veränderungen der Umwelt

Durch die schnellen Veränderungen in der externen Umgebung von Unternehmungen ergeben sich neue Herausforderungen für ein Geschäftsmodell, vor allem in Form von kürzeren Produktlebenszyklen, neuen Technologien und Innovationen, Abhängigkeiten von Ressourcen und von dem politischen Umfeld, Globalisierung, Kommunikationsvielfalt, stagnierenden und schrumpfenden Märkten sowie zunehmender Wettbewerbsintensität. (Homburg 2017; Albrecht 2016) sprechen hierbei von einer Commoditisierung. Um auf diese Veränderungen reagieren zu können, müssen die existierenden Geschäftsmodelle kontinuierlich überprüft und optimiert werden. Diese Optimierung oder Neugestaltung einzelner Geschäftsmodellelemente wird als Geschäftsmodell-Innovation bezeichnet. Die Impulse für eine Innovation des Geschäftsmodells gehen in der Regel von den Kundenbeziehungen aus. Impulse für Innovationen können Mitwettbewerber oder das Unternehmen in den einzelnen Prozessabläufen betreffen. Innovationen können nach ihrem Grad unterschieden werden. Der Innovationsgrad ist abhängig ob es

Geschäftsmodelltheorie von Osterwalder und Pigneur

37

sich um inkrementelle oder disruptive, radikale Änderungen der Geschäftsmodellstrukturen handelt. Ziel einer Geschäftsmodell-Innovation ist es, das Geschäftsmodell so zu modellieren, dass ein neuer Nutzen für Kunden und Partner gestiftet wird, was zu engeren Geschäftsverbindungen führt, was es für Mitwettbewerber schwieriger macht, Produkte und Dienstleistungen zu imitieren, und was das Unternehmen profitabler und nachhaltiger macht.

2.6

Geschäftsmodelltheorie von Osterwalder und Pigneur

Für diese Arbeit wird das Modell von Osterwalder und Pigneur verwendet. Die beiden Autoren definieren ein Geschäftsmodell wie folgt: „A Business model describes the rationale of how an organization creates, delivers and captures value“ (Osterwalder und Pigneur 2013). Der Ansatz beruht auf der Beschreibung, wie Organisationen Werte schaffen, bereitstellen und über längere Zeiträume sichern. Nach Osterwalders und Pigneurs Definition wird ein Geschäftsmodell aus neun Bausteinen aufgebaut. Diese zeigen, wie eine Organisation oder ein Unternehmen profitabel sein kann. Dabei sind diese Bausteine verknüpft mit den vier wichtigsten Unternehmensbereichen, nämlich Kunden, Angebote, Infrastruktur und finanzielle Überlebensfähigkeit (Finanzen). Die folgende Tabelle 13 zeigt die neun Bausteine/Elemente nach Osterwalder und Pigneur und die Verknüpfung mit den vier Bereichen.

38

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

Tabelle 13:

Elemente des Geschäftsmodell nach Osterwald/Pigneur

Bausteine/Elemente

Aufgabe/Beschreibung

Bereiche

1. Customer Segment /

Personenkreise, Organisationen und Unternehmen, die wir bedienen und deren Probleme wir lösen möchten

Kunden

Kundennutzen; Kundenproblem lösen; beschreibt den Nutzen, den Kunden vom Produkt oder Service erhalten

Angebot

Kundensegmente ansprechen, Vermittlung von Nutzenversprechen, Weg zum Kunden

Infrastruktur

Kundensegment 2. Value Proposition /

Nutzenversprechen 3. Channels /

Kanäle

4. Customer Relationship / Art der Beziehungen zu Kundensegment (e)

Kundenbeziehungen 5. Revenue Streams /

Kunden

perönlich/automatisiert Art der Einkünfte aus den Kundensegmenten

Finanzen

Wichtigste Wirtschaftsgüter für das Funktionieren eines Geschäftsmodells und für ein erfolgreiches Arbeiten

Infrastruktur

Wichtigste Aktivitäten, notwendig für die Funktion des Geschäftsmodells

Infrastruktur

Einnahmequellen 6. Key Resources /

Schlüsselressourcen 7. Key Activities /

Schlüsselaktivitäten

Netzwerk von Partnern Schlüsselpartnerschaften für das Gelingen des Geschäftsmodells

8. Key Partnership / 9. Cost Structure /

Kostenstruktur

Kosten, die bei der Arbeit mit dem Geschäftsmodell anfallen

Infrastruktur Finanzen

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder et al. 2015).

Osterwalder und Pigneur haben diese Bausteine/Elemente in eine spezielle Darstellungsart überführt, die sogenannte Canvas-Übersicht (Abbildung 15). Diese ist gut geeignet, um Geschäftsmodelle in einem Blick darzustellen, zu verändern und zu analysieren.

Abbildung 15: Business Model Canvas Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013).

Geschäftsmodelltheorie von Osterwalder und Pigneur

39

Im Folgenden werden die 9 Bausteine kurz beschrieben. (1) Kundensegment Kunden sind das Schlüsselelement eines jeden Geschäftsmodells. Ohne profitable Kunden können Unternehmen aus ökonomischer Sicht nicht bestehen. Eine Kundensegmentierung wird durchgeführt, um potenzielle Kunden genauer zu analysieren, ihre Bedürfnisse besser zu erkennen, die Segmente abzugrenzen, diese zu beschreiben und mit dem Nutzenversprechen (Value Proposition) durch Produkte und Dienstleistungen zu befriedigen. Die Segmentierung der Kunden kann nach unterschiedlichen Merkmalen erfolgen, um ihre Wünsche und Bedürfnisse besser zu verstehen und passende Lösungen in Form von Nutzenversprechen anzubieten. Geschäftsmodelle werden nur erfolgreich sein, wenn die Kunden sehr genau bekannt sind. Das Geschäftsmodell muss genau auf das mögliche Kundensegment ausgerichtet werden. Auf welche Kundengruppe das Geschäftsmodell ausgerichtet ist und welche Produkte oder Dienstleistungen angeboten werden, definieren unterschiedliche Fragestellungen: - Leistungsangebot und Bedürfnisbefriedigung der unterschiedlichen Kundensegmente - Lösungen der Kundenprobleme durch das Leistungsangebot - Abgrenzung von möglichen Kundensegmenten - Kommunikationsweg zu den Kunden - Bonität der Kunden. (2) Nutzenversprechen (Value Proposition)

Abbildung 16: Schnittmenge Value Proposition Quelle: Eigene Darstellung.

40

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

Der potenzielle Kunde steht im Mittelpunkt einer jeden Unternehmung. Das Nutzenversprechen (Wertangebot, Value Proposition) eines Unternehmens ist der Grund, warum Kunden oder bestimmte Kundensegmente das Angebot annehmen und kaufen. Dadurch entstehen Mehrwerte für den Kunden in Form von besserer Qualität, höherer Effizienz und dadurch kostengünstigerer, einfacherer Bedienung usw. Dieser Mehrwert löst ein Kundenproblem oder erfüllt ein Kundenbedürfnis (Osterwalder et al. 2015). Es gibt verschiedene Kategorien, die ein Kunde für wichtig hält und die zur Entwicklung des Nutzenversprechens führen. Die Schnittmenge aus Angebot, Marktangebot und Kundenbedürfnisse ergibt die speziellen Kunden-Wertangebote. Die Nutzenversprechen können neu und einzigartig sein (innovative Value Proposition) oder sich in bestimmten Eigenschaften von auf dem Markt existierenden Angeboten unterscheiden. Die Grundsatzfragen für das Unternehmen und die erfolgreiche Umsetzung eines Geschäftsmodells betreffend das Nutzenversprechen sind: 1. Welcher Nutzen wird dem Kunden vermittelt? 2. Welche Problemlösungen können wir dem Kunden anbieten, welche Bedürfnisse werden mit dem Nutzenversprechen gestillt? 3. Welche Produkte und Dienstleistungen bieten wir für das einzelne Kundensegment an? Diese Fragen müssen bei der Analyse des Nutzenversprechens eindeutig beantwortet werden können, um diese Nutzenversprechen erfolgreich im Unternehmen umzusetzen. Die Nutzenversprechen können qualitativ oder quantitativ sein. Qualitative Wertangebote beziehen sich auf die Beschaffenheit bzw. die charakteristischen Eigenschaften und quantitative Wertangebote auf Anzahl, Größe oder Menge des Produkts. Es gibt verschiedene Einteilungen und Kategorien für Nutzenversprechen, die ein Kunde für wichtig hält und die zur Entwicklung eines für ein Kundensegment spezifischen Nutzenversprechens führen: - Der funktionelle Wert konzentriert sich auf das Produkt und die Dienstleistungen, z. B. auf Komfort, bessere Problemlösungsfähigkeit oder einfachere Handhabung als andere Angebote. - Der emotionale Wert eines Produkts und einer Dienstleistung bewertet die Attraktivität und wie angenehm die Leistungen sind. Ein Kunde kann z. B. aus nostalgischen Gründen, aus Tradition oder auf Anraten anderer Personen an das Produkt bzw. die Dienstleistung gebunden sein. - Der wirtschaftliche Wert bietet dem Kunden einen finanziellen Vorteil, fördert die Energieeinsparung, ist effizienter, spart Zeit oder ist innovativ.

Geschäftsmodelltheorie von Osterwalder und Pigneur

41

- Beim symbolischen Wert legt der Kunde Wert auf den Status, den das Produkt oder die Dienstleistung bietet. Dieser Status kann sich an der sozialen Verantwortung orientieren oder von einer Marke abgeleitet sein. Weitere Werte, die als Endwerte bezeichnet werden, sind Gesundheit, Wohlstand, Jugend, Unabhängigkeit usw. Demnach haben sich elf Faktoren herausgebildet, die ein gutes Nutzenversprechen definieren. Tabelle 14 zeigt diese Nutzenversprechen mit Beispielen dazu auf. Tabelle 14:

Nutzenversprechen mit grünem H2

Nutzenversprechen

Beispiele

Neuheit

Hocheffizientes dezentrales Brennstoffzellen Heizgerät, H2 hersgestellt aus Biomaterial, Energie rückführungssystem,

Leistungsverbesserung

Höhere Leistungsfähigkeit, höhere Effizienz, höhere Reichweite, höhere Beladung, geringeres Gewicht

Anpassung an Kundenwünsche

Größe und Leistung von Fahrzeugen, Wärmelieferung für private und kommerzielle Heizungsysteme

Arbeitserleichterung

Heizungsanwendung mit All-inclusive-Arbeit, Installation, Arbeiten, Wartung, Carsharing-System (Mobilität auf Anfrage!)

Design

Futuristic, modern, innovativ

Marke Status

Marken Namen, Farbe, Form

Preis

Leasing model, car sharing, Energie

Kostenreduktion

Energiekostenreduzierung durch dezentrale Systeme

Risikominimierung

Verfügbarkeit für H2, dezentral produziert, lokal produziert

Verfügbarkeit

Energie Infrastruktur für grünem H2

Anwenderfreundlichkeit Bequemlichkeit

Kurze Betankungszeit, einfache Befüllung,

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013).

(3) Kanäle Ein weiteres Element nach Osterwalder und Pigneur sind die Kanäle, über die Kundensegmente erreicht werden, um das Nutzenversprechen (Value Proposition) zu übermitteln. Es gibt zwei Arten von Kanälen: direkte und indirekte. Direkte Kanäle sind im Unternehmen in die Organisationsstruktur eingebettet, indirekte Kanäle werden durch Partner realisiert. Für den direkten Kanal steht Vertriebspersonal zur Verfügung; eine andere Möglichkeit besteht im Online-Verkauf über das Internet. Bei der indirekten Kanalwahl besteht eine Anzahl von Möglichkeiten wie Einzelhandel, Großhandel, Partnerläden, Partner-Onlinekanäle.

42

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

(4) Kundenbeziehungen Die Kundenbeziehung zeigt den Zusammenhang zwischen Unternehmen und Kunden bzw. Kundensegment. Diese reichen von persönlichen bis hin zu maschinellen Beziehungen. Osterwalder und Pigneur teilen die Kundenbeziehungen in Kategorien ein: Persönliche Unterstützung: - Individuelle persönliche Unterstützung: beispielsweise für Freiberufler, Private-Bank-Dienstleistungen und überall dort, wo direkter Kontakt mit dem Kunden besteht, vor. - Selbstbedienung: Unternehmen schafft die Möglichkeit das Kunde sich selbst bedient. Einen direkten Kontakt im kauf Prozess gibt es nicht. - Automatisierte Dienstleistungen: Ist ein Mix aus automatisiertem Prozesse und Selbstbedienung. - Communitys - Mitbeteiligung (5) Einnahmequellen Die Einnahmequellen werden durch die verschiedenen Kundensegmente bestimmt. Das wichtigste Element für die Generierung von Einnahmen ist – wie auch unter dem Nutzenversprechen – die Kundensegmente. Je nach Kundensegment können verschiedene Preisfestsetzungsmechanismen definiert werden, je nachdem, welche Preise die einzelnen Kundensegmente bereit sind zu zahlen. In einem Geschäftsmodell können verschiedenartige Einnahmequellen bestehen: - Verkauf von Wirtschaftsgütern - Nutzungsgebühr (je mehr ein Kunde eine Dienstleistung nutzt, desto mehr muss er bezahlen) - Mitgliedergebühren - Verleih, Vermietung und Leasing - Lizenzen - Maklergebühren - Werbung: Die verschiedenen Einnahmequellen können nach bestimmten Preismechanismen gestaltet werden. Diese Freiheit obliegt jedem Unternehmer.

Geschäftsmodelltheorie von Osterwalder und Pigneur

43

(6) Schlüsselressourcen Schlüsselressourcen sind die wichtigsten Wirtschaftsgüter/Assets, um die Funktionsweise eines Geschäftsmodells sicherzustellen. Welche Ressourcen für Nutzenversprechen, Kanäle, Kundenbeziehungen und Einnahmequellen sind dabei notwendig. Dabei lassen sich folgende Schlüsselressourcen kategorisieren: - Physisch - Intellektuell - Menschlich/Personell - Finanziell (7) Schlüsselaktivitäten Schlüsselaktivitäten sind Arbeiten, die notwendig sind, damit ein Unternehmen funktioniert. Die im Folgenden aufgezählten Schlüsselaktivitäten unterscheiden sich je nach Type des Geschäftsmodells. - Produktion: Produzenten entwickeln Produkte, produzieren und liefern diese aus. - Problemlösung: Beratungsfirmen, Energiedienstleister wie Krankenhäuser sind gekennzeichnet durch Problemlösungsaktivitäten. kontinuierlich Schulung ist notwendig. - Plattform-Netzwerk: Geschäftsmodelle bei denen die Plattform die Schlüsselaktivitäten darstellt. Notwendiges update und Pflege essenziell. Energievermittlungsplattformen oder Ebay als Beispiele. Speziell für zukünftige dezentrale Energiewandler ist diese Form der Schlüsselaktivitäten besonders wichtig, da ein Internet der Energie und die Steuerung von Energiesystemen in Energienetz von Bedeutung sein werden. (8) Schlüsselpartnerschaften Zu Schlüsselpartnern gehören Lieferanten und Partner. Sie tragen dazu bei, dass die eigenen Ideen und das Geschäftsmodell gelingen. Folgende Formen von Schlüsselpartnerschaften lassen sich aufzählen: - Strategische Allianzen - Kooperationen: Wettbewerber bilden strategische Partnerschaften um spezielle Produkte gemeinsam zu entwickeln (Brennstoffzellen, Speicher, Smart-Grid-Systeme, Komponenten) - Joint Ventures - Käufer-Anbieter-Beziehungen: Dieser Bund gewährleistet eine zuverlässige Versorgung.

44

Geschäftsmodelle in den Wirtschaftswissenschaften

(9) Kostenstruktur Die Kostenstruktur wird aus den einzelnen Kostenbestandteilen der Bausteine des Geschäftsmodells bestimmt. Dabei werden zwei Sichtweisen unterschieden: - kostenorientierten Sichtweise - wertorientierte Sichtweise Die Charakterisierung der Kostenstruktur erfolgt durch die Betrachtung der fixen und variablen Kosten und deren verschiedene Berechnungsverfahren wie Deckungsbeitragsrechnungen, statistische und dynamische Investitions-/Finanzierungsberechnungen. In der Kostenstruktur sind auch Economys of Scope und Economys of Scale und daraus resultierende mögliche Lerneffekten zu berücksichtigen, die die Kostenstruktur maßgeblich beeinflussen können. Für diese Forschungsarbeit wird der Bausteine Nutzenversprechen, bei den einzelnen Forschungsthemen in Kapitel 4–7 auf charakteristische Eigenschaften untersucht, eingeteilt und bewertet. In jedem Kapitel erfolgt eine Zwischenbewertung, diese werden in Kapitel 8 zusammengefügt und analysiert. Dort erfolgt auch die Gesamtbewertung der wichtigen charakteristischen Eigenschaften für Geschäftsmodellstrukturen mit grünem H2.

2.7

Zusammenfassung

Im Kapitel sind wichtige Fragen erörtert die für diese wissenschaftliche Arbeit als Grundlagen dienen. Fragen zu Physikalischen, chemischen und wirtschaftswissenschaftliche Sachverhalte wurden geklärt. Zunächst wurde der Begriff Energie und die Energieformen definiert. Dabei wurde der Frage nachgegangen wie hoch die heutigen notwendigen Energiemengen sind und welche Primärenergiequellen zur Verfügung stehen. Dabei wurde die Frage nach dem aktuellen Anteil erneuerbarer Energiequellen beantwortet. Energien werden heute in verschiedenen Bereichen benötigt. Diese Bereiche wurden in die sogenannten Energiesektoren Wärme, Strom und Mobilität unterteilt. Dies entspricht der heutigen Energieinfrastruktur. Dabei wurde geklärt, dass diese Sektoren aktuell nicht miteinander verknüpft sind. Diese Verknüpfung ist aber aus Effizienz und Energieressourcen Gründe notwendig, um eine Dekarbonisierung mit Hilfe EEQ zu erreichen. Primäre-, Sekundäre- und Endenergie wurden für die weitere Arbeit definiert und dargestellt. Ausgehend von heutigen fossilen Energieressourcen wurde gezeigt wie effizient die Umwandlungssysteme in den heutigen Kraftwerken sind und welche umweltspezifischen Auswirkungen die Umwandlungsprozesse, meist in Form von chemischer Verbrennung ökologisch und ökonomisch, haben. Das Effizienzpotential dieser Kraftwerke

Zusammenfassung

45

ist wie gezeigt enorm. 50 – 60% dieser Energiemenge die umgewandelt wird verpufft als Energie die nicht genutzt wird meist in Form von Wärme. Die zig Millionen Tonnen an Treibhausgasen die jährlich in die Atmosphäre emittiert werden, ändern unser Klima und gleichzeitig auch die Umweltbelastungen für die Menschen. Hier wurden die Grundlagen geschaffen wie, warum und in welcher Höhe diese Schadstoffe emittiert werden. Es wurden aktuelle Daten zu Treibhausgas Emissionen aufgezeigt und die möglichen Konsequenzen des Klimawandels, welcher durch den Menschen verursacht wird. Aus diesem Bereich der Umweltbelastungen wurde versucht die Frage zu beantworten was bedeutet Begrenztheit und Nachhaltigkeit mit fossilem Energieträger und wie eine Nachhaltigkeitsdefinition aussehen kann. Die Frage nach dem Wasserstoff als grüner Energieträger wurde beantwortet und der aktuelle Stand in welchen Mengen und in welche Prozesse H2 genutzt wird. Dabei wurde eingegangen wie dieser grüne H2 aktuelle und in der Zukunft hergestellt werden kann. Dabei wurden auf die chemischen stöchiometrischen Grundlagen eingegangen und eine Vielzahl an Herstellmethoden mit erneuerbaren Energiequellen aufgezeigt. Im letzten Abschnitt wurden die Grundlagen heutiger Geschäftsmodellansätze skizziert. Detailliert wurde auf das Modell von Osterwalde/Pignuer eingegangen, welches in dieser Arbeit als Grundlage dient.

3

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

3.1

Hintergrund und Merkmale von grünem Wasserstoff

Wie bereits in Kapitel 1.4.2 diskutiert sind die ökologischen Auswirkungen durch den heutigen Einsatz von fossilen Energieträgern auf der ganzen Erde zu spüren. Sie reichen von extremen Wetterphänomenen durch Klimaerwärmung und Meeresspiegelanstieg über Artensterben (Diaz 2019), Umweltverschmutzungen durch fossile Energieträger und volkswirtschaftliche Abhängigkeiten von Rohstoffen und Energieressourcen bis hin zu Krisen, Kriegen und Auseinandersetzungen um Energieressourcen, um nur einige Konfliktherde hier zu nennen (Nerem et al. 2018; Masson und Delmotte 2018; Baier 2015; Hutter 2018; Kropp A. 2019; Tol 2018). Die seit Ende der 1990er Jahre wissenschaftlich eindeutig nachgewiesene Klimaveränderung durch den Einsatz fossiler Energieressourcen, hat dadurch in vielen Volkswirtschaften ein Umdenken in der Energiepolitik eingeleitet. Die Energie- und Umweltfragen sind heute von existenzieller Bedeutung für die Menschheit. Energie ist dabei die treibende Kraft unserer heutigen und zukünftigen Zivilisation. Dieser Transformationsprozess – weg von einer fossilen Energieinfrastruktur hin zu einer nachhaltigen, basierend auf erneuerbaren Energiequellen (Wind, Sonne, Wasser, Geothermie) – ist seit Mitte der 90er Jahren im vollen Gange. In Deutschland ist dieser Prozess unter dem Begriff „Energiewende“ bekannt und wird dort politisch forciert. Speziell das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) war in den 90er Jahren eine Energie-Revolution betreffend Einspeisung erneuerbarer Energie. Dieses Gesetz kann als Meilenstein in diesem Transformationsprozess angesehen werden (Säcker; Reshöft und Schäfermeier 2019; Frenz et al. 2018). Das damalige Gesetz ist heute durch politische Entscheidungen eher zu einem Erneuerbare-Energien-Verhinderungsgesetz geworden, da der Umfang der Vorschriften von damals knapp 30 Seiten auf über 1500 Seiten gewachsen ist. In über 100 Ländern wird dieses Gesetz bis heute in ähnlicher und abgeänderter Form verwendet (REN21 2013). Die Europäische Kommission selbst hat durch energie- und umweltpolitische Vorgaben in Form von Richtlinien die einzelnen EU-Länder verpflichtet, in Energie, Energieeffizienz und Umweltfragen bestimmte Vorgaben an den Primärenergieverbrauch mithilfe erneuerbarer Energiequellen zu erfüllen (EU 2018, 2012). Sie basieren alle auf der Grundlage der CO2-Reduktion in den einzelnen Mitgliedsstaaten. Global gesehen gehen diese Schritte auf die ersten internationalen Klimavereinbarungen und -initiativen zurück: die Überlegungen im 1968 gegründeten Club of Rome, die erste Umweltkonferenz in Rio im Jahr 1992 bis zur Paris-Vereinbarung Ende 2015. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_3

48

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Der heutige globale Primärenergiebedarf von über 13,6 Mrd. Toe (158 PWh) steigt stetig durch die immer stärkere Nachfrage nach Energie. Bis ins Jahr 2060 wird mit einer Verdopplung des heutigen Primärenergiebedarfs gerechnet (BP 2018; IEA 2018). Dieser Anstieg wird besonders durch die exponentiell steigende Weltbevölkerung und die stark wachsenden Volkswirtschaften wie China und Indien forciert. In der EU sind die Energiemengen eher gleichbleibend durch Steigerung der Energieeffizienz und dadurch geringeren Energieeinsatz. Der Primärenergiebedarf belief sich in Deutschland 2018 auf knapp 13.500 Petajoule. Davon sind ca. 86 % fossile Energieressourcen (Kohle, Öl, Gas und Kernenergie) sowie der Rest erneuerbare Energiequellen (AGEB 2019). Der Endenergieverbrauch in den einzelnen Energiesektoren lag bei ca. 92.000 Petajoule. Dies bedeutet einen Gesamtwirkungsgrad von 65 % über die gesamten Energiesektoren betrachtet (AGEB 2019). Schaut man sich den Stromverbrauch in den einzelnen Sektoren in Deutschland genauer an, so liegt die größte Nachfrage im industriellen Bereich (45 %), gefolgt vom gewerblichen Bereich (29 %). Im Haushaltsbereich (Gebäude) werden ca. 25 % benötigt und der Rest im mobilen Bereich. Gerade dieser Bereich wird durch die zukünftige Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (BEV) stark anwachsen, aber auch durch die Alternativen mit synthetischen Kraftstoffen, die als Grundlage Wasserstoff als Ausgangsstoff nutzen. Hier sind Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) als mögliche Alternative zu nennen. Würde man zukünftig den Energiebedarf für die Beladung und Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit elektrischer Energie decken, wären die Konsequenzen ein zusätzlich starker Anstieg an Treibhausgasen, sollte der heutige Energiemix genutzt werden (siehe Kapitel 6 Mobilität). Ca. 85 % der deutschen Treibhausgas-Emissionen sind energiebedingt. Die elektrische Energieumwandlung mach dabei ca. 45 %, die Mobilität ca. 20 %, die Industrie 15 %, Haushalte 12 % und Gewerbe 5 % aus (UBA 2018). Wasserstoffherstellung aus erneuerbaren Energien Wasserstoff wird heute überwiegend (> 98 %) aus fossilen Energieträgern bzw. als Abfallprodukt von chemischen Prozessen, bspw. in Raffinerien, gewonnen. Im Energietransformationsprozess müssen die heutigen teilweise ineffizienten Energieumwandlungsprozesse in den einzelnen Energiesektoren (Wärme/Kälte, Mobilität, Elektrizität) miteinander verbunden und energetisch optimiert werden. Hier kann H2 als erneuerbarer sekundärer Energieträger als Energiebindeglied einen wichtigen zukünftigen Beitrag leisten (Emonts 2017; Svilengatyin 2018; Galan 2018). Um H2 zu erzeugen, wird Energie zum Aufspalten benötigt. Heutige H2-Herstellungsprozesse verwenden dabei fossile Ressourcen, die zur Konsequenz haben, dass CO 2 freigesetzt wird. Dieser sogenannte graue Wasserstoff ist aus ökologischen Gründen

Hintergrund und Merkmale von grünem Wasserstoff

49

nicht als sinnvoll zu betrachten, da der CO2-Ausstoß bei der Umwandlung ähnlich hoch ist wie die Nutzung konventioneller fossiler Treibstoffe und zugleich die Effizienz der Energieumwandlung relativ gering ist (Coutanceau 2018; Dincer 2016). Gründe, die dafürsprechen, H2 als grünen Energieträger einzusetzen, sind die immer geringeren Stromgestehungskosten mit erneuerbaren Energiequellen. Dadurch ergeben sich neue Geschäftsopportunitäten beim Einsatz von grünem H2 als nachhaltiger erneuerbarer sekundärer Energieträger. Um grünen H2 ökonomisch herstellen zu können, müssen die Stromgestehungskosten von erneuerbaren Energiequellen weiter reduziert werden. Wie am Beispiel PV und Wind im Kapitel 1.2 erläutert wird dies in einem relativen kurzen Zeitraum möglich sein (Kost 2018). Durch den immer höheren Anteil an erneuerbaren volatilen Energiequellen im bestehenden Energienetz ergibt sich für die heutige Energieinfrastruktur das Problem, diese volatilen Energiequellen im bestehenden Netz effektiv und effizient einzusetzen. Da diese Quellen – abhängig von Wettersituationen und Jahreszeiten – sehr volatil sind, müssen neue Energieinfrastrukturkonzepte und Speichertechnologien entwickelt und bereitgestellt werden. Das Grundproblem ist bei Energieüberschuss die Speicherung der überschüssigen volatilen Energie. Dieser Energieüberschuss kann ideal für die Herstellung von H2 eingesetzt werden. War dies früher aus ökonomischen und technischen Gründen nicht realistisch, so scheint es durch den technologischen und wirtschaftlichen Fortschritt die Möglichkeit zu geben, H2 zukünftig in großen Mengen aus erneuerbaren Energiequellen zu generieren (Michalski 2017; Seba 2017; Coutanceau 2018). Dieser Energieumwandlungsprozess wird die nächste große energetische Revolution darstellen: die Dekarbonisierung unserer Energieinfrastruktur mithilfe erneuerbarer Energiequellen und grünem H2 als Bindeglied in den einzelnen Energiesektoren (Seba 2017). Um dabei heute schon mögliche Energiearbitrage bei der Herstellung von H 2 zu nutzen, bedarf es weiterer konzeptioneller Umsetzungen. Unter Energiearbitrage versteht man die Fähigkeit, Energie zu einer bestimmten Tageszeit zu speichern und zu einem anderen Zeitpunkt zu entladen, wodurch der Energieverbrauch verschoben wird. Dahinter stehen Kostenerwägungen: So ist es finanziell vorteilhaft, in Zeiten geringer Nachfrage kostengünstige Energie zu speichern und diese bei Spitzennachfrage zu hohen Kosten zu verkaufen. Der Preisunterschied zwischen Peak- und Off-Peak-Bedarf muss jedoch groß genug sein, um die Verluste im Speicherprozess zu kompensieren. Der Speicherprozess kann mithilfe von H2 oder auch durch elektrische Speicher umgesetzt werden. Diese überschüssige Energie zu speichern wird beim weiteren Ausbau erneuerbarer Energiequellen in der Zukunft durch Kostenreduktion möglich, ist aber aktuell durch die Netzkapazitäten, Energiekosten/Umlagen/Steuern und die notwendigen Investitionen ökonomisch schwierig darzustellen (Crastan 2017).

50

3.2

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Energiewandler für grünen Wasserstoff

Es werden die wichtigsten Kraftwerkstypen untersucht, die für Analyse von grünem Wasserstoff H2 notwendig sind. Dabei wird aufgezeigt, welche Potenziale, Risiken und Gefahren sich aus der Analyse ergeben. Darüber hinaus werden Fallbeispiele vorgestellt und Umweltauswirkungen aufgezeigt. Die möglichen Potenziale können als Nutzenversprechen/Value Propositions für unterschiedliche Anwendungen als Grundlage für Geschäftsmodellstrukturen für grünen nachhaltigen sekundären H 2 genutzt werden. 3.2.1

Konventionelle Kraftwerke zur Elektrizitätsgewinnung

Für die Untersuchungen werden die heutigen Kraftwerke für die Elektrizitätsgewinnung betrachtet. Dies sind die konventionellen Kraftwerke wie Kohle-, Kernkraft- und Gasund-Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD). Für die Herstellung von grünem H2 werden Kraftwerke analysiert, die mithilfe erneuerbarer Energieressourcen betrieben werden. Untersucht werden Energieumwandlungsprozesse, Prozesswirkungsgrade, Umweltbelastungen, Stromgestehungskosten und wirtschaftliche Gesichtspunkte zu grünem H2. Heutige konventionelle Kraftwerke (Energiewandler) sind Kohlekraftwerke, Gaskraftwerke, Gasturbinenkraftwerke und nukleare Kraftwerke. Die Wirkungsgrade konventioneller Kraftwerke liegen zwischen 30 und 60 % (Kohlekraftwerke: unter 40 %, neue Gasturbinenkraftwerke: max. 60 %, nukleare Kraftwerke: unter 35 %). Die CO2-Belastung hängt von den eingesetzten Primärenergie-Ressourcen ab (Wiesche 2018). Braunkohle hat durch ihre chemischen Eigenschaften die höchste CO2-Belastung pro Energieinhalt (siehe Kapitel 1.4.2). Nukleare Kraftwerke haben die geringsten CO2-Belastungen. Hier müssen aber die Herstellung und die Endlagerung von Brennstäben genau betrachtet werden; endgelagerte Brennstäbe müssen für die nächsten hunderte Generationen überwacht werden. Die Stromgestehungskosten werden über Parameter wie Nutzungszeit, Investitionskosten, Betriebskosten, Auslastungsgrad berechnet. Der direkte Vergleich von Stromgestehungskosten über alle Technologien hinweg ist oft problematisch und kann als Methode zur Bewertung der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit verschiedener Erzeugungsalternativen irreführend sein, da die prognostizierten Nutzungsraten, der vorhandene Ressourcenmix und die Kapazitätswerte in unterschiedlichen Regionen stark variieren können. Tabelle 15 zeigt eine Zusammenstellung von Angaben aus aktuellen Studien und Untersuchungen (Kost 2018; Wronski 2017b; Douglas 2017, 2018, 2018); (Douglas 2018) für heutige konventionelle Kraftwerkstechnologien. Die Bandbreite hängt, wie erläutert, unter anderem von regionalen Faktoren (z. B. Steuern, Kosten der Energieressourcen) oder der Kraftwerkstechnologie und ihren Investitionskosten ab.

Energiewandler für grünen Wasserstoff

51

Zusätzlich sind in der Tabelle die CO2-Belastungen (kg) durch die Verbrennung (Energieumwandlung) pro Energieeinheit (kWh) für die einzelnen Kraftwerkstypen aus dem GEMIS-Berechnungstool für Deutschland aufgeführt. Tabelle 15:

Eckdaten konventionelle Kraftwerke Wirkungsgrad

CO2 kg/kWh

LCOE min. €/kWh

LCOE max. €/kWh

< 63 %

0,42– 0,48

0,094

0,21

Steinkohlekraftwerk

30–40 %

0,85–1,2

0,06

0,1

Braunkohlekraftwerk

30–40 %

0,75–1,1

0,05

0,08

35 %

0,02–0,12

0,09

0,18

Kraftwerkstypen GuD Gas-und-DampfturbinenKraftwerk (IGCC)

Kernkraftwerk

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Wronski 2017b; Kost 2018; Douglas 2018; Ray 2018).

Die Bandbreite der Stromgestehungskosten nach der Methodik der LCOE-Berechnung ist relativ groß (Witte 2018; Ram 2017; Madureira 2014). Die technologischen Prozessparameter wie Wirkungsgrad der Anlagen hängen vom Typus der Kraftwerke und dem Alter der Anlage ab. Die Wirkungsgrade sind physikalisch durch den thermodynamischen Kreisprozess (Carnot Cycle) und die ihm zugrunde liegenden Temperaturunterschiede im Verbrennungsprozess definiert (Mardorf 2019). Der größte Anteil der Energie wird in thermische Energie gewandelt, welche dann als nutzbare Energie (Exergie) nicht mehr zur Verfügung steht (Buchholz 2016). Die Umweltbelastungen hängen von der Art des Energieträgers für das Betreiben der Anlage ab. Je höher der Kohlenstoffanteil ist, umso höher ist der Schadstoffausstoß, speziell die CO2-Belastung durch den chemischen Verbrennungsvorgang (siehe Kapitel 1.4.2). Schaut man sich ein heutiges Kohlekraftwerk (Energiewandler) genauer an, so wird chemische Energie in verschiedenen Schritten in elektrische Energie umgewandelt. Bevor die Kohle verbrannt wird, muss sie zerkleinert und getrocknet werden. Die Kohle wird anschließend verbrannt (exotherme chemische Reaktion) und in Wärmeenergie (thermische Energie) gewandelt. Diese Wärmeenergie erhitzt Wasser auf hohem Druck zu Wassersdampf (600 °C) und 250 bar. Dieser Wasserdampf treibt Turbinen an (Rotationsenergie), welche elektrische Energie über die Generatoren abgeben. Das Abgas wird nach der Reinigung an die Umgebung emittiert. Die thermisch erzeugte Energie kann, wie erwähnt, nicht mehr weiter als nutzbare sogenannte Exergie eingesetzt werden und wird über Kühltürme an die Umgebung abgegeben bzw. als Wärmwasser in Flüsse eingeleitet. Der Wirkungsgrad solcher Kraftwerke liegt bei 30–40 % (siehe Abbildung 6). Aus dem Energieflussschema ist zu

52

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

erkennen, dass von 100 Primärenergieanteilen nur noch weniger als 40 Energieanteile in Form von Elektrizität zur Verfügung stehen. Diese Sekundärenergie wird über elektrische Versorgungsnetze weiter zu den Endabnehmer übertragen. Bei dieser Übertragung kommt es zu weiteren Umwandlungsverlusten (thermische Energie) durch Versorgungsleitungen und Transformatoren, die ca. 5–8 % betragen (Crastan 2017; Buchholz 2016; Konstantin 2017). Heutige Umwandlungsverluste von Primärenergie in Sekundärenergie und weiter in Endenergie sind abhängig von den unterschiedlich eingesetzten Verbrauchern. Schaut man sich die zentrale Netzstruktur in Deutschland genauer an, so ist mit Distributionsverlusten von 5–8 % zu rechnen. Das deutsche elektrische Netz hat eine Gesamtlänge von über 1,7 Mio. km (Hoch- und Niederspannungsleitungen) und verfügt über mehr als 70.000 Transformatoren (Evers 2010; Konstantin 2018a; Evers 2010). Diese Transaktionskosten werden von allen Stromverbrauchern über die Energiekostenabrechnung bezahlt. Im Jahr 2018 wurden in Deutschland mehr als 694 Mrd. kWh erzeugt (AGEB 2019), 5–8 % dieser elektrischen Energie sind Verteilungsverluste. Mit 0,04 €/kWh für diese Umwandlungsverluste müsste ein Betrag von über 1.800 Mio. € pro Jahr aufgebracht werden. Diese zentralen Distributionsnetzwerke sind auf der ganzen Welt in ähnlicher Form vorzufinden. Die tatsächliche Nutzenergie hängt vom letzten Energiewandlungsprozess ab, d. h. von den einzelnen Verbrauchern vor Ort. In der folgenden Abbildung 17 wird dies am Beispiel eines E-Fahrzeugs (BEV) und eines Haushaltsbackofens im Energieflussschema aufgezeigt.

Abbildung 17: Energieflussschema eines Kohlekraftwerks mit Anwendungsbeispiel Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Wiesche 2018; Karle 2017).

Energiewandler für grünen Wasserstoff

53

Je nach Höhe des umwandlungsbedingten Exergie-Anteils kann zwischen qualitativ höherwertigen und qualitativ geringwertigen Energieformen unterschieden werden 3.2.2

Kraftwerke mit erneuerbarer Energie

Kraftwerke, die mit der Strahlungsenergie der Sonne, Energie in andere Energieformen umwandeln, haben je nach eingesetzten Technologien unterschiedliche Wirkungsgrade. Heutige erneuerbare Energie Kraftwerke sind Photovoltaiksysteme, Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, Geothermie Systeme, Solarkraftwerke und Biomassekraftwerke können bereits ökonomisch mit konventionell betriebenen Kraftwerken konkurrieren (Konstantin 2017; Crastan 2017; Wiesche 2018). Photovoltaikanlagen Kraftwerke, die die Strahlungsenergie der Sonne in andere Energieformen umwandeln, haben je nach eingesetzten Technologien unterschiedliche Wirkungsgrade. Bei PV-Anlagen liegt der Wirkungsgrad je nach eingesetzten Solarzellentypen aktuell bei 12–25 % (Reich 2018; Quaschning 2018; Mertens 2018, 2019). Photovoltaiksysteme (Solarzellen) wurden für Raumfahrtprojekte in den 1960er Jahren entwickelt. In den 1970 er Jahren wurden die ersten PV-Module kommerziell für unterschiedliche Applikationen eingesetzt. Dabei lagen die Modulkosten bei über 100 $/W (Quaschning 2018; Mertens 2018). Im Laufe der Zeit wurden durch innovative Entwicklungen im Produktions- und Materialbereich die Kosten und Wirkungsgrade der PV-Module weiter verbessert. Durch spezielle Förderprogramme (z. B. EEG in Deutschland, Einspeisevergütungen) Anfang der 90er Jahre als ein Instrument, um erneuerbare Energie weiter im Markt zu platzieren und die Umwelteinwirkungen durch konventionelle Energieträger zu minimieren, stiegen die Stückzahlen durch die hohe Nachfrage exponentiell an. In der Folge sind durch die Skalen- und Lerneffekte die Kosten für PV-Module exponentiell gefallen, innerhalb von 15 Jahren um 60 % (Wirth 2019; Seba 2017).

54

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Preisentwicklung PV Module Wp 30

27

PV Module €/Wpl

25 20 15 9

10

3,1

5

1,8 0,4

0 1980

1990

2000

2010

2020

Jahre

Abbildung 18: Preisentwicklung PV-Module in Wp Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Wirth 2019).

Abbildung 19 zeigt die Anlagenpreise der letzten 12 Jahre für Anlagengrößen von 10– 100 kWp. Preisentwicklung PV Systeme

1000

800

700

650

610

580 750

560 750

500 740

460 730

780

1800

800

2000

800

3000

0

3100

1000

800

1000

2000

1000

1100

3000

1100

1100

1400

4000

3300

Anlagenpreis in kWp

5000

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

Jahr

Module

Inverter, Montage Material

Abbildung 19: Preisentwicklung PV Anlage kWp Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Wirth 2019).

Ende 2018 waren weltweit über ca. 380 GW PV-Leistung installiert (Reich 2018; Wirth 2019; Mertens 2018). Im PV-Bereich sind die Herstellkosten von Modulen um mehr als 60 % reduziert worden (Wirth 2019; Seba 2017). Würde sich dieses Wachstum bis 2030 fortsetzen, wären im Jahr 2030 70.000 GW PV-Leistung installiert (derzeit liegt die gesamte Leistung aller Kraftwerke weltweit bei ca. 60.000 GW (IEA 2018). Dies würde bedeuten, dass die gesamte PV-Leistung 2030 global gesehen höher als alle derzeitigen Kraftwerke (Energiewandler wie Kohle-, Gas-,

Energiewandler für grünen Wasserstoff

55

Nuklearkraftwerke) wäre (Seba 2014). Abbildung 20 zeigt die aktuelle Wachstumskurve für PV-Systeme. Mittlere Wachstumsrate (10 Jahre 31%) 140 4 3 2

100 2

2

3

2009

2011

2012

2013

2014

58

42

6

3

0

38

20

5 30

5

80

2

40

110

60

100

2

120

80

25

PV Zubau GWp/a

120

7,5

2010

Welt

2015

2016

2017

2018

2019

Deutschland

Abbildung 20: Wachstumsrate PV GWp Quelle: In Anlehnung an (Wirth 2019).

Die Netzparität (Grid Parity) von PV-Systemen wurde bereits in 80 % der globalen Märkte erreicht und bedeutet, dass die Energiekosten niedriger sind als bei heutigen konventionellen fossilen und nuklearen Energieträgern (Kost 2018; Seba 2014; Wirth 2019). Netzparität beschreibt dabei den Punkt, an dem Strom aus PV-Modulen (Solarzellen) kostengünstiger umgewandelt werden kann als elektrische Energie aus dem Netz. Diese Netzparität wird als destruktiv für die meisten heutigen Energieversorger und ihre Geschäftsmodelle angesehen. Der heutige Verbraucher von Energie wird zukünftig auch Hersteller (Kunde) sein. Diese sogenannten Prosumenten werden die Energiewirtschaft grundlegend ändern. Sie haben nicht nur eine Parität mit dem Netz, sondern zunehmend auch mit den Energieunternehmen. Zukünftig wird aber die Netzparität das geringste Problem für die heutigen Energieversorger sein. Da die Stromgestehungskosten tendenziell weiter sinken, ergeben sich neue Herausforderungen für die Energieversorger. Sollten die Kosten der Stromerzeugung unter die Kosten der Netzentgelte für den Transport der Energie fallen, spricht man von „god parity“ (Seba 2017). Diese wird bereits in Teilen Australiens erreicht. Trends zeigen, dass sie ab 2020 auch in Europa erreicht werden kann. Das würde bedeuten, dass selbst dann, wenn Kohle-, Gas- oder Kernkraft (oder auch der Solar- oder Windkraft im Versorgungsbereich) kostenlos wäre, diese Energiearten nach der Verteilung durch das Netz zu teuer wären, um mit PV-Solarenergie zu konkurrieren.

56

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Windkraft Ähnliche Fortschritte wurden bei der Energiewandlung von Wind in elektrische Energie gemacht. Das theoretische Potenzial an der bodennahen Windenergie liegt weltweit bei 400TW – 1.800 TW (Marvel et al. 2012). Der aktuelle Weltprimärleistungsbedarf liegt bei ca. 70.000 GW. Damit wäre es theoretisch möglich, den gesamten Leistungsbedarf weltweit über Windkraft zu decken. Auswirkungen auf das Klima durch Deckung des gesamten Weltenergiebedarfs über Windkraft sollten nach Aussagen von Forschern der Stanford University, die eine spezielle Strömungsmodellrechnung durchgeführt haben, keine Rolle spielen. Die Menge der neu installierten Windkraftwerke stieg von 2000– 2017 um über 15 %. Die Gesamtleistung an Windkraftanlagen liegt heute bei über 540 GW (Reich 2018; Quaschning 2018). Die Energiemenge, die eine Windkraftanlage liefern kann, ist abhängig von der Nennleistung, der Windressource am Standort, der Höhe der Anlage, dem Durchmesser des Rotors und dem Wartungs- und Betriebssteuerungsmanagement. Die Leistung, die aus der Windkraft in elektrische Leistung P umgewandelt werden kann, errechnet sich aus der kinetischen Leistung des Luftmassenstroms in kg/s multipliziert mit dem Wirkungsgrad nach Betz aus den Strömungsverlusten (Reibungsanteil nach Navier-Stokes-Gleichungen), den mechanischen Reibungsverlusten im Getriebe in den Lagern des Wandlers und dem elektrischen Wirkungsgrad des Systems (Manwell et al. 2011; Quaschning 2018; Hau 2017). Aus der Kontinuitätsgleichung für Fluide ergibt sich, dass der Massendurchsatz eine Funktion der Luftdichte und der Luftgeschwindigkeit ist. Dies kann folgendermaßen mathematisch dargestellt werden (Manwell et al. 2011): dm = ρ*A*v dt

(1)

P = Leistung, m = Luftmassenstrom (ṁ = ρ · A · v), A = Querschnittsfläche des Rotors in m², v = Windgeschwindigkeit m/s

kinetische Energie pro Zeiteinheit bzw. Leistung der Strömung ist gegeben durch: P=

1 dm 2 1 * *v ൌ * ρ*A*v3 2 dt 2

(2)

Der Wirkungsgrad von Windkraftanlagen hängt von der Reibung, also mechanischen, und elektrischen Verlusten ab. Die maximal mögliche mittlere Leistung wird durch den sogenannten Betz-Leistungs-Koeffizienten angegeben. Dieser Koeffizient beträgt 16/27. P= μBetz *μReibung *μmechanisch *μelektrisch * P= μBetz *μReibung *μmechanisch *μelektrisch *

1 *m* v2 2

1 *σ*A* v3 2

(3)

(4)

Energiewandler für grünen Wasserstoff

57

Die Windgeschwindigkeit geht in der dritten Potenz in die Leistungsgleichung von Windkraftanlagen ein. Die Windgeschwindigkeit und die sogenannten Volllaststunden sind die entscheidenden Parameter für eine wirtschaftliche Arbeitsweise von Windkraftanlagen. Je nach Standort der Windkraftanlage ergeben sich unterschiedliche Windverhältnisse und Betriebsstunden. Beispielsweise das Fraunhofer-Institut IWES in Kassel liefert hier aktuelle Daten. Die Vollaststunden in der Ostsee beispielsweise liegen bei neuen Offshore-Anlagen im MW-Leistungsbereich bei 3.000–4.000 h. Folgende Faktoren bestimmen die, für die Berechnung der Stromgestehungskosten, notwendigen Gesamtkosten eines Windkraftwerksprojekts: zum einen die Turbinenkosten mit den notwendigen Elementen wie Rotorblätter, Generator, Getriebe, Gondel, Stromrichter-Transformator und Turm, des Weiteren die Bauarbeiten, die Vorbereitungen am Standort der Anlage, der Anschluss an das lokale Verteilungsnetz, die Planungs- und Projektkosten und die Fläche, auf der die Anlage installiert wird. Die Berechnung der Stromgestehungskosten mithilfe der LCOE-Kalkulation hängt von folgenden Parametern ab: - Kapazitätsfaktor: Dies ist das Ergebnis eines Zusammenspiels von mehreren Variablen, Dazu gehören die Windstärke und die Betriebsverfügbarkeit (Vollaststunden) der Anlage. - Installationskosten: Die Turbinenkosten sind der größte Einzelkosten-Posten in einem Windkraft-Projekt. Je nach Windkraftanlagen Type (Onshore/Offshore) kann dieser Kostenbestandteil sehr variieren, dies hängt von den Standortbedingungen ab. - Konzept der gewichteten durchschnittlichen Kapitalkosten: Mindestrendite von Investitionen und Unternehmensbewertung (Weighted Average Cost of Capital WACC) - Betriebs- und Wartungskosten: Diese Kosten umfassen fixe und variable Kosten und können bis zu 20–25 % der Stromgestehungskosten ausmachen. Bei Betrachtung der Stromgestehungskosten von Offshore-Windkraftanlagen über einen längeren Zeitraum zeigt sich, dass diese – ähnlich wie im PV-Bereich – kontinuierlich gesunken sind (Henning 2018). So fielen die Gestehungskosten von 0,4 $/kWh (1983) auf unter 0,06 $/kWh im Jahr 2018, dies ist eine Kostenreduktion von über 85 %. Bei einer Verdopplung der installierten Leistung werden die Gestehungskosten von Offshore-Windgeneratoren um weitere 15 % sinken. Abbildung 21 zeigt den grafischen Zusammenhang über eine Periode von 25 Jahren.

58

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

0,5 0,4

0,4

$ / kWh

0,32

0,3 0,22 0,2

0,2

0,2 0,15 0,12 0,1

0,095

0,1

0,08 0,06

0,05

0,045

2016

2019

0 1983

1986

1989

1992

1995

1998

2001

2004

2007

2010

2013

Jahr

Abbildung 21: Stromgestehungskosten von offshore-Windkraftanlagen Quelle: Eigene Darstellung In Anlehnung an (IRENA 2017; Douglas 2018).

Wasserkraft Heutige Wasserkraftwerke, die teilweise die Grundlast für die Energienetze bereitstellen, haben Gestehungskosten von 3–9 Cent/kWh. Das Potenzial an Wasserkraftwerken liegt dabei weltweit bei über 400 GW. Damit könnte man 12–15 % des elektrischen Energiebedarfs weltweit decken. Wasserkraftwerke sind abhängig von regionalen, wetterbedingten und geologischen Faktoren. Beispielsweise werden in der Schweiz, in Österreich und Norwegen über 50 % des elektrischen Energiebedarfs über Wasserkraft gedeckt (Römer 2018). Wasserkraftwerke haben im Vergleich zu anderen Kraftwerken sehr hohe Wirkungsgrade. Diese liegen bei max. 80-85 %. Die Leistung P von Wasserkraftwerken ist abhängig von: Dem Wasserdurchfluss Q (in m3/s), der Fallhöhe h (in m), der Erdbeschleunigung g (≈ 9,81 m/s²) und der Wasserdichte ρ (≈ 1000 kg/m3). P= μtotal * δ*h*g*Q

(5)

Die Dichte und die Fallbeschleunigung sind konstante Faktoren. Bei durchschnittlichen Wirkungsgraden kann für eine überschlägige Rechnung das mögliche Leistungspotential vereinfacht berechnet werden: C1 = μtotal * δ*g=8,5 kN/m³ Æ P=C1 *h*Q [kW]

(6)

Energiewandler für grünen Wasserstoff

59

Beispiel: In einem Entwicklungsland liegt ein Gebirgsfluss in der Nähe eines kleinen Dorfes mit Häusern ohne Elektrizität. Der Fluss ist 6 m breit und 0,3 m tief. Die Geschwindigkeit des Wassers beträgt 5 m/s. Die Fallhöhe könnte mit 3 m problemlos ausgeführt werden. Eine Abschätzung der zur Verfügung stehenden Leistung für die Wasserkraft beträgt dabei 230 kW. Diese Leistung würde konstant zur Verfügung stehen und könnten 100 Häuser mit je 2 kW Leistung mit Energie versorgen. Dieses einfache Beispiel zeigt eine Möglichkeit der Nutzung von erneuerbarer Energie durch Wasserkraft. Die ökonomischen und sozialen Bedingungen der Bewohner könnten dabei schlagartig geändert werden. Dies würde bedeuten, dass beispielweise handwerkliche Tätigkeiten einfacher ausgeführt werden könnten (Maschinen) und Zugriff auf Informationen (Radio, Internet, Beleuchtung) besteht. Das globale Wasserkraftpotential zeigt Tabelle 16 in verschiedenen Energie-Szenarien für die nächsten 30 Jahre. Das Energieszenario „Jazz“ fokussiert sich auf die Gerechtigkeit im Energiebereich, die Prioritäten liegen im individuellen Zugang und in der Erschwinglichkeit von Energie. Das Energieszenario „Symphony“ ist auf die Erreichung von Umweltaspekten der Nachhaltigkeit durch international koordinierte Strategien und Praktiken fokussiert. Tabelle 16:

Kapazität, Erzeugung und Anteil der Wasserkraft an der globalen Stromerzeugung in den Szenarien des World Energy Council

Parameter Kapazität in GW Jazz Symphony Erzeugung in TWh Jazz Symphony Anteil Wasserkraft Jazz Symphony

2010

2030

2050

1026 1026

1267 1505

1575 2161

3491 3491

4550 5408

5789 7701

16 % 16 %

13 % 17 %

11 % 16 %

Quelle: In Anlehnung an (Hosang 2013).

Biomassekraftwerke und Biogasanlagen Durch die Vergärung von unterschiedlichen Biomassenausgangsstoffen wird Biogas hergestellt. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden als Substanz tierische Exkremente wie Gülle, Festmist und Pflanzen eingesetzt. Auch in nichtlandwirtschaftlichen Anlagen werden biologisch abbaubare Materiealien wie Abfallprodukte der Lebensmittelproduktion oder von Haushalten verwendet. Als Nebenprodukt wird ein Dünger

60

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

(Gärrest) produziert. Das hergestellte Gas wird durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Hilfe von Blockheizkraftwerken (BHKW) in Wärme und Strom umgewandelt. Andere Biogasanlagen nutzen das hergestellte Gas nach Aufbereitung zu Biomethan um es in das existierende Gasnetz einzuspeisen. Bei der Berechnung der Gestehungskosten wird in den meisten Studien nur die elektrische Energieumwandlung mit eingebracht. Die thermisch erzeugte Energie bleibt bei den Berechnungen außen vor, obwohl ca. 40 % der Energie als thermische Energie bereitgestellt werden. In vielen Anlagen verpufft diese Energie über Wärmetauscher an die Umwelt ungenutzt. Biomassekraftwerke Bei Biomassekraftwerken werden Holz, Pflanzen oder biologische Reststoffe verbrannt. Diese Energieträger (Biomasse) sind CO2-neutral. Die Kraftwerke können Wärme, Strom oder auch beide Energieformen liefern. Hier spricht man dann von Biomassekraftwerken, Biomasseheizwerken oder Biomasseheizkraftwerken. Eine Studie des Fraunhofer Instituts vom März 2018 hat den neusten Stand der Stromgestehungskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern dargestellt. Im Anhang sind die Details der LCOE-Berechnungen des Fraunhofer Instituts nochmals wiedergegeben (Anhang 1). In Tabelle 17 sind die Stromgestehungskosten zusammengefasst. Zugleich wurden die Daten über Umweltbelastungen in Form der CO2-Äquivalenzfaktoren mit ErneuerbareEnergie-Kraftwerken aus den GEMIS-Daten übernommen. Tabelle 17:

Übersicht über regenerative Kraftwerke

Kraftwerkstyp

Wirkungsgrad

CO2 kg/kWh

€/kWh

12–18 %

0,02–0,05

0,06–0,12

Windkraftwerke onshore

45 %

0,02

0,04–0,08

Windkraft offshore

45 %

0,02

0,08–0,13

Biomassekraftwerk Biogas

65 %

0,05

0,1–0,15

Thermisches Solarkraftwerk

75 %

0,01

0,08–0,18

Photovoltaiksysteme Flächenmontage

Quelle: In Anlehnung an (Reich 2018; Kost 2018, 2018; Wronski 2017b; Ray 2018)

Die Werte der Stromgestehungskosten und der Umweltauswirkungen werden bei den weiteren Betrachtungen und Analysen von grünem H2 in dieser Arbeit verwendet.

Herstellungsprozesse von Wasserstoff

3.3

61

Herstellungsprozesse von Wasserstoff

In diesem Kapitel geht es um die Herstellung und Prozesse von Wasserstoff. Es werden die notwendigen Energieressourcen, die Effizienz der Umwandlungsprozesse, die Umweltauswirkungen und ökonomische Aspekte genauer untersucht. Die Reformierung von Kohlenwasserstoffen ist die am weitest verbreitete Methode der heutigen Wasserstoffproduktion. Reformierung bedeutet Umwandlung von Kohlenwasserstoffen durch spezielle chemische Prozesse in H2, wobei als Nebenprodukte Wasser (Dampf), CO und CO2 entstehen. Ähnlich wie bei einer chemischen Verbrennung werden bei der Umwandlung fossiler Ausgangsstoffe zu reinem H2 gleich große Mengen an CO2 emittiert. Die Dampfreformierung ist ein bekanntes Verfahren und wird bis zu Mengen von 100.000 m³/h eingesetzt. Es werden dabei über zwei Prozessschritte langkettige Kohlenwasserstoffe mit Hilfe von Druck und Temperatur in Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgespaltet. Ein Beispiel für die Methan-Reformierung ist: CH4 + H2O Æ CO + 3H2; CO + H2O Æ CO2 + H2

Nur bei Verwendung erneuerbarer Energiequellen zur Herstellung von H2 kann man diesen als grünen sekundären Energieträger bezeichnen. Aus ökologischer Sicht ist es nicht sinnvoll, H2 als Energieträger aus fossilen Energiequellen (Kohlenwasserstoffe) wie Methan, Öl oder Kohle zu produzieren. Die Grundlagen der chemischen Verbrennung und deren CO2-Belastungen sind bereits in Kapitel 1.5 erläutert worden. Weltweit werden knapp 700 Mrd. m³ Wasserstoff hergestellt. Dieses Gas wird zu 98 % aus fossilen Energieträgern gewonnen: 68 % Erdgas, 16 % Öl und 11 % Kohle. Ein Bruchteil davon wird aktuell über Elektrolyse hergestellt (DWV 2017). Die wichtigsten heutigen Herstellungsverfahren von H2 mit fossilen Energieträgern sind die Dampfreformierung, partielle Oxidation und Autotherme Reformierung. Je nach Herstellprozess wird Energie bei der chemischen Verbrennung benötigt bzw. freigesetzt (endotherme/exotherme Reaktion). Die Wasserstoff Herstellung in Deutschland sind (DWV 2017): Reformierung von Erdgas (6 Mrd. Nm3/a), Benzinreformierung (2,5 Mrd. Nm3/a), Ethen-Herstellung (3,6 Mrd. Nm3/a), Chlor-Alkali-Elektrolyse (0,9 Mrd. Nm3/a). H2 wird als chemischer Grundstoff in Chemie, Produktion und Industrie eingesetzt. Rund 55 % des produzierten H2 werden in der Ammoniaksynthese, 25 % in Raffinerien (Entschwefelungsprozesse) und 10 % in der Methanol-Herstellung verwendet. Die restliche Menge entfällt auf unterschiedliche stoffliche/industrielle Anwendungen. In der chemischen und Metallindustrie besteht auch das größte Potential, mit Hilfe von grünem Wasserstoff große Mengen an CO2 einzusparen (Zhou et al. 2019).

62

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Alternative Verfahren wie zum Beispiel Elektrolyse sind im Wasserstoff Herstellbereich noch verschwindend gering. Die Elektrolyse von Wasser ist durch die Menge an benötigter Energie zur Erzeugung von H2 und den heutigen Energiekosten noch nicht wirtschaftlich. Dies wird sich aber durch die immer geringeren Stromgestehungskosten von erneuerbarer Energie zukünftig ändern (Kost 2018). Wasserstoff aus Biomasse ist bisher vernachlässigbar. Langfristig ist es aber denkbar, H2 aus Biomasse herzustellen. Voraussetzungen sind die Nachhaltigkeit der Biomasse und ausreichende Mengen für die Energieumwandlung (Tetzlaff 2011) . Es gibt zwei Verfahren, um aus Biomasse H2 bereitzustellen, nämlich das thermo-chemische und das bio-chemische (Kaltschmitt 2016; Kaltschmitt et al. 2016; Kaltschmitt 2018; Tetzlaff 2011). Tabelle 18 zeigt die unterschiedlichen heutigen Wege zur Erzeugung von Wasserstoff. Tabelle 18:

Erzeugung von H2

Prozesse

Treibstoffart

Wirkungsgrad

CO2-Auswirkungen

Thermische Reformierung

große Wirkung

CH4 (Methan)

< 80 %

Partielle Oxidation

fossile

< 80 %

große Wirkung

Kvaerner Prozess

fossile

< 95 %

kleine Wirkung große Wirkung

Elektrolyse fossil Dampfreformierung Elektrolyse EEQ

fossile

< 70 %

Biomasse

< 80 %

CO2-neutral

PV/Wind/Wasserkraft

< 80 %

keine Auswirkungen

Quelle: In Anlehnung an (Dincer 2016; Bünger 2014; Michalski 2017; Rosen 2016; Schumberger 2004; Shell 2017; Tetzlaff 2011).

H2 als grüner Energieträger kann nur, wie in Tabelle 18 dargestellt, aus regenerativen Energien hergestellt werden. Hier können Dampfreformierungsprozesse mit Biomasse, Elektrolyseure mit Strom und zukünftig Photosynthese-Prozesse betrachtet werden. H2 hergestellt aus fossilen Energiequellen emittiert, wie in Kapitel 1.4.2 besprochen, ähnlich viel CO2, wie bei Verbrennungsprozessen mit fossilen Energieträgern freigesetzt wird. Die elektrolytischen Herstellverfahren (auf Basis von PV und Windkraft) werden im nächsten Abschnitt 3.2 genauer betrachtet. Zunächst werden Umwandlungsprozesse, die zur Herstellung von grünem H2 benötigt werden, betrachtet. Tabelle 19 zeigt die wichtigsten Umwandlungsprozesse mit Wirkungsgraden und zukünftigen Trends (Wiesche 2018; Reich 2018; Konstantin 2018b, 2017; Tetzlaff 2011).

Herstellungsprozesse von Wasserstoff

Tabelle 19:

63

Prozesswirkungsgrade

Prozesse

Wirkungsgrad %

Trend %

Primärenergie Rohöl zu Benzin

0,82

gleich

Primärenergie Rohöl zu Diesel

0,9

gleich

Elektrische Energieumwandlung Kohlekraft

0,4

Elektrische Energieumwandlung Gaskraft

0,5

0,6-0,7

Netzumwandlungsverluste

0,94

höher

0,7–0,8

0,8–0,9

Elektrolyseur Hochtemperatur

0,8

0,8–0,9

Reformer (CH4)

0,8

0,8

Steam Reformer

0,8

0,8

Biogas-Steam-Reformer

0,8

0,9

Hochdruck Hydrogen

0,9

0,9

Liquid Hydrogen

0,7

0,8

Brennstoffzellen-Fahrzeug FCEV (Input to Wheel)

0,4–0,5

0,5

Batteriefahrzeug BEV (Input to Wheel)

0,7–0,75

0,8

Benzin-/Diesel-Fahrzeug (Input to Wheel)

0,16–0,24

keine

H2-Produktion/Herstellung Elektrolyseur Alkalin

Anwendungen

Hybridfahrzeuge (Verbrenner/E Motor)

0,25

0,3

Brennstoffzelle (55 % elektrisch/45 % thermisch)

0,8–0,85

0,9

Mikro-BHKW

0,8–0,9

0,9

Notstromversorgungen Brennstoffzelle

0,4–0,5

0,5

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Konstantin 2017; Konstantin und Konstantin 2018; Reich 2018; Wiesche 2018).

Im Bereich Wasserstoffherstellung ist in den Elektrolyseverfahren und BiogasreformerProzessen noch Effizienzpotential durch technologische Innovationen möglich. In den Anwendungen sind bei den Brennstoffzellen noch geringe Effizienzpotentiale vorhanden. Heutiges Hauptaugenmerk bei den Herstellungs- und Anwendungsbereichen wird auf die Zuverlässigkeit und die Kostensenkung durch höhere Stückzahlen, effizientere Fertigungsverfahren und kostengünstigere Materialien gelegt.

64

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

3.4

Umweltauswirkungen von grünem Wasserstoff

3.4.1

Umweltauswirkungen am Beispiel einer Fallstudie

Grüner H2 bedeutet, dass die eingesetzte Energie zur Herstellung von Wasserstoff aus einer erneuerbaren Energiequelle stammt, die keine schädlichen Umweltauswirkungen nach sich zieht. Dies ist bei erneuerbaren Energien wie beispielsweise PV oder Wind nicht zu 100 % gegeben, da hier im Herstellprozess und im Produktionszyklus Schadstoffemissionen anfallen. Diese Lebenszyklus- und Stoffmodell-Betrachtungen werden mittels GEMIS-Simulation/-Datenmodell berechnet und modelliert. Für die unterschiedlichen Energieressourcen und Umwandlungstechnologien sind in Tabelle 20 die Umweltfaktoren pro Energieeinheit dargestellt. Die sogenannten CO 2-Äquivalenzzahlen beschreiben die Umweltbelastungen einzelner Energieträger, abhängig von der eingesetzten Menge an Primärenergie je Energieressource. Tabelle 20:

Umweltfaktoren CO2-Äquivalent CO2 Umrechnungsfaktor

Elektrizität Mix

CO2 kg/kWh

0,565

kg/kWh

0,565

Kohle

6,5

kg/kg

0,82

Heizöl

3,2

kg/l

0,32

Gas

2,5

kg/m³

0,25

Diesel

3,1

kg/l

0,33

Benzin

2,88

kg/l

0,288

Pellets

0,027

kg/kg

0,027

PV

0,02–0,05

kg/kWh

0,02–0,05

Wind

0,01–0,02

kg/kWh

0,01–0,02

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Fritsche 2018; IFU 2019)

In der Fallstudie 1 wird ein Vergleich zweier unterschiedlicher Energiequellen für die Herstellung von Wasserstoff aufgezeigt. Eine besondere Beachtung in der Fallstudie liegt dabei auf der CO2-Umwelteinwirkung. Für die Berechnungen wird als Energiequelle Solarenergie aus einer PV-Anlage und zum Vergleich konventioneller Strom aus dem öffentlichen Netz gewählt. Tabelle 21 zeigt die beiden Varianten und den CO2-Ausstoß bei der Herstellung von H2. In der Fallstudie 1 wird über einen Elektrolyseur Wasserstoff erzeugt und über einen Verdichter in einem Druckspeicher abgelegt. Als Beispiel soll ein Brennstoffzellenfahrzeug mit dem hergestellten Wasserstoff genutzt wer-den. Als Vergleich dient ein konventionelles Fahrzeug mit 5 l/100/km Benzin welches 150 gCO 2/km emittiert.

Umweltauswirkungen von grünem Wasserstoff

Tabelle 21:

65

Umweltvergleich Fallstudie 1

Parameter

PV

konventionell

Input Energie/gesamt

10.000.000 kWh

10.000.000 kWh

Elektrolyseur/Verdichtung 65 % Wirkungsgrad

6.500.000 kWh

6.500.000 kWh

195.000 kg

195.000 kg

H2 kg H2 kWh

6.500.000 kWh

6.500.000kWh

CO2 equiv. kg CO2/kWh

0,02 kg CO2/kWh

0,525 kg CO2/kWh

CO2 kg

130 Tonnen CO2

3.400 Tonnen CO2

CO2 kg Differenz Einsparungen CO2/kWh H2 Brennstoffzellenfahrzeug 33 kWh/100 km Fahrzeug mit Verbrennungsmotor 5 l/100 km Benzin

3.270 Tonnen 0,02 kg CO2/kWh

0,52 kg CO2/kWh

0,6 kg 100 km 6 g CO2/km

17,3 kg 100 km 173 g CO2/km

150 gCO2/km

Quelle: Eigene Darstellung.

3.4.2

Diskussion der Umweltauswirkungen im Fallstudien Beispiel

Für die jährliche Erzeugung von ca. 195.000 kg H2 werden 10 Mio. kWh aus einer PVAnlage benötigt. Über den gesamten Betrachtungszeitraum von einem Jahr werden 130 Tonnen CO2 durch die PV-Anlage emittiert. Wird der Strom in einem konventionellen Kraftwerk (hier Energiemix Deutschland) hergestellt, sind dies 3.400 Tonnen an CO2Emissionen, d. h. ca. das 25-Fache von einer Energieerzeugung über Photovoltaik. Bei Windkraft als alternativer Energiequelle läge die emittierte CO 2-Menge bei ca. 65 Tonnen für die gesamte Lebensdauer. Vergleicht man den Schadstoffausstoß an einem konkreten Anwendungsbeispiel im Mobilitätsbereich (Brennstoffzellenfahrzeug neuester Bauart, Beispiel NEXO Hyundai), so stößt dieses Fahrzeug pro km bei Herstellung über PV/Wind weniger als 6 g CO2/km aus und bei konventioneller Herstellung über Energiemix 173 g CO2/km. 3.4.3

Umweltkosten als externe Kostenbestandteile bei der Energieumwandlung

Ein weiterer Diskussions- und Forschungspunkt beim Einsatz unterschiedlicher Energieträger sind die externen Effekte, d. h. die unmittelbaren Auswirkungen der ökonomischen Aktivitäten von Wirtschaftssubjekten (Wronski 2017b; UBA 2014; Matthey A. 2019; Landrigan et al. 2018) im Produktionsprozess oder Konsum. Diese externen Effekte werden je nach Richtung in positive externe Effekte, d. h. externe Nutzen, oder auch in negative Effekte, d. h. externe Kosten, unterschieden.

66

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Die externen Kosten wurden von Pigou im vorigen Jahrhundert bei seinen Überlegungen der Wohlfahrtstheorie definiert (Pigou 1912). Eine Quantifizierung dieser externen Kostenbestandteile ist schwierig zu beziffern trotz vieler Forschungsaufwendungen. Des Weiteren sind durch den raschen technologischen Wandel Neueinschätzungen der durch die Elektrizitätserzeugung verursachten externen Kosten notwendig. Ergebnisse unterschiedlicher Studien zur Höhe externer Kosten pro kWh erzeugter Energie zeigt Abbildung 22. 7

0,2

0,3

6

5,8

6 cent/kWh

5 4 3

0,2

2 1 0

0,2

2,6

0,7

0,1 0,5

0,05

PV

PV

Hydro

0,05 0,05

0,05 Wind

B Kohle

S Kohle

Treibhauseffekt 70$/tCO2

Erdgas

Luftschadstoffe

Abbildung 22: Externe Kosten der Stromumwandlung Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (UBA 2014; Wronski 2017a; Grave K., Barbara Breitschopf, Jose Ordonez, Jakob Wachsmuth, Sil Boeve, Matthew Smith, Torben Schubert, Nele Friedrichsen, Andrea Herbst, Katharina Eckartz, Martin Pudlik, Marian Bons, Mario Ragwitz, Joachim Schleich 2016; Matthey A. 2019; Memmler et al. 2018)

Nach dem heutigen Stand der Forschung zu externen Kosten von unterschiedlichen Kraftwerkstypen sind diese Kostenbestandteile bisher nicht in Wirtschaftlichkeits- und Umweltbetrachtungen einbezogen. Sonst wäre nach heutigen Erkenntnissen ein Neubau eines Kernkraftwerks oder auch Kohlekraftwerke ökonomisch und ökologisch nicht mehr sinnvoll. Jeder Investor müsste hier zum Entschluss kommen, in andere, alternative Energieumwandlungsverfahren zu investieren. Solange diese Kosten nicht in die Betriebskosten solcher Kraftwerke eingerechnet werden, z. B. in Form von CO2-Steuern oder Umweltanteilen, werden solche Kraftwerke weiterhin zu Lasten der Allgemeinheit gebaut und betrieben. Der volkswirtschaftliche Schaden durch den CO2-Ausstoß geht in die Milliarden und wird von jedem Steuerzahler indirekt bezahlt, sei es durch höhere Versicherungsprämien, persönliche Steuerbelastungen oder Krankheitskosten. Für die korrekte Berechnung der Kosten für neue Kraftwerke sollten die externen Kosten daher mit eingerechnet werden. Dies hätte zur Folge, dass konventionelle Kraftwerke heute aus volks- und betriebswirtschaftlicher Sicht unrentable zu betreiben sind, da spezielle

Forschungsziele

67

erneuerbaren Energiesysteme vorteilhafter wären. Würde man die externen Kosten anteilig in die vom Fraunhofer Institut berechneten aktuellen Stromgestehungskosten mit einrechnen, gäbe es wohl keine weiteren Diskussionen über den Bau solcher neuen konventionellen Kraftwerke. Angesichts der LCOE für Energiewandler und der externen Kosten würden die realen Netto-Energiekosten für die Energieverbraucher in den in Abbildung 22 dargestellten Größenordnungen liegen. Betrachtet man zusätzlich die externen Kosten in der Fallstudie 1 (Umwelt- und Gesundheitskosten) für eine kWh von 0,04 €/kWh, so würde dies einen Betrag von 0,4 Millionen € ergeben. Würde man die Umweltfolgeschäden nach dem Umweltbundesamt für 1 Tonne CO2 rechnen beliefen sich die Umweltkosten auf 3.400 Tonnen CO 2 * 180 €/tCO2 Æ 0,6 Mio. € (Matthey A. 2019) Tabelle 22:

Gestehungskosten und externe Kosten LCOE min.

LCOE max.

Externe (€)

Gesamt (€/kWh)

GuD Gas-und-DampfturbinenKraftwerk (IGCC)

0,094

0,21

0,03

0,12 – 0,24

Steinkohlekraftwerk

0,060

0,130

0,06

0,12–0,19

Braunkohlekraftwerk

0,060

0,130

0,07

0,14–0,21

Kernkraftwerk

0,070

0,120

0,1

0,17–0,22

Photovoltaik flach groß

0,04

0,09

0,09

0,05-0,10

Wind onshore

0,04

0,08

0,001

0,05-0,09

Biomasse

0,10

0,15

0,005

0,11-0,16

Kraftwerkstypen

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Kost 2018; Matthey A. 2019; Meyer; UBA 2014; WHO 2015a)

3.5

Forschungsziele

Das Ziel im Kapitel 3 ist es, H2 als grünen sekundären Energieträger auf ökonomische und ökologische Merkmale zu untersuchen. Die Ergebnisse der Analysen können dabei für mögliche Vergleiche mit konventionellen Energieträgern eingesetzt werden, um dadurch mögliche Chancen und auch Risiken im Umgang und in Anwendungen mit grünem H2 aufzuzeigen. Diese Merkmale werden für die Analysen der Geschäftsmodellstrukturen für H2 in Kapitel 4 verwendet. Von besonderer Bedeutung sind dabei die ökonomischen und ökologischen Merkmale von H2 als nachhaltigem Energieträger. Um diese Merkmale und mögliche Chancen und Risiken bewerten zu können, sind die Herstellprozesse von grünem H 2 genauer zu analysieren und mit heutigen konventionellen Energieträgern zu vergleichen. Die

68

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

heutigen und zukünftigen Herstellprozesse sollen genauer auf wirtschaftliche Machbarkeit untersucht werden. Auch zukünftige Herstellungstechnologien werden in die Überlegungen einbezogen. Des Weiteren werden die heutigen Energieumwandlungsprozesse genauer analysiert und die Ergebnisse mit H2 als möglicher grüner Energieressource verglichen und bewertet. Die Eigenschaften von grünem H2 können von wesentlicher Bedeutung für die einzelnen Bausteine von Geschäftsmodellen und damit erfolgskritisch für Unternehmen sein. Diese Informationen werden für Anwendungen mit grünem Wasserstoff und der möglichen Bildung von Geschäftsmodellen in den weiteren Kapiteln benötigt. Mittels der Untersuchungen sollen die Forschungsfragen beantwortet werden, wo die kritischen Punkte bei der Nutzung von grünem H2 liegen und was die ökonomischen und ökologischen Vorteile solcher Systeme sind. Weitere Fragen sind, inwieweit H 2 als erneuerbarer sekundärer Energieträger helfen kann, die heutigen Umweltauswirkungen der Energiegewinnung und -Nutzung zu reduzieren, und insbesondere einzuschätzen, wie groß die Potenziale zur Reduzierung klimaschädlicher Treibhausgase durch Einsatz von H2 als erneuerbarem Energieträger bei unterschiedlichen Anwendungen sind.

3.6

Methoden

Heutige Energieumwandlungsprozesse sind durch ineffiziente Umwandlungsprozesse, die als Carnot-Prozesse (thermodynamische Kreisprozesse) bezeichnet werden, gekennzeichnet. Mithilfe dieser Kreisprozesse können die maximal möglichen Wirkungsgrade berechnet und beschrieben werden (Reich 2018; Markewitz et al. 2018; Wiesche 2018; Pehnt 2010; Olander 2007; Mardorf 2019). Dies ist in allen drei Energiesektoren (elektrische Energie, Wärme und Mobilität) gleich, und zwar ungeachtet dessen, ob es sich um Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge handelt oder um große Kohle-, Kern- oder Gasturbinenkraftwerke. Alle diese Energieumwandlungsprozesse sind mit Umwandlungsverlusten (im Schnitt zwischen 20 und 60 %) behaftet, die hohen Kosten durch Umwelt- und Gesundheitsschäden nach sich ziehen. Aktuell sind im Mobilitätsbereich grundlegende strukturelle Änderungen im Gange. Die konventionellen Verbrennungsantriebe (ICE) sollen nach neusten Studien in der nächsten Dekade durch Elektrofahrzeuge abgelöst werden (Potor 2019; Eddy 2019). Mithilfe spezieller Softwaresimulationsprogramme können verschiedene Umwandlungsprozesse, die mit grünem H2 substituiert werden sollen, verglichen und bewertet werden. Auch mithilfe von GEMIS (globales Emissionsmodell integrierter Systeme), können umweltrelevante Faktoren dazu berechnet werden. Um Wasserstoffgestehungskosten zu berechnen gibt es verschiedene Modellansätze (Kurzweil und Dietlmeier 2018; Kost 2018; Stolzenberger C. 2015; Konstantin 2017). Die spezifischen Wasserstoffgestehungskosten je Gewichtseinheit können als

Methoden

69

Maß für die Wirtschaftlichkeit herangezogen werden. Diese können folgendermaßen berechnet werden: Berechnung der Wasserstoffgestehungskosten: K=

KI +KV +KB +KS -E mሶ [H2 ]

(7)

KI = Investitionskosten, KV = verbrauchergebundene Kosten inkl. Stoff und Energiebezug, K B = betriebsgebundene Kosten einschließlich Wartung und Personal, KS = sonstige Kosten einschließlich Versicherungen und Steuern, E = Einnahmen für Wasserstoff und Sauerstoff, m = erzeugte Wasserstoffmenge in einem bestimmten Zeitraum

Um die Energiegestehungskosten zu berechnen, wird das Modell der LCOE (Levelized Cost of Electricity) für Vergleiche genutzt. Die Berechnung der LCOE erfolgt nach (Stolzenberger C. 2015; Konstantin 2017). Berechnung der LCOE nach Kapitalwertmethode: ‫ܩ‬௙௜௫ ൅ ‫ܩ‬௩௔௥ ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ ‫ܧ‬௧ ௡ σ௧ୀଵ ሺͳ ൅ ݅ሻ௧

‫ܫ‬଴ ൅ σ௡௧ୀଵ LCOE=

(8)

Io = Investitionskosten im Zeitpunkt 0, t = Zeitpunkt, Gfix = fixe Betriebskosten, Gvar = variable Betriebskosten, Gs= Restwert/Entsorgung sonstiges, Et = Nettostromerzeugung im Zeitpunkt t, r = Diskontsatz, LCOE = durchschnittliche Stromgestehungskosten [€/kWh]

Zusätzlich wird mit einem Energiewandlungsmodell (siehe Abbildung 23) die Abhängigkeit von Umwelt- und ökonomischen Faktoren aus den Berechnungen und den Simulationen verglichen und analysiert. Zur übersichtlichen Darstellung werden eSankey-Diagramme mit mengenproportional breiten Pfeilen zur Visualisierung von Energieflüssen, Mengenströmen und ökonomischen Bewertungen genutzt. Die eingesetzten Daten basieren auf aktuellen Angaben von Studien, Hersteller- und Forschungsinstitutionen. Die Umweltdaten stammen von GEMIS und regionalen Instituten wie der Fraunhofer-Gesellschaft. Berechnungsgrundlage ist der Primärenergiebedarf des gewählten Energieträgers für einen Energieumwandlungsprozess. Als Ausgangsbedingungen werden die Umwandlungsverluste und die nutzbare Energie betrachtet. Die Menge an umweltrelevanten Emissionen richtet sich nach dem Primärenergiebedarf. Die ökonomischen Aspekte werden von der Primärenergie- und Nutzenergieseite aus betrachtet.

70

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Abbildung 23: Energiemodell Quelle: Eigene Darstellung.

Die mathematischen Zusammenhänge im Modell sind: ෍ Ein = ෍ Eout + ෍ E௩௘௥௟

(9)

Einሶ = ෍ Ein1 + ෍ Ein2 +…+ ෍ Einn

(10)

ሶ = ෍ Eout + ෍ Eout +…+ ෍ Eout Eout 1 2 n

(11)

ሶ = ෍ E௩௘௥௟ + ෍ E௩௘௥௟ +…+ ෍ E௩௘௥௟ E௩௘௥௟ 1 2 n

(12)

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

71

Die Summe aller Eingangsenergien in einem Energiewandler ist gleich der Summe aller Ausgangsenergien plus der Summe aller Energieumwandlungsverluste. Der Wirkungsgrad bei der Energiewandlung wird folgendermaßen berechnet: η=

ሶ + E௩௘௥௟ ሶ σ Eout + σ E௩௘௥௟ Eout η = σ Ein Einሶ

(13)

Der Gesamtwirkungsgrad wird berechnet aus der Multiplikation aller Teilwirkungsgrade in einer Umwandlungskette. ηges = ൫η1 ൯ ‫ כ‬൫η2 ൯ ‫ כ‬൫η௡ ൯…ȗ ηEnergiewandler

ηges =

Eout Qprimary 

(14)

(15)

Die möglichen Schadstoffemissionen werden mithilfe des GEMIS-Simulationsprogramms und deren berechneten Emissionsfaktoren kalkuliert. Die gesamte Umwelteinwirkung (Total Environmental Impact, TEI) wird aus dem Primärenergieeinsatz multipliziert mit dem Emissionsfaktor (CO2 Global Warming Potential Factor, CO2GWPF) berechnet. TEI=Qprimary *CO2 GWPF

(16)

Dabei werden die Umweltbelastungen normiert auf eine Energieeinheit berechnet. Als Basis wird der Primärenergiebedarf herangezogen. Damit können alle Systeme einfach und übersichtlich in Bezug auf ihre Umweltauswirkung verglichen werden. Wie bereits in Kapitel 1.1 wurde für ein Kohlekraftwerk der mögliche Emissionsfaktor (CO 2 GWPF) theoretisch berechnet. Aus dem Primärenergiebedarf bzw. Nutzenergiebedarf pro Energieeinheit können ökonomische Angaben errechnet und verglichen werden. So kann nur die notwendige Nutzenergie berechnet oder die gesamte Umwandlungskette mit einbezogen werden. Der Vergleich wird ähnlich wie bei der Umweltbelastung auf eine Energieeinheit bezogen. Als notwendige Energiemenge kann der Primärenergiebedarf oder der Endenergiebedarf herangezogen werden. Als weiterer wichtiger ökonomischer Faktor kommen die Kosten der Umweltauswirkungen, wie in Kapitel 1.4.3 beschrieben, hinzu.

3.7

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

Im Folgenden werden für die grünen H2-Herstellungsprozesse (Elektrolyse) unterschiedliche Fallstudien analysiert. Ziel dieser Studien ist eine Abschätzung des wirtschaftlichen

72

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

und ökologischen Potenzials für die Herstellung von grünem H2 als sekundärem Energieträger. In den Studien wird kurz auf die möglichen Anwendungen eingegangen, die in den Kapiteln 5–7 im Detail näher erläutert werden. Die Ergebnisse der Studien sollen mögliche Werteversprechen (Value Propositions) für Hersteller, Betreiber und Anwender aufzeigen, die später für die Geschäftsmodellstrategien und das GeschäftsmodellDesign verwendet werden. Die Darstellung beginnt mit der Herstellung von H2 mithilfe der Elektrolyse. Elektrolyse in ihrer konventionellen Form wird seit dem frühen 20. Jahrhundert als alkalische Elektrolyse eingesetzt. Grundlage der Elektrolyse ist das Gesetz von Faraday (Ziegenbalg 2019; Ortanderl 2018). Dieses Gesetz sagt, dass aus einem Elektrolyten abgeschiedene Stoffmasse proportional zur durchflossenen elektrischen Ladungsmenge ist, ausgedrückt im 1. Faraday Gesetz: ∆t

Q= න Iሺtሻ*dt ൌ z*F*n ൌ o

m M k ൌ k z*F

Faraday Konstante lautet: F ൌ NA *e ൌ 96.485 [

(17)

C ] mol

(18)

Q = Ladungsmenge [As], I = Strom [A], t = Zeit [s], F = Faraday Konstante [Cmol -1 ], n = abgeschiedene Stoffmenge [mol], z = elektrochemische Wertigkeit (Ionenwertigkeit, Zahl der Elektronen Redoxgleichung), m = Masse [kg], k = elektrochemisches Äquivalent [kg/C], M = molare Masse [kg/mol], NA = Avogadro Konstante [1/mol], e = Elementarladung [1,602 * 10-19 ]

Das zweite Faraday Gesetz sagt aus, „dass die von gleichen Ladungsmengen aus unterschiedlichen Elektrolyten abgeschiedenen Massen sich gleich verhalten wie die molaren Äquivalentmassen bzw. die Elektrochemischen Äquivalente der Elektrolytbestandteile“: m1 n1 z1 m1 z1 k1 = oder = m = 2 n2 z2 m2 k2 z2

(19)

Stromausbeute wird berechnet: α=

tatsächlich abgeschiedene Masse [mol oder kg] theoretische Menge nach dem 2. Farady Gesetz [mol oder kg]

(20)

N = Stoffmenge [mol], M = molare Masse [kg/mol], z = Ionenwertigkeit

Die Elektrolyse stellt chemisch betrachtet eine Redoxreaktion dar. Diese erzwungene Reaktion findet nur durch Elektronentausch in einer ionischen Lösung durch Stromfluss statt. Es gibt in der Prozesstechnik drei unterschiedliche Elektrolyseverfahren, die sich hauptsächlich in der Art des Elektrolyten und den unterschiedlichen Temperaturen und Arbeitsdrücken unterscheiden. Man unterscheidet die alkalische Elektrolyse (seit über

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

73

80 Jahren), PEM-Elektrolyse und Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolysezellen. Alle drei Prozessvarianten haben ihre technischen und wirtschaftlichen Vor- und Nachteile. Diese betreffen den Wirkungsgrad, die Fertigungskosten/Investitionskosten, die Betriebs- und Wartungskosten, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Elektrolyseure (Michalski 2017; Dincer 2016; Coutanceau 2018). Um den Wirkungsgrad einer Elektrolyse zu berechnen, sind die Menge an chemischer Energie und die aufgewandte Energie für den Elektrolyseur gegenüberzustellen. Der ideale Elektrolyseur hat einen Wirkungsgrad von max. 82 % μenergetisch =

EWasserstoff Eelektrisch

(21)

VH2 * Hs ഥ *I*ҧ t U

(22)

μenergetisch =

Hs= Brennwert des Wasserstoffs (12,745‫ڄ‬106Jm-3, 1 J 1 VAs), VH2= erzeugte Menge Wasserstoff [m3], U = Mittelwert der Spannung [V], I = Mittelwert des Stroms [A], t = Zeit [s]

Die Menge an erzeugter chemischer Energie entspricht dem Brennwert des erzeugten Wasserstoffs. Elektrolyseure werden heute in allen Leistungsgrößen von W bis MW hergestellt (Coutanceau 2018). Für die Fallstudie wird ein Standard-Elektrolyseur im MW-Bereich verwendet. Nach aktuellen Studien liegen die durchschnittlichen Elektrolyseurpreise (Alkaline) bei ca. 500–1.000 €/kW Leistung ab einer Leistungsgröße von > 5 MW. Die Investitionssumme für eine 5-MW-Anlage liegt bei ca. 3–4 Mio. €. Die Lebensdauer der Elektrolyseure hängt von den Betriebsstunden der Anlage ab. Diese liegt im Schnitt bei alkalinen Elektrolyseuren bei > 40.000 h. Tabelle 23 zeigt die wichtigsten Kennzahlen der unterschiedlichen Elektrolyseverfahren.

74

Tabelle 23:

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Kennzahlen von Elektrolyseverfahren

Quelle: (Smolinka et al. 2018; Smolinka 2007; Brinner 2018).

Nach Gleichung (13) wird der Gesamtwirkungsgrad durch Multiplikation der Teilwirkungsgrade in der Energieumwandlungskette errechnet. Energiewandler sind der PVGenerator, das Versorgungsnetz und der Elektrolyseur. Die Speicherung kann entweder unter Niederdruck, Hochdruck oder flüssig erfolgen. Für diese Umwandlungsschritte sind Umwandlungsverluste mit einzukalkulieren. Welche Parameter für die Berechnung der notwendigen Energiekosten für die Produktion von H2 mithilfe von Elektrolyse wichtig sind, wird in verschiedenen Fallstudien aufgezeigt. Aus diesen Betrachtungen können bestimmte Nutzenversprechen für die unterschiedlichen Geschäftsmodell-Bausteine abgeleitet werden, die erfolgskritisch sein können. Für die Berechnung der Energiekosten von grünem Wasserstoff wird folgendes Modell verwendet. Dieses Modell kann später für alle Kombinationsmöglichkeiten von Elektrolyseurtypen und Speicherungsverfahren, zu denen H2-Druckerhöhungs- und Verflüssigungsverfahren zählen, eingesetzt werden. Weitere Prozesse können beliebig angehängt und erweitert werden. Abbildung 24 zeigt den methodischen Aufbau für die Berechnung der Kosten für eine Energieeinheit H2.

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

75

Abbildung 24: Berechnungsmethode für die H2-Herstellung Quelle: Eigene Darstellung.

Die Grundlage der Berechnung fußt auf die Stromgestehungskosten unterschiedlichster Energiequellen. Diese Stromgestehungskosten hängen vom Standort und den Energiepotentiale ab. (siehe Kapitel 1.2). Die Stromgestehungskosten (LCOE) beziehen sich zunächst auf die Ausgangsenergiemenge der PV-Anlage. Da der Umwandlungsprozess mit Verlusten behaftet ist, muss die gesamte Wirkungsgradkette in die Stromgestehungskosten einkalkuliert werden. Diese erhöhten Stromgestehungskosten und die normierten Energiekosten pro Energieeinheit für die einzelnen Prozesse ergeben die gesamten Energiekosten pro Energieeinheit. Energiekosten =Prozess 1 + Prozess 2 +… Prozess ሾ’”‹ä”‡”‰‹‡ሿȀ‹”—‰•‰”ƒ† Energieeinheit H2

(23)

Die Normierung wird dabei auf €/kWh bzw. auf €/Nm³ oder €/kg H2 umgerechnet. Damit ist ein späterer Vergleich mit heutigen konventionellen Energieträgern einfach möglich. Da sich die Herstellprozesse aus unterschiedlichen technischen Bestandteilen zusam-

76

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

mensetzen, können diese separat betrachtet werden. In einem Beispiel soll dies kurz erläutert werden. Alle weiteren Fallbeispiele sind in gleicher Form berechnet und dargestellt. Für die Berechnung werden alle Investitionskosten und alle Kapitalkosten über die Lebensdauer summiert. Die Kapitalkosten, Wartungs-, Betriebs- und Finanzierungskosten können über eine dynamische Investitionsrechnung ermittelt werden. Dies ist bei Laufzeiten von mehr als fünf Jahren unbedingt empfehlenswert. Des Weiteren werden alle als Output des Prozesses (Elektrolyseur, Verdichtung, Speicherung) produzierten Energieeinheiten addiert. Die aufgewendeten Kosten werden durch die Summe aller produzierten Energieeinheiten dividiert. Sind mehrere Prozesse hintereinandergeschaltet, werden die berechneten Kosten/Energieeinheiten summiert. Die Gestehungskosten addiert mit den berechneten Kosten pro Energieeinheit ergeben die Kosten pro Energieeinheit produzierten H2. Je nach Normierung der Energieeinheiten in Nm³, kg oder kWh können diese Energiekosten pro Energieeinheit einfach mit anderen Energieträgerkosten verglichen werden. In Tabelle 24 werden unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Umrechnungsfaktoren für den alternativen Energieträger dargestellt. Die Energieinhalte werden alle als Heizwert Hi dargestellt. Zu unterscheiden ist der Brennwert Hs der Energieträger. Dieser liegt höher als der Heizwert da im Brennwert zusätzlich die Kondensationsenthalpie des Wasserdampfs eingerechnet ist. Tabelle 24:

Physikalische Eigenschaften von H2

Physikalische Eigenschaften

Zahlenwert

Molmasse

2,016 g/mol

Dichte gasförmig (15°C 1 bar) Relative Dichte, gasförmig (Luft=1)

0,084 kg/m³ 0,07 (14 mal leichter als Luft)

Energieinhalt Heizwert Hi

33,33 kWh/kg

Energieinhalt Heizwert Hi

3,00 kWh/Nm³

Energieinhalt Heizwert Hi

2,359 kWh/l LH2

Energieträger-Vergleich

1kg H2 Gas = 2,75 kg Benzin

Energieträger-Vergleich

1l flüssiger H2 = 0,27 l Benzin

Energieträger-Heizwert Hi

Rohöl 11,6 kWh/kg

Energieträger-Heizwert Hi

Diesel 10 kWh/l = 11,9 kWh/kg

Energieträger-Heizwert Hi

Benzin 8,8 kWh/l = 12 kWh/kg

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Riedel und Meyer 2019; Wieser und Coplen 2010; Geitmann 2013).

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

3.7.1

77

Fallstudie 1: Dezentrale Anlage mit Photovoltaik

Im Fallbeispiel 1 wird zunächst der H2-Herstellprozess mit Elektrolyse aufgezeigt. Die notwendige Prozesstechnik ist bereits vorhanden. Als Berechnungsgrundlage wird eine primäre Energieeinheit (PEE) angenommen. H2 als Endprodukt wird dabei einer PEE zugewiesen. Je nach Wirkungsgradkette kann nun die Wirkungsgradkette bis zur Primärenergieressource aufgebaut werden. Tabelle 25 zeigt das Fallbespiel 1 einer dezentralen Wasserstoffherstellung mithilfe eines PVSystems. Ausgangspunkt ist die zur Verfügung stehende Energiemenge im Drucktank mit 700 bar für Betankungen von Wasserstoff-Fahrzeugen. Die Primäre Energieeinheit ist dabei 1. Tabelle 25:

Fallstudie 1: Berechnung der primären Energieeinheit

Umwandlungssystem

η

PEE [kWh]

PV-System monokristallin

0,2

1,58

Elektrolyseur

0,70

1,1

H2 Hochdruck (Drucktanks)

0,9

1

0,126

7,4

7,9

Total Quelle: Eigene Darstellung

Aus diesem Beispiel können unterschiedliche Aspekte für den Einsatz von grünem H 2 abgeleitet werden. Es ist ersichtlich, dass zur Umwandlung von einer PEE grünem H2, theoretisch 7,4 Energieeinheiten benötigt werden. Dies ist dem heutigen Wirkungsgrad von PV-Systemen geschuldet. Da aber die primäre Energiequelle (die Sonne) kostenfrei und theoretisch unendlich zur Verfügung steht, sind Effizienzkriterien für die EEQ nicht das entscheidende Merkmal bei der Nutzung erneuerbarer Energieressourcen. Zukünftig ist die Frage der Stromgestehungskosten interessanter als die Frage der Energieeffizienz von Erneuerbare-Energie-Systemen. Aus diesem Beispiel können die Stromgestehungskosten für Wasserstoff überschlägig berechnet werden. Die Stromgestehungskosten für PV-Elektrizität wurden bereits diskutiert. Dies sind die Kosten, die bei einer Energieumwandlung von Solarenergie (hier PV-System) in elektrischen Strom notwendig sind. Würde man die Investitionen und die Betriebskosten für den Elektrolyseur und Verdichter vernachlässigen, so werden 1,58 PEE benötigt. Bei Stromgestehungskosten (davon ausgehend, dass eine PEE einer kWh entspricht), die beispielsweise in Süddeutschland 0,12 €/kWh betragen, würde eine grüne H2-kWh Æ 0,12 €/kWh · 1,58 = 0,19 €/kWh kosten. Im Vergleich Benzin zu Wasserstoff bei 1,5 €/l Benzin und einer Energieeinheit von ca. 8,8 kWh/l würde 1 kWh

78

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Benzin 0,17 €/kWh kosten. Im energetischen Kostenvergleich ist dadurch Benzin etwas günstiger. Würde man die Investition, Kapitalkosten und Betriebskosten der Prozessketten mit einkalkulieren, lägen die Kosten pro Energieeinheit bedeutend höher. Eine weitere Überlegung ist anzustellen: Beim Energiekostenvergleich müssen die möglichen Anwendungen und deren Energieeffizienz mit betrachtet werden. Beispielsweise hat das Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) eine doppelt so hohe Effizienz wie Fahrzeuge mit herkömmlichem Verbrennungsantrieb (ICE) (siehe auch Kapitel 6) (Geitmann 2015; Li et al. 2016; Schwarzer 2017; Specht 2017; Staiger und Tanţău 2018a). Dadurch sind die Energiekosten bei Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV) günstiger als die von gleichen Benzinfahrzeugen mit einzurechnen. Der Break-even Point würde dann bei 0,25 €/kWh liegen. Hier spielen noch weitere Aspekte wie das Gewicht und die Größe der Fahrzeuge eine Rolle. 3.7.2

Fallstudie 2: Dezentrale Wasserstoffherstellung Laufzeit 20 Jahre

Fallbeispiel 2 ist ein dezentrales H2-Herstellungssystem, das an Tankstellen oder unternehmensspezifischen Tankstellen wie beispielsweise für Gabelstapler installiert wird. Um 1 kg Wasserstoff herzustellen, sind 50 kWh/kg H2 bei einem Wirkungsgrad von 63% notwendig. Verdichter hat 90% Wirkungsgrad, Elektrolyseure hat 70% Wirkungsgrad. Gleichzeitig werden 9 l Wasser pro kg H2 für den Herstellprozess benötigt. Die Kapitalkosten und Output-/Input-Energiemengen werden über die gesamte Laufzeit von 20 Jahren wie folgt berechnet:

‫ܧܱܥܮ‬௣௥௢௭௘௦௦ =

ܵ‫݊݁ݐݏ݋ܭݎ݈݈݁ܽ݁݉݉ݑ‬òܾ݁‫ݐ݅݁ݖݏܾ݁݅ݎݐ݁ܤݎ‬ ܵ‫݁݃݊݁݉݁݅݃ݎ݁݊ܧݎ݁ݐݎ݁݅ݎ݁݊݁݃ݎ݁݉݉ݑ‬ ‫ ݁ݏݕ݈݋ݎݐ݈݇݁ܧ‬൅ ܸ݁‫ݎ݁ݐ݄ܿ݅݀ݎ‬ ൌ ‫ʹܪ݊݅݁݅݃ݎ݁݊ܧ݊ܽ݁݃݊݁ܯ‬

(24)

‫ܧܱܥܮ‬௉௏ ൅ ‫ܧܱܥܮ‬௣௥௢௭௘௦௦ ߤ௚௘௦௔௠௧

(25)

‫ܧܱܥܮ‬௚௘௦௔௠௧ =

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

79

Prozess 1 Elektrolyse Tabelle 26:

Fallstudie 2: Kosten Elektrolyse Laufzeit 20 Jahre

Parameter

Preise/Energie

Kapitalkosten Investitionskosten Elektrolyseur mit Peripherie 5MW

3.000.000 €

Kapitalkosten über 20 Jahre 6 % ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ * Investitionskosten

9.600.000 €

Betriebskosten Wartungskosten 7 %/a Betriebsaufwand 50.000 €/a Betriebskosten über 20 Jahre Gesamt Kosten Elektrolyse

210.000 € 50.000 € 5.200.000 € 14.800.000 €

Quelle: Eigene Darstellung.

Prozess 2 verdichten/speichern Tabelle 27:

Fallstudie 2: Kosten Verdichter Laufzeit 20 Jahre

Parameter

Preise/Energie

Investitionskosten Tankstelle/Verdichter/Speicher

1.000.000 €

Kapitalkosten über 20 Jahre 6 % ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ * Investitionskosten

3,200.000 €

Betriebskosten Wartungskosten/a 7 %/a Betriebsaufwand 20.000 €/a

70.000 € 20.000 €

Betriebskosten über 20 Jahre

1.800.000 €

Gesamtkosten

5.000.000 €

Quelle: Eigene Darstellung.

Aus Gleichung (15) folgt bei LCOE von 0,12 €/kWh und einem Gesamtwirkungsgrad Elektrolyseur, Kompressor und Speicher von 0,63:

80

Tabelle 28:

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Fallstudie 2: LCOE Prozess über 20 Jahre

Parameter

Resultat

Energiemenge PV Anlage 5.000 kW * 20 a* 2000h/a

200.000.000 kWh

Energiemenge nach Prozess mit 63% Wirkungsgrad

126.000.000 kWh

Menge H2 Æ Energieinhalt H2 1 kg 33,33 kWh

3,78 Mio kgH2

Menge/a H2 kg

189.000 kgH2/a

Menge täglich

517 kgH2/Tag

Summe aller Kosten

19.8 Mio €

LCOEprozess Æ 19.8 /126

0,157 €/kWh

Quelle: Eigene Darstellung.

Aus Gleichung (15) folgt bei LCOE von 0,12 €/kWh und einem Gesamtwirkungsgrad Elektrolyseur, Kompressor und Speicher von 0,63: LCOEgesamt = 0,157 €/kWh +

0,12 kWh/€ →0,35 €/kWh 0,63

Diskussion Fallstudie 2 Betrachtet man die Ergebnisse im Fallbeispiel 2, so sind die Energiekosten für grünen H 2 um das doppelte höher als für Benzin als fossiler Energieträger. Des Weiteren ist man von jährlichen Betriebsstunden von 2.000 h ausgegangen. Diese Betriebsstundenzahl ist vom Elektrizitätswandler, d. h. dem PV-System, vorgegeben. Die maximalen Sonnenstunden in Deutschland liegen bei 1500–1.800 h. Der Auslastungsgrad sollte möglichst hoch gewählt werden. Dazu müssen die Anlagen auf Volllaststunden optimiert werden. Dies ist am Beispiel der PV-Anlage nicht möglich da die durchschnittliche Sonnenscheindauer für die Standorte fix sind. Hier könnte ein Hybridsystem aus Windkraft und PVAnlage den Auslastungsgrad erhöhen. Nach Aussage eines der größten Elektrolyseure-Herstellers (NEL Hydrogen CEO B. Simonsen) (Fuhs 2017) sind die Gestehungskosten von EEQ derzeit niedrig genug, um H2 wettbewerbsfähig umzuwandeln. Dies kann heute schon ein gewinnbringendes Geschäftsmodell im H2-Kraftstoffmarkt sein. Der Wasserstoffpreis liegt bei etwa 7 $ pro Kilogramm. Ein Kilogramm H2 hat einen Energie-Inhalt von ca. 33,33 kWh und benötigt zur Herstellung eine elektrische Energiemenge von ca. 50 kWh bei heutigen Wirkungsgraden. Bei Gestehungskosten von unter 5 Cent/kWh für eine erneuerbare Energiequelle kann dies ein brauchbares Geschäftsmodell werden, um alle notwendigen Investitionen für Produktion und Verteilung von H2 abzudecken. Große Elektrolyseuranlagen im Megawattbereich können heute für 500 €/kW installiert werden.

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

81

Bei den ökonomischen Berechnungen zur Erzeugung von grünem H 2 sind unterschiedliche Parameter für die erfolgreiche Umsetzung essenziell. Dies sind die Investitionskosten der Anlage, die Kapitalkosten für die Finanzierung, die Energiequelle für die Umwandlung in H2, zusätzlich die Volllaststunden der Anlage, die. Wartungskosten/Fixkosten und die Betriebsdauer der Anlage. 3.7.3

Fallstudie 3: Verifizierung Aussage CEO H. Simonsen NEL

Als drittes Fallbeispiel wird versucht, die Aussage von Simonsen zu verifizieren und zu analysieren. Ausgangsdaten des Systems: 5 MW, Elektrolyseur Alkaliner, 40.000 Betriebsstunden, Investitionskosten 500 €/kWh, jährliche Wartung ca. 7 % von Investitionssumme, Betriebskosten pro Jahr 50.000 €, Verzinsung der Anlage mit 6 %, Wirkungsgrad Elektrolyseur 0,70, Gestehungskosten der EEQ 0,04 $ (USA), Betriebsstunden pro Jahr 2.000 h, Laufzeit der Anlage 40.000 h (2000 h/a, 20 Jahre), Berechnung der Kapitalkosten und Output-/Input-Energiemengen über die gesamte Laufzeit (NEL 2019). Die Vorgehensweise und die Berechnung ist gleich laut den Formeln (24-(25) Prozess 1 Elektrolyse Tabelle 29:

Fallstudie 3: Kosten Elektrolyse Laufzeit 20 Jahre

Parameter

Preise/Energie

Kapitalkosten Investitionskosten Elektrolyseur mit Peripherie 5MW

2.500.000 €

Kapitalkosten über 20 Jahre 6 % ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ * Investitionskosten

8.000.000 €

Betriebskosten Wartungskosten 7 %/a Betriebsaufwand 50.000 €/a Betriebskosten über 20 Jahre Gesamt Kosten Elektrolyse Quelle: Eigene Darstellung.

175.000 € 50.000 € 4.500.000 € 12.500.000 €

82

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Prozess 2 H2 verdichten/speichern Tabelle 30:

Fallstudie 3: Kosten Verdichter Laufzeit 20 Jahre

Parameter

Preise/Energie

Investitionskosten Tankstelle/Verdichter/Speicher

1.000.000 €

Kapitalkosten über 20 Jahre 6 % ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ * Investitionskosten

3,200.000 €

Betriebskosten Wartungskosten/a 7 %/a

70.000 €

Betriebsaufwand 20.000 €/a

20.000 €

Betriebskosten über 20 Jahre

1.800.000 €

Gesamtkosten

5.000.000 €

Quelle: Eigene Darstellung.

Aus Gleichung (15) folgt bei LCOE von 0,04 €/kWh und einem Gesamtwirkungsgrad Elektrolyseur, Kompressor und Speicher von 0,63: Tabelle 31:

Fallstudie 3: LCOE Prozess Laufzeit 20 Jahre

Parameter

Resultat

Energiemenge PV Anlage 5.000 kW * 20 a* 2000h/a

200.000.000 kWh

Energiemnge nach Prozess mit 63% Wirkungsgrad

126.000.000 kWh

Mnege H2 Æ Energieinhalt H2 1 kg 33,33 kWh

3,78 Mio kgH2

Menge/a H2 kg

189.000 kgH2/a

Menge täglich

517 kgH2/Tag

Summer aller Kosten

17.5 Mio €

LCOEprozess Æ 19.8 /126

0,138 €/kWh

Quelle: Eigene Darstellung.

Aus Gleichung (15) folgt bei LCOE von 0,04 €/kWh und einem Gesamtwirkungsgrad Elektrolyseur, Kompressor und Speicher von 0,63: LCOEgesamt = 0,138 €/kWh +

0,04 kWh/€ →0,20 €/kWh 0,63

Fallstudien zur Herstellung von grünem Wasserstoff

Tabelle 32:

83

Fallstudie 3: Ergebnisse

Parameter

Resultat

Energiekosten/kWh H2

0,2 €/kWh

Energiekosten €/kg (1 kg 33,33 kWh)

6,6 € kg

Energiekosten 1 l Benzin USA 1,0 €/l

0,12 €/kWh

Effizienzsteigerung Brennstoffzellen Fahrzueg (doppelt so hoch)

0,18 €/kWh

Quelle: Eigene Darstellung.

Diskussion Fallbeispiel 3 Schaut man sich das Ergebnis im Fallbeispiel 3 an, so liegen die Energiekosten für grünen H2 noch um 20% höher wie die Benzinpreise in den USA. Würde der Benzinpreis ähnlich hoch wie in Deutschland liegen, wäre die Wirtschaftlichkeit solcher Anlage bereits gegeben. Natürlich müssen aber dementsprechende Anwendungen und die Nachfrage zur Verfügung stehen. Um einen möglichst hohen Auslastungsgrad der Anlage zu erhalten, sollten die Betriebsstunden möglichst auf Volllaststundenzahl optimiert werden. Dies ist auch hier am Beispiel Kalifornien der PV-Anlage nicht gegeben (ca. 2500–3000 h/a). Hier kann ein Hybridsystem aus Windkraft und PV-Anlage den Auslastungsgrad erhöhen. Zum Vergleich zu einem Verbrennungsfahrzeug ist durch die niedrigere Effizienz die Energiekosten ähnlich gegenüber einem Brennstoffzellen Fahrzeug. 3.7.4

Fallstudie 4: Dezentrale Wasserstoffherstellung Laufzeit 8 Jahre

Fallbeispiel 4 ist ein dezentrales H2-Herstellungssystem, welches beispielsweise wie in Fallbeispiel 2 an Tankstellen oder unternehmensspezifischen Tankstellen installiert sein könnte. Hier gehen wir von einer Auslastung von 5000 Betriebsstunden pro Jahr aus. Dementsprechend sind die Betriebszeit und der notwendige Kapitalwert auf eine niedrigere Laufzeit zu kalkulieren. Ausgangsdaten heutiger Systeme (IVT, NEL): 5 MW, Elektrolyseur Alkaliner, 40.000 Betriebsstunden, Investitionskosten 600 €/kWh, jährliche Wartung ca. 7 % von Investitionssumme, Betriebskosten pro Jahr 50.000 €, Verzinsung der Anlage mit 6 %, Wirkungsgrad Elektrolyseur 0,70, Gestehungskosten der EEW 0,12 (Deutschland), Betriebsstunden pro Jahr 5.000 h, Laufzeit der Anlage 40.000 h (5000 h/a, 8 Jahre). Berechnung der Kapitalkosten und Output-/Input-Energiemengen über die gesamte Laufzeit:

84

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Prozess 1 Elektrolyse Tabelle 33:

Fallstudie 4: Berechnungen Prozess 1 Elektrolyse

Parameter

Preise/Energie

Kapitalkosten Investitionskosten Elektrolyseur mit Peripherie 5MW

3.000.000 €

Kapitalkosten über 8 Jahre 6 % ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ * Investitionskosten

4.800.000 €

Betriebskosten Wartungskosten 7 %/a

210.000 €

Betriebsaufwand 50.000 €/a

50.000 €

Betriebskosten über 8 Jahre

2.080.000 €

Gesamt Kosten Elektrolyse

6.880.000 €

Quelle: Eigene Darstellung.

Prozess 2 H2 verdichten/speichern Tabelle 34:

Fallstudie 4: Berechnungen Prozess 2 H2 verdichten und speichern

Parameter

Preise/Energie

Investitionskosten Tankstelle/Verdichter/Speicher

1.000.000 €

Kapitalkosten über 8 Jahre 6 % ሺͳ ൅ ݅ሻ௧ * Investitionskosten

1.600.000 €

Betriebskosten Wartungskosten/a 7 %/a

70.000 €

Betriebsaufwand 20.000 €/a

20.000 €

Betriebskosten über 20 Jahre

720.000 €

Gesamtkosten

2.320.000 €

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 35:

Fallstudie 4: LCOE Prozess über 8 Jahre

Parameter

Resultat

Energiemenge PV Anlage 5.000 kW * 8 a* 5000h/a

200.000.000 kWh

Energiemnge nach Prozess mit 63% Wirkungsgrad

126.000.000 kWh

Mnege H2 Æ Energieinhalt H2 1 kg 33,33 kWh

3,78 Mio kgH2

Menge/a H2 kg

189.000 kgH2/a

Menge täglich

517 kgH2/Tag

Summer aller Kosten LCOEprozess Æ 19.8 /126 Quelle: Eigene Darstellung.

9,2 Mio € 0,07 €/kWh

Zusammenfassung

85

Beispiel: Energiequelle PV mit LCOE 0,12 €/kWH Aus Gleichung (15) folgt bei LCOE von 0,12 €/kWh für Energiequelle (beispielsweise PV) und einem Gesamtwirkungsgrad Elektrolyseur, Kompressor und Speicher von 0,63: LCOEgesamt = 0,07 €/kWh +

0,12 kWh/€ → 0,26 €/kWh 0,63

Beispiel: Energiequelle Wind Onshore mit LCOE 0,04 €/kWh Aus Gleichung (15) folgt bei LCOE von 0,04 €/kWh für Energiequelle (Windenergie) und einem Gesamtwirkungsgrad Elektrolyseur, Kompressor und Speicher von 0,63: LCOEgesamt = 0,07 €/kWh +

0,04 kWh/€ →0,13 €/kWh 0,63

Diskussion Fallstudie 4 Bei Betrachtung der Ergebnisse im Fallbeispiel 4, zeigt sich, dass die Energiekosten für grünen H2 produziert aus PV um 40 % höher als die bei Benzin als fossilem Energieträger sind. Wie bereits erläutert müssen zusätzlich die höheren Effizienzen der Anwendungen, d. h. geringere Energiemengen pro gefahrenen Kilometer, als Beispiel für den Bereich Mobilität in die Betrachtungen und Entscheidungen mit einbezogen werden. Dadurch wäre der Break Even Point bereits erreicht. Am Beispiel mit Windenergie sind bereits die gleichen bzw. geringeren Energiekosten für H2 im Vergleich zu fossilem Kraftstoff erreicht. Die wichtigsten Parameter für ein wirtschaftlicher Betrieb solcher Anlage ist der Auslastungsgrad (Laufzeit) der Prozesse. Durch die immer geringeren Stromgestehungskosten von erneuerbaren Energien ist in einigen Jahren auch in unseren Breiten eine wirtschaftliche Herstellung denkbar. Des Weiteren werden die Investitionskosten für die Prozesse durch die Stückzahlendegression wie verschiedene Studien zeigen fallen.

3.8

Zusammenfassung

3.8.1

Grundsätzliches zur Analyse von grünem Wasserstoff

Aus technischer Sicht ist die Herstellung von grünem H2 heute als unproblematisch zu betrachten. Wind, Solar, Wasser, Biomasse und zukünftige EE-Quellen wie Gezeitenund Wellenkraft sind hierfür ideal geeignet. Die notwendigen technischen Umwandlungsprozesse, z. B. Elektrolyseure oder auch Biomasse-Reformer, sind seit vielen Jahren im Einsatz. Innovative Typen von Elektrolyseuren mit höherer Effizienz, geringeren Investitionskosten und technischer Flexibilität werden zukünftig die Märkte bereichern. Wirtschaftlich können solche Systeme heute bereits positiv gegenüber konventionellen Systemen betrachtet werden. So kann in einer Vielzahl von Ländern H2 mithilfe von

86

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Solarenergie bereits günstiger produziert werden als mit konventionellen fossilen Treibstoffen wie Benzin und Diesel. Grünen H2 über Elektrolyseure herzustellen bedarf grundsätzlicher Überlegungen. Wie die Fallstudien zeigen, sind für die wirtschaftliche Herstellung von H 2 die Stromgestehungskosten (LCOE) für die notwendige erneuerbare Energiequelle ursächlich. Heute sind diese Kosten auf einem Niveau, auf dem über Elektrolyseverfahren gewonnener H2 wirtschaftlich nutzbar ist und dementsprechend neue Geschäftsmodelle entwickelt werden können, z. B. dezentrale hybride Systeme mit PV und Wind für dezentrale Wasserstofftankstellen. Unterschiedliche Marktstudien verweisen auf eine zukünftig starke Nachfrage und einen Anstieg von grünem H2 als sekundärer Energieressource (Bünger 2014; KPMG 2019; Brinner 2018). Diese Nachfrage kommt aus dem Energiesektor Mobilität, der nach aktuellen Studien stark wachsen wird. Die Energieversorgung im Mobilitätsbereich kann idealerweise durch grünen H2 (anstatt durch flüssige und gasförmige fossile Treibstoffe) gewährleistet werden. Die Schadstoffemissionen werden im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsfahrzeugen um das 20- bis 25-Fache reduziert, und die Effizienz neuer Fahrzeuge (Personenkraftfahrzeuge, Lastkraftwagen, Busse, Züge, Schiffe) wird um mehr als 50 % gesteigert (siehe Kapitel 6) (Brinner 2018; WHO 2015b; Staiger, R., Tanţău, A. 2016, 2016; Staiger und Tanţău 2018a). Zusätzlich wird durch die geringeren Stromgestehungskosten in der chemischen Industrie und Metallindustrie die Nachfrage nach diesem grünen Treibstoff steigen. Die steigende Nachfrage ergibt sich auch durch den Druck, CO2 zu reduzieren, der von neuen Vorschriften (EU-Richtlinien) und politischen Restriktionen in Form von CO2-Gebühren und -Steuern ausgeht oder ausgehen wird. Das CO2-Einsparpotential ist im Bereich der Metall- und Chemieindustrie am höchsten (Shell 2017) Die Chancen und Herausforderungen für Unternehmen und Institutionen, zukünftig vermehrt grünen Wasserstoff herzustellen, lassen sich mit folgenden Schlagworten charakterisieren: wachsender Zukunftsmarkt, geringere Herstellkosten für H2, niedrige Stromgestehungskosten für Kraftwerke für erneuerbare Energien, klimapolitische Entscheidungen, Treibhausgasemissionen, zerstörende Wirkungen, dezentrale Energiewandler, Energie-Ressourcen-Abhängigkeiten, technische Innovationen, Nachfrage nach alternativen Energieträgern. Diese Schlagworte können wichtige Nutzenversprechen für grünen H2 sein und damit als Grundlage für innovative Geschäftsmodelle dienen. Dadurch kann sich die Attraktivität für Kunden, Produkte und Innovationen erhöhen. Aus den Fallstudien des vorherigen Kapitels können grundsätzliche Nutzenversprechen mit H2 als grünem Energieträger abgeleitet werden.

Zusammenfassung

3.8.2

87

Geschäftsmodell Bausteine zur Analyse von grünem Wasserstoff

Wie in Kapitel 2.4 besprochen gibt es unterschiedliche Faktoren, die gute Nutzenversprechen für Geschäftsmodelle definieren. Aus diesen elf Faktoren lassen sich Merkmale von Nutzenversprechen für mögliche grüne H2-Geschäftsmodelle ableiten, wie in Tabelle 36 gelistet. Aus den Analysen und Fallstudien können aus den wichtigen Faktoren folgende Nutzenversprechen mit grünem Wasserstoff extrahiert werden Tabelle 36:

Nutzenversprechen mit grünem H2

Wichtige Faktoren

Nutzenversprechen mit grünem H2

Preis

Energiekosten für H2, Preise für Umwandlungsprozesse, Preise für Speicherung von H2, Peripherie-Preise, Investitionskosten der Prozesse,

Kostenreduktion

Reduzierung der Produktionskosten im Umwandlungssystem, Reduktion von Herstell- und Energiekosten, Umweltkosten, Laufzeiten Verlängerung, Gesundheitskosten, Kosten für Umweltrisiken, Steuerbelastungen, Fördermittel,

Neuheit

Hocheffiziente dezentrale Systeme, hybride Systeme (Wind/Solar), MultiTreibstofftankstellen, autarke dezentrale Systeme, Elektrolyseure Wirkungsgrad, Einsatz umweltfreundlicher Materialien

Risiko minimieren

Keine Energiekostenschwankungen, keine Umweltkosten, keine Umweltrisiken, Energieverfügbarkeit, unabhängige Energiewandlung, großer Kundenkreis

Kundenanforderung

Eigenständig/autark, Energieunabhängigkeit, geringer Platzbedarf, Flexibilität, hohe Lebensdauer, wartungsfreundlich, umweltfreundlich, geräuscharm, Smart-Grid-fähig, online

Markenstatus

Neu und einzigartig, Name, Qualität, Alleistellungsmerkmale

Komfort/ 24 h Energie, online, Bedienungsfreundlichkeit, Fermwartung Benutzerfreundlichkeit Verfügbarkeit

24/7, Energieverfügbarkeit, eigene Energie Produktion

Design

Spielt eine untergeordnete Rolle, bei kleineren Anlagen ggf. Farbe, Form

Arbeitserleichterung

-

Produktverbesserung Höhere Effizienz, kostengünstiger zu produzieren, Materialien, LCA, Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013; Osterwalder et al. 2015)

88

Tabelle 37:

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Nutzenversprechen und charakteristische Eigenschaften

Charakteristische Eigenschaften

Notwendigkeiten, um erfolgversprechend in GM eingesetzt zu werden

Kosten von H2

Energiepreise müssen auf ähnlichem Niveau wie konventionelle Energieträger liegen. Energiekosten für Endverbraucher unter 0,18 €/kWh (Benzin 1,5 €/l)

Verfügbarkeit von H2

24 h/7 Tage, ausreichende Mengen

Umweltfreundlich

Keine Schadstoff-Emissionen

Nachhaltig

Aus erneuerbaren Energiequellen

Preisstabil

Keinen großen Schwankungen ausgesetzt Biomasse, Sonne in Kombination mit Windkraft liefert konstante Energie

Lokal herstellbar

Regionale EEQ

Positive physikalische Eigenschaften

Keine Gesundheitsgefahren, nicht toxisch, nicht krebserregend,

Transportierbar

Pipelines, LKW,

Speicherbar

Kurz-, mittel-, langfristig

Effiziente Anwendungen

Brennstoffzellen, Elektrolyseure, Gasmotoren

Energieautarke Systeme

KWK-Systeme mit Brennstoffzellen

Quelle: Eigene Darstellung.

Aus dieser Vielzahl von Nutzenversprechen wird in Tabelle 38 eine zusätzliche Liste von charakteristischen Eigenschaften für die unterschiedlichen Bausteine eines Geschäftsmodells mit grünem H2 erstellt. Hier werden die neun Bausteine auf mögliche Geschäftsmodelle mit H2 als grünem Energieträger angewandt. Diese Liste wird in Kapitel 5–7 weiter verfeinert und aktualisiert.

Zusammenfassung

Tabelle 38:

89

Bausteine und charakteristische Eigenschaften für grünen Wasserstoff

Baustein

Eigenschaften

Kundensegment

Massenmarkt: Tankstellen, Distributionsnetzwerke, Energieversorger Nischenmärket: chemische Labors, Metallbearbeitung, Transport/Logistik Unternehmen, Segmentierung: Gleichzeitige Bedienung Hersteller, Transportunternehmen, einzel/Großverbraucher

Nutzenversprechen

Siehe Tabelle 35 umweltfreundlich und nachhaltig, unabhängig von der fossilen Nachfrage, kann lokal hergestellt werden, 24/7 zur Verfügung, physikalisch, ungiftig, nicht toxisch, nicht ätzend, hohe Energiedichte, transportiert, speicherbar

Kanäle

Vermittlung des Nutzenversprechens an die verschiedenen Kundensegmente: Informationen zu grünem H2 können über das Internet direkt kommuniziert werden

Kundenbeziehungen

Persönlicher Kontakt und Unterstützung, Individuelle Unterstützung H2 wird direkt geliefert, ohne weitere Beziehungen zum Kunden. H2 wird für Kunden und Eigenbedarf genutzt

Einnahmequellen

Verkauf von Energie/kWh grünem H2. H2 wird in speziellen Speichersystemen geliefert, mit speziellen Gebühren, H2 wird in einem System von Wärme/elektrischer Energie geliefert, vermietet oder geleast, Patente/Lizenzen/eigene Technologien werden vom Kundensegment verwendet und berechnet. Preisgestaltung unterschiedlicher Kundensegmente Abnahmemenge von H2/a/Monat/Tag, Produktqualität (Reinheit) Variable Preisgestaltung mit Kundensegment, beispielsweise periodenabhängig, dynamische Angebote/Fachfragekonstellationen, Preis für H2 wird ausgehandelt.

Schlüsselresourcens

H2-Produktionsanlagen, Speicheranlagen, Patente, Lizenzen, intellektuelle Ressourcen, Partnerschaften, Kundenstamm

Schlüsselaktivitäten

Herstellung, Speicherung, Umsetzung und Wandlung von H2 Kundenprobleme lösen, neue Lösungen finden, technologisches Wissen vermit-teln/erwerben, Schulungen durchführen Onlinezugänge, Onlineplattformen, Smart Energy, Internet der Energie, Pflege und Weiterentwicklung

Schlüsselpartne schaftent

Ressourcenverteilung, Mengenvorteile, H2-spezifische Regelungstechniken, H2Produktionsrisiken mindern durch Fachkompetenz, gemeinsame Produktentwicklungen, z. B. Brennstoffzellensysteme, Ressourcen von außen nutzen, Aktivitäten von außen

Kostenstruktur

Automatisierte H2-Herstellprozesse, Schlanke Kostenstruktur, Einkauf von außen für den Herstellprozes, Wertorientierte Sichtweise bei der Herstellung von H2, Einbeziehung von Fixkosten, variable Kosten, zusätzlich Mengenvorteile und Verbundvorteile beim Kalkulationsprozess

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013)

90

3.8.3

Analyse von Umwelt- und ökonomischen Merkmalen von grünem Wasserstoff

Zwischenresümee: Umwelt und ökologische Merkmale von grünem H2

In Kapitel 3 wurden die heutigen Umweltauswirkungen der konventionellen Umwandlung von Energie aus fossilen Energieträgern in Zahlen und Fakten aufgezeigt. Zusätzlich wurde auf Effizienzfragen solcher Kraftwerke eingegangen und darauf, wie hoch das mögliche Effizienzpotenzial global gesehen ist. Aus diesen Informationen können die Forschungsfragen zu Umwelt, Effizienz und Wirtschaftlichkeit beantwortet werden. Fakten für 2018 sind: Es werden über 37,5 Milliarden Tonnen CO2 durch Verbrennung von fossilen Energieträgern emittiert. Die Wirkungsgrade konventioneller Kraftwerke liegt bei weniger als 40 %. Die restlichen 60 % sind Verluste und werden ohne weitere Verwendung als Anergie in die Umwelt verpufft. Das Potential erneuerbarer Energiequellen ist, global betrachtet, das zig Tausendfache des heutigen Energieverbrauchs pro Jahr. H2 als grüner Energieträger kann nach aktuellen Studien und Berechnungen eine entscheidende Rolle als Bindeglied zwischen EEQ und den einzelnen Energiebereichen (Sektoren) spielen. H2 kann heute schon in Teilen von Ländern mit hoher solarer Einstrahlung bzw. hoher Windintensität mithilfe dieser EEQ wirtschaftlich hergestellt werden. In verschiedenen Fallbeispielen wurden die Besonderheiten bei der Herstellung von grünem H2 aufgezeigt. Daraus ergeben sich Vorteile und Nachteile gegenüber heutigen Energieträgern. Die positiven Unterschiede können als Werte/Nutzenversprechen dargestellt werden und dienen in den darauffolgenden Kapiteln als weitere Grundlage für Geschäftsmodell Anwendungen mit grünem H2.

4

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

4.1

Nachfrage von Wasserstoff als grüner Energieträger

Grüner H2 wird zukünftig als Energieträger im Energietransformationsprozess eine entscheidende Rolle spielen (IRENA 2019; Emonts 2017; Bünger 2014; Svilengatyin 2018; Quaschning 2018). Durch die eingeleitete Energiewende ändern sich, wie bereits in Kapitel 2 und 3 besprochen, die heutigen Energieinfrastrukturen. Neue Energiekonzepte und technische Innovationen sind notwendig, um eine mögliche Energietransformation hin zu einer Erneuerbare-Energie-Infrastruktur zu schaffen. H2 als grüner Energieträger kann in dieser veränderten Umgebung eine wichtige Funktion als Bindeglied zwischen den heutigen Energiesektoren erfüllen. Der Wandel der für die Energietransformation notwendigen Energieträger von fossilen zu erneuerbaren ist weltweit zu beobachten (Osterhage 2019; Seba 2017). Wichtige Gründe dafür sind: - geringere Abhängigkeit von fossilen Energieträgern - Abkehr von einer endlichen Energieressource - Reduzierung des Klimawandels durch Verbrennungsprozesse mit konventionellen Energieträgern - bessere Kostenkontrolle durch erneuerbare Energieressourcen - geringere Umweltauswirkungen durch Abbau und Nutzung weniger fossiler Energieträger Um H2 wirtschaftlich als alternativen Kraftstoff gegenüber fossilen Energieträgern einzusetzen, müssen die Herstellkosten für H2/kWh in einer ähnlichen Größenordnung wie die für heutige fossile Energieträger liegen, denn ein ausschlaggebender Faktor für eine erfolgreiche Implementierung von grünem H2 in die zukünftige Energieinfrastruktur sind dessen Herstellkosten (in €/kWh). Diese Herstellkosten von grünem H2 hängen im Wesentlichen von den Stromgestehungskosten der zur Verfügung stehenden erneuerbaren Energieressourcen und den technologischen Umwandlungsprozessen ab. Wie in Kapitel 1 und in den Fallstudien in Kapitel 3 gezeigt, sind bereits heute mit erneuerbaren Energieressourcen geringere Stromgestehungskosten erzielbar als mit konventionellen Energieträgern wie Öl, Kohle, Gas und nuklearen Brennstoffen. Die international ratifizierten Verträge zur Treibhausgasreduktion sollten zwar verpflichtend bei allen Mitgliedsstaaten weltweit umgesetzt werden, doch bleiben die energiepolitischen Strategien und Ziele einzelner Volkswirtschaften ein weiterer wichtiger Faktor, wobei insbesondere die Ziele und Strategien der Dekarbonisierung mithilfe von EEQ einer Umstellung auf grünen H2 und einer damit verbundenen Nachfrageerhöhung förderlich sein dürften. Zugleich muss eine neutrale Aufklärung über energie © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_4

92

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

relevante Fakten in der Bevölkerung stattfinden. Dies ist aufgrund der Machtverteilung im Energieversorgungsbereich und dem daraus resultierenden Ungleichgewicht der Lobbyarbeit ein großes Unterfangen. Aktuell ist eine Nachfrage nach grünem H2 – bedingt durch die noch geringe Anzahl an Anwendungsmöglichkeiten von grünem H2 und den hohen Stromgestehungspreisen für die Umwandlungsprozesse –nur in Nischenmärkten zu finden. Neueste Studien und Marktuntersuchungen prognostizieren jedoch ein sehr hohes Nachfragepotenzial für H2-Applikationen und H2 in den kommenden Jahren (Bünger 2014; Hanley et al. 2018; IRENA 2019; Baur 2018; Brinner 2018). Denn um die zur Verfügung stehenden volatilen erneuerbaren Energien kontinuierlich im Energienetz zur Verfügung zu stellen, sind neue Technologien wie dezentrale Umwandlungssysteme, Smart-Energy-Systeme, Smart-Grid-Systeme, ein Internet of Energy und Speichersysteme notwendig. Insbesondere dezentrale Umwandlungssysteme und Speichersysteme verlangen nach auf grünem H2 basierenden Technologien, um so die EEQ mit den drei Energiesektoren Wärme, Strom und Mobilität zu verbinden. Eine aktuelle Studie von McKinsey/Hydrogen Council (H2Council 2017) zeigt, welche Potenziale insbesondere im Mobilitätssektor in der Zukunft erwartet werden können. Im Jahr 2050 sollen mehr als 400 Mio. Autos, 15–20 Mio. Lkw und rund 5 Mio. Busse mit H2 angetrieben werden, was sich auf einen Anteil von 20–25 % der jeweiligen Transportsegmente beläuft. Rund ein Drittel der gesamten CO 2-Emissionen könnten dabei eingespart werden. Ein Viertel der Fahrgastschiffe und ein Fünftel der Züge sollen durch auf H2 basierenden synthetischen Kraftstoff angetrieben werden. Der weltweite Wärmebedarf in Gebäuden könnte zu über 10 % mit H2 über bestehende Gasinfrastrukturen gedeckt werden. Zusätzlich würden in Verbindung mit der Smogbildung stehende lokale Emissionen von Schwefeloxiden, Stickoxiden und Partikeln reduziert und zugleich die Lärmbelästigung in Städten verringert. Im Mobilitätsbereich würden 20 Mio. Barrel Öl pro Tag weniger verbraucht und dadurch die Energieversorgungssicherheit deutlich verbessert werden. Neben den Umweltaspekten könnte die H2-Wirtschaft neue Möglichkeiten für ein nachhaltiges Wirtschaftswachstum schaffen. Für H2 wird ein Umsatzvolumen von 2.500 Mrd. € angenommen, und über 30 Mio. Arbeitsplätze könnten im H 2-Bereich weltweit bis 2050 geschaffen werden Für den Aufbau der Wasserstoffwirtschaft würden jährliche Investitionen von 20 bis 25 Milliarden Dollar benötigt, bis 2030 insgesamt etwa 280 Milliarden Dollar. Etwa 40 % (110 Milliarden Dollar) dieser Investitionen würden in die Produktion von H 2 fließen, etwa ein Drittel (80 Milliarden Dollar) in Lager, Transport und Vertrieb und etwa ein Viertel (70 Milliarden US-Dollar) in die Produkt- und Serienentwicklung und Skalierung der Fertigungskapazitäten. Der Rest, etwa 20 Milliarden Dollar, könnte für neue

Nachfrage von Wasserstoff als grüner Energieträger

93

Geschäftsmodelle aufgewendet werden, z. B. mit Brennstoffzellen betriebene Taxiflotten und Carsharing, Gütertransport auf Abruf und Verträge für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (H2Council 2018, 2017). Um H2 wirtschaftlich als alternativen Kraftstoff gegenüber fossilen Energieträgern einzusetzen, müssen die Herstellkosten für H2/kWh ähnlich hoch oder geringer, wie die für heutige fossile Energieträger liegen. Analog zum Wirtschaftlichkeitskriterium der Netzparität (für PV-Systeme) könnte eine sogenannte fossile Parität definiert werden. Derzeit liegen die fossilen Paritätskosten in Europa bei ca. 6 Euro pro Kilogramm H2 (Kapitel 1 und 3). Um diese Energiekosten zu erreichen, müssen H2-Herstellverfahren mit EEQ effizienter, skalierbar und dementsprechend kostengünstiger gefertigt werden. Des Weiteren sollte grüner H2 dort in ausreichender Menge hergestellt werden, wo er direkt benötigt wird (point of use). Dies kann idealerweise mit dezentralen Systemen erreicht werden. Beispielsweise können Wasserstofftankstellen für den Mobilitätsbereich dort errichtet werden, wo ausreichend EEQ zur Verfügung stehen und Transportmittel in der Nähe sind (z. B. Busse, Bahnen, ggf. maritime Fahrzeuge). Brennstoffzellenfahrzeuge können Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsantrieben ablösen. Das Distributionsnetz könnte zu dezentralen „Multifuelnetzen“ ausgebaut werden. Fossile Treibstoffe werden substituiert und so zunehmend reduziert. EEQ werden effizienter und nach Energienachfrage intelligent genutzt. Aufgrund der hohen Änderungsgeschwindigkeiten in den unterschiedlicheren Energietechnologien werden innovative Applikationen entstehen. Beispiele dafür können hybride Fahrzeuge mit Batterieantrieb und Brennstoffzellen für mobile Einsatzbereiche sein. In Gebäuden können PV-Systeme direkt zur H2-Herstellung für Brennstoffzellenheizgeräte und Mobilitätsanwendungen verwendet werden. Durch grünen H2 ergeben sich neue Möglichkeiten für Konsumenten, Hersteller und Dienstleister. Diese können jedoch auch negative Auswirkungen auf heutige Energie-, Finanz- und Marktstrukturen haben, da sie auf der Verwendung konventioneller Energieträger basieren. Diese Auswirkungen können ein Risiko für die Energie-, Dienstleistungs- und Finanzmärkte bedeuten, da zukünftig weniger fossile Brennstoffe benötigt werden. Jeremy Rifkin (US-Ökonom) weist darauf hin, dass Investitionen von Banken und Investoren, die mit auf fossilen Energien basierenden Geschäftsmodellen operieren, beispielsweise durch internationale Klimaschutzvereinbarungen massiv an Wert verlieren können, da diese Investitionen dann nicht mehr als zukunftsfähig betrachtet würden. Des Weiteren sind solche Geschäftsmodelle nicht nur durch politische Entscheidungen bedroht, sondern auch durch den technologischen Fortschritt. Heute können Kraftwerke mit erneuerbaren Energieträgern ohne staatliche Subventionen mit konventionellen Kraftwerken konkurrieren; teilweise sind deren Investitionskosten schon geringer als die konventioneller Kraftwerke (Kost 2018). Die Energiekosten pro kWh liegen

94

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

bei Erneuerbare-Energie-Kraftwerken bereits unter den üblichen Marktpreisen. Dadurch werden diese erneuerbare Energie Kraftwerke zu einer wirtschaftlichen Bedrohung für Energiekonzerne mit konventionellem Energieträger. Als Beispiel ist die Allianz Gruppe die sich aus den Versicherungsgeschäften für Betreiber fossiler Kraftwerke zurückziehen (Allianz 2017). Wachstumsmärkte bedeuten in der Regel höhere Stückzahlen, neue Wettbewerber, technologische Weiterentwicklungen, Optimierung von Produktionsprozessen, kostengünstigere Produktion durch Skaleneffekte, Investitionen in Entwicklung und Forschung und innovative, effektivere und kostengünstigere Produkte und Systeme. Unternehmungen, die bereits heute in solchen Wachstumsmärkten aktiv sind, werden ggf. mit schnellen Schwankungen der externen Unternehmensfaktoren (politischer, gesellschaftlicher, technischer, ökologischer und wirtschaftlicher Natur) konfrontiert, auf die sie adäquat reagieren müssen, um ihren Fortbestand zu sichern. Durch die schnellen technischen Entwicklungen beispielweise der E-Mobilität, Batteriespeicher oder PV-Systeme, können heutige Produkte und Dienstleistungen subsituiert bzw. wirtschaftlich unrentabel werden. Durch den Einsatz von Elektromotoren werden heutige Motorentechnologien mit einfacheren und kostengünstigeren substituiert. Im Akkumulatoren-(Batterie-) Speichermarkt ist durch die hohe Nachfrage und technische und produktionsspezifische Innovationen eine kontinuierliche Preisreduzierung erkennbar. Durch den Preisverfall werden E Fahrzeuge gegenüber Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor konkurrenzfähig (Seba 2017). Solche disruptiven Situationen rechtzeitig zu erkennen, zu verstehen und adäquat auf sie zu reagieren ist eine wichtige Aufgabe der Unternehmensführung. Sie erfordert eine Beobachtung neuer Trends, technologischer Innovationen, Märkte und Konsumenten, um die Unternehmensstrategie anzupassen und das jeweils verfolgte Geschäftsmodell einem Stresstest zu unterziehen. Als aktuelles Beispiel kann hier die Fa. Bosch herangezogen werden. Bosch fertigt seit vielen Jahrzenten für die Automobilbranche spezielle Komponenten für Verbrennungsantriebe (Einspritzsysteme, Generatoren usw.). Als neues Geschäftsfeld werden nun komplette E-Antriebsstränge angeboten. Diese beinhalten alle elektrischen und mechanischen Komponenten und werden je nach Leistungsklasse für unterschiedliche Kundensegmente (Kfz, Lkw) offeriert. Die Einspritzsysteme von heute sind die elektronischen Wechselrichter von morgen (Bosch). Politisch können zukünftig in Städten und Ballungsräumen Fahrverbote für Autos mit Verbrennungsmotor ausgesprochen werden. Dies wird ein Umdenken im Markt bewirken und eine steigende Nachfrage nach alternativen Mobilitätsmöglichkeiten auslösen, wie Fahrzeugen mit Hybridantrieb, Elektro-Fahrzeuge (BEV) und BrennstoffzellenFahrzeuge (FCEV), mehr grünem Nah- und Fernverkehr, Carsharing oder autonomem Fahren. Große Fahrzeughersteller wie Volvo, Renault und Toyota haben bereits

Markteilnehmer einer grünen H2-Ökonomie

95

angekündigt, aus der Produktion von Dieselmotoren auszusteigen bzw. ihre Fahrzeugflotten ab 2020 nur noch mit alternativen Antrieben auszustatten. Die steigende Nachfrage nach alternativen Fortbewegungsmitteln kann dazu führen, dass die Unternehmen ihre strategische Ausrichtung überdenken müssen. Daraus resultiert eine Änderung, Anpassung oder Neuentwicklung bestehender Geschäftsmodelle. Um nun spezielle archetypische Geschäftsmodellstrukturen mit grünem H2 darzustellen, müssen die Geschäftsfelder genauer analysiert und betrachtet werden. Es gibt bereits eine Vielzahl von Unternehmungen, die mit H2 in unterschiedlicher Form verbunden sind, sei es als Zulieferer, Produzent, Entwickler oder Dienstleister. Diese Markteilnehmer werden im folgenden Abschnitt genauer systematisiert und analysiert.

4.2

Markteilnehmer einer grünen H2-Ökonomie

Bereits heute gibt es Unternehmungen im Wasserstoffbereich die sich mit der Erzeugung, Distribution und Anwendung von grünem H2 beschäftigen. Konkrete Daten über die Vielzahl der Unternehmungen im H2-Bereich können bei dem Organisator der Hydrogen-Fuel-Cells-Messe in Hannover gefunden werden. Diese Gruppe organisiert in Hannover die größte europäische Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Messe. Die meisten heutigen großen Gasproduzenten wie Linde, Shell und AirLiquid halten in ihrem Produktportfolio grünen H2 für Anwendungen bereit. Die Menge ist aber noch verschwindend gering. Einige Hersteller verweisen aber darauf, dass dieser Bereich ihres Produktportfolios in den nächsten zehn Jahren starkes Wachstum aufweisen werde. Spezielle Analysen und Studien (Shell 2017; KPMG 2019; H2Council 2017; BP 2018, 2019; Baur 2018; DENA 2018a) zeigen ebenfalls dieses Marktpotenzial. McKinsey beziffert im Hydrogen Scaling-up Report von Ende 2017 die möglichen Umsätze für das Jahr 2050 auf 2.500 Milliarden $ und die Beschäftigtenzahl im Bereich H2-Erzeugung, -Distribution und -Anwendung auf 30 Mio. Einer der entscheidenden Faktoren für die erfolgreiche Umsetzung von H2 als Energieträger ist die Bereitstellung einer H2-Infrastruktur in Form von Tankstellen, H2-Netzen und H2-Transport- und -Speichersystemen. Aktuell stellen unterschiedliche Akteure (z. B. Regierungsorganisationen mit EU-Förderprogrammen, Unternehmen, Institutionen) Gelder für Investitionen von H2-Infrastrukturmaßnahmen bereit, um dieser neuen Energieform zum Durchbruch zu verhelfen. Förderprogramme für H 2-Infrastrukturmaßnahmen stehen in Japan, China, den USA, Europa und Deutschland zur Verfügung. Meist sind die großen Player der Gas- und Automobilindustrie mit in den Projekten involviert. Die Herstellung von H2 ist heute und zukünftig nicht mehr nur großen, finanzstarken Unternehmen vorbehalten. Jeder, dem EEQ in Form von Wind und Sonne zur Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung stehen, kann grünen H 2 erzeugen, speichern

96

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

und nutzen. Dies kann eine einzelne Person wie ein Eigenheimbesitzer sein, eine Personengruppe in Form einer Energiegenossenschaft, eine Gemeinde mit mehr oder weniger großen Liegenschaften, kommunale Organisationen, Unternehmungen und Industriebetriebe. Jeder hat zukünftig die Möglichkeit, aus überschüssiger regenerativer Energie dezentral H2 zu erzeugen und zu verwerten. In den Kapitel 5-7 werden dazu Beispiele beschrieben. Denkbar sind auch Bürgerenergiegenossenschaften, die Energie dezentral in Form von Elektrizität und Wärme bereithalten. Für die unterschiedlichen Geschäftsbereiche sind in Tabelle 39 heutige Märkte und Unternehmungen gelistet, die H2 (grau und grün) erzeugen, transportieren und in H2Applikationen nutzen. Tabelle 39:

H2 Unternehmungen

Bereiche

Unternehmen

Erzeugung

Shell, AirLiquid, Linde, Air products and chemicals, US Praxair Inc US, Iwatani Japan, Showa Denko K.K, Hydrogenics Co Canada, Total, Hazar Group AustraliaHazer Group, Linde AG H2 , Hydrogenious Technologies, Hydrogenics

Distribution

Chiyoda Hydrogenious

Stationäre

ITM Power, Ballard, Hydrogen Pro AS, Mitsubishi Hitachi power systems, Tianjin H2 Equipment, GreenHydrogen, Enapter, AREVAH2Gen, ERGOSUP, ErreDue, H-Tec Systems, Helbio, Höller, Home_Power_Solution (HPS), Hugreen Power Inc., HydrogenPro, Tianjin, P.R Sunfire, Proton Motor Fuel Cells

Mobile

Toyota, Honda, Hyundai, Mercedes, Volkswagen, BMW, Giner ELX, Ballard, Proton Motors Fuel Cells,

Sonstiges

Institute ZSW Ulm, Frauenhofer Institut für Solarsysteme ISE,

Quelle: Eigene Darstellung.

4.3

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

4.3.1

Geschäftsfelder als Basis für die Geschäftsmodelle

Um Geschäftsmodellstrukturen mit grünem H2 als Energieträger abzuleiten, werden zunächst mögliche Geschäftsfelder genauer analysiert. Auf Basis der Analyseergebnisse werden mögliche Geschäftsmodellstrukturen identifiziert. Diese Strukturen können bestimmten Geschäftsmodell-Patterns – archetypischen Geschäftsmodellstrukturen – auf Basis der von Gassmann et al. (Gassmann 2017b, 2017a) definierten Geschäftsmodelltypologien und der Modelltheorie von Osterwalder und Pigneur zugewiesen werden. Gassmann et al. (Gassmann 2017a) haben 55 wiederkehrende GM-Typologien identifiziert. Die meisten neuen GM-Strukturen sind Kopien oder Rekombinationen bereits bestehender Strukturen. Die jeweiligen Strukturen werden durch Ihre 4

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

97

angesprochenen Dimensionen beschrieben. Die Ausgestaltung kann dabei sehr unterschiedlich sein die durch die 4 W „Was, Wer, Wie und Werterhaltung“ beschrieben werden können. Um mögliche Geschäftsmodellstrukturen im Bereich des grünen H 2 zu erkennen, wird zunächst versucht, die verschiedenen Aktivitäten über Geschäftsfelder zu strukturieren. Nach Abell können Aktivitäten eines Geschäftsfelds nach den Bereichen Funktionen, Marktsegmente und Technologien zugeordnet und so kategorisiert werden: (1) Unter Funktionen werden die Angebote für die Erfüllung der Kundenbedürfnisse verstanden (Abell 1980). Diese definieren das Leistungsspektrum. Beispiele sind mobile Anwendungen mit H2-Energiewandlern (Brennstoffzellen-Fahrzeuge wie H2-betriebene Busse, Züge, Schiffe, Fahrräder). Das Marktsegment wird aus der Gesamtheit der Nachfrager bestimmt. Je nach Nachfrager-Profilen können unterschiedliche Segmente identifiziert werden. Eine Marktsegmentierung kann eingesetzt werden, um die unternehmerischen Aktivitäten genauer auf die Nachfrager am Markt abzustimmen. Die Aufgabe der Marktsegmentierung ist die erfolgreiche Bedienung unterschiedlicher Segmente (Freter 2008, 2000). Die wichtigsten Teilaufgaben sind dabei Die Abgrenzung des relevanten Gesamtmarktes und die Bestimmung relevanter Teilmärkte sowie: - Bedürfnisse der Nachfrager - gezielter Einsatz von identifizieren Marketinginstrumenten - Wettbewerbsvorteile erzielen

- Prognose von Marktentwicklungen

- Marktbeobachtungsfunktionen

- Beurteilungen von Neueinführungen

Als Beispiele könnten der Gebäudewärmemarkt, der Mobilitätsmarkt, der Markt der portablen Notstromversorgungssysteme und der Markt der Stand-Alone-Beleuchtungssysteme betrachtet werden. Technologien beschreiben Der heutige Markt für grünen H2 ist, wie bereits skizziert, noch relativ klein. Aktuelle Trends zeigen einen starken Nachfrageanstieg nach grünem H 2 insbesondere im mobilen Sektor, ausgelöst durch politische und rechtliche Reglementierungen und Vereinbarungen, die immer geringer werdenden Stromgestehungskosten durch EEQ und die alternative Nutzung von deren Überschussenergie mithilfe von Power-to-X-Anwendungen. Des Weiteren werden große Potenziale für die Erzeugung und Weiterverarbeitung von H2 in den sogenannten Power-to-X-Anwendungsbereichen aufgezeigt, die den Energieüberschuss der volatilen erneuerbaren Energiequellen effizienter nutzen könnten. Dieser Überschuss kann heute nicht in das Versorgungsnetz eingespeist werden, da es an mögliche Energienachfrager und Speicher fehlt. Diese Überkapazitäten können nicht

98

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

aufgenommen werden. Diese sogenannte Abregelungsmengen lagen 2018 bei 5.403 GWh. Die entsprechenden Entschädigungsansprüche der Anlagenbetreiber lagen laut Bundesnetzagentur bei ca. 635 Mio. € (Homann 2019). Dieses Überangebot an Energie kann für die Herstellung von H 2 als speicherbarem grünem Energieträger genutzt werden. H2 als speicherbare und transportierbare sekundäre Energieressource einzusetzen ist bis heute noch nicht wirtschaftlich, da die Anlagen (Elektrolyseure, Verdichter) teilweise nur zu einem geringen Teil ausgelastet werden. Die Investitionskosten für Anlagen, Kapitalkosten für die Finanzierung und Betriebskosten für das Betreiben des Prozesses stehen daher in einem unwirtschaftlichen Verhältnis zum Ertrag solcher Anlagen. Des Weiteren muss der heutige Energiemarktmechanismus genauer analysiert werden. Die Energiemengen, die heute im Energienetz benötigt werden, werden an Strombörsen gehandelt (EEX, OTC). Dieser organisierte Markt soll, wie die Wertpapierbörse, Angebot und Nachfrage bündeln, um ggf. eine hohe Liquidität zu erzielen (weitere Informationen dazu in Kapitel 7). Gleichzeitig bestehen große Schwankungen der Energiepreise, sodass eine präzise Steuerung notwendig ist, um ggf. Arbitrage-Effekte zu erzielen. Die unterschiedlichen Produktions-, Transport-, Speicherungs- und Anwendungsmöglichkeiten von grünem H2 in neue Marktchancen umzuwandeln ist die Aufgabe des Managements in den Unternehmungen. Um nun das Produkt H2 als grünen nachhaltigen Energieträger in archetypische Geschäftsmodelle einordnen zu können, wird eine Aufteilung in drei Geschäftsfelder vorgenommen. Ein Geschäftsfeld wird dabei als Einsatzgebiet von grünem H2 mit den einschlägigen unternehmerischen Aktivitäten definiert. Ein Geschäftsfeld beschreibt die Einsatzgebiete von unternehmerischen Aktivitäten. Zu diesen Aktivitäten gehören die Kunden und die Leistungen (Leistungsgruppen). Nach Abell werden dabei drei Dimensionen für die Beschreibung von Geschäftsfeldern eingesetzt (Abell 1980): Nachfragesektor: Welche wichtige Gruppe der Abnehmer wird angesprochen? Leistungssektor: Welche Aufgaben werden durch die Leistung erfüllt? Technologie: Welche Technologien werden benötigt, um die Leistungen zu erfüllen. „Ein Geschäftsfeld ist somit ein Teilbereich des gesamten marktbezogenen Aktivitätsfelds eines Unternehmens mit eigenständiger Nachfrage-, Leistungs- und Technologiecharakteristik, wodurch eigenständige strategische Entscheidungen eines Geschäftsfelds hinsichtlich Wettbewerbsumfeld und unternehmerischer Ressourcen ermöglicht und erforderlich werden“ (Abell 1980).

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

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Die einzelnen Geschäftsfelder sollen über ausreichendes Marktpotenzial verfügen, sodass spezielle Geschäftsstrategien über eine längere Periode rentabel und gewinnbringend umgesetzt werden kann. Die Geschäftsfelder eines Unternehmens sollten unter folgenden Aspekten festgelegt werden: Kernkompetenzen Das Ausnutzen und Schaffen von Synergien verwandter Geschäftsfelder Kundenorientierung Für grünen H2 als Energieträger werden dabei drei Geschäftsfelder definiert, die eine Grundlage für die Unterscheidung archetypischer Geschäftsmodelle bilden. Abbildung 25 zeigt diese drei Geschäftsfelder:

Abbildung 25: Geschäftsfelder mit grünem H2 Quelle: Eigene Darstellung.

Diese drei Geschäftsfelder umfassen das gesamte Nutzungsspektrum des Energieträgers H2 und lassen sich wie folgt beschreiben: 1. Das Geschäftsfeld Erzeugung umfasst die Herstellung von H2 mit erneuerbaren Energiequellen (zu den verschiedenen Technologien für die Erzeugung von grünem H 2 vgl. Kapitel 1.5); 2. Das Geschäftsfeld Infrastruktur umfasst die Speicherung und den Transport (Distribution) von grünem H2 als erneuerbarem Energieträger.

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Ein wichtiges Bindeglied zwischen Herstellung und Verbrauch von grünem H2 sind die unterschiedlichen Speichertechnologien. Da H2 in beliebigen Mengen hergestellt werden kann, sind die Speichergrößen von der Nachfrage bzw. der energetischen Leistung der Verbraucher abhängig. Welche Speichertechnologie verwendet wird, hängt von den Anwendungsfällen ab. Im mobilen Bereich sind dies Drucktanks in unterschiedlichen Formen. Hier sind Drücke von bis zu 1000 bar sicher und unproblematisch zu handhaben. In anderen Anwendungen kann grüner H 2 in flüssiger Form (LOHC-Technik) (Preuster et al. 2017), in chemischen Speichern (Metall-Hybrid-Speicher) oder direkt in Gasversorgungsnetzen und in großen Kavernenspeichern unterirdisch gespeichert werden (Michalski 2017). Im Mobilitätssektor kommen für Tankstellen neben Drucktanks auch Tanks mit verflüssigtem H2 infrage. Je nach unterschiedlicher Speichertechnologie werden Kurz- und Langzeitspeicher unterschieden. Dabei gibt es eine Vielzahl von Speichertechnologien, die im Anhang dargestellt werden (Stadler 2014; Schmiegel 2019; Kurzweil und Dietlmeier 2018). Aus technischer wie auch ökonomischer Perspektive sind Speicherwirkungsgrade und bei der Speicherung auftretende Umwandlungsverluste für die unterschiedlichen Anwendungen zu beachten (siehe auch Kapitel 2.2). H2 kann in flüssiger Form (Kälte), chemisch gebunden und in Drucktanks mit Lkw, Bahn oder Schiff und über Gaspipelines zum Ort des Abnehmers transportiert werden (Stadler 2014; Sterner und Stadler 2017). Die Transportart hängt von Menge, Anwendung und Lokalität ab. 3. Im Geschäftsfeld Anwendungen werden mögliche Applikationen von grünem H2 aufgezeigt. Eine grobe Einteilung sind stationäre, portable, mobile, industrielle/chemische, Power-to-X- und Nischenanwendungen. Diese drei Geschäftsfelder werden von externen und internen Faktoren geprägt: Externe Faktoren sind gesetzliche Regelungen, die zwingend eingehalten werden müssen, z. B. Fahrverbote für Fahrzeuge mit fossilen Verbrennungsmotoren wegen Feinstaubbelastung, Energiepreissteigerungen durch höhere Nachfrage bzw. kartellspezifisches Agieren (OPEC), politische Instabilität in der internationalen Politik (beispielsweise Russland, die USA, Iran) oder innerhalb einzelner Länder (z. B. Venezuela, Irak). Die externen Faktoren können zu kurzfristigen Richtungsänderungen in der Energiepolitik führen und so einschneidende Auswirkungen auf die H2-Geschäftsfelder haben. Die Bedeutung externer Faktoren kann beispielsweise mithilfe regionaler EEQ und der Herstellung von grünem H 2 minimiert und im Idealfall eliminiert werden. Interne Faktoren sind unternehmensspezifische Aspekte wie Innovationspotenzial, Patente und Schutzrechte, Kernkompetenzen, Vertriebsstrukturen, produktionsspezifische Vorteile oder Lage und Region.

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

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Auf Basis von Unternehmensdaten werden im Folgenden für die drei Geschäftsfelder die heute möglichen Geschäftsmodellstrukturen dargestellt und verglichen. Diese werden mit den unterschiedlichen Bausteinen, deren jeweiligen Eigenschaften und praktischen Beispielen dargestellt. Auf dieser Basis können die Geschäftsmodelle auf bestimmte Archetypen zurückgeführt und so übersichtlich geordnet und dargestellt werden.

Abbildung 26: Schema für die Klassifizierung von Geschäftsmodell-Strukturen Quelle: Eigene Darstellung (Staiger und Tanţău 2018b).

Die Einteilung in Bausteine erfolgt auf Grundlage des Canvas-Modells von Osterwalder und Pigneur (Osterwalder und Pigneur 2013). Die neun Bausteine – Kundensegment, Value Proposition, Schlüsselfaktoren, Einnahmequellen etc. (vgl. Kapitel 2.6) – werden als Organisationsprinzipien für die Vergleiche herangezogen. Abbildung 27 zeigt die Zusammenhänge zwischen den neun Bausteinen bzw. Elementen nach Osterwald/Pinque und den vier Hauptbereichen Kunden, Infrastruktur, Ertrag und Angebot in Unternehmungen.

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Abbildung 27: Auswertungsstruktur für Geschäftsmodelle Quelle: Eigene Darstellung.

In den Analysen wird geprüft, wie die neun Bausteine eines Geschäftsmodells mit den vier Unternehmensbereichen zusammenhängen und welche von Bedeutung sind, um Unternehmen profitabel und längerfristig im Markt zu halten. Die neun Bausteine nach Osterwalder und Peigneur sind Value Proposition (VP) (Nutzenversprechen, Werteversprechen), Kundensegment (KS), Schlüsselfaktoren (SF), Einnahmequelle (EQ), Kostenstruktur (KO), Kundenbeziehungen (KB), Kundenkanäle (KK) und Schlüsselaktivitäten (SA). Für die Bewertungen in dieser Arbeit wird speziell der Bereich Value Proposition betrachtet. Die Darstellung erfolgt tabellarisch unter Zugrundelegung der entwickelten archetypischen Geschäftsfelder.

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

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Für die drei Geschäftsfelder werden im Folgenden archetypische Geschäftsmodelle für heutige und mögliche zukünftige Unternehmensaktivitäten identifiziert und unter Zugrundelegung des Geschäftsmodell-Canvas nach Osterwalder und Pigneur beschrieben. Damit ergeben sich für jeden Baustein des Geschäftsmodell-Canvas für das jeweilige Geschäftsmodell spezifische Eigenschaften. Diese Eigenschaften werden zunächst subjektiv und dann, in Kapitel 8, mittels der Ergebnisse einer Expertenbefragung zusätzlich verglichen und bewertet. Für die Systematisierung von archetypischen Geschäftsmodellen für grünen H 2 werden die drei Geschäftsfelder in Kapitel 4.3.2 weiter unterteilt. 4.3.2

Geschäftsfeld: Herstellung von grünem Wasserstoff

Erstes Geschäftsfeld ist die Herstellung von H2 als grünem sekundärem Energieträger. Diese kann zentral und dezentral erfolgen (Abb. 26). Dezentrale Umwandlungssysteme werden als Einheiten definiert, die H2 für eine Anwendung am Herstellungsort erzeugen, zwischenspeichern und zur Verfügung stellen. Die kann einen Verkauf an lokale Kundensegmente einschließen. Bei der zentralen Herstellung kann H2 beispielsweise durch Elektrolyse mithilfe von EEQ erzeugt werden. Solche Systeme können beispielsweise energieautarke Gebäude, dezentrale H2-Tankstellen für mobile Anwendungen, Anlagen der industriellen H2-Produktion für chemische/industrielle Werke oder Stand-Alone-Systeme (Notstrom, Beleuchtungen) sein.

Abbildung 28: Dezentrale und zentrale H2-Herstellung Quelle: Eigene Darstellung.

Zentrale Systeme sind Anlagen, die grünen H2 aus erneuerbaren Energiequellen erzeugen und über spezielle Distributionsnetzwerke weiterleiten bzw. ihn zu künstlichen Treibstoffen und anderen chemischen Produkten weiterverarbeiten oder ihn für chemische Prozesse nutzen. Das Energie-Output von EEQ wie Windkraft, Wasserkraft oder PV ist durch ihre volatilen Eigenschaften Schwankungen ausgesetzt. In Zeiten der Überkapazität (starke Winde oder solare Einstrahlungen) kann zu viel produzierte Energie für

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

die Herstellung von H2 als speicherbarem Energieträger eingesetzt werden. Inwieweit dies aufgrund von Arbitrage-Effekten ökonomisch sinnvoll ist, muss abhängig von der Anlage und den notwendigen Investitionen berechnet werden. Der produzierte Wasserstoff kann in ein nahegelegenes Gasnetz eingespeist werden (Power to Gas, PtG) oder in Speichern zwischengespeichert und bei hoher Energienachfrage über Brennstoffzellengeneratoren wieder ins Netz eingespeist werden (Gas to Power). H 2 kann zusätzlich als Ausgangsstoff für synthetische Gase bzw. synthetische Flüssigkraftstoffe oder für die Metall- und Chemieindustrie genutzt werden (Power to Liquid, PtL; Power to X, PtX; siehe Kapitel 7). Abbildung 27 zeigt potenzielle Ketten von Herstellung zu Anwendung von zentral und dezentral hergestelltem grünem H2.

Abbildung 29: Bereiche der H2-Erzeugung Quelle: Eigene Darstellung.

Zur übersichtlichen Erfassung des Aufbaus der archetypischen GM-Strukturen werden Prozessketten für die einzelnen Geschäftsfelder betrachtet. Insgesamt sind fünf unterschiedliche Prozesse zu berücksichtigen: 1. Der Prozess erneuerbare Energie Quellen wird mit EEQ(x) abgekürzt. Die Variable x bezeichnet die möglichen EEQ wie Solarenergie mit PV, Windkraft, Wasserkraft, Abwärme-Systeme, Hochtemperatur-Solarthermie und weitere EEQ. 2. Der Umwandlungsprozess zur Herstellung von grünen H2 wird mit UP(x) abgekürzt. Die Variable x kann für Elektrolyseure oder Reformierungsprozesse und zukünftige innovative Prozesse wie Photosynthese stehen. 3. Für den Prozess Speicher wird der zur Verfügung stehende H2 mittels unterschiedlicher Speichertechnologien abgelegt. In der Abkürzung SP(x) steht die Variable x für

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

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die unterschiedlichen Speichertechnologien. Diese können kurzzeit-, mittelfristige und Langzeitspeicher in unterschiedlichen Variationen sein. 4. Im Prozess Energiewandler wird H2 direkt als Energieträger verwendet, wobei unterschiedliche Energiewandler zur Anwendung kommen können. In der Abkürzung EW(x) bezeichnet die Variable x die unterschiedlichen Energiewandler wie Brennstoffzellen, Brennstoffzellenheizgeräte, BHKWs mit BZ, H2-Motoren in Form von Verbrennungsmotoren, Gasgeräte (ähnlich wie Gasbrennwert) oder hybride Systeme (Staiger und Tanţău 2017a, 2017b). 5. Im Prozess Distribution (DS(x)) wird H2 transportiert. Die Distribution kann über das Gasnetz, Schiff oder per Straßen- oder Schienenfahrzeug erfolgen. Tabelle 40 zeigt die einzelnen Prozesse möglicher archetypischer GM-Strukturen für grünen H2 in einer Übersicht auf. Tabelle 40:

Prozesse archetypischer Geschäftsmodelle

Prozesse

Abkürzung

Beispiele für Variable X

(1) Erneuerbare Energiequellen

EEQ(x)

PV, Solarthermie, Wind, Wasser, Biomasse, Photosynthese

(2) Umwandlungsprozess

UP(x)

Elektrolyseure, Reformer

(3) Speichertechnologie

SP(x)

Druck, Flüssigform, Netzwerk, Kavernen, Metalle, Gaspipelines

(4) Energiewandler

EW(x)

FCEV, BHKW, BZ, hybride Systeme, Verbrennungsmotoren

(5) Distributionssystem

DS(x)

Gasnetz, Schiene, Fahrzeuge, flüssig/gasförmig

Quelle: Eigene Darstellung.

Im Geschäftsfeld Erzeugung kann H2 entweder dezentral oder zentral erzeugt werden. 1. Dezentrale Erzeugung und Distribution Zunächst wird die dezentrale Erzeugung und die Nutzung/Umwandlung am Ort der Erzeugung/Nutzung (Point of Use) analysiert. Daraus können zwei unterschiedliche GMStruktur-Archetypen abgeleitet werden. Archetyp Erzeugung E1: Dezentrale H2-Erzeugung, -Speicherung und -Anwendung direkt vor Ort Erneuerbare Energiequellen (EEQ(x)) werden dezentral eingesetzt, um über Umwandlungsprozesse (UP(x)) H2 zu erzeugen und über Speicher (SP(x)) H2 kurz- und mittelfristig

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

zu speichern. Über Energiewandler (EW(x)) wird Energie für den direkten Verbrauch vor Ort in Form von Wärme und/oder Elektrizität zur Verfügung gestellt. Beispiele für Anwendungen sind: energieautarke Systeme wie in Gebäuden als komplettes System, autarke Stromversorgungssysteme (Telekommunikation, Sicherheitsregelungen), autarke stationäre Notstromversorgungen, Speicherung in speziellen Druckspeichern für lokale H2-Anwendungen (z. B. BZ-Fahrräder, -Fahrzeuge, portable BZ-Geräte), industrielle H2-Speicher für Fahrzeuge in der Industrieumgebung (Gabelstapler…), H2 für chemische Prozesse und Anwendungen, H2 für industrielle Anwendungen, Materialbehandlungen, H2 für lokale Tankstellen (öffentlich, privat, industriell). Archetyp Erzeugung E2: Dezentrale Erzeugung, Speicherung und Distribution vor Ort Erneuerbare Energiequellen (EEQ(x)) werden dezentral eingesetzt, um H2 über Umwandlungsprozesse (UP(x)) zu erzeugen und über Speicher (SP(x)) kurz- oder mittelfristig in unterschiedlicher Form zu speichern. Über Distributionssysteme (DS(x)) wird grüner H2 am Ort der Herstellung dem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Beispiele sind H2-Tankstellen für regionale mobile Anwendungen, Abfüllung in spezielle Druckspeicher für regionale H2-Anwendungen, industrielle H2-Speicher für Fahrzeuge in Industrie-Fuhrparks und für die Bereitstellung von H2 für die Industrie, insbesondere die chemische Industrie (beispielsweise für die Materialbehandlung und chemische Industrie). Aus diesen zwei typischen Urformen der dezentralen H2-Erzeugung können unterschiedliche Geschäftsmodelle entwickelt und die einzelnen Bausteine mit ihren jeweiligen Eigenschaften dargestellt werden. Tabelle 41 zeigt mögliche Geschäftsmodelle für die beiden archetypischen Geschäftsmodellstrukturen.

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Tabelle 41:

Archetypische GM für das Geschäftsfeld Erzeugung dezentral

GM Nr.

Beschreibung Geschäftsmodellstruktur

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Archetyp E1: Dezentrale H2-Erzeugung und -Anwendung direkt vor Ort GM E1.1

Dezentrale Herstellung von H2 mit PV-System zur direkten Verwendung von Wärme, Elektrizität und Energiespeicherung

GM E1.2

Dezentrale Herstellung von H2 mit EEQ für Stand-alone-Energiesysteme

GM E1.3

Dezentrale Erzeugung von H2 mit EEQ für mobile Anwendungen vor Ort

Archetyp E2: Dezentrale H2-Erzeugung, -Speicherung und -Distribution vor Ort GM E2.1

Dezentrale Herstellung von H2 mit PV zur Speicherung in Drucktanks zur direkten Verwendung in Mobilitätsanwendungen

GM E2.2

Dezentrale Herstellung von H2 mit PV/Windkraft zur Speicherung von größerem H2Mengen in Drucktanks zur direkten Verwendung in Mobilitätsanwendungen

GM E2.3

Sonderanwendungen wie Abfüllung in Gasflaschen für stationäre regionale Anwendungen

GM E2.4

H2 für Anwendungen in der (chemischen) Industrie (Materialbearbeitung)

Quelle: Eigene Darstellung.

2. Zentrale Erzeugung und Distribution Zentrale Systeme sind Anlagen, die H2 aus erneuerbaren Energiequellen erzeugen und über Distributionsnetzwerke und Kanäle weiterleiten. Die EEQ können dabei in unterschiedlicher Weise eingesetzt werden. Bei Nachfrage nach elektrischer Energie wird EE direkt in das Energieversorgungsnetz eingespeist, um Umwandlungsverluste zu minimieren und möglichst hohe Einnahmen zu erzielen. Ein Überangebot von Energie aus EEQ wird für die Energieumwandlung zur H2-Erzeugung eingesetzt. Dieser H2 kann für eine spätere Verwendung in Drucktanks gespeichert werden oder alternativ direkt zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe wie Methangas oder Flüssigkraftstoffe verwertet werden. Der gespeicherte Wasserstoff kann in Brennstoffzellensystemen in elektrische Energie zurückgewandelt werden, um bei Lastschwankungen das Stromnetz zu stabilisieren. Für die Herstellung synthetischer Treibstoffe mithilfe von H2 wird CO2 aus der Umwelt regeneriert. Synthetisches Gas oder auch H2 können dabei direkt in das Gasversorgungsnetz als alternativer Distributionsweg eingespeist werden. Diese synthetischen Herstellungsvarianten werden in der Literatur als Power-to-X-Anwendungen bezeichnet. Für die Darstellung zentraler archetypischer GM-Strukturen wird die gleiche Systematik wie bei der dezentralen H2-Erzeugung verwendet.

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Beispiele für Anwendungen sind die Wasserstoffherstellung in großen Mengen, die verschiedenen Möglichkeiten der Einspeisung in das Energieversorgungsnetz (Gasnetz, Distribution über mobile Kanäle, Rückspeisung ins Stromnetz, Methanisierung, künstliche Treibstoffe), Speicherung und Tankstellen. Archetyp E3: Zentrale H2-Erzeugung, -Speicherung vor Ort und -Einspeisung ins Versorgungsnetz Wasserstoffherstellung aus EEQ, Speicherung vor Ort und Einspeisung in das örtliche Versorgungsnetz Es werden erneuerbare Energiequellen eingesetzt (EEQ(x), um über Umwandlungsprozesse (UP(x)) grünen H2 in großen Mengen zu erzeugen. Dieser H2 wird lokal gespeichert (SP(x)) und für das Energieversorgungsnetz zur Verfügung gestellt. Die Anlagegröße ist von den Abnahmemengen bestimmt. Als EEQ(x) können Solarenergie- (Photovoltaik), Wind- und Wasserskraftsysteme und ggf. auch Abwärme Systeme oder Hochtemperatursolarsysteme zum Einsatz kommen. Umwandlungsprozesse finden als Elektrolyse oder Reformierung statt. Die Speicherung erfolgt in Drucktanks oder flüssig, die Rückverstromung mithilfe von Brennstoffzellen, Gasmotor und Wärmerückgewinnung. Archetyp E4: Zentrale Erzeugung, Zwischenspeicherung und Distribution Wasserstoffherstellung aus EEQ, Speicherung und Distribution Es werden überschüssige erneuerbare Energiequellen eingesetzt (EEQ(x)), um mit Elektrolyseuren H2 zu erzeugen. Dieser Wasserstoff wird zwischengespeichert und über verschiedene Distributionswege geliefert. Archetyp E5: Zentrale Erzeugung, Zwischenspeicherung und Erzeugung von PtX Wasserstoffherstellung aus EEQ, Speicherung und Umwandlung in Methangas/Flüssigtreibstoff, chemische Ausgangsstoffe Es wird der Energieüberschuss aus erneuerbaren Energiequellen eingesetzt (EEQ(x)), um mit Elektrolyseuren (UP(x)) H2 zu erzeugen. Dieser H2 wird zwischengespeichert und in chemischen Prozessen zur Herstellung von Methan und Flüssigkraftstoff verwendet. Die zentralen archetypischen Geschäftsmodellstrukturen werden in Tabelle 42 aufgezeigt.

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Tabelle 42:

Archetypische Geschäftsmodellstrukturen für das Geschäftsfeld Erzeugung zentral

GM Nr.

Beschreibung Geschäftsmodellstruktur

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Geschäftsmodellstruktur E3: Zentrale Erzeugung, Speicherung vor Ort und Einspeisung GM E3.1

EEQ PV, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/+Wärme

GM E3.2

EEQ Wind, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/+Wärme

GM E3.3

EEQ Hochtemperatur, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/Wärme

GM E3.4

EEQ Biomasse, Reformer zentrale Erzeugung H2, Speicherung Rückverstromung/Wärme

Geschäftsmodellstruktur E4: Zentrale Erzeugung, Speicherung und Distribution GM E4.1

EEQ (verschiedene), zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung, Distribution

Geschäftsmodellstruktur E5: Zentrale Erzeugung, zwischenspeicherung und Erzeugung von PtX GM E5.1

EEQ, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung, Umwandlung Methan

GM E5.1

EEQ, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung, Umwandlung Flüssigkraftstoff

Quelle: Eigene Darstellung.

4.3.3

Geschäftsfeld: Infrastruktur mit grünem Wasserstoff

Im zweiten Geschäftsfeld Infrastruktur geht es um die Speicherung und den Transport (Distribution) von H2 als erneuerbarem Energieträger. Ein wichtiges Bindeglied zwischen Herstellung und Verbraucher sind die Speichertechnologien. Da H2 in beliebigen Mengen hergestellt werden kann, sind die Speichergrößen vom Einsatz und der zur Verfügung stehenden Energiemenge für die H2-Herstellung abhängig. Welche Speichertechnologie verwendet wird, hängt von den unterschiedlichen Anwendungsfällen ab. Im mobilen Sektor sind als Speicher Drucktanks in unterschiedlichen Formen verbreitet. Auch Flüssiggasspeicher können angewendet werden. Bei der Technologiewahl müssen jedoch die sich unterscheidenden Umwandlungswirkungsgrade berücksichtigt werden. Die zukünftig steigende Nachfrage nach H2 als erneuerbarem Energieträger erfordert Innovationen in der H2-Infrastruktur, insbesondere neue Speicherkonzepte und effizientere Transportsysteme. Als Distributionsnetzwerke können bestehende Gasnetze oder mobile Transportmittel eingesetzt werden, um den H2 zu den einzelnen Verbrauchstellen zu befördern. Hier stehen alle Möglichkeiten heutiger Distributionsnetze für fossile Gase zur Verfügung. Durch die für einen effizienten Transport des Energieträgers erforderlichen Innovationen in Technologien und Verfahren entstehen neue Geschäfts-

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

modelle, wie sie unter anderem von Coop in der Schweiz mit speziellen Lkw-Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt werden. Befüll Stationen (Wasserstofftankstellen) können durch H2-Tanklastzüge beliefert oder direkt vor Ort mit lokalen erneuerbaren Energiequellen betrieben werden. Dabei kann der hergestellte H2 in Zwischenspeichern abgelegt werden. Weitere Möglichkeiten zur Nutzung des lokal gespeicherten H2 sind u. a. eigene Brennstoffzellen-Gabelstapler, Brennstoffzellenfahrräder H2-Fahrräder und ebenso die Nutzung von heutigen H2-Gasnetzwerken (Mitteldeutschland, USA) und von zur Verfügung stehenden Salzkavernen als große Gasspeicher (Schmiegel 2019; Stadler 2014) Im Geschäftsfeld Infrastruktur gibt es folgende archetypische Varianten: Archetyp I1: INFRASTRUKTUR, Speicherung grüner H2 H2 wird in Speichern (SP(x)) kurz- und mittelfristig vorgehalten und bei Bedarf verkauft. Beispiele für Anwendungen sind H2-Tankstellen, H2-Gasflaschen und H2-Speicherbehälter. Archetyp I2: INFRASTRUKTUR, Transport grüner H2 H2 wird zwischengespeichert (SP(x)) und bei Bedarf zum Verbraucher transportiert. Beispiele für Transportmittel: Schiene, Straße, Fluss/Meer, flüssig/gasförmig. Die beiden archetypischen Geschäftsmodellstrukturen können in weitere Geschäftsmodelle unterteilt werden (siehe Tabelle 43). Tabelle 43:

Archetypische Geschäftsmodelle für das Geschäftsfeld Infrastruktur

GM Nr.

Beschreibung Geschäftsmodellstruktur

Geschäftsmodellstruktur I1: Speicherung grüner H2 GM I1.1

Kurzfristige/mittelfristige Speicherung von H2 unter Druck

GM I1.2

Langfristige Speicherung, Kavernenspeicher

GM I1.3

Speicherung H2 in flüssiger Form

GM I1.4

Speicherung von H2 unter Druck bis 300 bar

GM I1.5

Speicherung von H2 unter Druck bis 700 bar

Geschäftsmodellstruktur I2: Transport grüner H2 GM I2.1

Transport flüssig (Straße, Wasser, Schienen)

GM I2.2

Transport gasförmig (Straße, Wasser, Schienen)

GM I2.3

Transport über Gasnetze

Quelle: Eigene Darstellung.

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

111

Speichertechnologien sind Flüssiggastanks, Drucktanks, kristalline Speicher und Kavernen. Mit ihnen erfolgt die Distribution des Wasserstoffs zu unterschiedlichen Kundensegmenten. Im Geschäftsfeld Infrastruktur sind es Einzel- und Großhändler von Energielieferanten, die mit Transportfahrzeugen den H2 vom Speicherort zu den Nutzern/Kunden transportieren. Im Depot des Transporteurs kann zusätzlich eine Speicherkapazität vorhanden sein. Des Weiteren kann es für Gasnetzbetreiber und Energieversorger notwendig sein, H2 zu transportieren. Welche Transportmittel dazu verwendet werden, hängt von den Lieferanten ab. 4.3.4

Geschäftsfeld: Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Das dritte Geschäftsfeld Anwendungen besteht aus einer Vielzahl von Applikationen, die heute noch meist in Nischenmärkten zu finden sind. Tabelle 44 zeigt die Systematisierung heutiger und zukünftiger Applikationen mit grünem H2 geordnet nach den heutigen drei Energiesektoren. Zusätzlich wurde noch ein Bereich Dienstleistungen rund um grünem H2 mit aufgenommen. Tabelle 44:

Anwendungen mit grünem H2

Sektoren

H2-Anwendungen

Elektrizität

Stationäre Systeme (MBHKW[?], BHKW, BZ-Systeme, Elektrolyseure, tragbare Systeme (Batterien, Back-up-Systeme), Notstromversorgungen, Generatoren für unterschiedliche Anwendungen (Strom, Licht)

Wärmeversorgung Brennstoffzellenheizgeräte, Gasgeräte Verkehr, Mobilität, Brennstoffzellenfahrzeuge für industrielle Fahrzeuge, Zweiräder, maritime Transport Fahrzeuge, Flugzeuge, Sonderfahrzeuge Bereich Dienstleistungen rund um grünen H2 Dienstleistungen

F&E, Schulungen, Dokumentationen, Vorschriften, Berechnungen, Ausbildungen

Quelle: Eigene Darstellung.

Energiesysteme, die sektorübergreifend Bereiche koppeln, werden als Hybridnetze bezeichnet (Tichler 2014). Sind die Systeme komplett integriert, werden sie als Smart Energy Systems bezeichnet (Lund 2017). Hier gibt es jeweils stationäre und mobile Anwendungen. Wie bereits in Kapitel 1.5 erläutert, wird die Nachfrage nach Wasserstoff als erneuerbarem sekundärem Energieträger stark steigen. Dabei wird zunächst der Schwerpunkt auf mobilen Anwendungen liegen. Industrielle Anwendungen in der Chemie- und Metallindustrie werden wie heute bereits in Prototypen sichtbar dezentral am Ort des

112

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Verbrauches erfolgen. Das einsparpotential von Treibhausgasemissionen ist in diesen Bereichen am höchsten Die Elektro-Fahrzeug- (BEV) und Brennstoffzellen--Fahrzeug-(FCEV-) Technologien bzw. deren hybride Kombinationen werden zukünftig die Mobilitätstechnologie bestimmen. Konventionelle Verbrennungsmotoren werden zukünftig eine geringere Rolle spielen als heute, wie aktuelle Studien zeigen (KPMG 2019, 2018) (KPMG 2019). Viele Regierungen in Europa und in den USA verschärfen gegenüber Verbrennungsmotoren die Emissionsgrenzwerte für den Schadstoff Ausstoß. Es gibt bereits aussagen von europäischen Staaten den Verbrennung Motor komplett zu reglementieren bzw. zu verbannen. Stationäre H2-Anwendungen wie Brennstoffzellenheizgeräte (siehe Kapitel 5) werden heute überwiegend unter Verwendung fossiler Gase betrieben. Der H2-Anteil dieser Gase wird vor Ort in einem Reformierungsprozess chemisch separiert. Dieser Prozess setzt im erheblichen Maße CO2 frei. Diese Emissionen sind aber geringer als die, die bei der Verbrennung fossiler Gase auftreten. Daher kann die Umweltbilanz auch dieser Technologie positiv bewertet werden (siehe Kapitel 3). Große Brennstoffzellensysteme, sogenannte KWK, nutzen je nach Brennstoffzellentyp direkt fossiles Gas (Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Solid Oxid Fuel Cells). Hier ist der gleiche Emissionseffekt wie bei den Brennstoffzellenheizgeräten gegeben. Die Vorteile liegen bei diesen Systemen auf der Hand: Der Energieträger fossiles Gas steht beim Verbraucher durch das Gasversorgungsnetz bereits zur Verfügung. Unter Umweltgesichtspunkten wäre H2 der ideale Treibstoff für die genannten Anwendungen. Hier zielen beispielsweise die PtG-Systeme darauf ab, H2 in zugelassener Menge in die bereits existierenden fossilen Gasnetze einzuspeisen. Eine weitere Alternative für die Betreibung der genannten Systeme wären Biogase, die in Biogasprozessen (Fermenter) hergestellt werden. Für das Geschäftsfeld Anwendungen von grünem H2 sind aus heutiger Sicht die folgenden archetypischen GM-Strukturen denkbar: - Archetyp 1: Mobilitätsanwendungen - Archetyp 2: Stationäre/portable Anwendungen - Archetyp 3: Energiewandler/Elektrolyseure Archetyp 1: Mobilitätsanwendungen Im Mobilitätsbereich können zahlreiche Fahrzeuge den archetypischen GM-Strukturen zugeteilt werden. Die folgende Tabelle 45 zeigt die verschiedenen Mobilitätsanwendungen. Es gibt für grünen H2 prinzipiell je nach Antriebstechnik zwei grundsätzliche Typen von archetypischen GM-Strukturen: mit Verbrennungsantrieb (ICE) oder Brennstoff-

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

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zelle. Zukünftig wird es noch eine weitere Alternative mit einem Hybridantrieb geben, für den ein dritter Archetyp dargestellt wird. Tabelle 45:

Mobilitätsanwendungen

Art

Details

Personenkraftfahrzeuge

Personenkraftfahrzeug, Klein/Mittelklasse/Oberklasse

Lastkraftwagen

Schwertransporte, Leichttransporte, kommerzielle Fahrzeuge

Massentransportmittel

Busse, Eisenbahn

Zweiräder

Fahrräder, Motorräder, Roller

Maritime Fahrzeuge

Fähren, Boote, Schiffe in allen Variationen

Industrielle Fahrzeuge

Gabelstapler, Transportfahrzeuge, Zugfahrzeuge

Flugzeuge

Private, kommerzielle militärische Fugzeuge, Drohnen

Quelle: Eigene Darstellung.

Archetyp M1: mobile Anwendung, BZ-Antriebe mit Druckspeicher Über einen Fahrzeugspeicher (SP(x)) wird ein Energiewandler (EW(x)) mit grünem H 2 versorgt. Dieser wandelt die im H2 vorhandene Energie in elektrische Energie um, um das E-Fahrzeug zu betreiben. Beispiele für Anwendungen sind: Brennstoffzellenfahrzeuge, kommerzielle Fahrzeuge, Schwerlastkraftwagen, Transportfahrzeuge aller Art, Fahrräder, Motorräder, Busse des öffentlichen Nahverkehrs (ÖNV), Schienenverkehr. Archetyp M2: mobile Anwendung, Antriebe Verbrennungsmotor mit H2-Speicher Über einen Fahrzeugspeicher (SP(x)) wird ein Energiewandler (EW(x)) mit grünem H 2 versorgt. Dieser wandelt die Energie des H2 durch eine thermische Reaktion (Verbrennungsvorgang) in mechanische (Bewegung) Energie, um das Fahrzeug zu bewegen. Beispiele bzw. Anwendungen sind: Personenfahrzeuge, kommerzielle Fahrzeuge, Schwerlastkraftwagen, Transportfahrzeuge aller Art, ÖNV-Busse, Schienenverkehr. Archetyp M3: mobile Anwendung, Brennstoffzellen Antriebe mit H2-Speicher und Batteriespeicher Über einen Fahrzeugspeicher (SP(x)) wird ein Energiewandler (EW(x)) mit grünem H 2 versorgt. Zusätzlich wird ein Speicher (SP(x)) für Elektrizität in den Antriebsstrang integriert. Dieser Speicher dient als Bindeglied zwischen BZ- und E-Motoren und gleicht Schwankungen und Fahrdynamik aus. Durch die höhere Reichweite lässt sich die Anforderungen an die Energieinfrastruktur verringern, da ein Wasserstoff oder Batteriebetrieb möglich ist.

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Beispiele für Anwendungen sind Fahrzeuge, kommerzielle Fahrzeuge, Schwerlastkraftwagen, Transportfahrzeuge aller Art, ÖNV-Busse, Schienenverkehr, Maritime Fahrzeuge, Industrielle Fahrzeuge. Aus diesen archetypischen Geschäftsmodell-Formen des Sektors Mobilität können unterschiedliche GM-Strukturen entwickelt werden (siehe Tabelle 46). Tabelle 46:

Archetypische Mobilitäts-Geschäftsmodelle

GM Nr.

Beschreibung

Archetyp M1: BZ-Fahrzeuge mit Druckspeicher GM M1.1

BZ-Fahrzeuge

GM M1.2

BZ-Fahrzeuge kommerzielle Fahrzeuge

GM M1.3

BZ-Fahrzeuge Schwerlastwagen

GM M1.4

BZ-Fahrzeuge ÖNV (Busse)

GM M1.5

BZ-Fahrzeuge Schienenverkehr

GM M1.6

BZ-Fahrzeuge Maritime

Archetyp M2: Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und Speicher GM M2.1

ICE-Fahrzeuge

GM M2.2

ICE-Fahrzeuge kommerzielle Fahrzeuge

GM M2.3

ICE-Fahrzeuge Schwerlastwagen

GM M2.4

ICE-Fahrzeuge ÖNV

GM M2.5

ICE-Schienenfahrzeuge

GM M2.6

ICE-Maritime Fahrzeuge

Archetyp M3: Fahrzeuge mit Brennstoffzelle, Druckspeicher und Batterie (Hybridsystem) GM M3.1

BZ-Fahrzeuge bis 3,5 Tonnen (private Nutzer)

GM M3.2

BZ-Fahrzeuge kommerzielle Fahrzeuge

GM M3.3

BZ-Fahrzeuge Schwerlastwagen

GM M3.4

BZ-Fahrzeuge ÖNV

Quelle: Eigene Darstellung.

Archetyp 2: Stationäre/portable Anwendungen Für den stationären und portablen Bereich gibt es die unterschiedlichsten Anwendungen, wie die folgende Tabelle 47 zeigt. Für die Einteilung in Archetypen werden drei Typen gewählt: Typ 1 sind stationäre Anwendungen mit Brennstoffzellen und Typ 2 sind stationäre Anwendungen mit Elektrolyseuren. Typ 3 sind portable Anwendungen.

Archetypische Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Tabelle 47:

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Stationäre Anwendung

Stationäre und portable Anwendungen

Private/kommerzielle Anwendungen

Brennstoffzellen-Heizgeräte

P/K

KWK-Systeme

P/K

Gasmotoren

P/K

Energieautarke Systeme mit BZ/Elektrolyseur

P/K

Gasheizgeräte

P/K

Elektrolyseur für PtX

P/K

Notstromversorgung

P/K

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

P/K

Back-up-Systeme

K

Generatoren

P/K

Reformer

P/K

Tragbare Stromerzeugungen Netzgeräte Power Supplies

P/K/M P/K

Quelle: Eigene Darstellung.

Archetyp A1: stationäre Anwendung, Brennstoffzelle mit H2-Wärme und -Strom oder in nur einer Energieform Über einen Speicher (SP(x)) wird ein Energiewandler (EW(x)) mit grünem H 2 versorgt. Dieser wandelt die Energie zur Versorgung der Verbraucher in elektrische und/oder Wärmeenergie um. Ob als Ergebnis der Umwandlung Elektrizität, Wärme oder beides zur Verfügung gestellt wird, hängt von dem Energienutzer ab. Beispiele für Anwendungen sind BZ-Heizgeräte, KWK-Systeme, Notstromversorgungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Archetyp A2: stationäre Anwendung, Elektrolyseure, Erzeugung von grünem Strom für PtX-Anwendungen Es werden (überschüssige) erneuerbare Energiequellen eingesetzt (EEQ(x)), um über Elektrolyseure UP(x) H2 zu erzeugen. Dieser H2 wird zwischengespeichert, um in chemischen Prozessen Methan und Flüssigkraftstoff herzustellen.

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Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

Archetyp A3: stationäre Anwendung, portable Anwendungen mit grünem H2 Über einen Speicher (SP(x)) wird ein Energiewandler (EW(x)) mit grünem H2 versorgt. Dieser wandelt die Energie in elektrische/Wärmeenergie zur Versorgung der Verbraucher um. Beispiele für Anwendungen sind portable Notstromversorgungen, portable Notleuchten und portable unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Aus diesen archetypischen Formen können unterschiedliche GM-Strukturen mit spezifisch ausgeprägten Bausteinen entwickelt werden (Tabelle 48) Tabelle 48:

Archetypische Mobilitäts-Geschäftsmodelle – Anwendungen

GM Nr.

Beschreibung

Archetyp A1: Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle und grünem H2 zur Energieumwandlung in Strom und Wärme oder nur eine Energieform GM A1.1

Brennstoffzellenheizgerät mit Speicher für Wärme-/Strom-Umwandlung < 15 kW

GM A1.2

Notstromversorgung BZ mit Speicher zur Stromerzeugung

GM A1.3

KWK mit BZ-Speicher für Wärme/Strom > 10 kW

GM A1.4

Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Speicher, BZ, elektrische Energie

Archetyp A2: Stationäre Anwendungen mit Elektrolyseuren zur Erzeugung von grünem Strom für PtX-Anwendungen GM A2.1

EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung und Distribution in das Gasnetz

GM A2.2

EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, Methanisierung, Gasnetz

GM A2.3

EEQ mit Elektrolyseur H2-Erzeugung, CO2 und Flüssigtreibstoff

Archetyp A3: Portable Anwendungen mit grünem H2 GM A3.1

Notleuchte BZ, Speicher Batterie, portable Beleuchtung CO2 -neutral

GM A3.2

Portables Netzteil, H2-Speicher, BZ, Stromversorgung DC/AC

Quelle: Eigene Darstellung.

4.4

Zusammenfassung

4.4.1

Grundsätzliches zu Archetypische Geschäftsmodelle

In den drei Geschäftsfeldern Erzeugung von grünem H2, Infrastruktur und Anwendungen kann eine Vielzahl von GM-Variationen auftreten. Durch technologische Innovationen in diesen unterschiedlichen Bereichen werden diese Variationsmöglichkeiten zukünftig zunehmen und weiterentwickelt werden. Die archetypischen Strukturen für die drei Geschäftsfelder sind heute noch relativ überschaubar. Tabelle 49 zeigt die möglichen

Zusammenfassung

117

archetypischen GM-Strukturen (Stand heute) auf. Dargestellt sind diese nach den drei Geschäftsfeldern, wobei das Geschäftsfeld Anwendungen wiederum in mobil und stationär unterschieden wird. Tabelle 49:

Archetypische Geschäftsmodelle für alle drei Geschäftsfelder

Geschäftsfeld (1) Erzeugung

(2) Infrastruktur (3) Anwendungen mobil

(3) Anwendungen stationär

Variante Archetypen E1

Dezentrale H2-Erzeugung und Verwendung direkt vor Ort

E2

Dezentrale H2-Erzeugung, Speicherung und Distribution vor Ort

E3

Zentrale H2-Erzeugung, Speicherung vor Ort und Einspeisung ins Versorgungsnetz

E4

Zentrale Erzeugung, Zwischenspeicherung und Distribution

E5

Zentrale Erzeugung, Zwischenspeicherung und Erzeugung von PtX

I1

Speicherung grüner H2

I2

Transport grüner H2

M1

BZ-Fahrzeuge mit Druckspeicher

M2

Fahrzeuge mit H2-Verbrennungsmotor und Speicher

M3

Fahrzeuge mit BZ, Druckspeicher und Batterie (Hybridsystem)

A1

Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle und grünem H2 zur Energieumwandlung in Wärme und Strom oder nur eine Energieform

A2

Stationäre Anwendungen mit Elektrolyseuren zur Erzeugung von grünem Strom für PtX-Anwendungen

A3

Portable Anwendungen mit grünem H2

Quelle: Eigene Darstellung.

Die Hauptakteure für die grüne Erzeugung von H2 sind zukünftig gasproduzierende Unternehmen wie Fa. Linde und AirLiquid, regionale und überregionale Energieversorger, Systemlieferanten sowie Unternehmungen und Privatpersonen, die einen hohen energetischen Autonomiegrad erreichen möchten. Vorstellbar ist zukünftig auch, dass Kommunen und Behörden alternative H2-basierte Energiekonzepte für ihre Liegenschaften anbieten werden. Weitere Beispiele sind regionale/urbane Fahrzeugflotten, Fahrzeugvermietungen, Taxis, Fahrräder und kleine Transportfahrzeuge für den Lieferservice (beispielsweise E-Scooter, die zukünftig mit Brennstoffzellenantrieb ausgestattet werden sollen). 4.4.2

Geschäftsmodell Bausteine zu archetypischen Geschäftsmodelle

Die neun im Geschäftsmodell-Canvas von Osterwalder und Pigneur (vgl. Kapitel 2.6) definierten Bausteine werden im Folgenden hinsichtlich ihrer Ausgestaltung in den oben identifizierten Geschäftsmodell-Archetypen diskutiert.

118

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

1. Kundensegment Die möglichen Kundensegmente für grünen H2 sind ubiquitär. Die Kundensegmente sind private Haushalte, öffentliche Haushalte, Kommunen, Gewerbe/Handel und Industrie, die unabhängig voneinander bedient werden können. Die unterschiedlichen Kundensegmenten können dabei Wasserstoff als grüner Energieträger Es besteht auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Kundensegmente grünen H2 weiterveräußern können. 2. Nutzenversprechen Das Nutzenversprechen (Value Proposition) von H2 als grünem Energieträger umfasst für den Kunden die Verfügbarkeit von H2 zu jedem Zeitpunkt, den ungefährlichen Umgang mit dem Energieträger, die ressourcenschonende Herstellung, die emissionsfreie Energieumwandlung, einen konkurrenzfähigen Energiepreis, eine hohe Effizienz der Energieumwandlung, intelligente Steuerungs-/Regelungstechnik einschließlich SmartGrid-fähigen Systemen, Kommunikationsschnittstellen zu Big-Data-Applikationen, eine einfache Handhabung, optimale Ausnutzung von EEQ und deren Kombination, Energieautarkie, Skalierung von Energiemengen (1 kWh bis MWh, keine Obergrenze), verlässliche und konstante Versorgung mit H2 (24 h/7 Tage), hohe Lebensdauer der Anlagen, geringer Wartungsaufwand, regionale Herstellung, Dienstleistungen rund um H 2-Erzeugung (Wissenschaft und Forschung, Planung, Installation und Betrieb aus einer Hand). Oft kann das Angebot um Bündelprodukte aus verschiedenen Aktivitäten der H2-Erzeugung erweitert werden, um ein Cross-Selling zu unterstützen. Im Vordergrund des Nutzenversprechens stehen Umwelt, Ressourcenschonung, Verfügbarkeit, Effizienz, Kosten und Qualitätsattribute. 3. Kundenbeziehungen Vor dem Hintergrund der unterschiedlichen zu bedienenden Kundensegmente sind verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten der Kundenbeziehung möglich und notwendig. Für gewerbliche und industrielle Kunden liegt das Hauptaugenmerk auf längerfristigen Verbindungen und Zusammenarbeit. Durch Dienstleistungsvereinbarungen können gewerbliche und industrielle Kunden längerfristig gebunden werden. Hier sind Wartungsverträge, kontinuierliche Schulungen und Informationsangebote für die Beziehungen von Bedeutung. Für das Kundensegment der Abnehmer von integralen kompletten Systemen sind die Kundenbeziehungen ähnlich strukturiert wie für das Segment Industrie/Gewerbe. Diese sind auf Kontinuität und längerfristige Zusammenarbeit ausgelegt. Diese Kontinuität kann mit Liefer- und Leistungsverträgen gewährleistet werden. Dienstleistung und Beratung sind wichtige Bestandteile dieser Kundenbeziehungen. Für das Nutzenversprechen werden Themen wie Klimawandel, Umweltrisiken, Ressourcenschonung, Verfüg-

Zusammenfassung

119

barkeit, Wartungsfreundlichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit in den Vordergrund gestellt. 4. Kanäle Um den einzelnen Kundensegmenten die besonderen Nutzenversprechen für Anwendungen mit grünen H2 zu kommunizieren, können verschiedene Kanäle verwendet werden. Welche Kanäle ausgewählt werden, hängt von den Kundensegmenten und der Verbrauchsmenge von grünem H2 ab. Gasproduzierende Unternehmen können die bereits bestehenden Kanäle verwenden. Diese können direkte wie auch indirekte bzw. lokale und regionale Kanäle sein, z. B. spezielle Events, regionale, nationale, internationale Messen, soziale Medien, eigene Internet Seite, Fachzeitschriften, Vereine, Verbände, Kooperationspartner und Absatzmittler (z. B. das Handwerk) und viele mehr. Wichtig ist, dass diese Vertriebskanäle zum Nutzenversprechen mit grünem H2 passen, dass mit ihnen also Nachhaltigkeit, Sicherheit, Umweltschonung und der lokale Bezug der Erzeugung assoziiert ist. Dabei ist aus Unternehmerischer Sicht das Kosten Nutzen Verhältnis dieser unterschiedlichen Kanäle zu beachten. 5. Schlüsselaktivitäten Zu den Schlüsselaktivitäten für die Erzeugung von grünem H 2 gehört es sicher und zuverlässig die notwendigen Tätigkeiten auszuführen: die Ziele und Strategie des Unternehmens korrekt anzupassen, grünen H2 bereitstellen und speichern und notwendige Erzeugungsanlagen für grünen H2 planen, bauen, finanzieren und betreiben, den grünen H2 als Produkt und die an ihn anknüpfenden Dienstleistungen kundengerecht weiterentwickeln und zur Verfügung stellen, Beziehungen und Kooperationen zu und mit Kunden und Marktpartnern ausbauen. 6. Schlüsselressourcen Die Schlüsselressourcen beinhalten die Prozessanlagen zur Herstellung von grünem H2, weitere Betriebsmittel, finanzielle Mittel, strategischen Partnerschaften, Personal, Marktpartnerbeziehungen (Kooperationen, Joint Ventures, Beteiligungen), Kernkompetenzen in Form von Lizenzen, Markenrechten, Wissen, nicht imitierbaren Verfahren, Prozessen die Unternehmensmarke.

120

Analyse archetypischer Geschäftsmodelle für grünen Wasserstoff

7. Schlüsselpartnerschaften Die wesentlichen Schlüsselpartnerschaften bestehen in den folgenden Bereichen: Erzeugung: Schlüssellieferanten für EEQ wie PV/Windkraft, Elektrolyseure, Steuerung/Regelungstechnik, Speicher, Gemeinschaftserzeugung aus EEQ und H 2-Wandlung Netz, Erzeugung, Vertrieb: vor- und nachgelagerte Netzbetreiber, Vertrieb: Partner für die notwendige Umsetzungen und Aktivitäten mit grünem H2 die nicht zum Kerngeschäft gehören. Dies können z.B. Installateure und Handwerker, IT Service und Telefonauskunft, Verbände, Politik und Verwaltung regional und überregional. 8. Einnahmequellen Die Einnahmequellen sind abhängig von den konkret gebotenen Leistungen. Grüner H2 kann über EEQ erzeugt und lokal direkt für Energieumwandlungsprozesse oder produktionstechnische/chemische Prozesse verwendet werden. Je nach Kundensegment gibt es eine Vielzahl von Gestaltungsspielräumen für die Generierung der Einkünfte. Diese Möglichkeiten können GM-Strukturen auch für frühzeitige Anwender im Bereich der Produktion auch dann interessant machen, wenn die Nachfrage und dementsprechend die Stückzahlen der Anlagenkomponenten noch gering und die Investitionskosten relativ hoch sind. Hier sind Einkünfte aus dem Verkauf von H2 entweder als Energiequelle (bemessen nach kWh) oder der Menge (z. B. m³) zu erzielen. Anlagen für die H2-Erzeugung können auch über Leasing- oder Vermietungsgebühren Einkünfte erwirtschaften. Die Preisgestaltung kann in Abhängigkeit von vorher definierten Parametern (Energiemengen, Materialmengen, Laufzeiten etc.) unter Zugrundelegung der Verwendung und ggf. des zeitlichen Einsatzes variabel oder fix bzw. als Kombination aus beiden erfolgen. Energie: Energiedienstleistungen: Beratung: 9. Kostenstruktur Die Kostenstruktur für die Erzeugung von grünem H2 ist aufgrund der hohen Kapitalintensität durch hohe Fixkosten geprägt. Je nach Kundensegment bestehen unterschiedliche Kostenstrukturen. Ein großer Gaslieferant, der H2 als ein Produkt im Portfolio hat, wird andere Kostenstrukturen als ein privater Haushalt aufweisen, der H 2 für die Deckung seines eigenen Energiebedarfs benötigt. Hier ist eine Vielzahl von Kostenstrukturen denkbar, die individuell analysiert und bewertet werden müssen. Wird zusätzlich Energie aus EEQ eingekauft, muss diese gesondert berücksichtigt werden (Standort, Gestehungskosten etc.).

Zusammenfassung

4.4.3

121

Zwischenresümee: archetypische Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

In diesem Kapitel wurde zunächst die Frage beantwortet wie der Markt und die Marktteilnehmer mit grünem Wasserstoff aussehen. Aus dieser Analyse wurde mit Hilfe der Theorie von Geschäftsfelder, Archetypische Strukturen abgeleitet. Die drei Geschäftsfeldbereiche Herstellung, Infrastruktur und Anwendungen wurden mit Hilfe von fünf Prozessen archetypische Geschäftsmodelle definiert. Dies Prozesse sind EEQ, Umwandlungs-, Speicher-, Energiewandler- und Distributionsprozesse. Mit Hilfe dieser fünf Prozesse und den technischen Anwendungsbeispielen können die unterschiedlichsten Geschäftsmodellvariationen entwickelt und abgeleitet werden. Für die drei Geschäftsfeldbereiche gibt es je Geschäftsfeld unterschiedliche Archetype Geschäftsmodellstrukturen. Diese sind wiederum je nach Prozess Techniken in Geschäftsmodelle unterteilt. Auf Basis der archetypischen Strukturen wurden weitere Unterteilungen von Geschäftsmodellen vorgenommen. Für jedes der aufgezeigten Geschäftsfelder und die identifizierten archetypischen GM-Strukturen besteht eine Vielzahl von konkreten Ausprägungen der unterschiedlichen Geschäftsmodell-Bausteine nach Osterwalder und Pigneur. Diese Eigenschaften werden in den Kapiteln 5-7 genauer untersucht und dargestellt.

5

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

5.1

Hintergrund zu stationären/portablen Anwendungen

Es gibt eine Vielzahl von H2-Energiewandlern für stationäre und portable Anwendungen auf dem Markt. Unter einem stationären System werden Systeme verstanden, die fest an einen Ort gebunden sind. Daneben gibt es portable Systeme, die mithilfe von Fahrzeugen an unterschiedliche Orte transportiert werden können. Im Betrieb haben portable Systeme ähnlich Eigenschaften wie stationäre Systeme. Stationäre und portable Systeme können sich in ihrer physikalischen Größe, ihrer Leistungsaufnahme und -Abgabe (jeweils W bis MW), ihrem elektrischen oder thermischen Umwandlungswirkungsgrad und ihrer ausgangsseitigen Energieform (Wärme und/oder elektrische Energie) unterscheiden. In diesem Kapitel werden Untersuchungen über stationäre Systeme mit grünem H2 als erneuerbarem Energieträger und ihre Hauptmerkmale beim Einsatz und Betrieb dargestellt. Das Augenmerk wird auf den Kundennutzen gerichtet und mögliche Risiken und Unwägbarkeiten von Anwendungen mit grünem H2 als Treibstoff aufgezeigt. Die Systematisierung erfolgt in Tabelle 50 für private und kommerzielle Nutzer. Des Weiteren werden in der Tabelle die Leistungs- und Energieformen und Antriebsformen dargestellt. Die bereits in Kapitel 4 erarbeiteten Grundzüge von Geschäftsmodellen auf Basis von grünem H2 werden verfeinert. Tabelle 50:

Stationäre und portable Anwendungen

Stationäre und portable Anwendungen Brennstoffzellen Heizgeräte Elektrolyseur für P to X Notstromversorgung USV Unterbrechungsfreie Stromversorgung KWK-Systeme Gasmotoren Back-up-Systeme Generatoren Energieautarke Systeme mit BZ/Elektrolyseur Gasheizgeräte Reformer (Erdgas zu H2) Tragbare Stromerzeugungen Stromversorgung Netzteile

Privat / kommerziell Leistungsbereich Energieform Antriebsform P/K 1–20 kW E/W CH4/H2 P/K kW – MW H2 E P/K W – MW E CH4/H2 P/K W – MW E CH4/H2 P/K P/K K P/K P/K

kW – MW kW – MW kW – MW kW – MW kW – MW

E, ggf. W E/W E E E/W/K

CH4/H2 CH4/H2 CH4/H2 CH4/H2 CH4/H2

P/K P/K P/K P/K

kW – MW kW – MW W – kW W

W H2 E E

CH4/H2 CH4 H2/CH4 H2

Legende: P = Privat, K = Kommerziell, E = Elektrizität, W = Wärme, CH4 = Erdgas, H2 = Wasserstoff

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (NOW 2018; Rosen 2016; Schwarzer 2017; Shaikh 2019; Specht 2017; Staiger und Tanţău 2018a; Töpler und Lehmann 2017)

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_5

124

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Grundsätzlich sind alle Anwendungen auch für beide Nutzergruppen möglich. Die Leistungsbereiche liegen für die unterschiedlichen Anwendungen im Watt- bis Megawattbereich. Die Energieformen, die in den Anwendungsprozessen gewandelt werden können, sind thermische und elektrische Energie bzw. H2 als Energieträger bei ElektrolyseSystemen. Als Antriebsenergie kommen elektrischer Strom und Energie aus fossilem und Biogas oder grünem H2 infrage. In diesem Kapitel werden speziell die KWK-Anlagen, hybride Systeme und bestimmte Technologien in Nischenmärkten betrachtet, die mit grünem H2 betrieben werden können. Die Elektrolyseure für die H2-Erzeugung wurden bereits in Kapitel 3.3 besprochen. Große leistungsstarke stationäre Systeme für Power-to-X-Anwendungen werden in Kapitel 5 detailliert betrachtet. H2 kann für die Energieumwandlung in konventionellen Verbrennungsmotoren (ICE) oder in galvanischen Zellen eingesetzt werden. Galvanische Zellen werden als Brennstoffzellen bezeichnet (DWV 2017; Töpler und Lehmann 2017; Dicks 2018; Lipman und Weber 2018; O'Hayre 2016). Wie bereits in Kapitel 1.4.2 erläutert, werden bei der chemischen Verbrennung von H2 in Wärmekraftmaschinen nur Wasser und NO x emittiert. In Brennstoffzellen fallen durch die sogenannte „kalte Verbrennung“ keine Abgase in Form von umweltschädlichen Gasen und Partikeln an. Außer Wasserdampf werden keine Emissionen freigesetzt. Aufgrund der technischen Entwicklungen in der Brennstoffzellentechnik, speziell in der Haltbarkeit und im Materialeinsatz, stehen diese Energiewandler heute marktreif, in unterschiedlichen Leistungsklassen, Typenvielfalt und in hoher Stückzahl zur Verfügung. Beispiele für Anwendungsgebiete sind Brennstoffzellenheizgeräte, die speziell in Japan in großer Stückzahl gefertigt werden, Notstromversorgungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und vermehrt größere Kraft-WärmeKopplungs-Anlagen für große Gebäudekomplexe, meist für industrielle und Verwaltungsgebäude. Die Marktnachfrage nach den hocheffizienten Brennstoffzellen in unterschiedlichsten Typen, Ausführungen und Leistungen steigt stark. Hier werden Wachstumsraten von über 10 % pro Jahr prognostiziert. Das Marktpotenzial wird in nächsten zehn Jahren auf weltweit über 100 Milliarden € geschätzt. Für die H2-Erzeugung wird ein sogenannter Elektrolyseur eingesetzt. Diese Systeme wurden in den letzten Jahren durch neue technologische Verfahren und Materialien effizienter und kostengünstiger. Aktuell werden Umwandlungswirkungsgrade von über 75% erreicht (siehe Kapitel 3.2). Wirkungsgrade von knapp 85 % sind technisch möglich. Brennstoffzellen als alternativer Energiewandler zur Wandlung in elektrische Energie und Wärme wurden bereits vor über 170 Jahren von W. Grove und C. F. Schönbein erfunden (O'Hayre 2016) . In der gleichen Zeit wurden auch der Verbrennungsmotor in Form einer Dampfwärmemaschine erfunden. Jedoch waren zu dieser Zeit weder das technologische Wissen vorhanden, um Brennstoffzellen als Alternative zur Dampfma-

Hintergrund zu stationären/portablen Anwendungen

125

schine zu entwickeln, noch waren die für Brennstoffzellen benötigten Materialien verfügbar. Dagegen waren die neuen Dampfmaschinen und vor allem fossile Brennstoffe (Kohle) zu dieser Zeit einfach und günstig zu bekommen. In den 1960er Jahren wurden, hervorgerufen durch das Weltraumprogramm der NASA, Brennstoffzellen weiterentwickelt, um Wasser und Energie mit Hilfe von Solarenergie im All zu generieren. Im Zuge der ersten Energiekrise in den 70er Jahren und der darauffolgenden Energiekrisen wurden weitere Anstrengungen unternommen, Brennstoffzellen als alternativen hocheffizienten Energiewandler zu etablieren (Bini et al. 2016; Campbell 2005). Heute besteht auf dem Markt eine große Bandbreite verschiedener Brennstoffzelltypen und Anwendungen (O'Hayre 2016; DWV 2017; Staiger und Tanţău 2017a, 2018b; Töpler und Lehmann 2017) Je nach Art der Brennstoffzelle variieren der elektrische Wirkungsgrad, die Größe der Brennstoffzelle, die Betriebstemperaturabgabe, die Anwendungsmöglichkeiten und die notwendigen Brennstoffqualität. Dies wird in der folgenden Tabelle 51 dargestellt. Tabelle 51:

Brennstoffzellentypen

Type AFC Alkaline FC

Elekt. Brennstof Betriebs- Wirkungsgrad Energiedicht % f temperatur e W/cm² Anwendungen H2

PEFC CH3OH Proton Exchange Methanol

60–80 °C

60 %

80 °C

40–50 %

Raumfahrt. Militär (U Boote) Netzteile, Fahrzeuge, Buss, LKW, Züge, BHKW, USV,

DMFC Direct Methanol

H2

80–100°C

40–50 %

0,6 W/m²

Entwicklungsphase, Netzteile, kleine Stromversorgungen, mobile Anwendungen

PAFC Phosphoric Acid

H2

200°C

40–45 %

0,2 W/m²

BHKW, Power Generators > MW

MCFC Molten Carbonate FC

H2 (CH4) Biogas

650°C

55–60 %

0,1 W/m²

BHKW, Power Generators > MW

SOFC Solid FC

H2 (CH4) 800–1000°C

60 %

0,4 W/m²

Brennstoffzellenheizungen, Power Generators

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Töpler und Lehmann 2017; Shell 2017; NOW 2018; Reich 2018)

Für Heizgeräte und mobile Anwendungen ist der häufigste Brennstoffzellentyp die Proton-Membran-Brennstoffzelle. Für größere Leistungen (MW-Bereich) kommen die MCFC- und PAFC-Zellen in Betracht. Brennstoffzellen sind hocheffiziente Energiewandler, die H2 direkt in Strom und Wärme umwandeln. Über die chemische Reaktion von H2 und O2, die als kalter Verbren-

126

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

nungsprozess bezeichnet wird, wird chemische Energie in Elektrizität und thermische Energie umgewandelt (Töpler und Lehmann 2017; Staiger und Tanţău 2019b). Als Emissionen der Brennstoffzelle bleibt nur reines Wasser bzw. Wasserdampf (H2O) übrig. Der max. Wirkungsgrad von Brennstoffzellen wird berechnet nach (O'Hayre 2016): ηBZ max =

produzierte Energiemenge ∆H

ηBZ max. = ൬1-

T*∆S ൰ ×100 % ∆H

ηBZ =ηsyst ηFmax ηElec.max

(26)

(27)

(28)

H = Reaktion Enthalpie, T = Zelltemperatur, S = Reaktion Entropie

Der gesamte Wirkungsgrad liegt bei heutigen Brennstoffzellen bei ca. 80–95 %, abhängig von der Art der Brennstoffzelle, der Ausnutzung von elektrischer und thermischer Energie und der Berechnungsmethode vom Heizwert Hi bzw. Brennwert Hs des Wasserstoffes (Olander 2007; Kulacki 2018; Engel und Reid 2019). Die aktuellste Brennstoffzelle im neuen Hyundai-NEXO--Brennstoffzellenfahrzeug beispielsweise liegt im elektrischen Wirkungsgrad bei 60 %. Der Wirkungsgrad heutiger fossiler Energieträger wie Kohle und Kernkraft liegen bei unter 40 % (vgl. Kapitel 1.4.1 und 3.2.1). Der Wirkungsgrad eines modernen Verbrennungsmotors liegt bei unter 20 % (siehe Kapitel 5). Eine Brennstoffzelle ist im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor um mehr als 50% effizienter. Das Funktionsprinzip einer Standard-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) zeigt Abbildung 30.

Hintergrund zu stationären/portablen Anwendungen

127

Abbildung 30: PEMFC – chemische Reaktion Quelle: h-tec Wasserstoff Energie Systeme

Die chemische Reaktion einer PEMFC kann durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden: 2H2 (gas) + O2 (gas) = → 2H2O (liquid) + Elektrizität + Wärme

Vergleicht man eine Brennstoffzelle mit einem fossil betriebenen Energiewandler (Ölkessel, BHKW), so werden keine umweltrelevanten Emissionen ausgestoßen. Falls grüner Wasserstoff verwendet wird ist diese Technologie CO2 neutral und somit ein idealer Baustein für eine CO2 nachhaltige Energieversorgung. Der Markt für Brennstoffzellen wächst seit einigen Jahren stetig. Die ausgelieferte Gesamtleistung von Brennstoffzellen lag 2018 bei über 800 MW (Hart 2018). Abbildung 31 zeigt die Menge der ausgelieferten BZ-Systeme nach Anwendungsgebiet.

128

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

1.000 Einheiten

Brennstoffzellen Anwendungen 80 70 60 50 40 30 20 10 0

5

4 3

8

20 48

58

56

52

40

2014

2015

2016 Jahr Transport

11

10

7

5

2

2017

2018

Stationär

Portabel

Abbildung 31: Marktentwicklung: Stückzahlen von Brennstoffzellen Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Hart 2018)

80 % der ausgelieferten Brennstoffzellensysteme werden für stationäre Anwendungen gefertigt. Die Kapazität der gelieferten stationären Brennstoffzellensysteme beträgt ca. 60 %. Stationäre Brennstoffzellen sind dabei als wichtiger Treiber der globalen Marktentwicklung für Brennstoffzellentechnik zu sehen. Abbildung 32 zeigt je nach Anwendungen die gesamte Leistung von Brennstoffzellen der letzten 4 Jahre die ausgeliefert wurden.

Leistung Brennstoffzellen Anwendungen 1000 6

Megawatt

800 3 400 200

190

4

600

190

180 8 180

4 180

90

20

0 2014

580

420 300

2015

2016 Jahr Transport

2017 Stationär

Abbildung 32: Marktentwicklung: Leistung nach Anwendungen von Brennstoffzellen Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Hart 2018)

2018 Portabel

Hintergrund zu stationären/portablen Anwendungen

129

1.000 Einheiten

Brennstoffzellen Typen 70 60 50 40 30 20 10 0 2014

2015 PEMFC

2016 Jahr DMFC

2017 PAFC

SOFC

2018 MCFC

AFC

Abbildung 33: Marktentwicklung: Brennstoffzellen Typen Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Hart 2018)

Der weltweite Markt für Brennstoffzellen wurde im Jahr 2015 auf 3,21 Milliarden USDollar geschätzt. Staatliche Förderung, die Senkung der Emissionsraten und die Nutzung heimischer Energiequellen wie Erdgas sind nur einige der Faktoren, die sich positiv auf die Nachfrage nach H2 in den kommenden Jahren auswirken. Im Telekommunikationstechnik Bereich liegt das Potential weltweit bei über 4.5 Mio. Basisstationen mit Brennstoffzellen. Das jährliche Wachstum wird bei über 10%/a geschätzt [Clean Power Net 2015]. Heutige konventionelle Heizungsanlagen können durch Brennstoffzellensysteme die Wärme und Elektrizität generieren ersetzt werden. Durch den Strombezug aus der Brennstoffzelle wird der Strombezug aus dem Stromnetz zusätzlich minimiert. Als Energieträger wird dabei aktuell Erdgas (fossiler Energieträger) verwendet. Dieses Erdgas kann langfristig gesehen ohne den technischen Reformerprozesse in den heutigen Anlagen zukünftig mit H2 versorgt werden. Der Nationale Entwicklungsplan definiert für diesen Einsatzbereich einen typischen Leistungsbereich der Brennstoffzellensysteme zwischen 1 und 5 kW elektrisch. Heutige Brennstoffzellenheizungen so wie Sie Japan in großen Stückzahlen angeboten sind, werden mit Erdgas betrieben. Seit der Markt Einführung Ende 2016 gibt es in Deutschland über die KfW ein spezielles Förderprogramm. Die Förderhöhe hängt von der elektrischen Abgabeleistung ab und ist auf max. 12.000 € pro Heizgerät begrenzt. Dezentrale Stromversorgungen für Gewerbe- und Industriebetriebe wird zukünftig ein stark wachsender Markt sein. Das Marktpotential wird auf eine Leistung von 1 GW pro Jahr geschätzt. Diese Stromversorgungssysteme können beim Einsatz von Wärme/Kälte und Strom Gesamtwirkungsgrade von 90% erreichen. Weitere Möglichkeiten sind für die Stromversorgung in Netzferne Gebiete. Hier können die Brennstoff-

130

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

zellen Anlagen die eingesetzten Dieselgeneratoren ablösen, mit unterschiedlichen Effekten, wie Wartungsfreundlichkeit, Geräuschemissionen, Umweltverträglich.

5.2

Forschungsziele

In diesem Kapitel soll eine Systematik von stationären Anwendungen mit grünem Wasserstoff dargestellt werden. Dabei sollen die Eigenschaften dieser stationären Systeme im Kontext zu Geschäftsmodelle genauer betrachtet, analysiert, bewertet und dargestellt werden. Die Arbeiten wurden auf verschiedene Konferenzen dargestellt und diskutiert. In der kurzen Zeitspanne der Arbeiten, haben sich aufgrund externer und interner Faktoren umfangreiche Änderungen in wirtschaftlicher und technischer Hinsicht mit dem Thema grüner Wasserstoff ergeben. Diese Änderungen spiegeln die aktuell stattfindenden Transformationsprozesse wider, die bereits in Kapitel 1 dargestellt wurden. Dazu gehören die Problematik der Feinstaubbelastung, der Umweltbelastung oder die disruptiven Veränderungen durch technische Innovationen, wie Fortschritte in der EMobilität und in Speichertechnologien und die immer geringeren Stromgestehungskosten bei EEQ speziell im Photovoltaik/Windenergiebereich. Die unterschiedlichen stationären Anwendungen werden im Folgenden genauer bezüglich ihrer Bedeutung für Geschäftsmodelle mit Wasserstoff als erneuerbarem Energieträger analysiert. Es erfolgt eine Selektierung in die unterschiedlichen Anwendungsbereiche mit Hilfe der archetypischen Geschäftsmodelle. Mögliche Risiken und Disruptionen für Unternehmungen mit heutigen und zukünftigen Anwendungen von grünem H2 sollen untersucht und bewertet werden. Mit Simulationsmodellen sollen die Vor- und Nachteile verschiedener stationärer H2-Systeme berechnet und verglichen werden. Aus diesen Informationen können wichtige Gestaltungsmerkmale für die Bausteine von Geschäftsmodellen abgeleitet werden. Dabei wird unter anderem geklärt, wie stationäre H2-Anwendungen mit grünem H2 funktionieren, welche Probleme bei der Nutzung von H2 auftreten und unter welchen Bedingungen das ökonomische und ökologische Potenzial diese Systeme ausgeschöpft werden kann. Die dabei ermittelten Nutzenversprechen sollen für Anwender und mögliche Akteure anschaulich dargestellt werden. In Kapitel 8 werden diese Eigenschaften nochmals mit Hilfe einer empirischen Studie überprüft.

5.3

Methodik

Im vorliegenden Kapitel wird die methodische Grundlage für die ökonomischen und ökologischen Berechnungen zu unterschiedlichen stationären Anwendungen in Kapitel 5.4 dargestellt. Als Grundlage für die Analyse dienen Feldteststudien. Die Umwelt- und

Methodik

131

Wirtschaftsdaten stammen von GEMIS, Eurostat und von regionalen Institutionen. Mit einem Primärenergiemodell werden Umwelt- und Wirtschaftlichkeitskriterien betrachtet. Für das Brennstoffzellenheizungs-Modell (FCH-Modell) Abbildung 34 sind folgende Parameter für Berechnungszwecke und -vergleiche wesentlich: Energieeintrag (EKost), Wärmeenergieabgabe (Eout), Stromabgabe, Energieverluste (EVerlust), Brennstoffart, Umgebungsparameter und Umwandlungsprozess.

Abbildung 34: FCH-Brennstoffzelle Modell Quelle: Eigene Darstellung.

Die physikalischen Beziehungen werden in den folgenden Gleichungen abgebildet: Allgemein:

෍ EKost = ෍ Eout + ෍ EVerlust

(29)

132

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Brennstoffzellen-Heizung und Brennstoffzellen-Verstärker Brennstoffzellen Heizung und Brennstoffzellen Verstärker:

Brennstoffzellen Heizung:

Brennstoffzellen Verstärker

Umwelteinwirkung:

Wirkungsgrad/Arbeitszahl Gesamtsystem

E୏୭ୱ୲ =ሺEW䔏‡ +EEŽ‡–”‹ ሻ+ElV‡”Ž—•– -E‡”‡—‡”„ƒ”

(30)

E௄௢௦௧ =ሺE䔏‡ +EEŽ‡–”‹ ሻ+ER‡ˆ‘”‡r +E୆୞୚ୣ୰୪୳ୱ୲

(31)

E‘•t =ሺE୛¡୰୫ୣ +EEŽ‡–”‹ ሻ+EBZ‡”Ž—•–

(32)

CO2 imp. = E୏୭ୱ୲ *CO2 䓗‹˜

(33)

η =

ሶ Eout ሶ E୏୭ୱ୲

(34)

Allen Heizungssystemen gemeinsam ist ein Energiefluss, der in das Gerät hineingeht, und ein Energiestrom, der hinausgeht. Die Energieströme aus den Geräten sind nutzbare und nicht nutzbare Energie (Verluste). Energie die in das Gerät reingeht ist (elektrische) Energie aus verschiedenen primären und sekundären Energiequellen wie fossilem Brennstoff und erneuerbaren Quellen (Erdwärme, PV, Biomasse, Wind etc.) und schließt Hilfsenergie für Peripheriekomponenten (Pumpen, Steuerungen, elektrische Heizungen etc.) ein. Energie OUT kann thermische, mechanische und elektrische Energie sein. Je nach Art der Energieumwandlungsprozesse (Carnot-Prozess oder chemische Umwandlung, Brennstoffzelle) variieren die Energieverlust (nicht nutzbare Energie) (Wiesche 2018; Crastan 2017; Böckh 2018). Die folgenden mathematischen Simulationen werden mit verschiedenen Softwarepaketen (ETU Köln) nach den neuesten EU-Richtlinien durchgeführt. Zum Vergleich der CO2-Emissionen und der Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Heizgeräten wird eine Fallstudie verwendet. Für ein Brennstoffzellenhybridsystem, einen sogenannten Fuel Cell Amplifier, als mögliches alternatives Hybridsystem wird für Berechnungen auf Forschungs- und Entwicklungsergebnisse zurückgegriffen. Des Weiteren werden Vergleiche zu heutigen und zukünftigen Hybridsystemen wie Wärmepumpen mit Solarthermie bzw. Strom aus Photovoltaikanlage mit Batteriespeicherung für einen bestimmten technischen Autonomiegrad als mögliche Alternativen angestellt. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse werden charakteristische Ausgestaltungsmöglichkeiten der Geschäftsmodell-Bausteine nach Osterwalder und Pigneur aufgezeigt, in die in Kapitel 4 bereits dargestellten archetypischen Geschäftsmodellstrukturen integriert und bewertet.

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

133

Bei Kraft-Wärme-Kopplung Anlagen (KWK) wird in ähnlicher Weise vorgegangen. Nur werden sowohl thermische und elektrische Energie als Output des Energiewandlers in den Anwendungen berücksichtigt. Die Berechnungen werden mit Hilfe von KWK Simulationsprogramme durchgeführt. Als Ergebnisse stehen ökonomische und ökologische Daten zur Formulierung und Bewertung von Nutzenversprechen im Vordergrund.

5.4

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

5.4.1

Heutiger Heizungsmarkt

Auf dem deutschen Heizungsmarkt werden 700.000 Heizgeräte pro Jahr an Wärmeerzeuger veräußert. Eine Aufteilung der unterschiedlichen Heizgerätetypen zeigt die Studie der BDH (Leers 2017). Tabelle 52 zeigt die heute gängigen Heizungssysteme und ihre anteiligen Installationen in deutschen Haushalten. Über 70% der eingesetzten Heizgeräte sind älter 10 Jahre (BDEW 2015; BDH 2013; Leers 2017) Tabelle 52:

2018 Wärmemarkt in Deutschland

Heizungsart

Anzahl von Heizkesseln

Anteil

Öl/Gas

14 Mio.

70 %

Brennwertkessel Gas/Öl

4,8 Mio.

23 %

Wärmepumpen

0,6 Mio.

3%

KWK-Anlagen fossil

< 0…

Elektrizität

< 0…

0 0

Pellets/Hackschnitzel, Holzvergaser

0,9 Mio.

4%

Brennstoffzellenheizgeräte CH4/H2

< 2000

0

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (BDEW 2015; BDH 2013)

3,4 der 14 Mio. in Deutschland betriebenen Kessel sind älter als 24 Jahre. Ein Großteil dieser alten Anlagen ist in Ein- und Zweifamilienhäusern installiert. 94 % der Heizungsanlagen in Deutschland werden mit fossilen Energieträgern betrieben. In der letzten Dekade wurden über 600.000 Wärmepumpenanlagen als alternative Systeme installiert. Fossil betriebene Brennstoffzellenheizgeräte (Mikro-BHKWs) von 2–3 kW elektrischer und 8–12 kW thermischer Leistung sind seit 2016 auf dem Heizungsmarkt erhältlich. In Japan sind diese Heizgeräte schon in weit mehr als tausendfacher Anzahl im Einsatz. Ähnliche Verhältnisse betreffend die Heizungstechnologien in Gebäuden herrschen in fast allen EU-Staaten. Es gibt dabei länderspezifische Heizungssystempräfer-

134

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

enzen, sodass beispielsweise in Österreich, Finnland und Schweden mehr Biomasseanlagen und in der Schweiz mehr Wärmepumpensysteme im Einsatz sind. Diese Präferenzen liegen meist in einzelnen Förderprogrammen in den verschiedenen EU-Mitgliedsstaaten und in den regionalen Energieressourcen begründet. Seit 2017 werden durch eine EU-Richtlinie (Energy Performance of Buildings Directive) Standardheizkessel, die mit Gas oder Öl betrieben werden, in neuen und bestehenden Gebäuden zukünftig verboten (EU 2018). Es können nur noch Gas-/Öl-Brennwertgeräte eingesetzt werden. Des Weiteren muss anteilig vorgeschrieben durch die EURichtlinie eine gewisse Menge an erneuerbaren Energien in Abhängigkeit vom Primären Energiebedarf bei der Sanierung und Neuinstallation von Heizungssystemen eingebunden werden. Alle öffentlichen Neubauten müssen ab 2020 wegen der EU-Gebäuderichtlinie einem Fast-Nullenergiegebäude entsprechen (heute KfW40+-Gebäude in Deutschland) und die Energieeffizienz muss mit der aktuellen Richtlinie der EU (EnergieeffizienzRichtlinie) in Einklang gebracht werden (Staiger und Tanţău 2019c). 5.4.2

Fallstudie 1 Berechnungen zu Kraft-Wärme-Kopplung Systeme

Für die Berechnung und Beurteilung heutiger Heizungssysteme im Vergleich mit KWKBrennstoffzellenheizgeräten werden zunächst bestimmte Kriterien für den wirtschaftlichen und ökologischen Vergleich der Anlagen erarbeitet. Seit einigen Jahren sind kleine KWK-Anlagen auf dem Markt. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Mikro-KWKs liegen bei über 90 %. Dabei wird thermische und elektrische Energie über chemische bzw. Verbrennungsprozesse mithilfe unterschiedlicher Energieträger wie Gas, Öl, H2 oder Biogas umgewandelt. Eine KWK-Anlage liefert sehr effizient elektrische Energie und Wärme. Ihre Vorteilhaftigkeit gegenüber konventionellen Kraftwerken (Kohle, Gas, Atomkraft) resultiert aus dem geringeren Schadstoffausstoß und den niedrigeren Energiegestehungskosten für Wärme und Strom. Die Wirtschaftlichkeit von solchen KWK-Anlagen ist stark von ihrem Auslastungsgrad abhängig. Optimal ist eine konstante Abnahme von Wärme und Strom in einem bestimmten Verhältnis über eine Energieperiode (Jahr). Abbildung 35 zeigt den Energiefluss von konventionellen Energiewandlern und KWK-Systemen in einem eSankey-Diagramm.

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

135

Abbildung 35: Wirkungsgrad konventioneller und KWK Quelle: eigne Darstellung

Der Gesamtwirkungsgrad bei einer KWK-Anlage liegt wie erwähnt bei > 90 %. Bei der konventionellen Ausführung werden 158 Energieeinheiten benötigt, um 100 Energie Einheiten nach dem Umwandlungsprozess für den Verbraucher (hier Gebäude) am Ausgang bereitzustellen; bei einer KWK-Anlage sind es nur 105 Energie Einheiten. Es müssen also 30 % weniger primäre Energie zur Verfügung gestellt werden. Das Ergebnis sind eine geringere Leistungsaufnahme und damit geringere Energiekosten sowie weniger Schadstoffausstoß. Brennstoffzellenheizsysteme sind kleine Mikro KWK, in die als Energiewandler eine Brennstoffzelle integriert ist. Ein Brennstoffzellenheizsystem (Fuel Cell Heating FCH) ist ein alternatives Heizungsgerät zur konventionellen Heizung und Elektrizitätswandlung in Wohn- und gewerblichen Gebäuden (Staiger und Tanţău 2017b) Brennstoffzellenheizgeräte produzieren und liefern Strom und Wärmeenergie auf Abruf direkt an den Verbraucher. Diese Brennstoffzellenheizgeräte nutzen die Abwärme in einem Pufferspeicher für Heizung und Brauchwasser und die elektrisch umgewandelte Energie in der Brennstoffzelle für die Eigenstromnutzung im Gebäude und bei Überangebot für die Stromeinspeisung in das öffentliche Stromnetz. Die Energiequelle für dieses Brennstoffzellenheizgerät ist aktuell Erdgasgas. Brennstoffzellen verwenden in der Regel reines H2 als Brennstoff. Das bedeutet, dass H2 erst in einem Reformierungsprozess mit einem Wirkungsgrad von ca. 80 % (Staiger und Tanţău 2017b) aus Erdgas erzeugt werden muss, bevor es in den Brennstoffzellen-Stack eingesetzt werden kann. Dieser Umformprozess emittiert ca. 0,16 kg/CO2 kWh. Bei einem Standardgebäude (200 m² / 60 W/m²) ist die Wärmeleistung des Brennstoffzellenheizgerät nicht ausreichend

136

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

für die Deckung des Energiebedarfes (aktuell nur Leistungen bis 1kW therm.) (Staiger und Tanţău 2019c). Aus diesem Grund ist neben dem Brennstoffzellenheizsystem ein zusätzliches Gasbrennwertkessel integriert. In Japan sind heute mehr als 100.000 Einheiten Brennstoffzellenheizgeräte bereits installiert. Mit dem Programm enefarm hat die japanische Regierung diese Technologie (insbesondere nach der Katastrophe von Fukushima) durch spezielle Förderprogramme auf den Markt gebracht. Panasonic und Toshiba sind die in diesem Bereich führenden Unternehmen. Viessmann als ein Hersteller von Brennstoffzellenheizgeräten nutzt die Kompetenz der japanischen Hersteller von Brennstoffzellenheizungen. im Rahmen des europäischen Förderprogramms enefield sind nach Beendigung eines Feldtests 2016 ca. 2.000 Systeme an Kunden geliefert worden. Die heutigen auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellenheizgeräte verwenden den fossilen Brennstoff Erdgas für den Betrieb, da dieser in der heute üblichen GebäudeEnergieinfrastruktur bereits zur Verfügung steht. Um die Brennstoffzelle aber zu betreiben, ist H2 in reiner Form notwendig. Aus diesem Grund wird ein Reformer dazwischengeschaltet, der den H2-Teil aus dem fossilen Gas (CH4) chemisch extrahiert. Die Effizienz eines solchen Standardreformers beträgt, abhängig vom Brennwert des Gases, etwa 80 %. Der chemische Reformerprozess wurde bereits in Kapitel 3.2 erläutert. Von einem Reformer mit einem Effizienzgrad von 80 % werden 0,21 kg CO2/kWh emittiert; im Vergleich dazu werden in einem Gas-Brennwertkessel durch die Verbrennung von fossilem Gas 0,24 kg CO2/kWh ausgestoßen. Ziel der folgenden Berechnungen und Vergleiche ist es, die Vorteile und Nachteile von Brennstoffzellenheizgeräten aufzuzeigen, um wichtige Eigenschaften und Vorteile für den Nutzer von H2 als grünem Energieträger gegenüber konventionellen Heizungssystemen abzuleiten. Diese Informationen können beim Aufbau der für stationäre Anwendungen möglichen Geschäftsmodellstrukturen behilflich sein. Berechnungsgleichungen für den Systemvergleich: ෍ Qin = ෍ Qout + ෍ Qloos

(35)

Qinሶ = ෍ Qin1 + ෍ Qin2 +…+ ෍ Qinn

(36)

ሶ ൌ ෍ ܳ௢௨௧ ൅ ෍ ܳ௢௨௧ ൅ ‫ ڮ‬൅  ෍ ܳ௢௨௧ ܳ௢௨௧ భ మ ೙

(37)

ሶ = ෍ Qloos + ෍ Qloos +…+ ෍ Qloos Qloos 1 2 n

(38)

η=

ሶ + Qloos ሶ σ Qout + σ Qloos Qout η = σ Qin Qinሶ

(39)

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

137

Die Energiekosten basieren auf dem heutigen Stand für Privatverbraucher. Verschiedene politische Instrumente in Deutschland, wie der Einspeisetarif, Steuererleichterungen und finanzielle Unterstützung durch Umweltbehörden, werden dabei mitberücksichtigt. Die CO2-Äquivalenz-Angaben stammen aus der GEMIS-Datenbank und Informationen aus deutschen und EU-Statistikämtern. Die Berechnung von Umwelteinwirkungen in Form von CO2-Freisetzung ist in Abhängigkeit von den Heizgeräten komplex. Für alle Geräte auf Carnot-Kreisprozessbasis wie Gas-, Fossil- und Biomassekessel werden die CO2-Emissionen durch die CO2eqWerte und die Energiemenge für den Betrieb der Geräte in kg CO2/kWh definiert. Das Programm GEMIS-Stoffmodell berechnet Emissionsfaktoren (kgCO2/kWh) für die einzelnen OECD-Länder. Zwecks Plausibilitätsprüfung werden weitere Daten von nationalen und internationalen Organisationen und eigene Berechnungen verwendet. Der CO2 Äquivalent Faktor (CO2equv Wert) hängt davon ab, wie der Energieträger bereitgestellt wird, also z. B. davon, ob Pellets als Biomassequelle oder Elektrizität bereitgestellt werden. Der CO2 Äquivalentfaktor kann, insbesondere im Fall von Strom, von Land zu Land variieren. Ein fossiles Heizkraftwerk kann Wärme und Strom erzeugen. Die Gesamtmenge des Energie-Inputs (bzw. des Primärenergiebedarfs) kann auch mit den CO2eqWerten berechnet werden, um auf dieser Basis Vergleiche anzustellen. Um den Umwelteinfluss von Heizgeräten zu analysieren und zu vergleichen, sollten auch die Kältemittel in Heizgeräten wie Wärmepumpen in die Betrachtung einbezogen werden. Diese könnten ein hohes Treibhauspotenzial aufweisen und so die Umweltbilanz negativ beeinflussen (Staiger, R., Tanţău, A. 2016; Staiger und Tanţău 2017a) Die folgende Gleichung kann zur Berechnung des Gesamt-CO2– Ausstoßes von Heizgeräten verwendet werden. CO2 total = CO2eq.fuelin × Qin + Qin × GWPFHP - CO2eq. elect × Qout elc.

(40)

Für die Analyse mit H2 als grüner Treibstoff für die unterschiedlichen Heizungssysteme wird ein heutiges Standardgebäude nach EnEV 2016 mit den in Tabelle 53 dargestellten Parametern angenommen. Die Feststellung der für die Plausibilitätsprüfung benötigten Basisdaten erfolgt mit einem Simulationsprogramm für die Wärmebedarfsberechnung nach DIN 4108.

138

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Tabelle 53:

Fallstudien 1: physikalische Parameter

Index Parameter

Daten

a

Beheizte Grundfläche m²

200 m²

b

Wärmebedarf für Gebäude und Warmwasser W/m²

c

Heizleistung des Wärmeerzeugers P (a×b)

14 kW

d

Betriebsstunden pro Jahr

1800 h

e

Wärmebedarf kWh/a Qout (c×d)

f

Elektrischer Energieverbrauch pro Jahr (4–5 Bewohner)

h

Energiekosten in Deutschland: Gas = 7.48, Öl = 6,21, WP elec. = 21.47, Elect. = 20.38, tariff feed = 0.09, elect.= 0.31, Pellets = 4, Holz = 2.5

70 W/m²

25.200 kWh/a 4000 kWh

Quelle: Eigene Darstellung.

Das Gebäude benötigt eine Energiemenge von 25.000 kWh für Heizung und Wärmwasser und für die elektrischen Verbraucher eine Elektrizitätsmenge von 4.000 kWh. Die Berechnungen werden für Gasbrennwertgeräte, Ölbrennwertgeräte, Pellet Kessel, Wärmepumpe (Luft/Wasser), KWK betrieben mit fossilen Brennstoffen, elektrische Heizung und Brennstoffzellenheizung durchgeführt. Die technischen Daten für die Wirkungsgrade sind die von heute auf dem Markt befindlichen Geräten. Diese sind nicht produktspezifisch beschrieben. Die Berechnungsgrundlage für die Treibhausgasberechnungen sind die nach GEMIS aktuellen Faktoren (CO2 Äquivalentfaktoren) für Deutschland. Die Energiekosten für die einzelnen Energieträger (Gas, Heizöl oder elektrische Energie) sind aktuell (Januar 2019) für Süddeutschland. Die Energiekosten können direkt von Versorgungsunternehmen und Energiehändlern erfragt werden. Für H2-Energiepreise können aktuell nur die Preise an den Tankstellen herangezogen werden. Zusätzlich können die Ergebnisse der in Kapitel 3 durchgeführten Berechnungen als Basis für die Einschätzung der Nutzenversprechen zukünftiger Anwendungen herangezogen werden. Die Berechnungen für die KWK-Anlagen im vorliegenden Fallbeispiel gehen bei Brennstoffzellengeräten in einem stromgeführten Betrieb von ca. 4000 Betriebsstunden aus. Hierbei kann nahezu der gesamte elektrische Strombedarf vom KWK gedeckt werden. Der restliche Wärmebedarf wird mit einem Gasgerät gedeckt. Es wurden zwei Alternativen mit fossilem Gas und H2 aus erneuerbaren Energien gewählt. Nachfolgend werden die Ergebnisse von zwei Simulationen mit H2 und CH4 als fossilem Energieträger dargestellt.

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

139

Simulationsergebnisse Die Ergebnisse zeigen beim Vergleich mit gleichen Treibstoffen (H2 bzw. Erdgas) wirtschaftliche und ökologische Vorteile der KWK-Systeme. Die Energiekosten der beiden Systeme sind aufgrund der heutigen Energiepreise für H2 sehr hoch. Daher sind diese Systeme aus wirtschaftlicher Sicht für den Kunden nicht attraktiv, wohl aber aus ökologischer Sicht. Bei der ökologischen Betrachtung gegenüber einer konventionellen Beheizung und Strombezug aus der heutigen Energie-Infrastruktur spielt besonders die geringe Effizienz der Kraftwerke eine ausschlaggebende Rolle Die folgende Tabelle 54 zeigt die Berechnungsergebnisse für die einzelnen Heizungssysteme. Tabelle 54:

Fallstudie 1: Ergebnisse Heizungssystem

Technische Auslegungen

Gas

Öl

Pellets

Wärmepumpe

KWK 10 kW

FCH 2 kW

Wirkungsgrad

0,95

0,95

0,95

JAZ 4,5

0,64 th 0,34 el

0,35 th 0.5 el

0,95

Wärmebedarf kWh

elektrisch

25.000

Elektrizität kWh

4500

CO2 equiv

0,24

0,32

0,05

0,14

0,24

0,02

0,56

Brennstoff €/kWh

0,05

0,06

0,05

0,20

0,05

0,15

0,24

CO2 Elektrik

2500

2500

2500

2500

1080

90

2500

CO2 Wärme

6315

8421

1315

3500

5232

437

14.736

CO2 gesamt kg

8815

10.921

3815

6000

6312

567

17.236

Energiekosten Wärme €

1315

1578

1315

1111

1092

3750

6000

Energiekosten Elektrik

1080

1080

1080

1080

225

675

1080

Energiekosten gesamt

2395

2658

2395

2191

1317

4425

7080

Quelle: Eigene Darstellung.

Heutige Brennstoffzellenheizsysteme, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, können im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Heizsystemen die Umweltbelastung reduzieren, wenn Strom und Wärmeenergie direkt im Gebäude verwendet werden (dezentrale Mikro-KWK). Vorteile eines Brennstoffzellenheizgerät sind die Reduzierung der CO 2-Emissionen, eine höhere Effizienz des elektrischen Generators, die Möglichkeit der Vernetzung zu virtuellen Kraftwerken und dezentralisierte Mikro-KWK. In Bezug auf den Geschäftsmodell-Baustein Nutzenversprechen sind folgende in Tabelle 55 dargestellte Werte für mögliche Nutzer dieser Systeme von Bedeutung.

140

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Tabelle 55: Lfd. Nr.

Eigenschaften/Wertversprechen Mikro KWK

Nutzenversprechen/Eigenschaften Brennstoffzellenheizgerät

Relevanz für grünen H2

Wärme und Strom dezentral generiert Hohe Effizienz

x

Emissionsfreie Verbrennung in der BZ

x

Umweltbelastungen

x

Leise Kleines dezentrales Kraftwerk Energiekosten gering durch Elektrizitätsgenerierung

x

Investitionskosten des Systems Anschluss an heutiges Energienetz

x

Wartungsarm Leistungsgröße der Systeme Lebensdauer Einfache Bedienung Steuerliche Einsparungen Aktuell mit staatlichen Förderungen wirtschaftlich attraktiv Kürzere Amortisationszeit gegenüber konventionellem System

x

Quelle: Eigene Darstellung.

5.4.3

Fallstudie 2: Hybride Heizungssysteme

Hybride Heizungssysteme Unter hybriden Heizungssystemen sind Heizungsanlagen zu verstehen, die unterschiedliche Energiequellen für den Betrieb nutzen, um so, flexibler, umweltschonend, unabhängig, Smart-Grid-fähig, vernetzt, dezentral, lastabhängig und kostengünstig zu operieren. Eine Lösung für das CO2-Problem ist die Dekarbonisierung auch durch Effizienzsteigerung. Dekarbonisierung schließt eine geringere Nutzung fossiler Energiequellen und eine Energiestrategie für einen Übergang in eine erneuerbare Energiezukunft ein. Eine im Rahmen dieser Strategie nutzbare Energiequelle könnte H2 zusammen mit Brennstoffzellen sein. In diesem Abschnitt wird ein Hybridsystem analysiert, dass einer Brennstoffzelle und einem Kältekreis mit Verdichter (ähnlich einer Wärmepumpe) besteht. Dieser sogenannte Fuel Cell Amplifier (Brennstoffzellenverstärker) ist als Schutzrecht beim Deutschen Patentamt registriert (Staiger und Tanţău 2017a). Die Effizienz einer Brennstoffzelle wird durch chemische Prozesse definiert. Der Wirkungsgrad eines thermischen Motors wird durch die unterschiedlichen Tempera-

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

141

turen zwischen dem Einlass und dem Auslass des Arbeitsmediums bestimmt. Der Carnot-Faktor ist in Formel (2) dargestellt: Brennstoffzellen Verstärker (Fuel Cell Amplifier (FCA)) In dem Brennstoffzellen Verstärker Modell wird die Brennstoffzellen-Wärmeenergie für den Kältekreis verwendet. Dieses innovative hocheffiziente dezentrale hybride MikroKWK-System arbeitet mit einem Kältekreislauf ähnlich einer Wärmepumpe und einer Brennstoffzelle. Der Kältekreis eines Brennstoffzellen Verstärkers funktioniert ähnlich wie eine Wärmepumpe (Staiger, R., Tanţău, A. 2016). Die Elektrizität der Brennstoffzelle wird zum Antrieb des Kompressors in einem Kältekreis verwendet. Dieser kältetechnische Prozess können Leistungszahlen (COP) von 5–8 erreicht werden, abhängig vom EEQ-Temperaturniveau (Luft, Geothermie, Abwärme, Brennstoffzellen-Wärmeenergie). Diese Kontroll- und Regelprozesse sind urheberrechtlich geschützt (Staiger und Tanţău 2017a). Abbildung 36 zeigt den Aufbau des Brennstoffzellen Verstärkers. Die Effizienz des Brennstoffzellenverstärkers (Jahresarbeitszahl, SPF) hängt von der Art der (erneuerbaren) Energiequellen, der Temperaturabgabe und der thermischen Brennstoffzellen-Wärme ab. Die Jahresarbeitszahl eines Brennstoffzellen Verstärkers ist in Kombination mit regenerativen Energiesystemen (EEQ) und der Wärmeenergie der Brennstoffzelle (FC) höher als der eines gegenwärtigen Wärmepumpen-Systems. Die Effizienzdaten stammen aus Stöchiometrie-Berechnungen, von dem ZSW-Institut, von Reformer-Herstellern, aus aktuellen Fallstudien und aus Feldtest in Deutschland, der EU und Japan. Dabei weisen FCH-Systeme Energiekosten ähnlich einem Standard-Gasheizsystem auf. Der Brennstoffzellenverstärker ist trotz hoher Energieabgabe sehr klein. Es werden durch den Verstärkungseffekt durch den Kältekreis nur eine geringe Menge an Wasserstoff für den Betrieb benötigt. Dies reduziert die Komplexität des Systems, die Investitionskosten für die Brennstoffzelle und die Handhabung aller technischen Komponenten im System. Zudem kann der dezentrale Brennstoffzellenverstärker um eine kontrollierte Belüftung und Kühlung in einer Einheit erweitert werden. Für den Brennstoffzellenverstärker Modell sind folgende Parameter für Berechnungszwecke und Vergleiche wesentlich: Energieeintrag (E in), Wärmeenergieabgabe (Eout), Stromabgabe, Energieverluste (Eloos), Brennstoffart, Umgebungsparameter und Umwandlungsprozess.

142

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Abbildung 36: Brennstoffzellenverstärker Quelle: Eigene Darstellung (Staiger und Tanţău 2017a)

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

143

Abbildung 37: Brennstoffzellen Heizungsmodell Quelle: Eigene Darstellung (Staiger und Tanţău 2017a).

Mit den Gleichungen (29-39) können Energiemengen und Energiekosten für das Brennstoffzellenheizgerät und den Brennstoffzellen Verstärker berechnet werden: Der CO2-Äquivalenzfaktor hängt vom Stromversorgungs- und Verteilernetz in den unterschiedlichen Ländern ab. In Deutschland liegt dieser Wert derzeit bei 0,525 kg CO2/kWh. Dies bedeutet, dass die Effizienz der Energieversorgungskette von der Quelle bis zu den Verbraucherkosten EKost ca. 35–40 % beträgt. Bei der Nutzung von Brennstoffzellen--betriebenen Heizungsanlagen mit fossilem Gas liegt der Schwerpunkt auf der dezentralen Erzeugung von Wärmeenergie und Strom zur direkten Nutzung oder Einspeisung. Der über das Gerät erzeugte Strom wird die CO2Belastung dieses Gerätes auf ca. 30 % von der fossiler Heizsystemen reduzieren. Die Gründe sind die gegenwärtigen Umwandlungs- und Verteilungsverluste vom Stromgenerator zum Verbraucher sind in Kapitel 1.1 dargestellt. Gegenwärtige Brennstoffzellenheizgeräte werden mit einem fossilen Brennstoff betrieben, der im Vergleich zu Brennwertkesseln wegen der höheren Energieverluste eine höhere Umweltbelastung für die Wärmeversorgung hat. Ihr einziger Vorteil ist die Stromerzeugung mit weniger Emissionen im Vergleich zur Stromversorgung aus dem Energieversorgungsnetz. Denn es ist ein CO2-Einsparpotenzial von 25–30 % gegenüber

144

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

dem deutschen Stromversorgungssystem realistisch (siehe Tabelle 56). Falls der Brennstoffzellenverstärker mit einer fossilen H2-Energiequelle betrieben würde, wären die Umweltbelastung hoch. Falls H2 aus einer EEQ wie PV, Wind- oder Wasserkraft erzeugt würde, wäre der CO2-Ausstoß nahezu null. Falls der Strom ins Netz eingespeist oder im Gebäude (dezentralisierte Mikro-KWK) genutzt wird, ergibt sich ein weiteres CO2-Einsparpotenzial. Weitere Vorteile eines Brennstoffzellenheizgeräte sind eine höhere Effizienz des elektrischen Generators mit Brennstoffzelle und die Möglichkeit der Vernetzung zu virtuellen Kraftwerken. Die H2-Energiekosten pro kg liegen bei 6–8 €/kg. Zukünftige H2-Preise könnten unter 4 €/kg liegen, falls H2 aus einer EEQ erzeugt wird mit Stromgestehungskosten von unter 6 Cent/kWh. Das hängt von der Nachfrage und der Umwandlungstechnologie in der Zukunft ab. Die wichtigsten Umweltaspekte und Wirkungsgarde sind im Kapitel 2.3 dargestellt. Tabelle 56 zeigt die Ergebnisse der Umweltauswirkungen bei unterschiedlichen Energieträgern für Brennstoffzellenheizgeräte und Brennstoffzellenverstärker. Tabelle 56:

Fallstudie 2: Berechnungsergebnisse FCH und FCA Energie Input

Energiequelle

CO2 equiv.

CO2 /a kg

0,27

8183

Produzierte CO2 CO2 gesamt Elektrizität Reduktion kg kWh Elektrizität

FCH Brennstoffzellenheizgerät FCH

fossiles Gas CH4

30.310 kWh

3800

-2128 kg

6055

3213

2850

-1596 kg

1254

100

2850

-1596 kg

-1496

FCA Brennstoffzellenverstärker mit fossilem Energieträger FCA

H2 fossil

11.900 kWh

0,27

FCA mit erneuerbarer Energiequelle grünem H2 FCA

H2 aus EEQ

10.000 kWh

0,01

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 57:

Fallstudie 2: Berechnungsergebnisse im Vergleich FCH und FCA FCH fossil

FCA fossil

Economics tariff feed in 6 Cent/kWh

1590 €

543 €

Economics for using direct electricity for own use 20 Cent/kWh

1050 €

144 €

6055 kg

1254 kg

FCA H2 (PV/Wind/Hydro)

Wirtschaftlichkeitsaspekt € 1029 € (H2 12 Cent/kWh) 2229 € (H2 24 Cent/kWh) 630 € (H2 12 Cent/kWh) 1830 € (H2 24 Cent/kWh)

Umweltaspekt Greenhouse gases CO2 kg/a Quelle: Eigene Darstellung.

-1496 kg

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

145

Die neuen FCA-Konzepte reduzieren die Brennstoffzellengröße und die Kraftstoffmenge Ecost, um die FCA mit minimalem Kraftstoffverbrauch bei maximaler thermischer Leistung zu betreiben. Diese hohe Effizienz resultiert aus der Kombination verschiedener EEQ (Hybridsystem). Das reduziert die H2-Menge auf ein Minimum und verringert Brennstoffzellengröße, Komplexität und Investitionskosten. Der Wärmebedarf von Gebäuden – auch von größeren privaten und öffentlichen Gebäuden – kann zu 100 % gedeckt werden. Der Energiebedarf kann vom Kunden kontrolliert werden, um Elektrizität zu erzeugen; zudem besteht die Möglichkeit der Kühlung, der kontrollierten Be- und Entlüftung und der Einspeisung von elektrischem Strom in das Versorgungsnetz. Die Umweltbelastung durch eine fossile Energiequelle wird deutlich reduziert. Bei einer erneuerbaren H2-Energiequelle gibt es keine Emissionen. Die Tatsache, dass jede kWh Strom für die Einspeisung oder die direkte Nutzung des Systems erzeugt, würde zu weniger CO2-Emissionen beitragen. Um heute einen erneuerbaren H2-Kraftstoff zu nutzen, sind die Energiekosten der ausschlaggebende Faktor für die Kunden solcher Systeme. Die Nutzenversprechen des FCA-Systems für den Nutzer lassen sich wie folgt zusammenfassen: - weniger Umweltbelastung - dezentrale Mikro-KWK zur direkten Nutzung von Wärme und Strom - thermische Energie ausreichend für den Energiebedarf des Gebäudes - EEQ als kostenlose Energiequellen - Verwendung verschiedener EEQ (einzigartiges Hybridsystem) - Kühlung und Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung - alternative Einspeisung von elektrischer Energie

146

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Tabelle 58: Lfd. Nr.

Eigenschaften/Wertversprechen FCA

Nutzenversprechen/Eigenschaften Brennstoffzellenheizgerät Wärme und Strom dezentral generiert Hohe Effizienz Emissionsfreie Verbrennung in der BZ Umweltbelastungen Leise Kleines dezentrales Kraftwerk Energiekosten gering durch Elektrizitätsgenerierung Investitionskosten des Systems Anschluss an heutiges Energienetz Wartungsarm Leistungsgröße der Systeme Einfache Bedienung Aktuell mit staatlichen Förderungen wirtschaftlich attraktiv Kürzere Amortisationszeit gegenüber konventionellem System

Relevanz für grünen H2 x x x

x x

x

Quelle: Eigene Darstellung.

5.4.4

Fallstudie 3: KWK Anlagen mit Brennstoffzelle

Im folgenden Abschnitt werden KWK-Anlagen mit Brennstoffzellenantrieb simuliert. Die heutigen Simulationsprogramme lassen eine Berechnung mit Brennstoffzellen noch nicht zu. Deshalb wurden hier als Lösungsweg Stammdatenänderungen in einer Simulationssoftware vorgenommen. Die erste Berechnung erfolgt für eine KWK-Anlage mit BZ mit Erdgas betrieben, die zweite Berechnung für eine KWK-Anlage mit BZ mit grünem H2. Der Lastgang ist für beide Anlagen gleich berechnet.

Fallstudien zu stationären Wasserstoff-Anwendungen

147

Abbildung 38: Fallstudie 3: KWK Lastgang Wärme und Strom Quelle: Eigene Darstellung Tabelle 59:

Fallstudie 3: KWK Standard Erdgas 0,045 €/kWh

Kostenvergleich Investitionskosten Brennstoffkosten BHKW Brennstoffkosten Kessel Stromkosten Fremdbezug Wartungskosten BHKW Generalüberholungskosten ./. Förderungen und Abgaben Gesamtkosten Ø Kosten mtl. Einsparung gesamt Quelle: Eigene Darstellung.

ohne BHKW

23.662 € 24.860 €

48.522 € 401 €

mit BHKW 8.666 € 7.103 € 18.693 € 9.602 € 1.741 € -€ 0€ 47.444 € 395 € 1.100 €

148

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

3,7%

3,5%

Brennstoffkosten Kessel Stromkosten Fremdbezug

15,0%

39,4%

Investitionskosten Brennstoffkosten BHKW

18,3%

Wartungskosten 20,2%

Generalüberholungskosten

Abbildung 39: Fallstudie 3: KWK Kostenverteilung Erdgas 0,045 €/kWh Quelle: Eigene Darstellung Tabelle 60:

Fallstudie 3: KWK Wasserstoff grüner H2 0,25 €/kWh

Kostenvergleich Investitionskosten Brennstoffkosten BHKW Brennstoffkosten Kessel Stromkosten Fremdbezug Wartungskosten BHKW Generalüberholungskosten ./. Förderungen und Abgaben

ohne BHKW

131.457 € 24.860 €

Gesamtkosten Ø Kosten mtl. Einsparung gesamt

156.316€ 1.302 €

mit BHKW 8.666 € 39.460 € 103.847 € 9.602 € 1.741 € -€ 0€ 164.957 € 1.374 € - 8.000 €

Quelle: Eigene Darstellung.

5,3%

1,1%

1,0%

Brennstoffkosten Kessel

5,8%

Brennstoffkosten BHKW Stromkosten Fremdbezug 23,9%

63,0%

Investitionskosten

Wartungskosten Generalüberholungskosten

Nischenprodukte

149

Abbildung 40: Fallstudie 3: KWK Kostenverteilung grüner H2 0,25 €/kWh Quelle: Eigene Darstellung

Berechnungsergebnisse Als Resultat der Berechnungen für KWK Brennstoffzelle mit grünem H2 kann konstatiert werden, dass der CO2 Emissionen gegen null gehen (Reduzierung um 95 % gegenüber einem fossil betriebenen KWK). Die Energiekosten sind um ein Vielfaches höher als bei der Variante 1 KWK Standard mit Erdgas. Für die zweite Variante ergibt sich, dass die Energiekosten und die Amortisationszeit durch den Einsatz von grünem H2 bei heutigen Energiepreisen unwirtschaftlich sind. Eine Reduzierung auf fossile Parität (Vergleich Dieselkosten Cent/kWh zu H 2 Cent/kWh), auch durch möglicher Effizienzsteigerungen, wäre notwendig. Maßgebend sind dabei die Energiekosten für grünen Wasserstoff.

5.5

Nischenprodukte

5.5.1

Brennstoffzellensysteme für Nischenmärkte

Brennstoffzellensysteme für spezielle Nischenmärkte werden bereits weltweit tausendfach in verschiedenen Leistungsklassen eingesetzt. Energieautarkie und Zuverlässigkeit sind wichtige Faktoren beim Einsatz von Stromgeneratoren für die Stromversorgung. Anwendungen für kritische Infrastrukturen bei langandauernder Stromversorgung sind hier zu nennen. Kritische Infrastrukturen sind: - Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben - Basisstationen für Mobilfunk/Digitalfunk - Übertragungs- und Verteilnetzbetriebe (Umspannwerke, Wasseraufbereitung) - Verkehrsleittechnik (Bahnstellwerke, Signalsysteme, Flughafen- und Flugverkehr-Sicherungen) - Sicherheitstechnik (Baustellenüberwachung, Mess- und Prüfstationen) - IT-Infrastruktur (Absicherung von Rechenzentren) - Gesundheitswesen (Krankenhäuser, mobile Krankenstationen) - Industrieproduktion (Leit- und Steuertechnik) Für den Einsatz von „Unterbrechungsfreie Strom Versorgungen“ (USV) Anlagen sind Brennstoffzellen bestens geeignet. Lange Laufzeit, großer Temperaturbereich, keine Emissionen. Aktuell sind mehr als 4.5 Millionen Basis Stadion im Einsatz. Die Wachstumsraten liegen bei ca. 10%/a

150

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Heutige netzferne Stromversorgungen welche über große Batterien Bänken, Generatoren und PV Systeme realisiert sind, können zukünftig idealerweise durch Brennstoffzellen ersetzt werden. Die Vorteile gegenüber Generatoren mit Verbrennungsantriebe sind: - Keine Geräuschentwicklung - Keine Umwelt relevante Emissionen - Online Wartung, geringe Aufwendungen - Akkulaufzeiten - Netzunabhängige Aufladung Brennstoffzellensysteme als Netzersatzanlagen sind heute in unterschiedlichen Leistungsgrößen auf dem Markt verfügbar. Die Brennstoffzellensysteme reichen von geringen Leistungen im Watt Bereich bis zu mehreren hundert Kilowatt. Die Variationsmöglichkeiten und Anwendungen sind abhängig der Leistungsbereiche. Umwelttechnisch haben alle Brennstoffzellen einen positiven Effekt. Nachfolgende Tabelle 61 zeigt eine Vielzahl von heutigen stationären und portablen Brennstoffzellen-Anwendungen mit H2. Diesen Anwendungen kommt aufgrund ihrer Nutzeneigenschaften für Kunden ein zunehmend höherer Stellenwert zu, was sich in einer hohen Nachfrage und der Einführung neuer Produkte am Markt zeigt. Tabelle 61:

Sicherheitsbereiche mit Brennstoffzellen

Stationäre BZ-Anwendungen

Beispiele

Stationäre USV (unterbrechungsfreie Öffentliche Verkehrsüberwachung, Stromversorgung) / UPS (Uninterrupted Prozessüberwachungsanlagen, Telekommunikation und ITSysteme, Computersysteme, Krankenhäuser, Power Supply) Mobilfunkstation Notstromversorgungen

IT-Systeme, Produktionsprozesse

Back-up Power, Ersatzstromversorgung USV und Notstromversorgung, Netzersatzanlagen Netzferne Stromversorgungen

Insellösungen, Instrumente, Wetterbeobachtungen

Portable BZ-Anwendungen

Beispiele

Beleuchtungssysteme

Feuerwehr/Rettung

UVP Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Krankenhäuser

Power Supply

Caravaning, Camping, Yachten etc. Elektrische Verbraucher (TV, Kühlschrank etc.)

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Eska 2018; Töpler und Lehmann 2017)

Für Ersatzstromversorgungen sind Brennstoffzellen wegen ihrer speziellen Eigenschaften und den darin begründeten Vorteilen gegenüber heutigen Systemen wie Batterien

Nischenprodukte

151

und Dieselgeneratoren sehr gut geeignet. Durch volatile erneuerbare Energiequellen steigt der fluktuierende Strom. Um kurzfristig Regelenergie bereitzuhalten können das kleine dezentrale Kraftwerk zusammengeschaltet werden. Wichtige Eigenschaften und Nutzenversprechen sind in Tabelle 62 aufgeführt: Tabelle 62: Lfd. Nr.

Eigenschaften/Nutzen-Wertversprechen Ersatzstromversorgung

Nutzenversprechen/Eigenschaften Ersatzstromversorgungen

Relevanz für grünen H2

Total Cost of Ownership (geringe Wartungskosten, Break-even nach wenigen Jahren erreichbar

x

Anlaufverfügbarkeit der Anlagen

x

Lebensdauer/Systemstandzeit

x

Alterung während Standzeit

x

Wartung + Service Emissionen Geräusche und Umweltauswirkungen (Feinstaub) Weiter Temperaturbereiche

x

Unterschiedliche Treibstoffe Lagerfähigkeit des Treibstoffes

x

Energiedichte des Treibstoffs

x

Umweltverträglichkeit Umweltverträglichkeit bei der Nutzung Geräuschentwicklungen Quelle: Eigene Darstellung.

5.5.2

Energieautarke Systeme mit Fallstudie

Es gibt unterschiedliche Energieautarke Systeme und Anwendungen auf dem Markt. Besteht keine Möglichkeit über einen Hausanschluss bei Gebäuden etc. so muss ein Energieautarkes System aufgebaut werden. Ein weiteres Beispiel wäre ein Hauseigentümer, der energetisch unabhängig von Energielieferanten sein möchte. Weitere Beispiele sind Telekommunikation Verteiler, Steuerungstechnische Überwachungen von, Video Überwachungen und weiter Anwendungen. In dieser Arbeit wird ein dezentrales hocheffizientes System in einem Mehrfamilienhaus betrachtet. Abbildung 41 zeigt ein Energieflussschema eines autarken Systems. Seit Mitte 2018 arbeitet ein Unternehmen in Berlin an einem solchen autarken System. Dieses steht für ein Einfamiliengebäude seit Anfang des Jahres zur Verfügung. Um ein solches System für ein Standard Einfamilienhaus zu berechnen sind folgende Parameter für das Gebäude notwendig. - 180 m² beheizte Fläche -

Wärmebedarf für das Hochgedämmt KfW40 Gebäude 15.000 kWh therm

152

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

-

Elektrische Energiemenge 2000 kWh

Abbildung 41: Dezentrale autarke Systeme Quelle: Eigene Darstellung

Nischenprodukte

Tabelle 63:

153

Fallstudie dezentrales autarkes System

Index

Parameter

Daten

1

Beheizte Grundfläche m²

180 m²

2

Wärmebedarf für Gebäude und Warmwasser W/m²

3

Heizleistung des Wärmeerzeugers P (a×b)

4

Betriebsstunden pro Jahr

5

Wärmebedarf kWh/a Qout (c×d)

6

Elektrischer Energieverbrauch pro Jahr (4–5 Bewohner)

7

Notwendige Wasserstoffmenge /a (33,33 kWh/kgH2)

8

Notwendige Leistung PV (Wirkungsgrad H2 Prozess 60%) 20 kWp

9

Elektrolysour größe 10 kW 50 kW/kgH2 0,2kgH2/h

10

Speicher/Tankgröße bei 1 bar Größe 3 kWh = 1 Nm³ 150 kWh

11

PV Anlage (1.000 €/kWp)

20.000 €

12

Elektrolysor 10 kW (1.000 €/kW)

10.000 €

13

Speicher (1m³ 200 €)

10.000 €

14

Brennstoffzelle 4kW

15.000 €

15

Regelungstechnik

5.000 €

16

Kompressor falls Speicherkapazität erhöht werden soll

30 W/m² 6,5 kW 1800 h 12.000 kWh/a 2.000 kWh 360 kg/a 20 kWp 0,2kgH2/h 50 m³

€

Quelle: Eigene Darstellung.

Das Ergebnis der Fallstudie zeigt, dass falls Wasserstoff unter Normaldruck gespeichert wird, die Speicherkapazität bei einem 50 m³ Speicher nur ca. 150 – 180 kWh beträgt. Alternativ wäre die Möglichkeit das Wasserstoffgas mit einem Kompressor auf ein höheres Druckniveau zu komprimieren. Die Auslegung eines solchen Systems hängt von den lokalen klimatischen Bedingungen ab. Diese Bedingungen müssen bei den Berechnungen und Simulationen berücksichtig werden. Für solche Systeme in geringen Stückzahlen gefertigt werden, müssen für ein Einfamilienhaus mit Investitionskosten aktuell von > 60.000 € ausgegangen werden. Hier gilt wie bei allen neuen technologischen Prozessen, dass durch die Stückzahlendegression gewaltige Einsparpotentiale bestehen. In Tabelle 62 sind die besonderen Eigenschaften/Werteversprechen für energieautarke Systeme dargestellt.

154

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Tabelle 64: Lfd. Nr.

Eigenschaften/Wertversprechen Energieautarke Systeme

Nutzenversprechen/Eigenschaften Energieautarke Systeme

Relevanz für grünem H2

1

Wartungsarm/geringe Wartungsintervalle/Onlinewartung

2

Großer Temperaturbereich/Outdoor Betrieb

X

3

Effiziente Energiewandlung

X

4

Einfache Bedienung und Betrieb

5

Hoher Autarkie Grad

X

6

Hybrides System

X

7

Größe und Gewicht

8

Geringe Geräuschentwicklung

9

Moddular aufbaubar

10

Sichere Energieversorgung

11

Back-up System

12

Keine Emissionen und Schadstoffe

13

Keine Schmierstoffe und Öle

14

Geringe Anlagenkomplexität

X X

Quelle: Eigene Darstellung.

5.6

Zusammenfassung

5.6.1

Grundsätzliche Zusammenhänge zu stationäre/portable Anwendungen

Es gibt zahlreiche Anwendungen von stationären/portablen H2-Systemen, die auch mit grünem H2 realisiert werden können. Die Anwendungen im Bereich unterbrechungsfreie Stromversorgung, Netzgeneratoren und, elektrische Energieversorgung über KWK Anlagen werden heute überwiegend mit fossilen Treibstoffen bzw. grauem H2 betrieben. Ansätze von autarken Gebäuden gibt es bereits als Musterprojekte in der Schweiz und Deutschland. Bei vielen USV-Systemen wird H2 in Druckbehältern (Gasflaschen) eingesetzt. Heutiger H2 in Flaschen wird in der Regel aus fossilen Energieträgern gewonnen. Brennstoffzellenheizgeräte heutiger Ausführungen werden mit den gegenwärtig vorhandenen fossilen Gassystemen betrieben. Aus dem fossilen Gas wird mithilfe von Reformprozessen H2 abgespalten und in den Brennstoffzellen verwendet Bei der Reformierung werden 80-90% CO2 ausgestoßen gegenüber einer Verbrennung mit fossilen Energieträgern. H2-betriebene Heizgeräte gibt es heute noch nicht auf dem Markt. Es gibt einzelne Projekte, die Elektrolyseure und Brennstoffzellensysteme zu Systemen zusammenschalten, dies aber nur projektbezogen und in sehr kleinen Stückzahlen. Ideal wären dezentrale Systeme, die lokale EEQ zur Erzeugung, Speicherung und Nutzung von grünem H2 lokal verwenden.

Zusammenfassung

5.6.2

155

Geschäftsmodell Bausteine zu stationäre/portable Anwendungen

Tabelle 65 zeigt eine Zusammenfassung der wichtigsten zukünftigen archetypischen Geschäftsmodelle und Kundennutzen für stationäre/portable H2-Anwendungen. Tabelle 65: GM-Nr.

Zukünftige archetypische Geschäftsmodelle stationär Beschreibung

Archetyp A4: Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle und grünem H2 zur Energieumwandlung in Strom und Wärme oder nur eine Energieform GM A1.1

Brennstoffzellenheizgerät mit Speicher für Wärme-/Strom-Umwandlung < 15 kW

GM A1.2

Notstromversorgung, BZ mit Speicher zur Stromerzeugung

GM A1.3

KWK mit BZ-Speicher für Wärme/Strom > 10 kW

GM A1.4

Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Speicher, BZ, elektrische Energie

Archetyp A5: Stationäre Anwendungen mit Elektrolyseuren zur Erzeugung von grünem Strom für PtXAnwendungen GM A2.1

EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung und -Distribution in das Gasnetz

GM A2.2

EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, Methanisierung, Gasnetz

GM A2.3

EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, CO2 und Flüssigtreibstoff

Archetyp A6: Portable Anwendungen mit grünem H2 GM A3.1

Beleuchtungssystem Mobil, BZ, Speicher, Batterie, Beleuchtung

GM A3.2

Portables Netzteil, H2-Speicher, BZ, Stromversorgung DC/AC

GM A3.3

UVP (Unterbrechungsfreie Stromversorgung), BZ, Speicher

Quelle: Eigene Darstellung.

Wertangebote sollen die Bedürfnisse der Kunden befriedigen und mögliche Kundenprobleme lösen. Tabelle 66 zeigt Bedürfnisse und Kundenprobleme im stationären Bereich und indiziert, ob zu deren Befriedigung bzw. Lösung auf den zukünftigen Energieträger grüner Wasserstoff zurückgegriffen werden kann.

156

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Tabelle 66:

Nutzenversprechen stationärer Systeme

Lfd. Nr. Value Proposition für stationäre Systeme mit grünem H2

Erreichbar durch grünen H2

1

Kunde möchte energieautark sein

X

2

Kunde möchte geringen Verbrauch durch hohe Effizienz

X

3

Kunde möchte keine Lärmbelästigung, extern wie auch intern

4

Kunde möchte eine emissionsfreie Verbrennung

X

5

Kunde möchte eigene EEQ nutzen

X

6

Kunde möchte einen sauberen grünen Energieträger

X

7

Kunde möchte den Energieverbrauch mit wenig Treibstoff decken

X

8

Kunde möchte Kostengünstig Energie generieren

9

Kunde möchte ein wartungsarmes System

10

Kunde möchte Förderprogramme nutzen

X

11

Kunde ist nicht an Energieinfrastruktur angebunden

X

12

Kunde möchte lange Laufzeiten des stationären Systems

13

Kunde möchte schnelle Aufladung

14

Kunde möchte geringes Gewicht (Transport)

15

Kunde möchte Komfort (Energie in ausreichender Menge)

16

Kunde möchte Zuverlässigkeit

17

Kunde möchte garantierte Stromversorgung

X

Quelle: Eigene Darstellung.

Stationäre Geschäftsmodelle Archetyp-Bewertung A1-A3 mit grünem H2 Bereiche/Dimensionen Aus dieser Vielzahl von Nutzenversprechen werden in der folgenden Liste Ausgestaltungsmöglichkeiten der Bausteine möglicher zukünftiger Geschäftsmodelle mit grünem H2 dargestellt. Diese Liste wird in weiteren Schritten in dieser Arbeit verfeinert und aktualisiert. Tabelle 67:

Bausteine und charakteristische Eigenschaften stationäre Anwendungen

Baustein

Eigenschaften

Kundensegment

H2 als grüner Kraftstoff wird noch in keinem der heutigen stationären Marktsegment in größeren Stückzahlen eingesetzt. Es bestehen bereits kleine Pilotprojekte in der Schweiz und in Deutschland. Zukünftige Nischenmärkte mit grünem Wasserstoff sind: Krankenhäuser, Transport-/Infrastrukturbetriebe (Bahn, ÖNV etc.), Telekommunikati-onsunternehmungen, kritische Infrastrukturbereiche, Rechenzentren, Behörden, Kommunen.

Zusammenfassung

157

Baustein

Eigenschaften Bisher werden diese Systeme mit fossilen bzw. grauem H2 bedient. Eine technische Umstellung auf grünen H2 könnte ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden

Nutzenversprechen

Siehe Tabelle 62, Tabelle 64, Tabelle 66

Kanäle

Informationen zu stationären Systemen mit grünem H2 können direkt an Interessenten kommuniziert werden. Beispielweise liefert ein Fertighaushersteller ein komplett autonomes H2-Kraftwerksystem mit eigener Speicherung und EEQ, direkte Kanalwahl über eigene Datenbasis, mit Hilfe Dritter wie Förderprogramme, direkte Kommunikationskanäle, da intensive Kundenkontakte notwendig

Kundenbeziehungen

Persönlicher Kontakt und Unterstützung, Individuelle Unterstützung

Einnahmequellen

Gesamtfinanzierung aus einer Hand, Bezahlung über Energieverbrauch, Kundenbindung über Verkauf mit Wartungsvertrag Beispiel: Fertighausherstellers kann dies ein Energie-Contracting für die Anlage sein. Alternativ kommt auch eine Bezahlung nach ortsüblichen Energiekosten pro verbrauchte Energieeinheit infrage. Hier besteht eine große Anzahl von Gestaltungsmöglichkeiten der Einnahmenquellen, Preisgestaltung unterschiedlicher Kundensegmente

Schlüsselresourcens

Abgrenzung erfolgt mittels einer Unique Selling Proposition, die es ermöglicht, erfolgreich im Markt aktiv zu sein. Kernkompetenzen sind dabei ein wichtiger Bestandteil eines erfolgreichen Geschäftsmodell. Kernkompetenz eines Fertighaushersteller ist es, ein gesamtes Gebäude für den Endkunden zur Verfügung zu stellen. Darin ist die Gebäudehülle, die technische Gebäudeausstattung und das Interieur enthalten. Der Hersteller offeriert sämtliche Gewerke aus einer Hand. Kernkompetenz Gebäudehülle hochwärmegedämmt und technisches Know-how des Aufbaues mit Hilfe von Partnerschaften. Heizungs- und Energietechnik durch neue innovative Technik ersetzt werden, die selbst Energie generiert, das Gebäude autonom macht und nur EEQ benötigt. Energieträger selbstproduzierter Wasserstoff, vor Ort gespeichert Bedarf in den kalten Monaten in Wärme und Strom. H2-Produktionsanlagen, Speicheranlagen, Patente, Lizenzen, intellektuelle Ressourcen, Partnerschaften, Kundenstamm

Schlüsselaktivitäten

sollten schneller, besser und günstiger umgesetzt werden, als es bei Mitwettbewerbern der Fall ist.Beispiel: Fertighaushersteller bedeutet dies, mittels der aktuellen Schlüsselaktivität der Gebäudehülle-Erstellung einen neuen Wertenutzen zusätzliche Kundennutzen Teil eines Komplettpakets, des Fertighauses,Herstellung, Speicherung, Umsetzung und Wandlung von H2 ,Kundenprobleme lösen

Schlüsselpartner schaften

Lieferanten, Absatzmittler oder andere Partner angewiesen. unterschiedliche Kompetenzen und Ressourcen Wertangebots nutzen. Ohne technologische Partner, sinnvoll, mit Zulieferern und Komponentenherstellern Vereinbarungsverträge für Kooperationen abzuschließen. Lieferanten von Brennstoffzellensystemen, Speichertechnologien und EEQ sein. Fachkompetenz, gemeinsame Produktentwicklungen

158

Analyse von stationären/portablen Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Baustein

Eigenschaften

Kostenstruktur

Beispiel des Fertighausherstellers neue Technologie in die Wirtschaftlichkeitsrechnung mit einzubeziehen und den Kundennutzen und die höheren bzw. geringeren Erträge mit den Aufwendungen der notwendigen Ressourcen etc. zu vergleichen. Schlanke Kostenstruktur, Einkauf von außen für den Herstellprozes, ,

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013)

5.6.3

Zwischenresümee: stationäre Anwendungen mit grünem Wasserstoff

In diesem Kapitel wurde zunächst der Frage nachgegangen wie die stationären Anwendungen eizuteilen sind. Hier gibt es gibt es eine Vielzahl von Systemen mit Leistungsbereichen von Watt bis Megawatt. Hier sind Anwendungen zu unterscheiden, die H2 herstellen (Elektrolyseure), und die aus grünem Wasserstoff Wärme und/oder elektrischen Strom generieren. Beispiele für Systeme, die elektrischen Strom wie auch Wärme generieren, sind Brennstoffzellenheizgeräte, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Blockheizkraftwerke), Gasmotoren und dezentrale energieautarke Systeme. Systeme, die nur elektrische Energie generieren, sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen Notstromversorgungen, tragbare Stromerzeuger, Netzteile usw. Als weitere wichtige Frage wurde untersucht wie hoch die Nachfrage nach stationären Systemen mit Brennstoffzellen zukünftig sein wird und wie hoch die möglichen Marktpotentiale sind. Es wird die Frage beantwortet was Brennstoffzellen sind und wie Sie ökonomisch und ökologisch zu bewerten sind. Der größte Teil der heutigen stationären Brennstoffzellen-Systeme wird mit fossilem Gas betrieben. Grüner Wasserstoff wird bisher nicht eingesetzt, da die Kosten für Wasserstoff zu hoch sind und die Anwendungen gegenüber heutigem Energieträger unwirtschaftlich ist. Der benötigte Wasserstoff für die Brennstoffzellen wird in einem separaten Reformerprozess bereitgestellt. Das bedeutet, dass aus dem zugeführten fossilen Gas der Wasserstoffanteil reformiert und dann im Umwandlungsprozess in der Brennstoffzelle verwendet wird. Es bleibt Kohlendioxid übrig, das emittiert wird. Die Emissionen sind etwas geringer als bei einer normalen Verbrennung (siehe Kapitel 1). Zukünftig wird durch die Herstellung von grünem H2 über Elektrolyseverfahren die Nachfrage nach Elektrolyseuren im kW- und MW-Bereich stark ansteigen. Ein weiterer wichtiger Punkt sind die unterschiedlichen stationären Anwendungen, wobei für BHKWs und Brennstoffzellenheizgeräte die Nachfrage nach grünem H 2 zunächst gering sein wird, da die heutigen Energiekosten für fossiles Gas bei 5 Cent/kWh liegen. Sobald dieser Betrag unterschritten wird bzw. wenn zukünftig CO 2-Steuern auf fossile Energieträger erhoben werden, würde ein Kostenvergleich in Cent/kWh für die

Zusammenfassung

159

verschiedenen Energieträger mit H2 positiv ausfallen. Da die Stromgestehungskosten von EEQ in den nächsten Jahren weiter fallen. Dabei wird zukünftig die Gestehungskosten für eine erzeugte kWh Energie für H2 günstiger als für konventionelle Energieträger sein. Wie bereits in den verschiedenen Fallbeispielen und Studien aufgezeigt, gibt es bereits Länder, in denen H2 wirtschaftlich nutzbar wäre. Für Nischenanwendungen wie Notstromversorgungen und Beleuchtungen spielen die höheren Energiekosten keine wesentliche Rolle. Hier sind andere Nutzwerte wie Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Autonomiegrad wichtiger. In den letzten Jahren sind durch die geringeren Herstellkosten von Brennstoffzellensystemen neue attraktive Nischenprodukte entstanden, beispielsweise: - Portable Notstromversorgungen - Unterbrechungsfreie Stromversorgungen - Netzteile im Caravaning-/Bootsbereich - Portable Lichtversorgungssysteme Weitere Fragen sind zur Berechnung von stationären Systemen unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten zu beantworten. Wie müssen thermische sowie elektrische Faktoren berücksichtigt werden. Die elektrischen Energiebetrachtungen hängen von den einzelnen Energieinfrastrukturen und Energiekosten ab. Da in der Regel die Kosten für elektrische Energie bedeutend höher sind als die für thermische Energie, müssen die Verhältnisse zwischen thermischem und elektrischem Energieverbrauch genau berücksichtigt werden. Danach entscheidet sich die Wirtschaftlichkeit und ökologische Verträglichkeit solcher KWK-Systeme. Aus der Vielzahl verschiedener stationären Anwendungen werden spezifische Eigenschaften für mögliche Geschäftsmodelle dargestellt und beantwortet.

6

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

6.1

Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen

Im Energiesektor Mobilität werden heute über 25 % des Primärenergiebedarfs weltweit benötigt (IRENA 2019; Buck 2019; Svilengatyin 2018; BP 2019). Die Tendenz ist durch Länder wie China und Indien stark steigend. 40 % der heutigen CO2-Emissionen werden in diesem Bereich verursacht (WEC 2019; IEA 2019) Zusätzlich werden weitere toxische Gase (wie NOx) und Feinstaub emittiert. 2018 wurden ca. 78 Mio. Fahrzeuge produziert, davon sind 26 Mio. kommerzielle Fahrzeuge. Man schätzt, dass ca. 1260 Mio. Fahrzeuge auf den weltweiten Straßennetzen verkehren. Kalkulationen gehen von 1.800 Mio. Fahrzeugen im Jahr 2035 und von 2.700 Mio. im Jahr 2050 aus (Romerskirchen 2015). Aus deutscher Sicht sind die Vorgaben für die CO2-Reduktion für 2020 und 2030 nicht zu halten, da im Mobilitätsbereich die Belastungen nicht im gewünschten Bereich stattfinden. Aktuelle Studien zeigen, dass Deutschland für das Erreichen der Klimaschutzziele zukünftig Milliarden an Euro für CO2-Zertifikate wird aufwenden müssen. Als Treibstoffe für den Mobilitätssektor werden heute überwiegend fossile flüssige und gasförmige Energieträger verwendet, wie Diesel, Benzin und Methangas. Zusätzlich wird vermehrt versucht, bioenergetische Kraftstoffe in diesem Energiekreislauf zu verwenden (Bio-Kraftstoffe, Biogas etc.). Als mögliche Lösungskonzepte zur Effizienzsteigerung und zur Reduzierung des Klimawandels und der Energieabhängigkeit sind elektrobetriebene Fahrzeuge (BEV) oder Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) mit H2 als Treibstoff heute schon möglich. Als Folge eines großen Technologiesprungs und des starken Zuwachses der Nachfrage nach Batteriespeichern der letzten 5 Jahre sind neue kompaktere und kostengünstigere Speichertechnologien auf dem Markt. Damit können E-Fahrzeuge zukünftig zu ähnlichen Kosten produziert werden wie konventionell betriebene Fahrzeuge (Seba 2017; Schwarzer 2017; Teufel 2017). Im Bereich der Brennstoffzellenfahrzeuge sind weitere technische Fortschritte hinsichtlich des Materialeinsatzes und damit eine Kostenreduktion gelungen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Herstellung von H2 mithilfe von EEQ. Da die Gestehungskosten in den letzten Jahren rapide gefallen sind, ergeben sich neue Opportunitäten, H2 zu Preisen herzustellen, die mit den Preisen für heutige konventionelle fossile Energieträger vergleichbar sind (siehe Kapitel 3.3). Damit kann und wird sich zukünftig die Energieinfrastruktur speziell im Mobilitätssektor rapide ändern (Seba 2017; Engel 2018; Grube 2018; Grube et al. 2018). KPMG hat Anfang Januar (KPMG 2019) den „19. Global Automotive Executive Survey 2019“ veröffentlicht. Demnach wird es bis 2040 unterschiedliche Strategien für die Antriebsstränge für Kfz geben. In der Studie werden prozentual folgende Antriebstränge © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_6

162

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

angegeben: für BEV 26 %, FCEV 25 %, ICE 25 % und Hybrid 24 %. In der Umfrage wurden die FCEV als bis 2025 vorherrschender Key-Trend bewertet. Brennstoffzellenfahrzeuge haben laut dieser KPMG-Studie den BEV-Trend zurückgeworfen. Auf dem Weltwirtschaftsforum in Davos 2017 wurde das Hydrogen Council gegründet. Diese globale Initiative von Unternehmungen mit der gemeinsamen Vision von „Wasserstoff als Schlüsselelement der zukünftigen Energiewende“. Die Ziele, die das Council formuliert hat (siehe Tabelle 68), wurden beim Weltwirtschaftsforum 2019 nochmals bestätigt. Des Weiteren sind weitere wichtige Unternehmungen im Council beigetreten. Tabelle 68:

Ziele des Weltwirtschaftsforum

Mobilitätstypen

Anzahl 2030

Anzahl 2050

Nutzfahrzeuge

350.000

> 50 Mio.

Busse

50.000

> 3,5 Mio.

Züge und Schiffe FCEV

> 1000

> 1 Mio.

jedes zwölfte Fahrzeug ein Brennstoffzellenfahrzeug

jedes zweite Fahrzeug

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (H2Council 2017).

Durch innovative technologische Sprünge und höhere Nachfrage ermöglichen heute sogenannten Skaleneffekte einen ökonomischen Einsatz von Batteriesystemen in Fahrzeugen. Die Vorteile gegenüber konventionellen Fahrzeugen sind: Die Kosten für E-Fahrzeuge fallen, sie benötigen um ein Vielfaches weniger Teile als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, sind wartungsfreundlicher, haben eine längere Lebensdauer, sind um das ca. Vierfache günstiger im Unterhalt, sind steuerbefreit und unter bestimmten Umständen umweltfreundlicher (Kampker 2018; Seba 2017). Disruptive Innovationen, die ein Problem auf neue Weise lösen, erzeugen wesentliche Vorteile gegenüber dem Status quo. Sie werden nicht nur den gesamten Fahrzeughersteller- und Zuliefermarkt ändern, sondern auch die Energieinfrastruktur. Dabei können völlig neue Kundensegmente und Märkte entstehen. Technologische Entwicklungen haben dabei exponentielle Wachstumsraten (Seba 2017) (siehe Kapitel 2). Bei Elektrofahrzeugen sind folgende Eigenschaften besonders wichtig: - Reichweite der Fahrzeuge - ökonomische Skaleneffekte - Betankungsdauer - eingesetzte Ressourcen (Live Cycle Assessment) im Fahrzeug - Umweltverträglichkeit In diesem Kapitel werden mobile Anwendungen mit grünem H2 untersucht. Darunter werden alle Fortbewegungsmittel verstanden, die mit H2 betrieben werden können.

Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen

163

Die Systematisierung der mit H2 betriebenen mobilen Systeme erfolgt nach der Art der Fahrzeuge. Tabelle 69 zeigt die Systematik. Tabelle 69:

Mobile Anwendungen

Art

Details

Pkw

Personenkraftfahrzeug

Lastkraftwagen

Schwertransporte, Leichttransporte

Massentransportmittel

Busse, Eisenbahn

Zweiräder

Fahrräder, Motorräder, Roller

Maritime Fahrzeuge

Fähren, Boote, Schiffe in allen Größenklassen

Industrielle Fahrzeuge

Gabelstapler, Transportfahrzeuge, Zugfahrzeuge

Flugzeuge

Private, kommerzielle, militärische, Drohnen

Quelle: Eigene Darstellung.

Dabei sind drei unterschiedliche Antriebsstränge für Fahrzeuge zu unterscheiden: Verbrennungsmotoren, Hybridelektroantriebe und rein elektrische Antriebe. Tabelle 70 zeigt die heutigen und zukünftigen Antriebsstränge für Fahrzeuge im mobilen Bereich.

164

Tabelle 70:

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

Unterscheidungsmerkmale heutiger Antriebsstränge

Merkmale

Verbrennungsantrieb

Hybridelektrisch

Elektrisch

Bezeichnung

ICE

HEV

BEV

REX

FCEV

Definitionen

Internal Combustion Engine

Hybrid Electrical Vehicles

Batterie Electrical Vehicles

Range Extender Electrical Vehicles

Fuel Cell Electrical Vehicles

Antriebsstrang Verbrennungsmotor

Verbrennungs- E-Motor motor und E-Motor

E-Motor und Brennstoffzelle, Verbrennungs- E-Motor motor für Akku Ladung

Treibstoffe

Benzin, Diesel, Benzin Ethanol, Flüssiggas, Erdgas

Emissionen direkt

CO2, NOx, SO2, Feinstaub ppm, Lärm

CO2, NOx, Keine CO2, NOx, Feinstaub ppm, Emissionen, kein Feinstaub, Lärm Lärm Lärm

Treibhausgas indirekt

Wie direkt

Wie direkt

CO2 für die Erzeugung von Elektrizität

Wie direkt und CO2 für die CO2 Elektrizität Erzeugung H2

< 0,4

< 0,8

< 0,7

Wirkungsgrad < 0,2 Durchschnitt

Elektrische Energie

H2 als Energieträger Keine Emissionen, kein Lärm

< 0,5

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Hayes 2018; Kampker 2018; Karle 2017; Reif 2018a, 2018b)

Wasserstoff kann wie bei stationären Anwendungen entweder in konventionellen Wärmekraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) für die Energieumwandlung oder in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Wie in Kapitel 1 gezeigt, werden bei der chemischen Verbrennung von Wasserstoff in Wärmekraftmaschinen oder Brennstoffzellen Wasser und ggf. NOx emittiert. Brennstoffzellen spielen zukünftig die entscheidende Rolle für den Antriebsstrang. Heutige Pkw mit Verbrennungsmotor haben einen durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad von unter 20 %. Dieser hängt von vielen Faktoren ab, wie das Energieflussdiagramm in Abbildung 42 zeigt. Am Ende der Wirkungsgradkette bleiben am Rad noch weniger als 20 % der gesamten Energie übrig. Dieselfahrzeuge haben aufgrund der leicht höheren Effizienz des Verbrennungsaggregats einen etwas höheren Wirkungsgrad.

Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen

165

Abbildung 42: Energieflussdiagramm Verbrennungsantrieb Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Schreiner 2017; Reif 2017)

Zugleich sind Kfz notorisch schlechte Investitionen. Sie werden meist nur eine Stunde pro Tag verwendet, was zu einer Nutzungsrate von unter 4 % führt. Wird berücksichtigt, dass ein durchschnittliches Auto fünf Sitze und eine durchschnittliche Belegungsrate von 1,55 Personen hat, dann beträgt die Auslastung nur 1,3 %. Seit mehreren Jahren sind Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCEV) bereits als Vorserienfahrzeuge auf dem Markt. FCEV haben einen Gesamtwirkungsgrad von > 45 %, sind also doppelt so effizient wie konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsantrieb. Heute dürften weltweit ca. 5.000-6.000 FCEV) im Gebrauch sein und ca. 300 H2-Tankstellen existieren (NOW 2018). Abbildung 43 zeigt die aktuellen Wasserstofftankstellen in Europa. Unter H2 Mobility kann online die aktuellen Informationen der Tankstellen in Echtzeit abgerufen werden.

166

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

Abbildung 43: Aktuelle Wasserstofftankstellen in Europa Stand März 2020 Quelle: H2.live

Im Bereich Nutzfahrzeuge/Lastkraftwagen sind in den letzten Jahren weitere technische Fortschritte in Richtung einer Verwendung von H2 als Antriebsenergiequelle gemacht worden. So sind bereits Serienfahrzeuge auf dem Markt, die mit H 2 als Energieträger bewegt werden. Der Antriebsstrang ist ähnlich aufgebaut wie bei den BrennstoffzellenFahrzeugen (FCEV). Unterschiede bestehen in der Leistung der Antriebsaggregate, der Reichweite (Speichergröße) und darin, dass das Brennstoffzellensystem dieser Fahrzeuge über einen nachgelagerten Batteriespeicher verfügt. Die Vorteile solcher Antriebe gegenüber konventionellen und rein batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeugen sind geringe Emissionen, hohe Drehmomente, hohe Beschleunigung, hohe Reichweite und eine schnelle Betankung. In der Schweiz setzt beispielsweise COOP, ein Lebensmitteldistributor, bereits mit H2 betriebene Nutzfahrzeuge für den Transport von Lebensmitteln ein. Des Weiteren sind ökologische Gesichtspunkte in der Außen- und Selbstdarstellung von COOP besonders wichtig. Die Verwendung von H2 als Treibstoff und deren Vorteile werden vom Marketing des Unternehmens in der Kommunikation mit den Kunden für Werbezwecke eingesetzt.

Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen

167

Im Bereich von Transportsystemen wird bereits eine Vielzahl von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen (wie Busse und Züge) angeboten. Dabei handelt es sich um regional geförderte Projekte, z. B. in Köln und Wuppertal, Hamburg, Oslo, Aberdeen oder London. Toyota möchte bis zu den Olympischen Spielen 2020 in Tokio über 100 Brennstoffzellenfahrzeuge im Einsatz haben und chinesische Hersteller wollen solche Busse und Fahrzeuge für die Olympischen Winterspiele 2022 bereitstellen. Großstädte in China sollen für ihren Personennahverkehr komplett mit E-Fahrzeugen und FCEV ausgestattet werden. In Norddeutschland wurde erstmalig ein Brennstoffzellen-Zug im Auftrag der Landesnahverkehrsgesellschaft (LNVG) in Niedersachsen in Betrieb genommen. Die zunächst gelieferten Züge sind noch Prototypen Fahrzeuge. Alstrom möchte ab 2021 14 zusätzlich Züge liefern. Damit wird die Diesel Zugflotte der EVB ersetzt mit Brennstoffzellen-Züge auf der nicht elektrifizierten Strecke (Bremerhaven). Der Wasserstoff soll zukünftig direkt in Bremervörde hergestellt werden. Im Bereich von Zweirädern wurde, angestoßen durch die Fa. Linde, ein Pilotprojekt mit 100 H2-Bikes gestartet. Maritime Anwendungen mit Brennstoffzelleneinheiten für den Antrieb und die Stromversorgung auf Schiffen werden durch regionale Umweltvorschriften in Häfen und an Küstenzonen aus Umweltschutzgründen immer mehr forciert. Die Feinstaubbelastung durch Umweltgase in Häfen und an Küsten muss daher reduziert werden. Neue Mobilitätskonzepte für Maritime Fahrzeuge müssen entwickelt werden, wie Energie auf den Schiffen umweltfreundlich generiert werden kann. H2-Anwendungen bei Flugzeugen sind bereits weit fortgeschritten. Das erste brennstoffzellenbetriebene Passagierflugzeug (HY4) mit vier Sitzplätzen ist bereits 2017 geflogen. Abhängig von Druckspeicher- und Brennstoffzellengröße hat es eine Reichweite von bis zu 1500 km. Das Flugzeug hat außerdem eine leistungsstarke Lithiumbatterie an Bord, die genügend Kraft für den Start und den Erstanstieg gibt. Nach DLR-Vorstellungen sind Flugzeuge für 100 Passagiere mit einer Reichweite von 1000 km denkbar. Auch können Stromgeneratoren an Bord von Flugzeugen mit H 2 effizienter betrieben werden, als heutige konventionelle mit Kerosin betriebene Generatoren. 6.1.1

E-Fahrzeuge (BEV) versus Brennstoffzellen-Fahrzeug (FCEV)

Während in Deutschland die Automobilindustrie noch mit dem Abgasskandal und Fahrverboten in den Städten beschäftigt ist, haben Länder wie Frankreich, Großbritannien, Österreich und Norwegen angekündigt, zwischen 2030 und 2040 aus dem Markt der Verbrennungsmotoren mit fossilen Energieträgern auszusteigen. China überlegt, im Mobilitätssektor Quoten für E-Fahrzeuge einzuführen. Welche Fahrzeuge (BEV oder FCEV) in der Zukunft eingesetzt werden, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Diese Frage

168

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

ist aufgrund ihrer Komplexität schwierig zu beantworten. Ein Artikel des Reiner Lemoine Instituts vom Mai 2017 beschreibt die kontroverse Debatte, ohne einfache Antworten darauf zu geben (Arnhold 2017). Um für die verschiedenen Technologien der Antriebsstränge eine Bilanzierung der ökonomischen und ökologischen Faktoren vornehmen zu können, werden die beiden Antriebsstränge für E-Fahrzeuge mit chemischen Akkumulatoren und für Brennstoffzellenfahrzeuge genauer betrachtet. Aus den Ergebnissen lassen sich die für den Anwender relevanten Eigenschaften der beiden Systeme ableiten, die auch für die Geschäftsmodelle für Mobilitätsanwendungen maßgebend sein können. Gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben Elektroautos zahlreiche Vorteile: Ihr Elektromotor emittiert keine Schadstoffe, der Antriebsstrang hat einen wesentlich höheren Wirkungsgrad, es gibt keine Geräuschemissionen durch den Verbrennungsvorgang, Wartungsintervalle sind bedeutend geringer, es gibt um das 100-Fache weniger Bewegungsteile für den Antriebsstrang, um ein Vielfaches weniger Teile und geringere Wartungskosten (Seba 2017). Der Nachteil eines Elektrofahrzeugs ist die geringere Reichweite im Vergleich zu konventionell betriebenem Fahrzeug. Ein Elektrofahrzeug muss also häufiger geladen werden. Die Ladezeit ist abhängig von den Batteriesystemen und der Ladestrategie. In Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie wird mehr oder weniger CO2 emittiert. Des Weiteren ist ein elektrochemischer Energiespeicher notwendig, der ein relativ hohes Gewicht hat, Platz benötigt und aus Materialien hergestellt wird, die als ökologisch und ökonomisch bedenklich einzuschätzen sind. Abbildung 44 zeigt die Lieferabhängigkeiten von den für Akkumulatoren (Batterien) in Batteriefahrzeugen (BEV) eingesetzten Materialien.

Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen

169

Abbildung 44: Grundstoffe für die Batterieherstellung Quelle: (KPMG 2019).

Ökonomisch bedeutet diese Materialabhängigkeit von wenigen Förderländer und deren politisch instabilen Situationen, ein hohes Beschaffungs- und Planungsrisiko mit möglichen potentiell hohen Preisschwankungen (Belmer 2019). Dies stellt für Lieferbarkeit und Preisgestaltung von Batterien für E-Fahrzeuge einen hohen Risikofaktor dar. Im Falle von Kobalt als Ausgangsmaterial für heutige Batteriesysteme, stammen diese Ressourcen zu 60% aus dem Kongo. Die ökologischen Nachteile ergeben sich aus der Toxizität und den Herstellungsund Gewinnungsprozesse von Kobalt und Lithium. Das Ziel von Batteriefahrzeugen ist es Energie einzusparen um weniger Treibhausgase zu emittieren. Schaut man sich aber genau die Herstellung von Batteriezellen an, so müssen die ökologischen Auswirkungen mit in das gesamte Mobilitätskonzept mit Batteriefahrzeuge einbezogen werden. Lithium als alkalisches Metall ist meist als Salz gebunden. Im Herstellprozess von Lithium

170

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

in reiner Form werden gewaltige Mengen an Wasser benötigt. Beispielsweise werden bei der Herstellung von 1000 kg Lithium 2 Millionen Liter Wasser benötigt. Da die Salze meist in Wüstenregionen (z.B. Chile) zu finden sind, werden der gesamte Wasserhaushalt ganzer Regionen an den Förderstätten verändert, mit allen Auswirkungen für die Bevölkerung. Die ökologischen Schäden sind beim Abbau von Lithium nicht zu vernachlässigen. Der Wirkungsgrad von Batteriefahrzeugen (BEV) ist signifikant höher als der von einem Fahrzeug mit Verbrennungsantrieb. Abbildung 45 zeigt die Wirkungsgradkette von durchschnittlichen Batteriefahrzeugen (BEV). Der Wirkungsgrad hängt zusätzlich von weiteren Fahrzeugausstattungen (Klimaanlage, Lautsprecher-Systemen, Sitzheizungen etc.) und von der Jahreszeit der Benutzung ab.

Abbildung 45: Wirkungsgradkette batteriebetriebenen Fahrzeuge Quelle: Eigene Darstellung.

Der Schadstoffausstoß von BEV ist positiv zu bewerten (Wietschel 2019). Selbst bei einem elektrischen Energiemix wie in Deutschland sind die Schadstoffemissionen etwas geringer als die von konventionellen Verbrennungsmotoren. Schaut man sich den Lebenszyklus (Life Cycle Assesment) eines Batteriefahrzeuges gegenüber dem eines heutigen Verbrennungsfahrzeug an, so ist die CO 2-Bilanz eines BEV höher. Dies wird aber durch den geringeren Schadstoffausstoß und durch die höhere Energieeffizienz über die Fahrdistanz ausgeglichen (Staiger und Tantau 2019).

Hintergrund zu Mobilitätsanwendungen

171

Abbildung 46: Umweltauswirkungen von Elektroauto und Dieselauto Quelle: Eigene Darstellung.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Beladung mit elektrischem Strom. Je nach Ladedauer wird eine mehr oder weniger große elektrische Leistung an der Ladeinfrastruktur benötigt. Soll beispielsweise ein heutiger 50-kW-Batteriespeicher in 30 Minuten beladen werden (was voraussetzt, dass die Batterien schnellladefähig sind), wird eine Leistung von über 100 kW benötigt. Ein normaler Drehstrom-Hausanschluss in Deutschland ist mit 35 Ampere abgesichert (Staiger und Tanţău 2018a; Budzinski 2018; Belmer 2019). Dies bedeutet bei dreiphasigen Systemen mit 400-V-Wechselspannung eine maximale Leistung von 24 kW bei ohmscher Last. Die Gesamtladezeit für ein solches Elektroauto liegt dann bei ca. 2,5 Stunden. Diese Überlegungen müssen bei der Auslegung von privaten wie auch kommerziellen Ladestationen und der Energieinfrastruktur berücksichtigt werden. Diese Leistungskapazitäten erfordern ggf. neue Übertragungsnetze und Energiewandler (Trans-

172

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

formatoren). Speziell bei heutigen Tankstellen, Parkhäusern oder Haltestellen vor Einkaufszentren, weisen die Anschlüsse nicht die erforderliche Leistungskapazität auf. Unterschiedliche Studien zur Netzinfrastruktur zeigen die Problemfelder auf (Linssen et al. 2018; Li et al. 2016; Kampker 2018; Robinius et al. 2018; Belmer 2019). Aktuell sind ca. 54 Millionen Kraftfahrzeuge unterwegs auf Deutschlands Straßen. Als Beispiel nehmen wir an, dass zukünftig 2 Millionen batteriebetriebene Fahrzeuge beladen werden müssen. Bei einer notwendigen Anschlussleistung von 25 kW (2.5h Ladezeit) wäre dies eine notwendige zur Verfügung stehende Leistung von 50.000 MW oder 50 GW. Das Deutsche Stromnetz hat heute eine zur Verfügung stehenden Leistung von ca. 70 GW. Alleine aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass andere zusätzliche Energiemobilitätskonzepte entwickelt werden müssen. Die Alternative sind Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge. 6.1.2

Brennstoffzellen-Fahrzeug (FCEV)

Brennstoffzellen Fahrzeuge (FCEV) sind ähnlich aufgebaut wie batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV), mit dem Unterschied, dass die Energiequelle H2 über Brennstoffzellen elektrische Energie an den Antriebsstrang (E-Motor) liefert. Somit sind H2-Speicher, BZ und Kraftstoff, Unterscheidungsmerkmale gegenüber batteriebetriebenen Fahrzeugen (BEV) (Klell et al. 2018). Vorteile von Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) sind die höhere Reichweite durch den größeren Energieinhalt im Speicher (Tank) als bei Batterien. Die Energiedichte ist bei FCEV mit einem Druckspeicher mit 700 bar ca. 36 Mal höher als bei heutigen Lithiumbatterien. Sie beträgt ca. 3,6 kWh/kg bei FCEV; bei BEV liegt sie bei 0,12 kWh/kg (Belmer 2019). Die Kosten des Speichers für FCEV sind ca. 18–20 Mal geringer als bei BEV. Ein Vergleich der Effizienz der Speicher für elektrische Energie (Akkumulator/Batterie) und Wasserstoff ergibt einen signifikanten Vorteil für den Wasserstoffspeicher. Dessen Herstellung benötigt deutlich weniger Rohstoffe, Wasser und Energie als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien. Die Speicherkapazität ist höher und die Speicherkosten sind niedriger. Die Kosten eines Batteriespeichers im Vergleich zu einem Wasserstoffspeicher sind um ein vieles geringer (> Faktor 10). Für die Produktion von Wasserstoffspeicher werden keine besonderen Materialien wie Kobalt Lithium etc. benötigt. Ein Wasserstoffspeicher in Massenproduktion ist um ein Vielfaches zukünftig kostengünstiger zu produzieren. (BMWi 2018; Seba 2017; Kurzweil und Dietlmeier 2018) Beim Vergleich der Energieeffizienz von FCEV und BEV ist nicht nur der Antriebsstrang zu betrachten, sondern auch die Effizienz des Energiespeichers. Zu berücksichtigen sind die hohen Kosten, die geringe Reichweite und die geringe Zuladungskapazität von BEV im Vergleich zu FCEV (Staiger und Tanţău 2018a). Aufgrund der physikalischen Unterschiede der Speichertechnologien wird der Vorteil des Wasserstoffspeichers

Forschungsziele

173

gegenüber dem Batteriespeicher in der Massenproduktion zukünftig durch Skaleneffekte weiterwachsen. Abbildung 47 zeigt die Wirkungsgradkette von FCEV.

Abbildung 47: Wirkungsgradketten von Brennstoffzellen Fahrzeuge Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Specht 2017; Schwarzer 2017)

6.2

Forschungsziele

In diesem Kapitel werden die Möglichkeiten für grünen Wasserstoff im Mobilitätssektor aufgezeigt. Aus den möglichen Anwendungen werden mithilfe von Berechnungen, Marktstudien und Trendanalysen wichtige Eigenschaften erarbeitet, die für einen erfolgreichen Einsatz von grünem H2 wichtig sind. Diese Eigenschaften sollen eine Grundlage für Geschäftsmodelle mit grünem H2 im Mobilitätssektor bilden. Dabei wird nicht nur das Nutzenversprechen (Value Proposition) betrachtet und systematisiert, sondern es werden auch die Umrisse einer Ausgestaltung wichtiger Geschäftsmodell-Bausteine erarbeitet, die in einer Beziehung dazu stehen. Dargestellt werden die Mobilitätsanwendungen, mögliche Marktsegmente und zukünftige geschäftliche Opportunitäten. Dazu werden verschiedene mobile Anwendungen auf ihre ökonomische und ökologische Vorteilhaftigkeit untersucht und mit konventionellen Anwendungen verglichen. Bestehende Geschäftsmodelle werden genauer betrachtet und mit Geschäftsmodellen mit grünem H2 verglichen. Mögliche disruptive Situationen und innovative Geschäftsmodelle werden auf ihre Relevanz untersucht. Ökonomische und ökologische Berechnungen einer Well-to-Wheel-Mobilitätsanalyse mit grünem H2 zeigen die unternehmerischen Chancen und Risiken auf. Dabei werden speziell die Prozesse von der Primärenergie für die H2-Erzeugung bis zur Endenergie (Rad) untersucht, um Aufschlüsse über für Nutzer relevante Eigenschaften zu erhalten und diese ggf. in neue Geschäftsmodelle einzubinden und zu bewerten.

174

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

Dabei werden die Fragen danach beantwortet, wo H2-Mobilitätsanwendungen eingesetzt werden können, wo Risiken in der Nutzung von grünem H 2 im mobilen Bereich und die ökonomischen und ökologischen Vorteile solcher Systeme liegen.

6.3

Methoden

Mithilfe eines Well-to-Wheel-Berechnungsmodells werden die verschiedenen mobilen Anwendungen auf ihre ökologische und wirtschaftliche Sinnhaftigkeit geprüft. Die Ergebnisse in Form von spezifischen Eigenschaften werden beschrieben und bewertet. Zusätzlich wird mithilfe verschiedener Studien und Fallbeispiele eine vereinfachte Analyse der verschiedenen möglichen Anwendungen hinsichtlich ihrer Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken (Strengths, Weaknesses, Opportunities, Threats, SWOT) erstellt. Darüber hinaus wäre eine Umweltanalyse in den Bereichen des Politischen (Politics), Ökonomischen (Economics), Gesellschaftlichen (Sozial) und Technologischen (Technological), kurz: PEST-Analyse, möglich, kann hier aber nicht geleistet werden. Aus den Trendanalysen der verschiedenen Leistungen und Produktangebote, des Markts und der Wettbewerber kann ermittelt werden, worin Mehrwerte für Kunden und Nutzer bestehen würden. Diese Nutzenversprechen werden später in die archetypischen Geschäftsmodelle übernommen, die dabei nochmals untergliedert werden können. Um später die verschiedenen Technologien der Antriebsstränge besser vergleichen und verstehen zu können, werden die beiden Antriebsstränge des E-Fahrzeugs mit chemischen Akkumulatoren und des Brennstoffzellenfahrzeugs genauer betrachtet. Die Ergebnisse sind später für die Bilanzierung von ökonomischen und ökologischen Daten wichtig. Daraus lassen sich charakteristische Eigenschaften für den Nutzer ableiten, die für die Geschäftsmodellstrukturen von mobilen Anwendungen maßgebend sind. Für das umweltrelevante Energieumwandlungsmodell mit Wasserstoff (Abbildung 48) sind folgende Parameter für Berechnungszwecke und Vergleiche essenziell: - Effizienz der Primärenergieumwandlung - Art der Primärenergiequellen - Art der Brennstoffzellenanwendung mit Effizienzparametern Die Eingabedaten stammen aus Studien, Forschungsarbeiten und wissenschaftlichen Publikationen.

Methoden

175

ࡽ࢖࢘࢏࢓ࢇ࢘࢟

ࣁ૛

Conversion losses

Primary Energy Source

Secondary Energy Source

Conversion losses

ࣁ૚

ࣁ૜ Final Energy Input Energy

ࡽ࢏࢔࢖࢛࢚

H2 Application Total Environmental Impact

Mobile

Stationary Output energy

ࡽ࢕࢛࢚

ࢀࡱࡵ Losses

ࣁ࢓࢕࢈࢏࢒ࢋ

Losses

ࣁ࢙࢚ࢇ࢚࢏࢕࢔ࢇ࢘࢟

Total Efficiency

ࣁ࢚࢕࢚ࢇ࢒ Abbildung 48: Energiemodell Mobilität Quelle: Eigene Darstellung. Eingangsenergie

Qinput = Qprimary · ൫η1 ൯ ή ൫η2 ൯ ή ሺ1ሻ·…൫ηx ൯

(41)

ηx =conversion losses

Ausgangsenergie Wirkungsgrad Gesamter Wirkungsgrad

ሶ = ෍ Qout + ෍ Qout +…+ ෍ Qout Qout 1 2 n η h2 =

ሶ σ Qout Qout η = ሶ σ Qinput Qinput

ηtotal = ൫η1 ൯ ή ൫η2 ൯ ή ൫η3 ൯·…൫ηx ൯* ηapplication ηtotal =

Gesamter Umwelt Einfluss (TEI)

Qout Qprimary 

TEI= Qprimary · ‫ܱܥ‬ଶ cf

(42) (43) (44) (45) (46)

ܲ‫ = ܨܧ‬Primärer Energie Faktor, ‫ = ݂ܿʹܱܥ‬CO2 Umrechnungsfaktor, ܶ‫ ܫܧ‬ൌ Total Environmental Impact

Grundlage für die Berechnungen sind die in Tabelle 19 dargestellten Wirkungsgrade unterschiedlicher Energieumwandlungsprozesse. Für die CO2-Berechnungen werden die Daten von GEMIS 4.95 (siehe Tabelle 20) verwendet.

176

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

6.4

Mobilitätsanwendungen

6.4.1

Brennstoffzellenfahrzeuge und Elektrofahrzeuge

Für die Untersuchungen im Mobilitätsbereich werden drei Fallstudien betrachtet und wirtschaftliche, ökonomische und technische Vergleiche durchgeführt. Die dabei festgestellten Eigenschaften werden bewertet und als Nutzenversprechen in die möglichen Geschäftsmodelle verwendet. Die Fallstudien haben ein konventionell betriebenes Fahrzeug (VW Golf-Klasse), ein Batteriefahrzeug (TESLA 3, Golf E) und ein Brennstoffzellenfahrzeug (Hyundai NEXO 2018) zum Gegenstand. Zusätzlich wird für BEV und FCEV noch zwischen erneuerbarer Elektrizität und aus dem heutigen Netz bezogener Elektrizität unterschieden. Die Wirkungsgrade und CO2-Äquivalenz-Faktoren sind bereits in Tabelle 20 und Tabelle 19 dargestellt. BEV haben gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor deutliche Vorteile. Ein Verbrennungsmotor hat im Allgemeinen einen Wirkungsgrad (Tank zu Rad) von weniger als 20 % (Karle 2017; Hayes 2018; Kampker 2018), Elektroautos hingegen einen Wirkungsgrad von mehr als 70 %. Die von einem Elektroauto benötigte Kraftstoffmenge beträgt weniger als 70 % von der eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Die Nachteile eines BEV sind die geringe Reichweite, das hohe Gewicht der Batterie, die hohen Investitionskosten, Amortisationskosten, lange Ladezeit und der Einsatz seltener Materialien (Kobalt). Abbildung 49 zeigt den Wirkungsgrad eines gegenwärtigen elektrischen Fahrzeugs.

Abbildung 49: Wirkungsgrad eines elektrischen Fahrzeugs Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (BMWi 2018; Hayes 2018; Kampker 2018).

Das Prinzip eines Brennstoffzellenautos ähnelt dem eines Elektrofahrzeugs. Anstelle einer Batterie liefert ein Tank mit H2 die Energie für das Antriebssystem. Der Wirkungsgrad

Mobilitätsanwendungen

177

(Tank to Wheel) ist aufgrund der Energieverluste der Brennstoffzelle geringer als beim Elektroauto. Im Vergleich zu einem Elektrofahrzeug beträgt der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeuges ca. 50 % (siehe Hyundai NEXO) (Cornel 2015, Tschöke 2015). Abhängig vom Herstellprozess des H2 werden mehr oder weniger Emissionen erzeugt. Abbildung 50 den Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Autos.

Abbildung 50: Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Autos Quelle Eigene Darstellung in Anlehnung an (Hayes 2018; Hirn 2018; Karle 2017; Reif 2018b; Schwarzer 2017; Specht 2017)

6.4.2

Trends bei E-Fahrzeugen und Brennstoffzellen-Fahrzeugen

Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt seit einigen Jahren exponentiell an. Weltweit waren bis heute 2019 insgesamt über 2 Millionen BEV auf den Straßen, in Deutschland gerade mal 65.000 Fahrzeuge. Dies hat, wie bereits erläutert, rechtliche, förderungsbezogene, technische und wirtschaftliche Gründe. Brennstoffzellen Fahrzeuge werden im Moment nur in geringen Stückzahlen auf dem Fahrzeugmarkt angeboten. Aktuell ist dieser Markt noch eine sehr kleiner Nischenmarkt, da die Infrastruktur für Wasserstoff fehlt und durch die geringen Stückzahlen die Fahrzeuge im Vergleich zu Verbrennungsfahrzeuge noch relativ teuer sind. Seit einigen Jahren sind, wie erwähnt, Vorserienfahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik auf den Straßen unterwegs (zurzeit schätzungsweise ca. 5.000- 6.000 weltweit). Bei 75 Mio. neuen Fahrzeugen pro Jahr ist dies aktuell ein verschwindend kleiner Anteil. Toyota, Honda und Hyundai hat mit seinen Modellen MIRA und iX35, NEXO (2018) Fahrzeuge entwickelt, die heute in Serie gebaut werden. Von Mercedes ist seit Ende 2018 mit dem Modell GLC ebenfalls ein Brennstoffzellen Hybrid Fahrzeug (FCEV-Hybridfahrzeug) auf dem Markt. Audi, BMW, VW und weitere Hersteller planen für 2020, Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt zu bringen. Tabelle 71 zeigt heutige Hersteller, die FCEV entwickeln und produzieren.

178

Tabelle 71:

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

Hersteller von Brennstoffzellen-Fahrzeugen

Hersteller F&E Honda Hyundai Toyota Mercedes BMW Audi Riversimpel SAIC Motors Great Wall

Typ Clarity Nexo, iX35 Mira GLC F Cell 3 Serie H Tron Rasa Roewe 950 FCV

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an unterschiedliche Herstellerangaben.

Leistung/Produktangebote Die Produkte und Leistungsbereiche von BEV reichen vom einsitzigen Kleinwagen bis zu Luxusfahrzeugen (TESLA S, X.) mit über 240 kW Leistung. Bei FCEV sind es meist Mittelklassefahrzeuge und seit 2018 auch Fahrzeuge der SUV-Klasse. Die Variationsmöglichkeiten in Technik und Größe sind dort aktuell noch sehr beschränkt. SWOT-Analyse Mobilität Das Instrument der SWOT-Analyse kann bei der Business-Case-Modellierung helfen und mögliche Geschäftsideen auf ihre Tauglichkeit hin prüfen. Zwecks Vergleiches zwischen FCEV und BEC werden in Tabelle 72 die Stärken und Schwächen von FCEV gegenüber BEV aufgezeigt. Mit dieser Art der Analyse können Eigenschaften und wichtige Sachverhalte zu den Antriebstränge abgeleitet werden. Diese können zusätzlich in die Überlegungen zu Value Proposition/Werteversprechen/Nutzenversprechen eingesetzt werden.

Mobilitätsanwendungen

Tabelle 72:

179

Stärken-Schwächen-Analyse von FCEV im Vergleich zu BEV

Stärken

Schwächen

Reichweite

Hohe Investitionskosten

Geringe Tank Zeit

Verfügbarkeit von Fahrzeugen

Geringe Umweltemissionen

Größerer Wartungsaufwand

Geringe Lärmemissionen

Geringere Auswahl an Fahrzeugen

Energiekette mit grünem H2

Energieinfrastruktur

Keine besondere Materialien

Effizienz

Nachhaltigkeit des Produkts Keine Leistungsbeschränkung beim Tankvorgang Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Brand 2012)

6.4.3

Fallstudie 1: Verbrennungsantrieb, E- , und Brennstoffzellen Fahrzeug

Am Beispiel eines konventionellen Fahrzeugs wird im Folgenden die Vorgehensweise für die Berechnung des Gesamtwirkungsgrades und der Primärenergieeinheiten (PEE) in kWh aufgezeigt. Der Gesamtwirkungsgrad errechnet sich aus der Multiplikation aller Wirkungsgrade (Wirkungsgradkette), im ersten Beispiel aus einem Fahrzeugwirkungsgrad von 0,19 (19 %) und einem Primärenergieaufwand für die sekundäre Energiebereitstellung für die Benzinherstellung von 0,82 (82 %). Das ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von 0,16 (16 %) auf den Primärenergieeinsatz (Rohöl). Somit werden für eine Einheit der Ausgangsenergie am Fahrzeug (Wheel) 6,4 PEE (Well) benötigt. Bei 1 kWh an Energie für die Bewegung an den Rädern des Fahrzeugs sind also 6,4 kWh für den Energieumwandlungsprozess vom Rohöl bis zur Rotationsenergie notwendig. Für die Berechnung der CO2-Auswirkungen wird die Menge an PEE mit dem CO2Äquivalent für den entsprechenden Treibstoff (hier Benzin) multipliziert, im vorliegenden Fallbeispiel ergibt dies einen CO2-Ausstoß von 1,84 kg CO2 bei 6,4 kWh eingesetzter Primärenergie. Tabelle 73 zeigt die Berechnungssystematik (Staiger und Tanţău 2018a). Tabelle 73:

PEE und TEI Berechnung Benzinfahrzeug

Prozess

િ 

Primärenergie fossil

PEE kWh

TEI (kg)

6,4

0,288

Benzinherstellung

0,82

5,3

Fahrzeug

0,19

1

Gesamt

0,16

6,4

Quelle: Eigene Darstellung.

1,84

180

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

Diese Systematik wird in gleicher Weise für das BEV wie für das FCEV angewandt Tabelle 74:

PEE und TEI Berechnung BEV fossil િ 

Prozess Primärenergie fossil

PEE kWh

TEI (kg)

5

0,525

Elektrizitätsumwandlung mit Netzverluste netz

0,34

1,7

Fahrzeug

0,59

1

Gesamt

0,20

5

2,61

PEE kWh

TEI (kg)

7,1

0,02

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 75:

PEE und TEI Berechnung BEV EEQ PV િ 

Prozess Primärenergie EEQ EEQ Wirkungsgrad PV

0,24

1,7

Fahrzeug

0,59

1

Gesamt

0,14

7,1

0,14

PEE kWh

TEI (kg)

7,5

0,525

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 76:

PEE und TEI Berechnung FCEV fossil

Prozess

િ 

Primärenergie fossil Elektrizitätsumwandlung mit Verluste Netz

0,34

4

H2 Herstellung

0,63

2,56

Fahrzeug

0,39

1

Gesamt

0,09

7,5

Quelle: Eigene Darstellung.

3,93

Mobilitätsanwendungen

Tabelle 77:

181

PEE und TEI Berechnung FCEV EEQ PV િ 

Prozess Primärenergie EEQ

PEE kWh

TEI (kg)

16,9

0,02

EEQ Wirkungsgrad

0,24

4

H2 Herstellung

0,63

2,56

Fahrzeug

0,39

1

Gesamt

0,06

16,9

0,34

Quelle: Eigene Darstellung.

Diese Systematik wird in gleicher Weise für das BEV wie für das FCEV angewandt. Das Energiemodell in Abbildung 48 verdeutlicht dies als Ablaufdiagramm. Die folgende Tabelle 78 zeigt die berechneten Ergebnisse. Tabelle 78:

Fallstudie 1: Berechnungsergebnisse Fossil

Fossil

EEQ

Fossil

EEQ

Technische Werte

ICE

BEV

BEV

FCEV

FCEV

Gesamtwirkungsgrad ࣁ  von Primärenergie Well to Wheel

0,16

0,2

0,14

0,09

0,06

Energiemenge kWh Primär

6,4

5,0

7,1

7,5

16,9

Energiemenge kWh (Kosten)

5,3

1,7

1,7

4,0

4,0

Umwelteinfluss kg CO2

1,84

2,61

0,14

3,93

0,34

Energieverbrauch/100 km

6,4l

16 kW

16 kW

1 kg

1 kg

Energiespeichergröße

45 l

50 kWh

50 kWh

6.4 kg

6.4 kg

Energiespeicher kWh

400 kWh

50 kWh

50 kWh

213 kWh

213 kWh

Distanz km

700 km

300 km

300 km

640 km

640 km

Energieeffizienz Tank to Wheel kWh/km

0,57

0,17

0,17

0,33

0,33

Tankzeit (bei BEV Hausanschluss)

4 min

2,5h

2,5h

4 min

4 min

Quelle: Eigene Darstellung.

Die folgende Tabelle 79 zeigt ökonomische Berechnungen für die unterschiedlichen Fahrzeuge.

182

Tabelle 79:

Analyse von Mobilitätsanwendungen mit grünem Wasserstoff

Fallstudie 1: Ökonomische Ergebnisse Fossil

Fossil

EEQ

Fossil

EEQ

Technische Werte

ICE

BEV

BEV

FCEV

FCEV

Investitionskosten

20.000

30.000

30.000

60.000

60.000

Treibstoffkosten

1,6 €/l

0,24 €/kWh

0,12€/kWh

6 €/kg

5,0 €/kg

Treibstoffkosten €/kWh

0,18

0,24

0,12

0,18

0,14*

Treibstoffkosten-Trend

>

>





2000 h, Igesamt = gesamte Investitioni = kalkulatorischer Zins für die gesamte Investition 5–10 % (Zinssatz für Eigenkapital und Fremdkapital

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

Märkte für Power-to-X-Anwendungen mit grünem Wasserstoff

215

Abbildung 61: Dynamische Investitionsrechnung Annuitätenfaktor Quelle: (Däumler und Grabe 2014; Däumler und Grabe 2013)

Beispielrechnung: Elektrolyseur 3 MW mit unterschiedlichen Trendparametern Tabelle 87:

LCOE-Berechnungen und Trends

Prozessparameter

Trend 1

Trend 2

Trend 3

Laufzeit der Anlage

20 Jahre

10 Jahre

10 Jahre

Investitionskosten

1000 €/kWh

700 €/kWh

400 €/kWh

Kapitalkosten I0

3.000.000 €

2.100.000€

1.200.000€

5%

5%

5%

Kalkulatorischer Zins i Betriebskosten/Wartungskosten EEQ Wind LCOEwind Leistungsaufnahme Elektrolyseur [P] Betriebsstunden [BS] Wirkungsgrad i*ሺ1+iሻ୲  ୲ǡ୧ = ሺ1+iሻ୲ -1

8%

7%

6%

0,06 €/kWh

0,05 €/kWh

0,04 €/kWh

3.000 kW

3.000 kW

3.000 kW

2.000 h

4000h

4.000 h

70 %

75 %

80 %

0,0802

0,1295

0,1295

୲ ൌ  ୤୧୶ ൅  ୴ୟ୰ ൅  ୩୭ୱ୲ୣ୬

4.8 Mo €

2,9 Mio €

1.5 Mio €

Energiemenge pro Jahr [P*BS]

6.0 Mio kWh

6.0 Mio kWh

6.0 Mio kWh

Energiemenge Input (Laufzeit)

120 Mio kWh

120 Mio kWh

120 Mio kWh

Energiemenge Output (laufzeit)

84 Mio kWh

90 Mio kWh

96 Mio kWh

ሺ ଴ ‫  כ‬ሻ ൅  ୅୬୬୳୧୲¡୲ =  Energie-Gestehungskosten Prozess

0,06 €/kWh

0,035 €/kWh

0,017 €/kWh

0,16 €/kWh

0,10 €/kWh

0,067 kWh

H2 Gestehungskosten LCOEPV/Wirkungsgrad + LCOEprozess Quelle: Eigene Darstellung.

216

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Die LCOE-Berechnungen ermöglichen die unterschiedlichen Erzeugungs- und Kostenstrukturen von Kraftwerken und Prozesse abhängig von Investitionskosten, Nutzungsgrad (Betriebsstunden) und Energiekosten für das Betreiben der Anlagen (Prozesse) aufzuzeigen. Die Kostenstruktur solcher Anlagen ist – wie aus den Berechnungen hervorgeht – standortabhängig. Die Investitionskosten werden sich in der Zukunft durch die höheren Stückzahlen reduzieren (DENA 2018b) , Folgende Faktoren müssen für einen wirtschaftlichen Betrieb solcher Anlagen beachtet werden: Die Erlöse solcher PtG Produkte sind heute noch gering und unwirtschaftlich. Dies liegt an den noch relativ hohen Investitions- und Betriebskosten. Auch sind die Preise für den Energiebezug mit hohen steuerlichen Umlagen belegt wie z.B. die EEG-Umlage. PtG hat ein hohes Potential zur Kostendegression und Effizienz Steigerungen. Die CO 2 Vermeidung existieren keine direkten und sektorenübergreifende Lenkungswirkung zu CO2 Reduzierung. Im Mobilitätsbereich fehlt es an der notwendigen Infrastruktur an Tankstellen.

7.4

Powert- to- X Geschäftsmodelle

Für Power-to-X-Anwendungen gibt es eine Vielzahl von Geschäftsmodellvariationen Anwendungen und mögliche Geschäftsmodelle sind: - Wasserstoffeinspeisung in das vorhandene Gasnetz - Industrielle Anwendungen in der Stahl-, Ammoniak- und Methanol-Herstellung sowie in Raffinerien - Rückverstromung in Brennstoffzellensystemen oder in Gaskraftwerken - Kommerzielle und private Mobilitätsanwendungen (Schiene, Straße, Wasserwege) - Wärmesektor, insbesondere stationäre Brennstoffzellenheizgeräte - Spezialanwendungen wie Notstromversorgungen, unterbrechungsfreie Stromversorgung - Herstellung von Gas und flüssigen synthetischen Kraftstoffen In Kapitel 3 wurden verschiedene Archetypstrukturen von Geschäftsfeldern beschrieben. Es gibt eine Vielzahl von Geschäftsmodellvariationen, abgeleitet aus den archetypischen Geschäftsmodellen der dezentralen und zentralen Erzeugung E1–E5 (vgl. Kapitel 4). Diese sind: - E1: Dezentrale H2-Erzeugung und direkte Verwendung am Ort der Herstellung - E2: Dezentrale H2-Erzeugung und Distribution am Ort der Herstellung - E3: Zentrale Erzeugung von grünem H2, Speicherung und Einspeisung ins Energienetz

Powert- to- X Geschäftsmodelle

217

- E4: Zentrale Produktion zwischen Speicherung und Distribution - E5: Herstellung und Weiterverwendung für synthetische Kraftstoffe Für die Power-to-X-Anwendungen kommen die Archetypen E3–E5 zum Einsatz. Auch die dezentralen Archetypen könnten zu Power-to-X-Anwendungen gezählt werden. Diese sind aber hinsichtlich der erzeugten H2-Menge relativ gering. Ein sinnvoller Umwandlungsprozess erfordert eine ausreichende Größe. Tabelle 88 zeigt eine Vielzahl möglicher Geschäftsmodelle für PtX-Anwendungen auf. Tabelle 88:

Geschäftsmodelle mit PtX-Anwendungen

GM Nr.

Beschreibung

Geschäftsmodellstruktur E3: Zentrale Erzeugung, Speicherung vor Ort und Rückeinspeisung GM E3.1

EEQ PV, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung, Rückverstromung/+Wärme

GM E3.2

EEQ Wind, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung, Rückverstromung/+Wärme

GM E3.3

EEQ Hochtemperatur, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/Wärme

GM E3.4

EEQ Biomasse, Reformer, zentrale Erzeugung H2, Speicherung, Rückverstromung/Wärme

GM E3.5

EEQ (weitere), zentrale Erzeugung H2, Umwandlung mit CO2 in synthetische gasförmige Energieträger + Einspeisung in Gasnetz

GM E3.5

EEQ (weitere), zentrale Erzeugung H2, Umwandlung mit CO2 in synthetische Flüssige Kraftstoffe + Distribution in das Kraftstoffnetz

Geschäftsmodellstruktur E4: Zentrale Erzeugung, Speicherung und Distribution GM E4.1

EEQ (verschiedene), zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung, Distribution

Geschäftsmodellstruktur E5: Zentrale Erzeugung H2, Erzeugung von PtX und Speicherung GM E5.1

EEQ, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Umwandlung Methan mit CO2, Speicherung

GM E5.2

EEQ, zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Umwandlung Flüssigkraftstoff

Quelle: Eigene Darstellung.

Jeder dieser Anwendungen hat spezifische Vor- und Nachteile. In Tabelle 89 sind diese exemplarisch aufgezeigt. Diese sind hilfreich für die Betrachtung der Nutzenwerte von speziellen Eigenschaften.

218

Tabelle 89:

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Vergleich PtX-Prozessen

Vorteile

Nachteile

Speichermenge beliebig skalierbar

Hohe spezifische Investitionskosten

Herstellung unterschiedlicher synthetischer Kraftstoffe

Wirkungsgradkette für synthetische Kraftstoffe ineffizient

Synthetische Kraftstoffe kompatibel mit heutigen H2-Infrastruktur begrenzt vorhanden Gasversorgungsnetzen und Tankstellen (Tankstellen, Speichersysteme, Distributionsnetzwerke) CO2-neutraler Einsatz, falls synthetischer Treibstoff mit EEQ hergestellt

Steuern, Umlagen heutiger Stromkosten

Sektorenkopplung für Strom, Wärme, Mobilität mit den Treibstoffen möglich

Gestehungskosten EEQ noch zu hoch durch Investitionskosten und EE Potenziale

Effizienzsteigerung durch höhere Keine langfristigen politischen, rechtlichen Umwandlungswirkungsgrade, Abbau ineffizienter Regelungen alter Kraftwerke Beim Einsatz synthetischer Kraftstoffe konventionelle Motorentechnik möglich

H2 Einspeisung ins Gasnetz Einspeisung begrenzt durch Gasverbrauch

Dekarbonisierung in den Energiesektoren Verminderung der Abregelung von EE-Anlagen öherer Wirkungsgrad bei direkter Herstellung von H2, Investitions- und Betriebskosten geringer, geringerer Flächenbedarf Quelle: Eigene Darstellung.

Power to Gas Anwendungen sind im zukünftigen Energienetz das Schlüsselsystem. Diese Technologien ermöglichen die Verbindung von volatilen EEQ in die Versorgungsnetze mit Hilfe generierten grünem Gas. Dazu werden Speichertechnologien benötigt, um die fluktuierenden Bedarf- und Erzeugungsverläufe auszugleichen. Abbildung 59 zeigt die in Anhängigkeit von Energiemenge und Speicherverweilzeit infrage kommenden Speichertechnologien. In der Abbildung 62 werden die Speicherkapazitäten für mögliche Power- to- Gas Anwendungen mit (H2) sowie synthetisches Gas ersichtlich. Dies sind in der Zukunft die einzigen Möglichkeiten, Energie in ausreichender Menge für eine Transformation hin zu einer erneuerbaren Energie-Infrastruktur zu speichern und zeitlich zu verteilen.

Powert- to- X Geschäftsmodelle

219

Abbildung 62: Speichersysteme Quelle: (Sterner und Stadler 2017; Zapf 2017)

Beispiele Multifuel-Tankstelle Bei Tankstellensystemen für Mobilitätsanwendungen werden in den letzten Jahren modulare Konzepte angeboten. Diese Modularität kommt auch bei dezentralen Systemen zur Anwendung, die nur durch erneuerbare Energiequellen betrieben werden. Die Modularität der einzelnen Bestandteile, wie Verdichter, Elektrolyseur und Speichermedien, reduziert die Komplexität so weit, dass Wasserstofftankstellen heute einfach aufzubauen sind. Der Ausbau des Wasserstofftankstellennetzes wird durch verschiedene Konsortien (Automobilindustrie, regierungsnahe Einrichtungen) mithilfe von öffentlichen Subventionen vorangetrieben. Vorreiter sind hier nordische Länder wie Schweden und Dänemark. In Deutschland sollen bis Ende 2019 100 Tankstellen zur Verfügung stehen; 2023 soll es flächendeckend 400 Stationen geben. In Japan ist es ein Vielfaches mehr, da die japanische Autoindustrie H2 als Treibstoff favorisiert. Auch in den USA, speziell in Kalifornien, sind bereits Infrastrukturen (Cluster) für H2 aufgebaut. Speziell im Bereich der H2-Infrastruktur ist die Problematik ersichtlich, dass es ohne Tankstellen keine Nachfrage an mobilen Anwendungen geben wird, während ohne diese Anwendungen kein Bedarf an Befüll Systemen besteht. Dieser Teufelskreis kann nur durch Regelungen unterbrochen werden, in Deutschland durch ein Konsortium von Automobilherstellern, Gasherstellern und Regierung, des Weiteren durch Forschungsprogramme und Fördergelder.

220

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Ein aktuelles vom ZSW durchgeführtes Forschungsvorhaben hat Multienergiezapfsäulen zum Gegenstand, wie sie in Abbildung 62 dargestellt sind. Die Tankstelle soll dabei drei Ressourcen aus EEQ (elektrische Energie, Wasserstoff, Erdgassubstitut) zur Verfügung stellen. Aufgebaut wird dieses System in einem Stadtteil als Pilotprojekt mit vollständiger erneuerbarer Energieversorgung. Die Grundidee ist die stufenförmige Nutzung der verschiedenen EEQ. Dabei wird versucht, den größtmöglichen Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Der erste Umwandlungsprozess führt immer elektrische Energie direkt den Speichern der mobilen Fahrzeuge oder einem anderen Batteriespeicher zu. Falls Überschussenergie vorhanden ist, wird H2 produziert und für die Brennstoffzellenfahrzeuge bereitgestellt bzw. gespeichert. Sollte weitere erneuerbare Energie zur Verfügung stehen, wird Methan aus Wasserstoff und CO2 produziert und gespeichert. Wenn Überkapazitäten vorliegen, wird das Methangas in das Gasnetz eingespeist. Zusätzlich kann die bei der Umwandlung anfallende Wärmeenergie genutzt werden. Dieses Verfahren steigert weiter die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage.

Abbildung 63: Multifuel-Tankstelle Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an ZSW Stuttgart Multienergiezapfsäule

Beispiel Speicherung von Überstromkapazitäten in grünem H2 mithilfe von ArbitrageEffekten Seit geraumer Zeit wird Strom an der Energiebörse in Leipzig gehandelt. Wie auf Aktienmärkten gibt es einen Terminmarkt der über langfristigen Verträge verfügt. Der zweite Markt ist der sogenannte Spotmarkt der sich kurzfristig je nach Angebot und Nachfrage ändert. Dieser Preis ändert sich beispielsweise bei einem Überangebot von Strom aus

Powert- to- X Geschäftsmodelle

221

erneuerbaren Energien, falls beispielsweise die Sonne scheint und gleichzeitig starker Wind herrscht. Durch das Überangebot fällt der Preis für Energie an der Energiebörse. Im Terminmarkt werden Verträge über Jahre geschlossen und bilden eine Art solide Grundversorgung für die Teilnehmer. Tabelle 90: Lfd. Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Nutzenwerte/Kundennutzen Power- to- X Anwendungen

Wertenutzen (Value Proposition) Input H2 Energiepreis Cent/kWh Grüne Energie EEQ vorhanden Geringe EEQ-Gestehungskosten Konstante Energienachfrage Lange Betriebsdauer/Laufzeiten CO2-Quelle vorhanden Konstante Energiequellen Wartungsarme Betriebsweise Wirtschaftliche Herstellung von H2 Hohe Effizienz der Umwandlungsprozesse Keine Umweltemissionen Investitionskosten Zuverlässigkeit Kunde möchte garantierte Stromversorgung geringe Lärmemissionen Geringe Output-Energiekosten Total Operation Cost (TOC) gering Hoher Sicherheitstandard 24/7 Energieverfügbarkeit Lange Lebensdauer Einfache Bedienung Temperaturbereich Verfügbarkeit der EEQ Zuverlässigkeit Betriebssicherheit niedrigere Belastungen in Form von Steuern und Abgaben Staatliche Förderprogramme Abnahme und Sicherheitsaspekte Standort

Quelle: Eigene Darstellung.

222

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Kopernikus Forschungsprojekt Mit dem Kopernikus-Projekt wird eine Forschungsplattform mit dem Ziel aufgebaut, mittels EEQ stoffliche Ressourcen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Synthesegase effizient zu erzeugen, zu speichern, zu verteilen und in Endprodukte umzuwandeln (Ausfelder F. 2018). Es soll die flexible Nutzung von volatilen erneuerbaren Energien mit Powerto-X-Anwendungen im großen Maßstab zeigen. Die elektrische Energie der EEQ soll für stoffliche Umwandlungen in Energiespeicher, Energieträger (einschließlich Kraftstoffe für den Mobilitätsbereich) und Chemieprodukte mit hoher Wertschöpfung genutzt werden. Eines der Ziele ist es, technologische Lösungen und Prozesse anzubieten, die wirtschaftliche, ökonomische und gesellschaftliche Vorteile bieten. Insbesondere soll die Dekarbonisierung des heutigen Energiesystems unterstütz werden, um die Energiewende zu verwirklichen.

7.5

Zusammenfassung

7.5.1

Grundsätzliches zu Powert-to-X Anwendungen

Der Power-to-X-Bereich ist ein neuer Marktbereich mit einem hohen Wachstumspotenzial. Die darunter gefassten Prozesse der Umwandlung oder Speicherung von überschüssigen erneuerbaren Energien sind essenziell für die Energiewende. Die Variationsmöglichkeiten sind dabei sehr vielseitig, und in ihrer Auswahl von den Eingangsbedingungen und dem Kundennutzen abhängig. Die Prozesse werden sich je nach Region unterscheiden. In Regionen mit viel Wind (z. B. an den Küsten) wird vor allem Windkraft als EEQ genutzt werden, in Regionen mit viel solarer Einstrahlung und ggf. gleichzeitigem starkem Wind kommt eine Kombination von Systemen (hybride Systeme) zum Einsatz. Ob eine zentrale oder dezentrale Anwendung gewählt wird, hängt von den Infrastrukturbedingungen vor Ort ab. Je nach steuerlichen Vorgaben und Umlagen werden auch Systeme mit Netzanschluss und Kombinationen aus EEQ entstehen. Je nach Bezugskosten – die sich zeitlich kurzfristig ändern können – werden unterschiedliche Elektrizitätsquellen eingesetzt. Voraussetzung für die Herstellung von grünem H2 ist eine erneuerbare Energiequelle. Ideal wären dezentrale Systeme, die lokale EEQ zur Erzeugung, Speicherung und Nutzung von grünem H2 lokal nutzen würden. Das Nutzenangebot soll darauf abzielen, die Bedürfnisse der Kunden zu befriedigen und Kundenprobleme zu lösen. zeigt eine Zusammenfassung der wichtigsten Kundennutzen von PtX-Anwendungen. 7.5.2

Geschäftsmodell Bausteine zu Powert to X Anwendungen

Aus dieser Vielzahl von Nutzenversprechen wird im Folgenden eine zusätzliche Liste von möglichen Ausgestaltungsformen für die unterschiedlichen Bausteine eines zukünftigen

Zusammenfassung

223

Geschäftsmodells mit grünem H2 erstellt. Diese Liste wird in den weiteren Forschungsarbeiten verfeinert und aktualisiert. Baustein: Nutzenversprechen PtX-Systeme mit grünem H2 können eine Vielzahl von Nutzenversprechen bereithalten (siehe Tabelle 86). Tabelle 91:

Bausteine und charakteristische Eigenschaften Power-to- X Anwendungen

Baustein Kundensegment

Eigenschaften H2 als grüner Energieträger für die Weiterverarbeitung zu künstlichen Kraftstoffen und die Verwendung in chemischen Prozessen wird bereits in vielen Pilotanlagen erfolgreich verwendet. Es gibt weltweit verschiedene Projekte mit unterschiedlichen Technologien, Ausbringungsmengen und Leistungen. Heute sind in Deutschland Pilot-Anlagen mit einer Leistung von rund 34 MW installiert bzw. geplant [DENA-01 17]. Um Kostenreduktions-potenziale und technische Machbarkeit aufzuzeigen, ist jedoch ein Vielfaches der aktuellen Anlagenleistung notwendig. Zukünftige Kundensegmente sind u.a. chemische Industrie, Stahlindustrie, Energieversorger, Kommunen, Hauseigentümergesellschaften, Quartiere Nutzenversprechen Siehe Tabelle 80, Tabelle 85 heutige Datenbasis mit Selektion auf Ökologie und Nachhaltigkeit, Fördermittel Kanäle Geber, direkte Ansprache an mögliche Intressenten, Selektion möglicher Kundenkreise und direkte Ansprache, direkte Kanalwahl über eigene Datenbasis, Nischenmärkten: direkte Kommunikationskanäle, da intensive Kundenkontakte notwendig KundenPersönlicher Kontakt, individuelle Unterstützung beziehungen Einnahmequellen Produktion von Treibstoffen, Co2–Zertifikate, All-inclusive-Finanzierung, Bezahlung über Energieverbrauch, Kundenbindung über Vertrag mit Wartung SchlüsselRessourcen sind der Schlüssel zu Wertangeboten. Gerade einmalige und spezielle ressourcen Ressourcen sind wichtige wirtschaftliche Faktoren, die Unternehmen befähigen, sich mit einem Alleinstellungsmerkmal, einer Unique Selling Proposition, gegenüber dem Mitwettbewerber abzugrenzen. Kernkompetenzen sind daher ein wichtiger Bestandteil eines erfolgreichen Geschäftsmodells. Kernkompetenzen von Unternehmungen können in unterschiedlicher Weise auftreten, beispielsweise als Lizenzen, Patente, produktionstechnische Anlagen, Fertigungsmethoden, finanzielle Ressourcen oder Know-how von Mitarbeitern. SchlüsselSchlüsselaktivitäten sind entscheidend für das GM, diese sind die Grundlage für aktivitäten den Nutzen des Kunden. Leistungen sollten vom Unternehmen schneller besser, günstiger etc. umgesetzt werden als gegenüber den Mitwettbewerber. Schlüsselpartner- technologische Partnerschaften, Kooperationen mit Unternehmungen die H2 schaften Bauteil-Komponenten entwickeln und liefern Unternehmungen sind in vielen Fällen auf Lieferanten, Absatzmittler oder andere Partner angewiesen. Deren unterschiedliche Kompetenzen und Ressourcen tragen zur Erbringung eines Kundennutzens und zur Erstellung eines besonderen Wertangebots bei. Ohne technologische Partner sind mit Produkte mit grünem H2 kaum realisierbar. Nischenmärkte erfordern ausreichende finanzielle Ressourcen, damit Kostenstruktur Unternehmen die Aufwendungen und Risiken mit den zukünftigen geplanten Einnahmen ausgleichen können. Den Einnahmen stehen Kosten für notwendige Waren, Güter und Ressourcen gegenüber. Kostensenkungspotenziale müssen

224

Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Baustein

Eigenschaften aktiv verfolgt werden, um marktfähige Preise zu bieten. Umsichtige Investitionen entscheiden über das Verhältnis zwischen Ertrag und Aufwand und somit über die Überlebensfähigkeit des Unternehmens.

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013)

7.5.3

Zwischenresümee PtX-Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Im folgenden Kapitel wurden Fragen beantwortet was man unter Powert- to- X Prozesse versteht und wie diese essentiell für die Energiewende und dem Einsatz EEQ notwendig ist. Dabei wurde der Frage nachgegangen wie wichtig dabei grüner Wasserstoff spielt. Power- to -X Anwendungen sind die Grundlage für eine sektorenübergreifende Transformation von einer kohlenstoffbasierenden Energieinfrastruktur zu einer auf erneuerbarer Energie basierenden Struktur. Mit dieser Transformation können die vorgegebenen Ziele der Treibhausgasminimierung und des Stopps des fortschreitenden Klimawandels durch menschliche Aktivitäten erreicht werden. Nicht nur der Klimawandel durch anthropogene Gase auch die auch die durch Schadstoffe und Umweltverschmutzung verursachten Kosten im Gesundheitswesen können dadurch beeinflusst und verringert werden. Des Weiteren wurde die Frage nach den unterschiedlichen Anwendungen beantwortet und die ökonomische und ökologische Vorteilhaftigkeit solcher Prozesse. Aktuell sind Anwendungen von Power- to- X Prozessen mit grünem Wasserstoff noch selten. Zum einen fehlen noch die wirtschaftlichen Herstellprozesse, zum weiteren die Anwendungen und die Infrastruktur mit grünem Wasserstoff. Die technologischen Prozesse und Technologien wären heute bereits marktreif. Aktuelle Studien zeigen enorme Marktpotenziale, technologische Weiterentwicklungen und ökonomische Machbarkeit dieser Prozesse auf. Mit diesen Power- to- X Prozessen zur Herstellung von Wasserstoff und der Weiterverarbeitung in die unterschiedlichsten Energieformen und Energieträgern wie grünes Methan, synthetischer Treibstoff und grüner Wasserstoff steht eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten für eine nachhaltige Energieinfrastruktur ohne CO 2 Emissionen zur Verfügung. Power to X Prozesse bilden eine zukunftsweisende Technologie, die eine weltweite Substitution von kohlenstoffbasierten Energieträgern durch erneuerbare Energieträger und den Übergang in eine entsprechende Energie-Infrastruktur ermöglicht. Diese Infrastruktur kann mit Hilfe von Powert- to- X Anwendungen energetisch unabhängig, verlässlich, ökonomisch und ökologisch sicher aufgebaut werden. Es gibt eine Vielzahl von Eigenschaften, die für mögliche Geschäftsmodelle von PtX Anwendungen von Bedeutung sind. Diese wurden mit Hilfe von Berechnungen und Studien aufgezeigt.

8

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

8.1

Hintergrund der Studie

Das Ziel der empirischen Studie ist es, auf Fragen zur Bewertung von Geschäftsmodellen für H2 als grünen nachhaltigen sekundären Energieträger in den Bereichen stationäre und mobile Anwendungen, Antworten zu erhalten. Diese Antworten dienen dazu die in den Kapiteln durchgeführten Berechnungen, Analysen aus Studien und Argumentationen mit empirischen Erhebungsdaten zu vergleichen und so zu bewerten. Die Daten stammen aus einer Befragung von Wasserstoff Experten. Abgeleitet von dem zentralen Ziel dieser Arbeit – der Prüfung und Bewertung von stationären und mobilen Anwendungen mit H2 als grünem sekundärem Energieträger in Bezug auf die Eigenschaften von Geschäftsmodelle – wird der Frage nachgegangen, wie heutige Anwendungen mit grünem H2 aussehen und wie diese zukünftig gestaltet und entwickelt werden können. Ziel der empirischen Untersuchung ist es, Hypothesen zu überprüfen. Die Hypothesen sollten wissenschaftlichen Kriterien wie Operationalisierbarkeit, Widerspruchsfreiheit und Falsifizierbarkeit entsprechen. Für die Befragung wurde ein Fragebogen an über 150 Wasserstoff Experten aus einem internationalen H2-Experten-Netzwerk versandt. 40 Experten für H2 haben dabei die Fragen beantwortet. Die Antworten wurden zunächst auf Vollständigkeit geprüft und in ein SPSS kompatibles Datenformat gewandelt. Zugleich wurde der Datensatz für Excel konvertiert. Zum Einsatz kommt die Software SPSS Version 5.6 von IBM. Aus dem Datensatz wurden deskriptive Ergebnisse und Inferenz Statistiken erstellt. Deskriptive Statistik ist als die Gruppe statistischer Methoden zur Beschreibung von Daten anhand statistischer Kennwerte, Grafiken, Diagramme und Tabellen zu definieren Inferenzstatistiken werden für die Überprüfung von Hypothesen verwendet. Die Inferenzstatistik („schließende“ Statistik) schließt von dem in einer Stichprobe erhobenen Datensatz auf die Werte in der Population. Bei der Auswertung der Daten und der Bewertung der Resultate ist besondere Sorgfalt notwendig, um die Ergebnisse der Untersuchung korrekt zu interpretieren. Das Vorgehen und die Auswahl der statistischen Verfahren müssen deshalb immer begründet und dokumentiert werden. Die Expertenfragen wurden aus den Forschungsfragen und Subthemen abgeleitet. Diese Fragen sind dann in Themenbereiche unterteilt worden. Damit ist gewährleistet, dass die Fragen eindeutig beantwortet werden können und es nur geringe Überschneidungen gibt.

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_8

226

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Zusätzlich werden die empirischen Daten durch Tabellen und Grafiken deskriptiv dargestellt. Mit Hilfe dieser Daten werden Zusammenhänge und nicht bekannte Strukturen aufgezeigt und ggf. neue Hypothesen generiert.

8.2

Fragendesigns

Die Antworten auf die Fragen sollen u. a. in Korrelation zueinander gesetzt werden. Daher wurde bei der Formulierung der Expertenfragen Wert daraufgelegt, dass diese einfach, eindeutig, verständlich, kurz und präzise, neutral, zielgruppengerecht und nicht suggestiv sind. Die Antwortvorgaben sollten alle Möglichkeiten berücksichtigen und überschneidungsfrei, wertungsfrei, klar und eindeutig sein. Da die Befragung mit Experten durchgeführt wurde, enthalten die Fragen teilweise spezifische Darstellungen oder Erwähnungen von statistischen Bewertungen, objektiven Sachverhalten und aktuellen Ereignissen. Insgesamt wurden aus der Forschungsfrage und den Hypothesen 21 Fragen zum Thema entwickelt. Die Fragen sind im Anhang nochmals dargestellt. Die erste Fragengruppe betrifft Informationen über die Experten. Bei der ersten Frage wird erfragt, ob fossile Energieträger nach Ansicht des Befragten in der Zukunft noch eine Rolle spielen werden. Bei der zweiten Frage geht es darum, wie gut die Kenntnisse der Experten im Bereich H2 und Anwendungen sind. Hier stehen fünf Antwortmöglichkeiten (von sehr gut bis keine) zur Auswahl. Bei der dritten Frage sollen die Experten angeben, in welcher Region sie arbeiten. Hier werden fünf Regionen unterschieden (North America, Australia, East Europe, Asia oder others). Bei der vierten Frage geht es um den Technologiebereich, in dem die Experten arbeiten. Hier werden sechs Arbeitsgebiete unterschieden (z. B. Regierungsorganisationen, Power- to- X Anwendungen, stationäre H2 Systeme, mobile H2 Systeme...) Die fünfte Frage erfragt, wie lange die Experten bereits im H2-Bereich arbeiten. Sie können aus sechs Antwortmöglichkeiten wählen: von 0 – 0,05. Hilfestellung zur Verbalisierung von Zusammenhangsgrößen: Wenn Signifikanz (2-seitig) = p < oder = 0,05, dann ist die Korrelation (Zusammenhang) statistisch signifikant Wenn Signifikanz (2-seitig) = p > 0,05, dann ist die Korrelation (Zusammenhang) statistisch nicht signifikant Eine (Null-) Hypothese (H0) ist eine Aussage, die die Grundsituation wiedergibt, wonach z. B. kein bestimmter Effekt oder Zusammenhang vorliegt. Die Gegenhypothese behauptet das Gegenteil und kann somit gegenüber H0 nie gleich sein. Es gibt in einer Ja/Nein-Befragung zwei mögliche Ergebnisse. Liegt eine solche Konstellation vor, kann die Binomialverteilung genutzt werden, um komplizierte Rechnungen mit einer kurzen Formel zu lösen. Beispiel Ergebnis Frage 1 H0: Fossile und nukleare Energieträger sind zukünftig nicht mehr notwendig! Das H0-Kriterium lautet: >= 80 % der Befragten stimmen mit Ja. H1 als Gegenhypothese lautet: 33 Probanden mit Ja antworten, ist Hypothese H0 glaubhaft.

Im Folgenden sind 3 aufgestellte Hypothesen im Detail beschrieben. Tabelle 82 zeigt die aufgestellten Hypothesen zu H2 als grünem sekundärem Energieträger für die unterschiedlichen Anwendungen 8.5.4

Beispiel 1: Hypothese Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeug

Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Brennstoffzellenfahrzeuge werden den zukünftigen Transport- und Mobilitätsmarkt dominieren Wie beurteilen Sie die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen Aus der Kreuztabelle ist Folgendes ersichtlich: Tabelle 93:

Kreuztabelle BEV/FCEV Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen JA

Wie denken Sie über die JA Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Brennstoffzellenfahrzeuge werden den zukünftigen Verkehrs- und Mobilitätsmarkt dominieren

Anzahl % innerhalb von Wie denken Sie über die Zukunft von Batterieund Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellen Auto durchsetzen

NEIN Anzahl % innerhalb von Wie denken Sie über die Zukunft von Batterieund Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen Gesamt

Anzahl % innerhalb von Wie denken Sie über die Zukunft von Batterieund Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen

Gesamt

NEIN

13

2

15

72,2%

14,3%

46,9%

5

12

17

27,8%

85,7%

53,1%

18

14

32

100,0%

100,0%

100,0%

Hypothesen Test

259

13 der insgesamt 15 Personen, die bei dem Item „Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brenn-stoffzellenfahrzeugen? Brennstoffzellenfahrzeuge werden den zukünftigen Verkehrs- und Mobilitätsmarkt dominieren” die Antwort Ja angekreuzt haben, haben auch bei Item „Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen” als Antwort Ja gewählt. Lediglich 2 Personen haben die Frage „Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen“ mit Nein beantwortet, nachdem sie die erstgenannte Frage mit Ja beantwortet haben. Von den insgesamt 17 Personen, die die Frage „Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen” mit Nein beantwortet haben, haben 12 Personen auch die Frage „Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen” mit Nein beantwortet. Lediglich 5 Personen, die die erstgenannte Frage mit nein beantwortet haben, haben die Frage „Wie denken Sie über die Zukunft von Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen? Wirtschaftlich wird sich das Brennstoffzellenauto durchsetzen“ mit Ja beantworte. Es lässt sich anhand der Kreuztabelle daher ein Zusammenhang vermuten.

Abbildung 103: Vergleich

260

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Die Antworten der beiden Variablen sind im gruppierten Balkendiagramm ebenfalls beobachtbar. Ob die Vermutung eines Zusammenhanges stimmt, hängt von dem nachfolgenden Phi-Test ab. Fazit: Aus dem Phi-Test (Phi = 0,576) wird ersichtlich, dass ein mittlerer und positiver Zusammenhang zwischen beiden nominalen Variablen existiert. Tabelle 94:

Phi Test

Symmetrische Maße Nominal- bzgl. Nominalmaß Anzahl der gültigen Fälle

8.5.5

Wert

näherungsweise Signifikanz

Phi

,576

,001

Cramer-V

,576

,001

32

Beispiel 2: Hypothese Umweltfreundlichkeit und FCEV

Forschungsfrage 1: Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Wichtigkeit der Umweltfreundlichkeit von H2 als erneuerbare Energiequelle und Brennstoffzellen Fahrzeuge mit dem größten Potential im Transport- und Mobilitätsbereich betrieben mit grünem H2? Hypothese A: Wichtigkeit von Umweltfreundlichkeit von H2 als erneuerbare Energiequelle ist hoch Hypothese B: Brennstoffzellenfahrzeuge haben das größte Potenzial im Transport- und Mobilitätssektor mit H2 als erneuerbarem Energieträger Variable 1: „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Wichtigkeit der Umweltfreundlichkeit von grünem H2?" Variable 2: „Wo sehen Sie das größte Potenzial im Transport- / Mobilitätssektor mit H2 als erneuerbarem Energieträger? Mit grünem H2 betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge haben das größte Potential“

Hypothesen Test

261

Nullhypothese H0= Es existiert kein positiver Zusammenhang zwischen Variable „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Umweltfreundlich “ und Variable „Wo sehen Sie das größte Potenzial im Transport- / Mobilitätssektor mit H2 als erneuerbarem Energieträger? Brennstoffzellenfahrzeuge “ Alternativhypothese H1= Es existiert ein positiver Zusammenhang zwischen Variable „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Umweltfreundlich” und Variable „Wo sehen Sie das größte Potenzial im Transport- / -Mobilitätssektor mit H2 als erneuerbarem Energieträger? Brennstoffzellen Fahrzeuge“ Tabelle 95:

Kreuztabelle Umwelt und FCEV

Korrelationen Wie wichtig ist es nach Wo sehen Sie das dem allgemeinen größte Potenzial im Transport- / Wertversprechen, H2 als erneuerbare Mobilitätssektor mit Energiequelle zu H2 als erneuerbarem Energieträger? nutzen? BrennstoffUmweltfreundlich zellenfahrzeuge

,447*

Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Umweltfreundlich

Korrelation nach Pearson

30

30

Wo sehen Sie das größte Potenzial im Transport- / Mobilitätssektor mit H2 als erneuerbarem Energieträger? Brennstoffzellenfahrzeuge

Korrelation nach Pearson

,447*

1

Signifikanz (2-seitig)

,013

1

Signifikanz (2-seitig) N

N

,013

30

34

*. Die Korrelation ist auf dem Niveau von 0,05 (2-seitig) signifikant.

Aus der Korrelationstabelle wird ersichtlich, dass die Variablen „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Umweltfreundlich “ und „Wo sehen Sie das größte Potenzial im Transport- / Mobilitätssektor mit H2 als erneuerbarem Energieträger? Brennstoffzellenfahrzeuge“ einen positiven linearen Zusammenhang haben, da p = 0,013 und somit kleiner als 0,05 ist. Das bedeutet: - H0 kann abgelehnt werden. - H1 wird angenommen.

262

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Der Zusammenhang (Korrelation) ist statistisch signifikant, da p< 0,05 beträgt. Es existiert daher ein positiver Zusammenhang zwischen den beiden untersuchten Variablen. Da r = 0,4472 beträgt wird der Zusammenhang anhand der bereits vorgestellten Einteilung als mittel eingestuft. Aus der Korrelation lässt sich durch Quadrieren das Bestimmtheitsmaß berechnen: Bestimmtheitsmaß = r2 Für das Beispiel ergibt dies:

r2 = 0,44722 = 0,199

Multipliziert man diesen Wert mit 100, so ergibt sich ein Prozentwert. Dieser gibt an, welcher Anteil der Varianz in beiden Variablen durch gemeinsame Varianzquellen determiniert wird. Für das Beispiel beträgt der Anteil der gemeinsamen Varianz 19,9%.

Abbildung 104: Linearer positiver Zusammenhang Quelle: Eigene Darstellung

Die Grafik veranschaulicht ebenfalls den linearen und positiven Zusammenhang der beiden untersuchten Variablen. Hohe Werte der einen Variablen gehen mit hohen Werten der anderen Variablen einher und umgekehrt. Niedrige Werte der einen Variablen gehen mit niedrigen Werten der anderen Variablen einher und umgekehrt.

Hypothesen Test

8.5.6

263

Beispiel 3: Hypothese Umweltfreundlichkeit und unbegrenzte Energiequelle

Forschungsfrage: Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Wichtigkeit der Umweltfreundlichkeit von H2 als erneuerbare Energiequelle und dem Nutzwertversprechen, dass grüner H2 unbegrenzt verfügbar ist? Hypothese A: Die Wichtigkeit von Umweltfreundlichkeit von H2 als erneuerbare Energiequelle ist hoch Hypothese B: Die Wichtigkeit des Werteversprechens der unbegrenzten Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff ist hoch Variable 1: „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Umweltfreundlich" Variable 2: „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? H2 praktisch unbegrenzt verfügbar“

264

Tabelle 96:

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Kreuztabelle Umwelt und Nachhaltigkeit

Korrelationen Wie wichtig ist es Wie wichtig ist es nach dem nach dem allgemeinen allgemeinen Wertversprechen, Wertversprechen, H2 H2 als erneuerbare als erneuerbare Energiequelle zu Energiequelle zu nutzen? H2 praktisch nutzen? Umweltfreundlich unbegrenzt verfügbar Wie wichtig ist es nach Korrelation nach Pearson dem allgemeinen Signifikanz (2-seitig) Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle N zu nutzen? Umweltfreundlich Wie wichtig ist es nach Korrelation nach Pearson dem allgemeinen Signifikanz (2-seitig) Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle N zu nutzen? H2 praktisch unbegrenzt verfügbar

1

,729** ,000

30

30

,729**

1

,000 30

30

**. Die Korrelation ist auf dem Niveau von 0,01 (2-seitig) signifikant.

Aus der Korrelationstabelle wird ersichtlich, dass zwischen Variable „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? Umweltfreundlich“ und Variable „Wie wichtig ist es nach dem allgemeinen Wertversprechen, H2 als erneuerbare Energiequelle zu nutzen? H2 praktisch unbegrenzt verfügbar“ ein positiver linearer Zusammenhang existiert, da p = 0,000 und somit kleiner als 0,05 ist. - H0 kann abgelehnt werden. - H1 wird angenommen Der Zusammenhang (Korrelation) ist statistisch signifikant, da p< 0,05 beträgt. Es existiert daher ein positiver und linearer Zusammenhang zwischen den beiden untersuchten Variablen. Da r = 0,729 beträgt wird der Zusammenhang anhand der bereits vorgestellten Einteilung als stark eingestuft. Aus der Korrelation lässt sich durch Quadrieren das Bestimmtheitsmaß berechnen: Bestimmtheitsmaß = r2 Für das Beispiel ergibt dies: r2 = 0,7292 = 0,532

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

265

Wird dieser Wert mit 100 multipliziert, so ergibt sich ein Prozentwert. Dieser gibt an, welcher Anteil der Varianz in beiden Variablen durch gemeinsame Varianzquellen determiniert wird. Für das vorliegende Beispiel beträgt der Anteil der gemeinsamen Varianz 53,2%.

Abbildung 105: Umwelt/Verfügbarkeit Quelle: Eigene Darstellung

Die Grafik veranschaulicht ebenfalls den linearen und positiven Zusammenhang der beiden untersuchten Variablen.

8.6

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

Die in Kapitel 4 abgeleiteten archetypischen Geschäftsmodelle mit dem sekundären grünen Energieträger H2 ergeben eine Vielzahl an spezifischen Geschäftsmodellen mit den unter-schiedlichsten Eigenschaften. Diese Eigenschaften bilden die Grundlage dafür, Geschäftsmodelle mit grünem H2 zu beschreiben und zukünftig erfolgreich umzusetzen. Aus der Vielzahl der Eigenschaften für grünen H2 werden die wichtigsten tabellarisch dargestellt und in die unterschiedlichen Anwendungen mit grünem H2 eingeordnet.

266

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Dabei helfen die archetypischen Geschäftsmodelle für die Systematisierung. Zunächst werden die Archetypischen GM nochmals aufgeführt und die wichtigsten Value Proposition (Werteversprechen/Nutzenwerte) dargestellt 8.6.1

Zusammenfassung von archetypische GM und H2 spezifische Eigenschaften

Tabelle 97 zeigt alle Archetypischen GM nochmals zusammengefasst die in Kapitel 4-7 entwickelt wurden. Die drei Geschäftsfelder sind Herstellung-, Infrastruktur-, und Anwendungen im stationären- und mobilen Bereich für grünen H2. Tabelle 97:

Archetypische Geschäftsmodelle: Zusammenfassung

Geschäftsfeld (1) Erzeugung

(2) Infrastruktur (3) Anwendungen mobil

(3) Anwendungen stationär

Variante Archetypen E1

Dezentrale H2-Erzeugung und Verwendung direkt vor Ort

E2

Dezentrale H2-Erzeugung, Speicherung und Distribution vor Ort

E3

Zentrale H2-Erzeugung, Speicherung vor Ort und Einspeisung ins Versorgungsnetz

E4

Zentrale Erzeugung, Zwischenspeicherung und Distribution

E5

Zentrale Erzeugung, Zwischenspeicherung und Erzeugung von PtX

I1

Speicherung grüner H2

I2

Transport grüner H2

M1

BZ-Fahrzeuge mit Druckspeicher

M2

Fahrzeuge mit H2-Verbrennungsmotor und Speicher

M3

Fahrzeuge mit BZ, Druckspeicher und Batterie (Hybridsystem)

A1

Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle und grünem H2 zur Energieumwandlung in Wärme und Strom oder nur eine Energieform

A2

Stationäre Anwendungen mit Elektrolyseuren zur Erzeugung von grünem Strom für PtX-Anwendungen

A3

Portable Anwendungen mit grünem H2

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 95 zeigt wichtige Faktoren für ein positives Nutzenversprechen mit grünem H 2. Hier sind die wichtigsten Faktoren aufgeführt, welche sich in den Anwendungen wiederfinden.

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

Tabelle 98:

267

Zusammenfassung: Wichtige Faktoren mit grünem H2

Wichtige Faktoren

Nutzenversprechen mit grünem H2

Preis

Energiekosten für H2, Preise für Umwandlungsprozesse, Preise für Speicherung von H2, Peripherie-Preise

Kostenreduktion

Reduzierung der Produktionskosten im Umwandlungssystem, Reduktion von Herstell- und Energiekosten, Umweltkosten, Gesundheitskosten, Kosten für Umweltrisiken, Steuerbelastungen, Fördermittel,

Neuheit

Hocheffiziente dezentrale Systeme, hybride Systeme (Wind/Solar), MultiTreibstofftankstellen, autarke dezentrale Systeme, Elektrolyseure Wirkungsgrad, Einsatz umweltfreundlicher Materialien

Risiko minimieren

Keine Energiekostenschwankungen, keine Umweltkosten, keine Umweltrisiken, Energieverfügbarkeit, unabhängige Energiewandlung, großer Kundenkreis

Kundenanforderung

Eigenständig/autark, Energieunabhängigkeit, geringer Platzbedarf, Flexibilität, hohe Lebensdauer, wartungsfreundlich, umweltfreundlich, geräuscharm, Smart-Grid-fähig, online

Markenstatus

Neu und einzigartig, Name, Qualität, Alleinstellungsmerkmale

Komfort/ 24 h Energie, online, Bedienungsfreundlichkeit, Fermwartung Benutzerfreundlichkeit Verfügbarkeit

24/7, Energieverfügbarkeit, eigene Energie Produktion

Design

Spielt eine untergeordnete Rolle, bei kleineren Anlagen ggf. Farbe, Form

Arbeitserleichterung

-

Produktverbesserung Höhere Effizienz, kostengünstiger zu produzieren Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an (Osterwalder und Pigneur 2013; Osterwalder et al. 2015)

268

Tabelle 99:

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Zusammenfassung: Erfolgsversprechende Eigenschaften von grünem H2

Eigenschaften von grünem H2

erfolgversprechend Notwendigkeiten

Herstellkosten von H2

Energiepreise sollten auf ähnlichem Niveau wie konventionelle Energieträger liegen. Energiekosten für Endverbraucher in Deutschland unter 0,18 €/kWh (Benzin 1,5 €/l), kg H2 < 6 €/kg

Verfügbarkeit von H2

24 h/7 Tage, ausreichende Mengen, keine Energiemengen Begrenzung

Umweltfreundlichkeit von H2

Keine Schadstoff-Emissionen falls mit EEQ hergestellt, Verbrennungsvorgänge keine Emissionen, mit Brennstoffzellen nur Wasser als Emissionen

Nachhaltigkeit von H2

Falls aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt und transportiert, lokal, regional hergestellt

Preisstabilität von H2

keine großen Schwankungen ausgesetzt falls mit EEQ hergestellt, EEQ gleichbleibende konstante Versorgung über eine Zeitperiode,

Einsatz von H2

Chemische Industrie, Stahlindutrie, Herstellung von synthetische Treibstoffe (gasförmig/flüssig), Energieträger

Positive physikalische/chemische Eigenschaften von H2

Hohe Energiedichte, nicht giftig, nicht radioaktiv, umweltneutral nicht krebserregend, häufigstes Element,

Transportierbarkeit von H2

Gasnetze, H2 Pipelines, LKW (Druck/flüssig)

Speicherbarkeit von H2

Kurz-, mittel-, langfristig Speicherung

Anwendungsbereiche von H2

W bis MW Leistungsbereiche, Umweltbedingungen, Temperaturschwankungen

Gasförmiger Energieträger

Einsatz in Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen, Elektrolyseure,

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 96 zeigt wichtige Eigenschaften und die daraus resultierenden positiven Notwendigkeiten mit grünem Wasserstoff auf. Aus diesen erfolgsversprechenden Eigenschaften können im Folgenden unter den verschiedenen Anwendungen konkrete Nutzenversprechen abgeleitet werden und dies mit der empirischen Studie zusätzlich zu vergleichen. Tabelle 97 zeigt noch eine Zusammenfassung der Archetypischen Nutzenversprechen für die Erzeugung und Infrastruktur für grünen H2.

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

269

Tabelle 100: Zusammenfassung: Nutzenversprechen Erzeugung/Infrastruktur Lfd. Nr.

Geschäftsfeld Erzeugung/Infrastruktur Nutzenversprechen von grünem H2

1

Speicherbarkeit

2

Transportierbar

3

Verfügbarkeit in großen Mengen

4

Emissionsfreie Verbrennung

5

Nutzung volatiler EEQ

6

Grüner (nachhaltiger) Energieträger

7

Autarke Systeme (hoher Autarkiegrad)

8

Energiesicherheit

9

Energieversorgung außerhalb EEQ

10

Einsatz hybrider Systeme

11

Keine gesundheitlichen Nebenwirkungen

12

Bindeglied in der Energiewende

13

Grüner H2 für alle Energiesektorbereiche

14

Sauber, ungefährlich, sicher

15

Hohe Umwandlungseffizienz

16

Einsatz unterschiedlicher künstlich hergestellter Treibstoffe

17

Verfügbarkeit 24 h / 7 Tage

18

H2-Kostentrend ähnlich fossilen Energieträgern

19

Stufenförmige Nutzung (von höchster effizienz zu niedrigster)

20

Umwandlung in Prozesswärme, elektrische Energie, künstliche Treibstoffe

21

Schnelle Umwandlungsmöglichkeiten, Fast-Response Systems

22

Einsatz in heutige Gasversorgungsnetze

23

Großer Umwandlungsleistungsbereich von W bis MW

Quelle: Eigene Darstellung.

8.6.2

Stationäre/portable Geschäftsmodellstrukturen

Auf Basis der unterschiedlichen Geschäftsmodellstrukturen für stationäre/portable Anwendungen mit grünem H2 werden im Folgenden wichtige Eigenschaften der verschiedenen Bausteine, im Speziellen des Wertenutzen (Value Proposition), aus Kapitel 5 nochmals zusammengestellt. Des Weiteren erfolgt eine Prüfung wo grüner H 2 notwendig ist und ein zusätzlicher Vergleich mit den Informationen zur empirischen Studie.

270

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Tabelle 101: Zusammenfassung: Eigenschaften für stationäre/portable Systeme Lfd. Nr. Eigenschaften/Nutzenversprechen für stationäre/portable Systeme mit grünem H2

Erreichbar nur durch grünen H2

Nach Empirische Studie

1

Stromgestehungskosten gleich oder geringer wie konvetionelle Systeme

X

2

Energiekosten gleich oder geringer wie konventionelle Energieversorgung

X

3

Energieautarkie

X

4

Hohe effizienz geringer Verbrauch

X

5

Keine Geräuschemissionen intern/extern

6

Keine Umweltemissionen durch Prozessanlage

X

7

Eigene EEQ lokal nutzen

X

8

Sauberen grünen Energieträger

X

X

9

Energieinfrastruktur verbessern

X

X

10

Einzigartige Anlage

X

11

Ausnutzung von staatlichen Förderprogrammen

X

12

Wenig fossile Primärenergie einsetzen

X

X

13

Kostengünstig Energie generieren

14

Investitionskosten/Wirtschaftlichkeit

15

Sichere/unabhängige Energieversorgung

X

X

16

Wartungsfreundliches System

17

Lange Laufzeiten des Systems

18

Schnelle Beladung/Aufladung

19

Sichere Spannungsversorgung

20

Geringes Gewicht (Transport)

21

Komfort (Energie in ausreichender Menge)

22

Zuverlässigkeit

23

Garantierte Stromversorgung

X

24

Sicherer Betrieb

X

25

Geringe Energieumwandlungskosten

26

Lebensdauer der Anlage

27

Bedienung/Online Wartung/

X

X

X

Quelle: Eigene Darstellung.

Tabelle 98 zeigt unterschiedliche Eigenschaften/Nutzenversprechen für stationäre/portable Anwendungen auf. Zusätzlich wurde geprüft ob hierbei grüner H 2 notwendig ist. Des Weiteren wurde aus der empirischen Studie verglichen ob die Experten ähnlicher Meinung darüber sind.

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

271

Aus den unterschiedlichen Archetypen für stationäre Systeme sind im Folgenden die wichtigsten Eigenschaften und Wertenutzen dargestellt und mit Rot für wichtig und Grün für unwichtig gekennzeichnet. Archetyp A1: Stationäre Anwendungen mit Brennstoffzelle und grünem H2 zur Energieumwandlung in Strom und Wärme oder nur eine Energieform Für die Eigenschaften/Wertenutzen Value Proposition aus den Analysen und Untersuchungen für stationäre Systeme mit grünem H2 vom Kapitel 4 sind folgende Eigenschaften von Bedeutung: Energiekosten für H2, Energieautarkie, Umweltemissionen, Investitionskosten, Effizienz, EEQ lokal. Wichtige Eigenschaften mit grünem H2 werden mit rot gekennzeichnet, weniger wichtige Eigenschaften mit grün. Tabelle 102: Archetype A1 stationäre Eigenschaften für grünen H2 GM A1.1

Brennstoffzellenheizgerät mit Speicher für Wärme/Strom Umwandlung < 10 kW

GM A1.2

Notstromversorgung BZ mit Speicher zur Stromerzeugung

GM A1.3

KWK mit BZ-Speicher für Wärme/Strom > 10 kW

GM A1.4

Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Speicher, BZ, elektrische Energie

Eigenschaften/Wertenutzen

GM A1.1

GM A1.2

GM A1.3

GM A1.4

Energiekosten grüner H2 Energieautarkie Emissionsfreie Verbrennung Eigene lokale erneuerbare Energie Quelle Investitionskosten Keine Energie Infrastruktur vorhanden Effizienz, Wirkungsgrad Quelle: Eigene Darstellung.

GM Brennstoffzellenheizgeräte für die Generierung von Strom und Wärme mit H2 – hier sind folgende Eigenschaften wichtig: Energieautarkie ist nur mit grünem und selbst erzeugtem H2 möglich. Emissionsfreie Verbrennung ist nur durch einen grünen Energieträger möglich. Der Einsatz einer zur Verfügung stehenden EEQ zur Herstellung von H2 und der Einsatz im BZ-Heizgerät ist notwendig. Der Energiepreis für H2 als Energieträger für den Betrieb eines BZ-Heizgerätes ist essenziell. Investitionskosten und notwendige Infrastruktur sind wichtige Eigenschaften beim Einsatz von grünem H2. Im Vergleich sind immer Nutzen und Vorteile von alternativen Anwendungen zu betrachten.

272

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

GM Notstromversorgungen betrieben mit H2 – hier sind folgende Eigenschaften wichtig: Emissionsfreie Verbrennung ist nur durch eine grüne Energiequelle möglich, zur Verfügung stehende EEQ, der Preis des Brennstoffes ist weniger wichtig als bei BZ-Heizgeräten (Laufzeiten etc.). Die Investitionen sind weniger wichtig, da hier Zuverlässigkeit, Wartungsarmut und ständige Bereitschaft von höherer Bedeutung sind. Geschäftsmodell mit Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) – hier sind ähnlich wie bei Brennstoffzellenheizgeräten folgende Eigenschaften besonders wichtig: Energieautarkie ist nur durch grünen H2 zu erzielen. Emission Freiheit kann nur durch grünen H2 erreicht werden. Für die Energieumwandlung zu grünem H2 ist eine EEQ notwendig. H2-Energiepreise zum Betreiben der KWK-Anlage sind wichtig. Investitionskosten hängen indirekt auch mit der Art der Anlage zusammen, also damit, mit welchem Energieträger diese betrieben wird. Hier können auch die Effizienz der Anlage und weitere Eigenschaften wie Lärmemissionen und Wartungsfreundlichkeit eine Rolle spielen. Geschäftsmodell Unterbrechungsfreie Stromversorgungen – hier müssen in erster Linie Sicherheit und Verfügbarkeit gewährleistet sein. Die Energiequelle ist für das Betreiben dieser Anwendungen zweitrangig. Auch sind die Energiekosten nicht von wesentlicher Bedeutung. Wichtig sind vielmehr die Investitionskosten, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Anlagen. Hier könnten auch weitere Eigenschaften wie Umgebungsbedingungen und Geräuschentwicklung eine Rolle spielen. Archetyp A3: Stationäre Anwendungen mit Elektrolyseuren zur Erzeugung von grünem Strom für PtX-Anwendungen Tabelle 103: Archetype A2 stationäre Eigenschaften GM A2.1

EEQ mit Elektrolyseur H2 Erzeugung und Distribution in das Gasnetz

GM A2.2

EEQ mit Elektrolyseur H2 Erzeugung, Methanisierung Gasnetz

GM A2.3

EEQ mit Elektrolyseur H2 Erzeugung, CO2 und Flüssigtreibstoff

Kundennutzen/Value Proposition Energiekosten Energieautarkie Emissionsfreie Verbrennung erneuerbare Energie, grüner Energieträger Energie Infrastruktur Gestehungskosten EEQ in Cent/kWh Investitionskosten Anwendung Sichere und einfache Bedienung CO2 Quelle vorhanden Quelle: Eigene Darstellung.

GM A5.1 GM A5.2

GM A5.3

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

273

Geschäftsmodell Elektrolyse mit EEQ und Distribution in das Gasnetz – hier sind folgende Eigenschaften von Anwendungen mit grünem H2 wichtig: Die Gestehungskosten der EEQ und indirekt der Energiepreis des grünen H2. Die notwendige Infrastruktur für Transport bzw. Methanisierung, Investitionskosten der Prozesse und die Effizienz der Prozesse. Energieautarke System benötigen als Grundlage eine EEQ mit H2 als Ausgangstreibstoff. Des Weiteren sind Partnerschaften im Energieversorgungsbereich sinnvoll und notwendig. Geschäftsmodell EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, Methanisierung, Gasnetz – hier sind die gleichen Eigenschaften wie im oben beschriebenen Geschäftsmodell von Bedeutung, mit dem Unterschied, dass Zugriff auf eine wirtschaftlich günstige CO 2Quelle bestehen muss, beispielsweise in einem fossilen Kraftwerk oder der chemischen Industrie. Geschäftsmodell EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, Flüssigtreibstoffe – hier sind die gleichen Eigenschaften wie im oben beschriebenen Geschäftsmodell von Bedeutung. Auch hier muss Zugriff auf eine wirtschaftliche CO2-Quelle, beispielsweise ein fossiles Kraftwerk oder einen Betrieb der chemischen Industrie, bestehen. Archetyp A3: Portable Anwendungen mit grünem H2 Tabelle 104: Archetype A3 Portable Eigenschaften GM A3.1

Beleuchtungssystem Mobil, BZ, Speicher Batterie Beleuchtung

GM A3.2

Portables Netzteil H2-Speicher, BZ, Stromversorgung DC/AC

GM A3.3

UVP Unterbrechungsfreie Stromversorgung BZ, Speicher

GM A3.4

Portable Notstromversorgung BZ, Speicher, DC/AC Ausgang

Kundennutzen/Value Proposition

GM A3.1

GM A3.2

GM A3.3

GM A3.4

Energiekosten grüner H2 Energieautarkie Emissionsfreie Verbrennung Eigene erneuerbare Energie EEQ lokal Investitionskosten Keine Energie Infrastruktur vorhanden Effizienz, Wirkungsgrad Betriebszeiten Quelle: Eigene Darstellung.

GM Beleuchtungssysteme – hier sind folgende Eigenschaften bei grünem H2 essenziell: Umweltbelastungen und Emissionen der Anwendung sind wichtige Eigenschaften. Die Kosten und Bereithaltung des Energieträgers sind weniger von Bedeutung. Zuverlässigkeit und Geräuschentwicklung sind hier als wichtiger zu bewerten. Diese Eigen-

274

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

schaften sind aber unabhängig davon, ob grüner H2 oder Alternativen verwendet werden. Eine Energieinfrastruktur für den Einkauf von grünem H2 muss aber vorhanden sein. GM Netzteil – hier sind folgende Eigenschaften bei grünem H2 essenziell: Umweltbelastungen und Emissionen der Anwendung im Indoor-Bereich sind wichtige Eigenschaften. Die Kosten und Bereithaltung des Energieträgers sind weniger von Bedeutung. Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und Leistungsdaten sind hier als wichtiger zu bewerten. Diese Eigenschaften sind aber unabhängig davon, ob grüner H 2 oder Alternativen verwendet werden. Eine Energieinfrastruktur für den Einkauf von grünem H2 muss aber vorhanden sein. GM Unterbrechungsfreie Stromversorgung – hier sind folgende Eigenschaften bei grünem H2 essenziell: Umweltbelastungen und Emissionen der Anwendung im IndoorBereich sind wichtige Eigenschaften. Die Kosten und Bereithaltung des Energieträgers sind je nach Häufigkeit von Bedeutung. Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und Leistungsdaten sind hier als wichtiger zu bewerten. Diese Eigenschaften sind aber unabhängig davon, ob grüner H2 oder Alternativen verwendet werden. Eine Energieinfrastruktur für den Einkauf von grünem H2 muss aber vorhanden sein. GM Portable Notstromversorgung – hier sind folgende Eigenschaften bei grünem H2 essenziell: Umweltbelastungen und Emissionen der Anwendung im Indoor-Bereich sind wichtige Eigenschaften. Die Kosten und Bereithaltung des Energieträgers sind je nach Häufigkeit der Versorgung von Bedeutung. Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und Leistungsdaten sind hier als wichtiger zu bewerten. Diese Eigenschaften sind aber unabhängig davon, ob grüner H2 oder Alternativen verwendet werden. Eine Energieinfrastruktur für den Einkauf von grünem H2 muss aber vorhanden sein. 8.6.3

Mobile Geschäftsmodellstrukturen

Auf Basis der unterschiedlichen Geschäftsmodellstrukturen für mobile Anwendungen mit grünem H2 werden im Folgenden wichtige Eigenschaften der verschiedenen Bausteine, im Speziellen des Wertenutzens (Value Proposition), und Eigenschaften von GM aus Kapitel 6 nochmals dargestellt.

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

275

Tabelle 105: Zusammenfassung: Mobile Anwendungen mit grünem H2

H2 relevant

Nach Empirische Studie notwendig

X

X

Emissionsfreie Verbrennung

X

X

5

Nutzung EEQ

X

X

6

Grüner (nachhaltiger) Energieträger

X

X

7

Wenig Treibstoff pro gefahrene Strecke

X

8

Schnelles Betankung

X

9

Geringe Steuerbelastungen

X

10

Hohe reichweite des Fahrzeuges

X

X

11

kein schweres Fahrzeug

12

einfachen Tankvorgang

X

X

13

grünen H2 jederzeit zur Verfügung haben

14

Energiesicherheit haben

15

Hohe Beschleunigung des Fahrzeuges

16

Hohe Zuladung/Beladung

17

Kostengünstiger Transport

18

Wartungsarmes Fahrzeug

19

Förderprogramme nutzen

20

TCO total cost of ownership/Gesamtkostenanalyse

X

21

Energiekosten pro gefahrenen km

X

22

Infrastruktur

Lfd. Nr.

Eigenschaften/Nutzenversprechen für Mobile Anwendungen mit grünem H2

1

Fahrzeug emissionsfrei bewegen

2

Geringer Verbrauch durch hohe Effizienz

3

Keine Lärmbelästigung extern wie auch intern

4

X

X

X

X

Quelle: Eigene Darstellung.

Es sind drei archetypische Geschäftsmodelle für mobile Anwendungen mit grünem H 2 abgeleitet. Diese unterschiedlichen Geschäftsmodellstrukturen haben besondere Eigenschaften in Bezug auf H2 als sekundärem grünem Energieträger. Diese Eigenschaften werden in Tabelle als Bewertungsmatrix dargestellt.

276

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Archetyp M1: Bewertungsmatrix mit BZ-Fahrzeugen mit Druckspeicher Tabelle 106: Bewertung Mobile BZ Fahrzeuge mit Druckspeicher GM M1.1

BZ-Fahrzeug (private Nutzer)

GM M1.2

BZ-Fahrzeug kommerzielle Fahrzeuge

GM M1.3

BZ-Fahrzeuge Schwerlastwagen

GM M1.4

BZ-Fahrzeuge ÖNV

GM M1.5

BZ-Fahrzeuge Schienenverkehr

GM M1.6

BZ-Fahrzeuge Maritime

Eigenschaften/VP/

M1.1

M1.2

M1.3

M1.4

M1.5

M1.6

H2 Energiepreis Cent/kWh Energiepreis je gefahrener km Gestehungskosten EEQ Cent/kWh Investitionskosten Anwendung Grüner (nachhaltiger) Energieträger Betankungsdauer Reichweite des Fahrzeuges Keine Umweltemissionen Keine Vibrationen Quelle: Eigene Darstellung.

Hier bestehen Abweichungen gegenüber der stationären Anwendung, da hier eine höhere Diversifikation von Anwendungen bestehen kann. Im Mobilitätsbereich geht es grundsätzlich darum, ein Fahrzeug vom Ausgangs- zum Zielort mit grünem sekundärem H2 als Energieträger zu bewegen. Folgende grundsätzliche Eigenschaften sind dabei besonders wichtig: Der Energiepreis für H2 in Cent/kWh. Dieser wird bestimmt von der Primärenergiequelle zur Herstellung von grünem H2 und deren Kosten. Diese Quelle sind EEQ Zusätzlich ist die Effizienz der Fahrzeuge mit der von fossil betriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) zu vergleichen. Hier ist eine Energiekennzahl in Form von Energiepreis H2/kWh je gefahrener km als Vergleichswert zu berechnen. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Zeit für die Betankung des Fahrzeuges an der Füllstation (Tankstelle). Vor allem die Reichweite ist ein ausschlaggebendes Kriterium für die Beschaffung eines H2-getriebenen Fahrzeugs. Energieautarkie im Mobilitätssektor kann nur mit grünem und selbst erzeugtem H2 ermöglicht werden. Konventionelle Treibstoffe sind limitiert und in ihrer Verfügbarkeit und Nutzung von einer Vielzahl von technischen und gesellschaftlichen Faktoren abhängig. Emissionsfreie Verbrennung in der gesamten Herstellungskette ist nur mit einem grünen Energieträger möglich. Eine Infrastruktur in

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

277

Form von H2-Tankstellen ist Voraussetzung für die Nutzung und Verbreitung solcher Fahrzeuge. Eine Gesamtkostenrechnung (TCO) ist notwendig, um H2-Fahrzeuge vergleichen und bewerten zu können (Break-even-Analyse). Investitionskosten sind als Teilelement der Kalkulation notwendigerweise einzubeziehen. Eigenschaften wie Leistungsfähigkeit, Modellvariationsmöglichkeiten, Zuladung, Beschleunigung, Design der Modell-Palette und eine Vielzahl weiterer Faktoren (siehe Tabelle xx) sind H2-unabhängige Eigenschaften, die auch bei anderen Fahrzeugtypen ins Gewicht fallen. Weitere Eigenschaften aus den abgleitenden archetypischen Geschäftsmodellen nach dem Modell von Osterwalde/Pigneur sind: Zielgruppen-adäquate Finanzierungsmodelle wie Leasing, All-inclusive-Pakete mit Wartung, Versicherung, Mobilitätsgarantie etc. Soziale Aspekte, wie das Fahren eines H2-Fahrzeugs als Distinktionsmerkmal, das ein bestimmtes Image und ggf. Status wie auch Wertehaltungen, etwa ein ökologisches Bewusstsein, vermittelt. Soziale Faktoren können den Kaufentscheidungsprozess stark beeinflussen. Geschäftsmodelle mit Brennstoffzellen – Fahrzeuge bis 3.5 Tonnen – private Nutzer mit H2: Wie oben bereits erläutert. Geschäftsmodelle mit Brennstoffzellen – Fahrzeugen für kommerzielle Anwendungen mit H2: Wie oben bereits erläutert. Es können hier noch Zulade Kapazität, Steuerbefreiungen und Modellvarianten (abgespeckte Versionen) genannt werden. Des Weiteren sind spezielle Finanzierungsmodelle für kommerzielle Kunden und spezielle Leasing-Modelle mit bilanztechnischen Vorteilen von Bedeutung. Geschäftsmodelle mit Brennstoffzellen – Fahrzeuge Schwerlastfahrzeuge – Anwendungen mit H2 – hier sind folgende Eigenschaften wichtig: Wie oben bereits erläutert. Zusätzlich sind wichtig: Betankungszeit, Reichweite, Leistungsfähigkeit, Zuladung, Beschleunigung, Komfort, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Steuerbefreiungen und Modellvarianten (abgespeckte Versionen). Des Weiteren sind spezielle Finanzierungsmodelle für kommerzielle Kunden und spezielle Leasing-Modelle mit bilanztechnischen Vorteilen von Bedeutung. Geschäftsmodelle mit Brennstoffzellen – Fahrzeuge im öffentlichen Nahverkehr – Anwendungen mit H2 – hier sind folgende Eigenschaften wichtig: Wie oben bereits erläutert. Zusätzlich sind für Fahrzeuge im öffentlichen Nahverkehr besonders die Wartungs/Servicefreundlichkeit und Lebensdauer von Bedeutung. Gewicht und Beförderungsmenge sind weitere wichtige Aspekte. Dabei ist die Zuverlässigkeit der Ressource H2 von großer Bedeutung. Die Energiequelle muss zuverlässig 24/7 zur Verfügung stehen. Dies kann durch spezielle Vereinbarungen mit Energielieferanten erreicht werden oder dadurch, dass – wie oft im kommunalen Bereich – die Energieressource durch eigene Einrichtungen zur Verfügung gestellt wird.

278

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Geschäftsmodelle mit Brennstoffzellen – Fahrzeuge im Schienenverkehr – Anwendungen mit H2 – hier sind folgende Eigenschaften wichtig: Wie oben bereits erläutert. Zusätzlich sind für Fahrzeuge im Schienenverkehr die gleichen Eigenschaften wie beim ÖNV zu beachten. Vor allem sind die Bereitstellung und Herstellung des Energieträgers vor Ort an der Strecke zu nennen. Archetyp M2: BZ-Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor Tabelle 107: Bewertung Mobile Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mit grünem H2 GM M2.1

ICE-Fahrzeug (private Nutzer)

GM M2.2

ICE-Fahrzeug kommerzielle Fahrzeuge

GM M2.3

ICE-Fahrzeuge Schwerlastwagen

GM M2.4

ICE-Fahrzeuge ÖNV

GM M2.4

ICE-Fahrzeuge Schienenfahrzueg

GM M2.4

ICE-Fahrzeuge Maritime

Kundennutzen

M2.1

M2.2

M2.3

M2.4

M2.5

M2.6

H2 Energiepreis Cent/kWh Energiepreis je gefahrener km Gestehungskosten EEQ €/kWh Investitionskosten Anwendung Grüner Energieträger Betankungsdauer Reichweite des Fahrzeuges Keine Umweltemissionen Keine Vibrationen Quelle: Eigene Darstellung.

Für den Archetyp M2 gelten die gleichen Eigenschaften wie für M1. Der Unterschied liegt in den zusätzlichen ausgestoßenen Emissionen, da ein Verbrennungsmotor verwendet wird. Dieser saugt Luft an und stößt Stickoxide aus. Der Verbrennungsvorgang ist frei von CO2-Emissonen. Zusätzlich ist zu beachten, dass die Effizienz der Verbrennungsmotore geringer ist und dementsprechend der Treibstoffpreis durch die höhere Energiemenge pro gefahrenen km höher ist. Ein weiterer Aspekt ist ein zusätzlicher Prozessschritt, um Wasserstoff in flüssiger Form zu speichern. Vorteile dieser Art der Energieumwandlung liegen darin, dass heutige konventionelle Verbrennungsmotoren mit H2-spezifischen Modifikationen verwendet werden können, sodass sich die Herstell-

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

279

prozesse von Automobilen nicht wesentlich ändern müssen. Wasserstoffverbrennungsmotoren sind hinsichtlich des Rohstoffeinsatzes unbedenklich. Denn im Herstellprozess der Verbrennungsantriebe werden keine edlen, giftigen und besonderen Materialien wie Kobalt, Lithium oder seltene Erden eingesetzt. Somit entstehen bei dieser Technologie anders als bei BEV oder auch Brennstoffzellen keine Abhängigkeiten. Der CO 2-Ausstoß im gesamten Lebenszyklus ist geringer als bei BEV. Archetyp M3: Fahrzeug mit Brennstoffzelle, Druckspeicher und Batterie (Hybridsystem Tabelle 108: Bewertung Mobile BZ Fahrzeuge mit Druckspeicher+ Batterie GM M1.1

BZ-Fahrzeug (private Nutzer)

GM M1.2

BZ-Fahrzeug kommerzielle Fahrzeuge

GM M1.3

BZ-Fahrzeuge Schwerlastwagen

GM M1.4

BZ-Fahrzeuge ÖNV

GM M1.5

BZ-Fahrzeuge Schienenverkehr

GM M1.6

BZ-Fahrzeuge Maritime

Eigenschaften/VP/

M1.1

M1.2

M1.3

M1.4

M1.5

M1.6

H2 Energiepreis Cent/kWh Energiepreis je gefahrener km Gestehungskosten EEQ Cent/kWh Investitionskosten Anwendung Grüner Energieträger Betankungsdauer Reichweite des Fahrzeuges Keine Umweltemissionen Keine Vibrationen Quelle: Eigene Darstellung.

Für die M3 Archetypen gilt dasselbe wie für M1 mit folgenden zusätzlichen Vorteilen. Die Reichweite kann durch die größere Batterie erhöht werden und es besteht eine höhere Flexibilität des Fahrzeuges bezüglich der Infrastruktur. 8.6.4

PtX Geschäftsmodellstrukturen

Auf Basis der unterschiedlichen Geschäftsmodellstrukturen für PtX-Anwendungen mit grünem H2 werden im Folgenden wichtige Eigenschaften der verschiedenen Bausteine, im Speziellen des Wertenutzens (Value Proposition), und Eigenschaften von GM aus Kapitel 7 dargestellt.

280

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Tabelle 109: Value Proposition für PtX Anwendungen Lfd. Nr.

Wertenutzen Value Proposition

Erreichbar nur Nach Empirische durch grünen H2 Studie notwendig

1

Input H2 Energiepreis Cent/kWh

X

X

2

Grüne nachhaltige Energie

X

X

3

EEQ vorhanden

X

X

4

EEQ Gestehungskosten

X

X

5

Konstante Nachfrage

6

Lange Betriebsdauer/Laufzeiten

7

CO2 Quelle vorhanden

X

8

Konstante Energiequellen

X

9

Wartungsarm

10

Wirtschaftliche Herstellung

11

Hohe Effizienz der Umwandlungsprozesse

X

12

Keine Umweltemissionen

X

13

Investitionskosten

14

Zuverlässigkeit

15

Kunde möchte garantierte Stromversorgung

16

Kein Lärm

17

Keine Abgase

18

Output Energiekosten gering

19

TOC total operation cost gering

20

Sicherheit

21

24/7 Energie

22

Lebensdauer

23

Einfache Bedienung

24

Temperaturbereich

25

Verfügbarkeit der EEQ

26

Zuverlässigkeit

27

Betriebssicherheit

28

Öffentliche Belastungen (Steuern, Abgaben)

29

Förderprogramme

30

Abnahme Sicherheit

31

Standort

X

X

Quelle: Eigene Darstellung.

Es sind drei archetypische GM für PtX-Anwendungen mit grünem H2 definiert. Folgende Tabelle zeigt deren Eigenschaften auf.

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

281

Archetyp Geschäftsmodellstruktur E3: Zentrale Erzeugung, Speicherung und Distribution Tabelle 110: Bewertung GM Bausteine für zentrale Rückeinspeisung mit PtX Geschäftsmodellstruktur E3: Zentrale Erzeugung, Speicherung vor Ort und Rückeinspeisung GM E3.1

EEQ PV zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/+Wärme

GM E3.2

EEQ Wind zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/+Wärme

GM E3.3

EEQ Hochtemperatur zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Rückverstromung/Wärme

GM E3.4

EEQ Biomasse Reformer zentrale Erzeugung H2, Speicherung Rückverstromung/Wärme

GM E3.5

EEQ Kombinationen zentrale Erzeugung H2, Speicherung Rückverstromung/Wärme

Kundennutzen/Value Proposition

GM E3.1

GM E3.2

GM E3.3

GM E3.4

GME3.5

Energiekosten Energieautarkie Emissionsfreie Verbrennung erneuerbare Energie, grüner Energieträger Energie Infrastruktur Gestehungskosten EEQ Cent/kWh Investitionskosten Anwendung Sichere und einfache Bedienung CO2 Quelle vorhanden Hohe Effizienz der Umwandlungsprozesse TOC total operation cost gering Sicherheit 24/7 Energie Öffentliche Belastungen (Steuern, Abgaben) Förderprogramme Abnahme Sicherheit Standort Quelle: Eigene Darstellung.

Grundsätzlich gelten folgende wichtige Eigenschaften für alle aufgezeigten PtX-Geschäftsmodelle mit dem grünen sekundären Energieträger H2. Diese weichen von denen der stationären Anwendungen ab, da hier eine höhere Diversifikation von Anwendungen bestehen kann. Im PtX-Bereich geht es grundsätzlich um die Erzeugung von grünem H2 über Elektrolyseure, dessen Speicherung und Nutzung für elektrische Energie.

282

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Alternativ wird H2 direkt verwendet, etwa im Mobilitätssektor oder zukünftig auch im Wärme- oder Stromsektor mittels der Rückverstromung. Folgende grundsätzliche Eigenschaften sind dabei besonders wichtig: Der Energiepreis für H2 in Cent/kWh. Dieser wird bestimmt von der Primärenergiequelle zur Herstellung von grünem H2 und deren Kosten. Diese Quelle sind erneuerbare Energien (EEQ). Deren Kosten hängen von der Art der EEQ und dem Standort ab. Hier gibt es je nach Standort unterschiedliches Energiepotential in Form beispielsweise von Wind, Sonneneinstrahlung, Wasserskraft, Gezeiten/Wellen oder Biomasse, das wirtschaftlich genutzt wird. Hier sind auch Entscheidungen über Standortfaktoren (geopolitische Lage, Verfügbarkeit, Sicherheit, politische Stabilität, Eigentumsverhältnisse) in Entscheidungsprozesse einzubeziehen. Der Prozess der Wasserstoffherstellung spielt eine wichtige Rolle. Hier sind die Wirkungsgradketten bei der Herstellung und die weitere Nutzung von H2 als grünem sekundärem Energieträger von Bedeutung. Um die weitere Nutzung des Wasserstoffes effektiv umzusetzen, wird eine Energieinfrastruktur in Form eins Elektrizitätsnetzes oder in Form von einem bestehenden oder neuen Gasnetz benötigt. Alternativ können unterschiedliche Speichertechnologien (kurz-, mittel-, langfristig) bei PtX zum Einsatz kommen, wie sie bereits in Kapitel xx beschrieben wurden. Energieautarkie ist eine weitere wichtige Eigenschaft bei den Anwendungen mit PtX. Hier muss definiert werden, was man unter Energieautonomie versteht und wie weit diese umgesetzt werden soll. So kann eine tendenzielle, bilanzmäßige oder komplette Autonomie angestrebt werden (McKenna et al. 2014). Eine Gestehungskosten-Kalkulation bildet die Grundlage für Entscheidungen über Investitionen in solche Anlagen, da sie Vergleiche und Bewertungen ermöglicht (Breakeven-Analyse). Investitionskosten sind als Teilelement der Kalkulation notwendigerweise zu berücksichtigen. Zu weiteren Eigenschaften, die unabhängig vom Energieträger sind, gehören die Wartungsfreundlichkeit, laufende Kosten, die Größe der Systeme (Skalierung, Komplexität, Lebensdauer) und Einsatzgrenzen des Standortes. Des Weiteren sind Partnerschaften im Energieversorgungsbereich sinnvoll und notwendig. Weitere Eigenschaften aus den abgleitenden archetypischen Geschäftsmodellen nach dem Modell von Osterwalde/Pigneur sind: Zielgruppenadäquate Finanzierungsmodelle wie Leasing, All-inclusive-Pakete mit Wartung, Versicherung und Funktionsgarantien, minimale Betriebsstundenrisiken. Geschäftsmodell Elektrolyse mit EEQ und Distribution in das Gasnetz: Geschäftsmodell EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, Methanisierung, Gasnetz; hier sind folgende Eigenschaften bei grünem H2 wichtig: Es sind dieselben Eigenschaften wie im oben beschrieben Geschäftsmodell von Bedeutung. Es besteht jedoch der Unterschied, dass Zugriff auf eine wirtschaftlich nutzbare CO2-Quelle bestehen muss, beispielsweise in einem fossilen Kraftwerk oder der chemischen Industrie.

Bewertungen der Eigenschaften von Geschäftsmodelle mit grünem Wasserstoff

283

Geschäftsmodell EEQ mit Elektrolyseur, H2-Erzeugung, Flüssigtreibstoffe – hier sind folgende Eigenschaften mit bei grünem H2 wichtig: Neben den gleichen Eigenschaften wie im oben beschrieben Geschäftsmodell muss auch hier Zugriff auf eine wirtschaftlich nutzbare CO 2-Quelle bestehen, beispielsweise in einem fossilen Kraftwerk oder der chemischen Industrie. Archetyp Geschäftsmodellstruktur E4: Zentrale Erzeugung, Speicherung und Distribution Tabelle 111: Bewertung GM Bausteine für zentrale Speicherung mit PtX GM E4.1

EEQ (verschiedene) zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Distribution

Kundennutzen/Value Proposition Energiekosten Energieautarkie Emissionsfreie Verbrennung erneuerbare Energie, grüner Energieträger Energie Infrastruktur Gestehungskosten EEQ Cent/kWh Investitionskosten Anwendung Sichere und einfache Bedienung CO2 Quelle vorhanden Hohe Effizienz der Umwandlungsprozesse TOC total operation cost gering Sicherheit 24/7 Energie Öffentliche Belastungen (Steuern, Abgaben) Förderprogramme Abnahme Sicherheit Standort Quelle: Eigene Darstellung.

GM E4.1

284

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Archetyp Geschäftsmodellstruktur E5: Zentrale Erzeugung H2, Erzeugung von PtX und Speicherung Tabelle 112: Bewertung GM Bausteine für zentrale synthetische Treibstoffe mit PtX Geschäftsmodellstruktur E5: Zentrale Erzeugung H2, Erzeugung von PtX und Speicherung GM E5.1

EEQ zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Umwandlung Methan mit CO2, Speicherung

GM E5.2

EEQ zentrale Erzeugung über Elektrolyseur, Speicherung Umwandlung Flüssigkraftstoff

Kundennutzen/Value Proposition

GM E5.1

GM E5.2

Energiekosten Energieautarkie Emissionsfreie Verbrennung erneuerbare Energie, grüner Energieträger Energie Infrastruktur Gestehungskosten EEQ Cent/kWh Investitionskosten Anwendung Sichere und einfache Bedienung CO2 Quelle vorhanden Hohe Effizienz der Umwandlungsprozesse TOC total operation cost gering Sicherheit 24/7 Energie Öffentliche Belastungen (Steuern, Abgaben) Förderprogramme Abnahme Sicherheit Standort Quelle: Eigene Darstellung.

Für E4 und E5 können die gleichen Eigenschaften angenommen werden wie teilweise unter A6: Die Gestehungskosten der EEQ und indirekt der Energiepreis des grünen H2 sind bedeutende Faktoren, ebenso die notwendige Infrastruktur für Transport bzw. Methanisierung, die Investitionskosten und die Effizienz der Prozesse. Energieautarke Systeme benötigen als Grundlage eine EEQ mit H2 als Ausgangstreibstoff. Des Weiteren sind Partnerschaften im Energieversorgungsbereich sinnvoll und notwendig. Wichtig ist der Zugriff auf eine wirtschaftlich nutz-bare CO2-Quelle, beispielsweise in einem fossilen Kraftwerk oder der chemischen Industrie, um aus H2 und CO2 über die unterschiedlichen

Zusammenfassung

285

chemischen Prozesse künstliche gasförmige- bzw. flüssige Kraftstoffe zu produzieren. Hier spielen die Distributionswege eine wichtige Rolle: ein Gasversorgungsnetz, eine Gaseinspeise-Möglichkeit für H2, Speicherungsmöglichkeiten von flüssigen Kraftstoffen oder die direkte Verwendung am Standort der Energieumwandlungsprozesse, wie am Beispiel einer Multifuel-Tankstelle dargestellt wurde. Dort reichten die Prozesse von der Generierung von Strom und dessen direkter Einspeisung über seine Speicherung in Batterien (E-Mobilität) oder seine Verwendung für die H2-Erzeugung (für FCEV) oder für CH4 und künstlich hergestellten flüssigen Kraftstoff (für herkömmliche Ver-brennungsmotoren). Hier werden alle Prozessstufen der PtX hintereinandergeschaltet. Je nach primärer Energieverfügbarkeit (EEQ) und optimaler Energieverwendung (höchste erzielbare Energiepreise) werden unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählte, unterschiedliche Prozessstufen durchfahren.

8.7

Zusammenfassung

Im Kapitel 8 wurde zunächst die Frage beatworte was die Aufgaben und Ziele der Studie ist. Hier wurde das Fragedesign der Studie dargestellt und welche Auswerteverfahren es für die zur Verfügung stehende Datenbasis gibt. Aus den möglichen Hypothesen, die aus den unterschiedlichen Fragestellungen der Arbeit extrahiert wurden, sind ein paar statistisch geprüft worden. Aus der Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften und Nutzenversprechen (Value Proposition) wurden diese mit der Expertenbefragung zusätzlich auf Ihre Wichtigkeit verglichen. Aus der empirischen Studie können folgende Ergebnisse extrahiert werden: Die in den Analysen der vorherigen Kapitel erarbeiteten Aussagen spiegeln sich weitestgehend in den Ergebnissen der empirischen Studie wider. Wasserstoff als grüner Energieträger ist für alle untersuchten H2-Anwendungen nur sinnvoll, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt werden: H2-Kosten müssen abhängig von der Anwendung mit denen von konventionellen Energieträgern vergleichbar sein. Die Anwendungen sollten im Kostenvergleich (TCO) ähnliche Kennzahlen aufweisen. Dieser Vergleich kann mit Hilfe der LCOE Methodik durchgeführt werden. Es müssen ausreichende EEQ zur Verfügung stehen, die ähnliche niedrige Stromgestehungskosten aufweisen wie konventionelle Kraftwerke. Die Gestehungskosten richten sich nach standortspezifischen EEQ und deren Potentialen. H2 als grüner Energieträger muss zuverlässig in ausreichenden Mengen bereitgestellt werden können. Es müssen ausreichend Speichergrößen zur Verfügung stehen. Die Infrastruktur speziell im Mobilitätsbereich für grünen H2 muss erschlossen werden. Für Mobilitätsanwendungen werden mehrere Antriebstechnologien sich am Markt etablieren

286

Empirische Studie zu Geschäftsmodellen für grünen Wasserstoff

Diese Voraussetzungen sind auch für die Bausteine von Geschäftsmodellen essentiell, wie bezüglich der Anwendungen gezeigt wurde. Bei den Massenanwendungen muss Kostenkompatibilität mit den heutigen Anwendungen abzüglich der höheren Effizienzen und ggf. abzüglich von externen Kosten (Umwelt- und Gesundheitskosten) bestehen. Die aufgestellten Hypothesen sind durch statistische Verfahren geprüft und verifiziert. Damit sind auch die Ergebnisse der Einzelanalysen der vorliegenden Arbeit als plausibel bestätigt worden. Die in den Einzelanalysen untersuchten aktuellen Studien sowie Berechnungen und Fallbeispiele zeigen diese Zusammenhänge nochmals auf. Wichtige Eigenschaften in den verschiedenen Bausteinen der Geschäftsmodellstrukturen wurden durch die Untersuchungen dargestellt und durch Hypothesentests verifiziert. Speziell der untersuchte Geschäftsmodell-Baustein der Value Proposition sind für bestehende und neue Geschäftsmodelle essentiell.

9

Hauptbeiträge und Zusammenfassung

9.1

Hauptbeiträge

Die Nutzung konventioneller Energieträger als treibende Kraft des Wohlstandes ist aufgrund massiver Umwelt- und Klimaveränderungen und der damit einhergehenden gesellschaftlichen Probleme und Risken für die nächsten Generationen nicht mehr verantwortbar. Heutige konventionelle fossile Energieträger müssen durch nachhaltige Energiequellen ersetzt werden, auch wenn diese volatilen Eigenschaften haben. Diese Transformationsprozesse des Energiesystems sind notwendig, um die hohen Mengen an Emissionen von Kohlendioxiden und anderen klima-, gesundheits- und umweltschädlichen Stoffen in den Lebensräumen zu reduzieren, die bei den heutigen Energieumwandlungsprozessen durch Verbrennungs- und chemischen Vorgänge stattfinden. Die volatilen Eigenschaften erneuerbarer Energieträger erfordern es jedoch, Mittel der zeitlichen wie auch mengenmäßigen Überbrückung in der neu aufzubauenden Energieinfrastruktur bereitzuhalten. Ein möglicher Energieträger, der eine solche Überbrückungsfunktion leisten kann, ist Wasserstoff, der mithilfe erneuerbarer Energiequellen zu einem grünen sekundären Energieträger gewandelt wird. Um diesen sekundären grünen Energieträger erfolgreich und auch profitabel im Markt zu platzieren, müssen Kunden und Nutzern Anwendungen für grünen H2 zur Verfügung gestellt werden. Somit stehen Unternehmen und Entrepreneure vor der Aufgabe, eine Nachfrage nach H2-basierten Produkten und Dienstleistungen zu generieren und diese Nachfrage profitabel zu decken. Mithilfe von Geschäftsmodelltheorien können dabei Strukturen im Unternehmen geplant und implementiert werden, die eine langfristige profitable Operation am Markt ermöglichen. Das Forschungsziel der vorliegenden Arbeit war es, Strukturen von Geschäftsmodellen für verschiedene Anwendungen, die auf grünem H2 basieren, aufzuzeigen und die spezifischen Eigenschaften dieser Anwendungen bezogen auf die Elemente der Geschäftsmodelle zu beschreiben und darzustellen. Die Arbeit ging folgendermaßen vor: Zunächst wurden die Definitionen und die wichtigsten Grundlagen zum Forschungsbereich erarbeitet, um auf einer soliden Basis wertfreie Aussagen zu fossilen und erneuerbaren Energiequellen aus ökonomischer und ökologischer Sicht und in Bezug auf die Frage der Nachhaltigkeit machen zu können. Die gleiche Vorgehensweise wurde bei der Betrachtung von Geschäftsmodelltheorien verfolgt. Es gibt eine Vielzahl von Modelltheorien und Definitionen, die in vielen Fällen auf spezielle Anwendungsmuster fixiert sind. Das St. Gallener Modell und das Modell von Osterwalde und Pigneur stellen die Ausgangsbasis für diese Untersuchung dar. Um die ökonomische und ökologische Vorteilhaftigkeit von H2 gegenüber heutigen konventionellen Energieträgern darstellen zu können, sind die eine Substitution ermög© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5_9

288

Hauptbeiträge und Zusammenfassung

lichen den Bedingungen wie auch deren Risiken zu prüfen. Für diese Prüfungen wurden Berechnungen und Simulationen mit unterschiedlichen Instrumenten durchgeführt. Um Umwelteinwirkungen in Form von unterschiedlichen Umwelt-Kennziffern (CO2-Äquivalent in kg CO2/kWh) wurde das Global-Emission-Modell GEMIS verwendet. Für ökonomische Berechnungen der Gestehungskosten diente als Grundlagenberechnung die LCOE-Methode. Für eine ganzheitliche Betrachtung von energetischen, ökonomischen und umweltrelevanten Aspekten wurde spezielle Software mit Simulationsmodellen eingesetzt. Zusätzlich wurde ein Energiewandlungsmodell genutzt, das die Wirkungsgradkette von der Entstehung (Primärenergiequelle) bis zum Nutzer (Nutzenergie) darstellt und berechenbar macht. Hier werden primärenergetische Zusammenhänge mit Umweltaspekten verschmolzen. Aktuelle Kraftwerkstypen (fossile/regenerative) wurden energetisch untersucht und bewertet. Mithilfe dieser Bewertungen konnten die unterschiedlichen Herstellungsprozesse für H2 genauer analysiert und wichtige charakteristische Parameter dargestellt und berechnet werden. Dazu dienten Berechnungsmethoden speziell im Bereich der Wasserstoff-Elektrolyse. Fallbeispiele zur Herstellung von grünem H2 zeigten Merkmale wie Effizienz, Umwelteinwirkung, Wirtschaftlichkeit und technische Machbarkeit auf. Aus den Ergebnissen sind spezifische Eigenschaften abgeleitet worden, die für eine ansatzweise Ausgestaltung der Geschäftsmodellbausteine, in dieser Arbeit speziell die Value Proposition (Nutzenwerte), verwendet wurden. Diese dienten als Grundlage für die Betrachtung von Geschäftsmodellstrukturen mit grünem H2. Um die grundsätzlichen Muster von möglichen Geschäftsmodellstrukturen zu entwickeln, sind die heutigen Märkte, mögliche Marktteilnehmer und zukünftige Markttrends und potentiale auf Literaturbasis betrachtet und analysiert worden. Auf Basis der Geschäftsfeldtheorie wurden in dieser Arbeit archetypische Geschäftsmodellstrukturen für drei Geschäftsfelder entwickelt: die Erzeugung von grünem H2, die Infrastruktur für grünen H2 und die Anwendungen mit grünem H2. Für die Systematik möglicher Urtypen (Archetypen) von Geschäftsmodellen sind die möglichen Systemmodule mit grünem H2 aufgeteilt in EEQ, Umwandlungsprozesse, Speichertechnologie, Energiewandler und Infrastruktur. Mit diesen Systemen werden dabei alle Kombinationen in Bezug auf grünen H2 in Geschäftsmodellen nachgebildet. Diese Urtypen wurden für die H2-Anwendungen weiter unterteilt und detailliert betrachtet. Die dabei festgestellten Eigenschaften von Geschäftsmodellen werden nach dem Modell von Osterwalde und Pigneur in neun Elemente (Bausteine) eingeteilt. Im Besonderen wurde der Baustein Value Proposition, d. h. der Nutzenwert oder das Wertangebot für den Kunden und Nutzer, in dieser Arbeit genauer betrachtet und dargestellt. Value Proposition sind für den erfolgreichen Einsatz von Geschäftsmodellen von ausschalgebender Bedeutung. Insgesamt sind 10 archetypische Strukturen für die 3 Geschäftsfeldbereiche entwickelt und für die unterschiedlichen Anwendungen weiter

Hauptbeiträge

289

unterteilt worden. Die Informationen für die einzelnen Elemente nach Osterwalde und Pigneur wurden in Tabellenform mit Bewertungen dargestellt. Die möglichen Anwendungen mit grünem H2 wurden in stationäre/portable, Mobilitäts- und Power-to-X-Anwendungen unterteilt. Dabei wurde in allen drei dieser Untersuchungsbereiche der Fragen nachgegangen, welche Anwendungen es für grünen H 2 gibt und welche Chancen im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Umweltauswirkungen für die Anwendungen bestehen. Des Weiteren wurden auf Basis von Anwendungsanalysen Eigenschaften der Nutzung von grünem H2 erarbeitet, die für einen erfolgreichen Aufbau von Geschäftsmodellen wichtig sind. Für die methodische Analyse der Anwendungen in Fallstudien wurde Simulationssoftware verwendet, um technische, wirtschaftliche und ökologische Sachverhalte darzustellen. Stationäre Energieumwandlungssysteme sind spezielle Brennstoffzellenheizsysteme, die heute überwiegend mit fossilen Energieträgern betrieben werden, da eine direkte grüne H2-Quelle für die Hausversorgung heute noch nicht zur Verfügung steht. Die Berechnungen in der vorliegenden Arbeit zeigen deutlich, welche Potentiale in diesem Bereich zukünftig für eine alternative Energieressource bestehen, im Speziellen für dezentrale autarke Systeme. Solche eigenständigen Systeme, die mit unterschiedlichen Energiequellen arbeiten (Hybridsysteme), wurden in Form eines neuen innovativen Systems (Fuel Cell Amplifier, entworfen von R. Staiger) dargestellt. Dabei wurde aufgezeigt, wie mit geringen Input-Energiemengen (H2) unter Verwendung von Umweltenergie wie Geothermie, Solarthermie oder Energie aus Abwassers Systeme hocheffizient thermische und elektrische Energie bereitgestellt werden kann, ohne die Umwelt durch Treibhausgas-Emissionen zu belasten. Im Mobilitätsbereich sind durch die schnellen technischen, ökonomischen und politischen Veränderungen der letzten 5 Jahre enorme Zukunftspotentiale für grünen H 2 entstanden. Der Mobilitätsbereich umfasst eine große Menge an unterschiedlichen Fahrzeugtypen und arten: Fahrzeuge für private und kommerzielle Anwendungen, Personentransportsysteme wie Busse und Schienenfahrzeuge, maritime Fahrzeuge und Flugzeuge. In diesen Mobilitäts-bereichen wird bereits intensiv an der Verwendung von H2 geforscht. Die Analysen der vor-liegenden Arbeit zeigen hier starke Wachstumspotentiale für Anwendungen mit grünem H2. Im Kfz-Bereich wird kontrovers über die zukünftige Antriebsstrang-Technologie diskutiert. Die Analyse zeigt die kontrovers diskutierten Standpunkte der unterschiedlichen Antriebsstrategien auf. Als Ergebnis von Berechnungen und Fallstudien zeigt sich, dass zukünftig Fahrzeuge mit unterschiedlichen Energiequellen angetrieben werden, wobei sich die Auswahl der Energiequellen an Verwendungszwecken des Fahrzeugs und an Rahmenbedingungen wie der lokalen Verfügbarkeit von Energiequellen orientiert. Es kann eindeutig konstatiert werden, dass die Zeit der konventionellen Verbrennungsmotoren abgelaufen ist. Zukünftig werden unterschiedliche Kombinationen aus E-Antrieb, Hybridsystemen mit BZ und H2-basierten

290

Hauptbeiträge und Zusammenfassung

Verbrennungskraftstoffen die Fahrzeugflotten antreiben. Im Transportbereich, speziell beim öffentlichen Nahverkehr mit Bussen, ist aufgrund der heutigen Umweltbelastungen (Treibhausgase, Feinstaub) und der Reglementierungen durch regionale Behörden wie Gemeinden und Städte eine deutliche Zunahme H2-basierter Antriebsstränge zu erwarten. Dies ist weltweit durch Studien wie auch die Existenz spezieller Förderprogramme und die Entwicklung von Verkaufszahlen belegt. Vorreiter dieser Entwicklung ist in zunehmendem Maße die Volksrepublik China. Im Bereich maritimer Fahrzeuge sind Hochseeschiffe und Containerschiffe aufgrund zu hoher Umweltbelastungen durch Schweloxide, Feinstaub usw. in Häfen und Küstennähe in den Fokus der Behörden geraten. Eine Lösung bieten Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen mit Brennstoffzellen für die Bereitstellung von Strom und die Antriebstechnik. Im Luftfahrtbereich sind bereits Prototypen für bis zu 4 Personen mit H2-basierter Antriebstechnik in Betrieb. Größere Flugzeuge bis 100 Personen und Reichweiten von 1.500 km sind technisch machbar. Um die Energiesektoren als ganzheitliches Energiesystem zu betrachten und so Synergieeffekte zu nutzen, die den Klimawandel stoppen oder zumindest begrenzen können, bedarf es neuer Konzepte für eine Transformation hin zur Nutzung erneuerbarer Energien. Dazu werden die Power-to-X-Anwendungen eingesetzt. Diese ermöglichen es unter bestimmten Umständen, aus volatilen Energieressourcen speicherbare Energieträger für eine konstante Energieversorgung zu erzeugen und die verschiedenen Energiesektoren miteinander zu verknüpfen. Als Problematik für die Wirtschaftlichkeit eines solchen Ansatzes sind die noch geringen Überkapazitäten an volatilen erneuerbaren Energie-Ressourcen zu sehen. Dadurch, dass Stromgestehungskosten von ErneuerbareEnergie-Systemen durch technologische Innovationen, Stückzahldegressions-Effekte und Lerneffekte immer geringer werden, sind diese zukünftigen Energie-Ressourcen bereits kostengünstiger als konventionelle Energiewandler. Welche PtX-Anwendungen schlussendlich dominieren werden, entscheidet sich bei weiterem Ausbau der Energieinfrastruktur mit Erneuerbare-Energie-Systemen. Dabei wird in ähnlicher Weise wie im Mobilitätssektor ein Mix aus unterschiedlichen Umwandlungsprozessen geformt werden. Alleine die chemische und Stahlindustrie, wo heute bereits 95 % des H 2 verwendet werden, birgt großes Effizienz- und Umweltpotential. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass grüner Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger in der Zukunft eine wichtige Rolle spielt. Zur Überprüfung der Ergebnisse, die in den Kapiteln 3–7 der vorliegenden Arbeit auf Literaturbasis und im Rahmen von Fallstudien, Simulationen und Berechnungen erarbeitet wurden, sind Hypothesen aufgestellt und mittels einer quantitativ empirischen Studie (einer Befragung von Experten im H2-Bereich) auf Zuverlässigkeit und Plausibilität geprüft worden. Die Ergebnisse der Befragung bestätigen die Relevanz von H2 als grünem sekundärem Energieträger für die zukünftige Energieversorgung. Von den Experten

Zusammenfassung

291

als besonders wichtig identifizierte Eigenschaften von H2-basierten Anwendungen entsprechen den Ergebnissen der einzelnen Beiträge in dieser Forschungsarbeit.

9.2

Zusammenfassung

Wasserstoff als grüner sekundärer Energieträger kann zukünftig als ideales Bindeglied in und zwischen den drei Energiesektoren Mobilität, Wärme und Elektrizität eingesetzt werden. Für diesen neuen Wirtschaftsbereich indizieren die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sowie nationale und internationale Studien, Marktanalysen und aktuelle Unternehmenstrends ein ausgeprägtes Wachstumspotential in allen hier diskutierten Anwendungsbereichen. Um dieses Potential in den Unternehmen gewinnbringend zu nutzen, sind innovative und erfolgsversprechende Geschäftsmodelle notwendig. Erfolgskritisch ist insbesondere die Ausgestaltung der Geschäftsmodelle im Hinblick auf ihre Bausteine. Da grüner Wasserstoff heute noch keinen wesentlichen technischen, ökologischen wie auch ökonomischen Einfluss im energiewirtschaftlichen System hat, sind mögliche geschäftliche Chancen genau zu analysieren. Unternehmen mit Anwendungen in ihrem Portfolio, die zukünftig auf grünen H2 umgestellt werden können, zeigen bereits in Nischenmärkten, dass eine erfolgreiche Umsetzung heute schon möglich ist. Diese erfordert jedoch eine vorausschauende Unternehmensführung, die zugleich bereit ist, bestimmte Risiken einzugehen und sich in diesem Sinne durch Entrepreneurship auszeichnet. Der menschliche Eingriff in die Umwelt der letzten 50 Jahre hat nahezu unübersehbare Ausmaße erreicht. Der durch fossile Energieträger gedeckte Primärenergieverbrauch steigt durch Wirtschafts- Weltbevölkerungswachstum stetig an. Aktuell werden täglich über 12.000 Millionen Liter an Rohöl und 1.000 Millionen Tonnen an Kohle gefördert. Jährlich werden 32,5 Millionen Tonnen CO2 ausgestoßen, und dies bei gleichzeitiger Vernichtung von CO2-Absorbern – vorwiegend Tropenwald und anderen Wäldern – im Ausmaß von 1000 Hektar pro Tag. Beide Effekte zusammen sowie weitere durch den Menschen hervorgerufenen Umweltemissionen verändern das Klima tiefgreifend und in hohem Tempo. Dieser Entwicklung stehen große, aber noch kaum ausgeschöpfte Effizienzpotentiale in der heutigen Energieinfrastruktur gegenüber, die weltweit durch den Einsatz alternativer Technologien gehoben werden können. So liegen die aktuellen Wirkungsgrade der Energieumwandlungsprozesse bei nur 40–50 %. Das bedeutet, dass im Schnitt 50–60 % der erzeugten Energie nicht genutzt wird und weitgehend als Wärme in die Umwelt verpufft. Erneuerbare Energien als Primärenergiequelle können den heutigen jährlichen Energiebedarf um das Zigtausend fache übertreffen, sind aber mit dem Problem einer hohen Volatilität behaftet. Diese Volatilität kann nur mittels Umwandlung von Energie

292

Hauptbeiträge und Zusammenfassung

in speicherbare Medien und eine anschließende Rückumwandlung kompensiert werden; es wird also ein Bindeglied zwischen den erneuerbaren Energiequellen und der Energieverwendung benötigt. H2 als grüner sekundärer Energieträger kann nach aktuellen Studien und Berechnungen eine entscheidende Rolle als Bindeglied zwischen erneuerbaren Energiequellen (EEQ) und den einzelnen Energiesektoren spielen. Die Umwandlung von EEQ in grünen H2 ist heute schon in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung wirtschaftlich und technologisch möglich. Durch die exponentiell fallenden Investitionskosten für EEQ, insbesondere Photovoltaik und Windenergie, sind konkurrenzfähige Gestehungskosten in kurzer Zeit auch in nördlicheren Breitengraden möglich. Durch Skaleneffekte und Innovationen werden die Investitionskosten und Wirkungsgrade für den Energietransformationsprozess von EEQ in grünen H2 zusätzlich wirtschaftlich interessanter. Wo und in welchen Bereichen H2 eingesetzt werden kann, zeigen die unterschiedlichen archetypischen Geschäftsmodelle auf, die in der vorliegenden Arbeit aus den Geschäftsfeldbereiche Herstellung, Infrastruktur und Anwendungen abgeleitet wurden. Aus diesen archetypischen Strukturen sind weitere Unterteilungen von Geschäftsmodellen abgeleitet worden. Es sind insgesamt 13 archetypische Geschäftsmodelle dargestellt und beschrieben. Für jede Anwendung wurden die Eigenschaften von grünem H 2 dargestellt, die für erfolgreiche Geschäftsmodelle von zentraler Bedeutung sind. Für jedes der aufgezeigten Geschäftsfelder und seine archetypischen Geschäftsmodellstrukturen wurde eine Vielzahl von konkreten Eigenschaften für die unterschiedlichen Geschäftsmodell-Bausteine nach Osterwalde und Pigneur aufgezeichnet. Bei den stationären Anwendungen gibt es eine Vielzahl von Systemen und sie bewegen sich in einem Leistungsbereich, der von W bis MW reicht. Unter ihnen sind unterschiedliche Anwendungen für die Herstellung von grünem H2 mithilfe eines Elektrolyseurs und die Verwendung von H2 zur Generierung von Strom und Wärme. Beispiele, die in der Arbeit näher betrachtet wurden, sind Brennstoffzellenheizgeräte, KraftWärme-Kopplung (Blockheizkraftwerke), Gasmotoren und energieautarke Systeme. Systeme, die nur elektrische Energie generieren, sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS), Notstromversorgungen, tragbare Stromerzeuger, Netzteile usw. Diese wurden auf ihre spezifischen Eigenschaften bei Verwendung von grünem H2 untersucht. Der größte Teil der heutigen stationären Brennstoffzellen-Systeme wird mit fossilem Gas betrieben. Reiner grüner Wasserstoff wird bisher nicht eingesetzt, da dies heute noch nicht wirtschaftlich wäre. Der benötigte Wasserstoff für heutige Brennstoffzellen wird über einen separaten Reformer-Prozess in den Anwendungen direkt bereitgestellt. Das bedeutet, dass aus dem zugeführten fossilen Gas der Wasserstoffanteil reformiert und dann im Umwandlungsprozess in der Brennstoffzelle verwendet wird. Als Emissionen bleibt Kohlendioxid übrig, das emittiert wird. Zukünftig wird durch die Herstellung von grünem H2 über Elektrolyseverfahren die Nachfrage nach Elektrolyseuren im kW-

Zusammenfassung

293

und MW-Bereich stark ansteigen. Die Nachfrage nach grünem H 2 für BrennstoffzellenHeizkraftwerke und Brennstoffzellen-Heizgeräte wird zunächst gering sein, da die heutigen Energiekosten für fossiles Gas bei 5-6 Cent/kWh und damit unter den Kosten für einen H2-Betrieb liegen. Sollten zukünftig CO2-Abgaben (Steuern) auf fossile Energieträger erhoben werden, würde ein Kostenvergleich in Cent/kWh für H 2-basierte Energieträger positiv ausfallen. Heute gibt es bereits Länder, in denen H2 wirtschaftlich herstellbar ist. Für aktuelle Nischenanwendungen, wie Notstromversorgungen und Beleuchtungen, und ihre Märkte spielen die höheren Energiekosten von H2 keine wesentliche Rolle. Hier sind andere Eigenschaften wie Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und ein hoher Autonomiegrad von größerer Bedeutung. Dennoch nutzen diese Anwendungen heute grauen Wasserstoff oder einen fossilen Energieträger, obwohl sie technologisch mit grünem H2 realisiert werden können. Um stationäre Systeme in ihren wirtschaftlichen und ökologischen Dimensionen rechnerisch zu erfassen, müssen die thermische sowie die elektrische Energiegenerierung betrachtet werden. Es gibt eine Vielzahl an Parametern, die die Wirtschaftlichkeit und die ökologische Vorteilhaftigkeit bestimmen. Da in der Regel die elektrischen Energiekosten bedeutend höher sind als die Kosten für thermische Energie, muss das Verhältnis zwischen thermischem und elektrischem Energieverbrauch genau betrachtet werden, um Fragen der Wirtschaftlichkeit und ökologischen Verträglichkeit solcher KWK-Systeme zu beantworten. Im Energiesektor Mobilität werden über 30 % des gesamten Schadstoffausstoßes bewirkt. Eine Reduktion der Treibhausgase im Mobilitätssektor ist nur durch eine höhere Effizienz der Fahrzeuge, ein verändertes Nutzungsverhalten und den Einsatz von EEQ anstatt fossiler Energieträger möglich. Beim jetzigen Nutzungsverhalten werden Kfz nur für einen Bruchteil der Zeit und mit einer Auslastung von meistens nur etwas mehr als einer Person bewegt. Hier muss zusätzlich ein Umdenken stattfinden und neue Mobilitätskonzepte müssen entwickelt werden. Der Mobilitätsbereich umfasst eine Anzahl von Fahrzeugen, die in Pkw, Lastkraftwagen, Massen-Transportmittel, Zweiräder, maritime Fahrzeuge, industrielle Fahrzeuge und Flugzeuge, unterteilt sind. Es sind weltweit geschätzte 1.600 Millionen Fahrzeuge unterwegs. Nach aktuellen Schätzungen sind ca. 6.000 Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf den Straßen. Die Nachfrage nach Brennstoffzellen-Fahrzeugen ist bedingt durch infrastrukturelle Einschränkungen (kleines H2-Tankstellennetz), hohe Kosten der heutigen Fahrzeuge, hohe Energiekosten für H2 und eine geringe Anzahl von Anbietern sehr gering. Die heutigen Energiesysteme fußen alle ökonomisch und technisch auf einer Basisstruktur von fossilen Energieträgern. Dies gilt auch für die heutige Herstellung von Wasserstoff (grauer H2) und die gesamte logistische Kette.

294

Hauptbeiträge und Zusammenfassung

Hersteller, die tatsächlich Wasserstoff als Energieträger benötigen, sind nur in speziellen Nischenmärkten aufzufinden. Hierin liegt im Bereich der Brennstoffzellen-Mobilität ein Problem. Denn um wettbewerbsfähige Fahrzeuge zu produzieren, sind hohe Stückzahlen erforderlich. Diese Stückzahlen können nicht erreicht werden, wenn eine Infrastruktur für grünen H2 nur mangelhaft vorhanden ist. Um dieses Dilemma zu lösen, sind alternative Konzepte zu entwickeln. So versuchen Lastkraftwagenhersteller aktuell, gleichzeitig mit den Fahrzeugen eine H2-spezifische Infrastur aufzubauen. Dabei spielen strategische Partnerschaften und Kundenbeziehungen als Baustein von Geschäftsmodellen eine entscheidende Rolle, aber auch – insbesondere in Massenmärkten wie dem Mobilitätssektor – die Herstellkosten des grünen Wasserstoffes. Diese Kosten hängen maßgeblich von der Energiequelle für dessen Herstellung ab. Seit mehreren Jahren ist durch unterschiedliche Faktoren wie Energiekosten, Klimawandel, Feinstaubbelastungen, technologische Fortschritte sowie exponentielle Steigerungen von EEQ und daraus resultierende niedrige Stromgestehungskosten eine Abkehr von Verbrennungsantrieben initiiert worden. Studien zeigen, dass in den nächsten 10 Jahren ein rasanter Wandel im Bereich der Brennstoffzellen-Fahrzeuge zu erwarten ist, der alle Fahrzeugarten betrifft. Um diesen Wandel zu unterstützen muss die Energieressource Wasserstoff als grüner sekundärer Energieträger bereitgestellt werden. Die ist nur über erneuerbare Energie-Quellen möglich, denn H2 aus fossilen Energieträgern bereitzustellen ist ökologisch sinnlos. Zukünftig werden batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV) und brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge (FCEV) zur Verfügung stehen. Nach aktuellen Studien werden beide Fahrzeugarten einen Platz im Markt haben. FCEV werden auf längeren Strecken und aufgrund der kurzen Betankungszeit von Vorteil sein und sich vor allem im Transport- und Schwerlastverkehr bewähren. Für geringere Entfernungen und wenn längere Zeitspannen für die Beladung zur Verfügung stehen, werden BEV bevorzugt. Für kommerzielle Fahrzeuge sind auch Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff eine weitere Option. Power-to-X-Anwendungen bilden die zukünftige Grundlage für den Einsatz von grünem H2 als Bindeglied in der Sektorenkopplung. Wie bei den stationären Systemen wird durch Elektrolyseure oder spezielle Reformprozesse mit Biomasse grüner H 2 erzeugt. Diese Anlagen sind im Vergleich zu denen in heutigen Nischenmärkten um das Mehrfache größer, liegen also im MW-Leistungsbereich. Kritisch für ihre Wirtschaftlichkeit sind – wie auch im stationären Bereich – die EEQ-Stromgestehungskosten und die Investitionskosten für die Prozessketten bis zur Speicherung bzw. die Infrastruktur-Investitionen. Power to Gas ist als Baustein einer Energiewende essenziell notwendig, um die Klimaschutzziele in Deutschland in der EU und weltweit zu erreichen. Power- to- Gas kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, den Energiebedarf der Sektoren Wärme, Verkehr und Industrie zu decken und freigesetztes CO2 zu binden. In einigen Bereichen stellt Power- to- Gas die einzige technische Möglichkeit einer CO2-Minderung dar.

Zusammenfassung

295

Die PtX-Technologie erfüllt systemdienliche Aufgaben und dämpft die Herausforderungen in einem zunehmend elektrifizierten Energiesystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien. Des Weiteren stellt sie Alternativen für einen Ausbau der E-Trassen zur Verfügung, da die durch PtX erzeugten Energieträger in Tanks oder Pipelines transportiert werden können PtX-Technologien lassen sich heute noch nicht wirtschaftlich realisieren, da noch keine ausreichende Menge an Energie aus EEQ vorhanden ist. Die Überkapazitäten von EEQ reichen für eine wirtschaftliche Betriebsweise solcher Anlagen bisher nicht aus. Die Technologie ist heute nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich, was die Dynamik ihres Ausbaus hemmt. Damit PTX rechtzeitig zu akzeptablen Kosten einsatzbereit ist, sollten ihre industrielle Verwendung und die Marktentwicklung bereits heute beginnen. Power-to-Gas- bzw. Power-to-Liquid-Produkte können perspektivisch über den Weltmarkt gehandelt werden und damit fossile Brennstoffe ersetzen. Länder mit hohem Potential für die Herstellung erneuerbarer Energien haben hier einen besonderen Vorteil in der Herstellung und Vermarktung. Aus der empirischen Studie können folgende Ergebnisse extrahiert werden: Die Resultate der einzelnen Analysen der vorliegenden Arbeit spiegeln sich weitestgehend in den Ergebnissen der empirischen Studie wider. Wasserstoff als grüner Energieträger ist für alle untersuchten H2-Anwendungen nur dann einsetzbar, wenn folgende Vorrausetzungen erfüllt werden: - H2-Kosten müssen abhängig von der Anwendung mit denen konventioneller Energieträger vergleichbar sein. - Die Anwendungen sollten im Kostenvergleich (TCO) ähnliche Kennzahlen liefern. - Es müssen ausreichende EEQ mit niedrigeren Stromgestehungskosten als denen heutiger bzw. zukünftiger konventioneller Energieträger zur Verfügung stehen. Die einzusetzenden EEQ variieren dabei abhängig von den unterschiedlichen Regionen. - H2 als grüner Energieträger muss zuverlässig bereitgestellt werden. - Eine Infrastruktur für grünen H2 muss geschaffen und ausgebaut werden. Diese Voraussetzungen sind auch für die Bausteine von Geschäftsmodellen essentiell, wie in den Kapiteln zu den Anwendungen gezeigt wurde. Insbesondere sollte Kostenparität mit den heutigen auf fossilen Brennstoffen basierenden Anwendungen bestehen, wobei die höheren Effizienzen von EEQ und von H2-basierten Anwendungen bei einem Vergleich berücksichtigt werden müssen. Speziell der Geschäftsmodell-Baustein der Value Proposition, also der Nutzwerte, von Anwendungen mit grünem H 2 wurde fokussiert und als wesentlich erachtet. Der Kundennutzen muss für alle Entwürfe von Geschäftsmodellen im Bereich des grünen H2 im Vordergrund stehen, wobei dieser Nutzen in der Wahrnehmung heutiger Kunden auch – wenn auch nicht nur – im Beitrag von Wasserstoff zur Erreichung der Klimaziele liegen kann.

296

9.3

Hauptbeiträge und Zusammenfassung

Limitationen

Im Folgenden werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen kritisch reflektiert. Bezüglich der empirischen Studie in Form einer Expertenbefragung ist der Rahmen der Befragung kritisch zu betrachten. Die interviewten H2-Experten könnten aufgrund ihres professionellen Engagements im Wasserstoffbereich unter Umständen ein starkes Interesse daran haben, dass sich H 2 positiv im Marktumfeld etabliert. Aus diesem Grund können kritische Betrachtungen von den Experten ausgeblendet werden. Im gewählte Expertenmilieu könnten mithin positive Grundeinstellungen vorherrschen, wobei etwaige negative Aspekte eines Einsatzes von grünem Wasserstoff im gesamten Umfeld nicht ausreichend Berücksichtigung finden, somit also ein Bias besteht. Es wurde zwar bei der Auswahl der Experten darauf geachtet, dass unterschiedliche Fachbereiche wie Forschung, Anwendungstechnik und Administration gleichmäßig repräsentiert sind, doch hätten Experten aus angrenzenden Bereichen ohne Expertenstatus für H2 in die Befragung mit einbezogen werden können, um den oben geschilderten potentiellen Bias zu vermeiden. Dabei ist aber zu beachten, dass die vorliegende Arbeit in der Schnittmenge von zahlreichen technologischen Anwendungen liegt. Dies würde für eine solche Befragung bedeuten, dass das Experten-Sample wie auch eine differenzierte Auswertung von hoher Komplexität gekennzeichnet wären, die die Durchführung einer solchen Untersuchung zumindest erschwert, möglicherweise auch verunmöglicht hätte. Eine Alternative hätte darin bestanden, den Fokus der Befragung enger zu fassen, was bedeutet, dass die Anwendungsbereiche limitiert werden. Hier könnte man eine breitere Basis von Expertenmeinungen mit einbeziehen, müsste aber auf eine umfassende systematische Exploration von Geschäftsmodelltypen verzichten. Ein weiterer Gegenstand der Kritik ist die Frage, ob sich Hypothesen mit einer Mehrheitsmeinung von Experten verifizieren lassen. Insbesondere wenn die befragten Experten im selben Umfeld arbeiten und forschen, kann ein solches Vorgehen kaum zu neuen Erkenntnissen in den Anwendungsbereichen von grünem H2 führen, denn es werden die in der Arbeit erzeugten Ergebnisse nur dann als belastbar erachtet, wenn sie den Erkenntnissen der befragten Experten und damit dem Mainstream des Wissensstandes im Forschungsbereich entsprechen. Doch diente die Überprüfung von Hypothesen es in dieser Arbeit nicht dem Ziel, neue Erkenntnisse zu erlangen. Vielmehr sollten vorrangig die einer Analyse von Geschäftsmodellstrukturen zugrunde liegenden Annahmen mittels der Hypothesenprüfung auf Plausibilität geprüft werden. Durch die empirischen Studien ist die Validität der Geschäftsmodell-Darstellung erhöht worden. Es wäre jedoch wünschenswert, die in dieser Arbeit aufgestellten Hypothesen empirisch auf anderer Basis als auf Basis von Expertenmeinungen zu prüfen. Ein solches Unterfangen hätte jedoch aufgrund des umfangreichen Forschungsgegenstands zahlreiche und

Ausblick auf weiter Forschungsarbeiten

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umfangreiche empirische Untersuchungen erfordert, die den Rahmen dieser Arbeit gesprengt hätten.

9.4

Ausblick auf weiter Forschungsarbeiten

Diese Arbeit behandelte die Gestaltung von Geschäftsmodellen, die auf Anwendungen mit grünem H2 basieren. Dabei stützte sich die Arbeit auf Kalkulationen mit Simulationsmodellen und auf empirisch erhobene Expertenmeinungen. Wünschenswert wären jedoch auch empirische Untersuchungen der tatsächlichen Umsetzung von H2-basierten Geschäftsmodellen, da nur so Einflussfaktoren und Rahmenbedingungen identifiziert werden können, die aus der hauptsächlich theoretischen und deduktiven Perspektive der vorliegenden Arbeit nicht erschlossen werden können. Da Unternehmen in der Regel nur eines oder wenige Geschäftsmodelle realisieren, müsste solche weiterführenden Forschungsarbeiten einen engeren Fokus als die vorliegende Arbeit aufweisen, die eine umfassende Darstellung möglicher auf grünem H2 basierter Geschäftsmodelle anstrebte. Denkbar wären Case Studies an einzelnen Unternehmen. Da eine grünen H 2 verwendende Industrie aus den in dieser Arbeit dargestellten Gründen noch nicht existiert, könnten für solche Untersuchungen zunächst Unternehmen ausgewählt werden, die grauen H2 verwenden. Diese Unternehmen könnten auf ihre Kundenbeziehungen, ihre Value Proposition etc. detailliert untersucht werden und die Ergebnisse könnten dann umsichtig auf Geschäftsmodelle mit grünem H2 übertragen zu können. Des Weiteren könnten Studien unternommen werden, die Expertenmeinungen qualitativ empirisch oder quantitativ-empirisch auswerten, um Schlussfolgerungen auf zukünftige Marktchancen für Geschäftsmodelle mit grünem H2 und deren optimale Ausgestaltung in spezifischen Branchen zu ziehen. Diese Studien sollten vor dem Hintergrund der kritischen Reflexion im vorigen Kapitel eine breite Auswahl an Experten verwenden, die über die in vorliegender Arbeit befragten H2-Experten hinausgeht und Fachleute aus angrenzenden Bereichen einbezieht, wie der jeweils relevanten Branche, in der auf grünem H2 basierende Geschäftsmodelle umgesetzt werden sollen. Im Ganzen wird die wissenschaftliche Vorbereitung, Begleitung und Analyse der Etablierung eines auf EEQ basierenden Energiesektors, in dem Wasserstoff als grüner nachhaltiger Energieträger verwendet wird, zahlreiche Einzeluntersuchungen in den Geschäftsfeldern erfordern, die in der vorliegenden Arbeit behandelt wurden.

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Anhang Anhang 1 Stromgestehungskosten

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert durch Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 R. Staiger und A. Tanţǎu, Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff, Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, https://doi.org/10.1007/978-3-658-30576-5

318

Anhang

Anhang 2: Fragendesign empirische Studie Frage 1: Is a world without fossil - and nuclear energy source imaginable? Yes No I do not know Frage 2: What is your knowledge about hydrogen and its applications? very good good average sufficient none Frage 3: In which country / region do you work? North America South America Australia East Europe West Europe

North Europe South Europe Australia Asia Others:

Frage 4: In which fields do you work with H%TIEF2TIEF% technologies? answers Government organisations H2 production/distribution/storage H2 transport/mobility H2 stationary systems Power to X applications Theoretical scientific work/R&D Others Frage 5: For how many years have you worked in the field of H%TIEF2TIEF% technologies? 0-10 years' time in the following energy applications? unimimportant portant Transport/Mobility sector Thermal heat sector Electrical power generation Power to X applications Energy Infrastructure Author 12: Where do you see the greatest potential in the transport/mobility sector with H2 as a renewable energy carrier? low high Fuel Cell vehicles (FCV) Cars up to 2.5 to Heavy goods vehicle Bus transport Special vehicles in industries (fork lifts, transport carrier...) Rail Vehicles Maritime Vehicles Airplanes Simple means of transport (two-wheelers, Bikes, ...) Hybrid systems (BEV/FCEV combination) minimize window / put it in the background

Author 13: Where do you see the greatest potential in the stationary sector with H2 as a renewable energy source? low high Electrolyser Fuel Cell Heating System in domestic/public buildings Auxiliary power generation for balancing energy fluctuations Emergency power supply Decentralized energy supply CHP > 10 kW â“ 100 kW CHP > 100 kW

Anhang

321

minimize window / put it in the background

Frage 14: How important are following general value proposition, using H2 as a renewable energy source? unimimportant portant Practically unlimited available No energy imports Environmentally friendly Transportable without loses Storable in large quantities Independent energy source Energy price Locally produced (point of use) and usage The basis of energy autonomy Safely High energy density An Energy storage for overcapacity and fluctuating renewable energy sources minimize window / put it in the background

Frage 15: What are your important value propositions for transport/mobility applications for H2 as a renewable energy carrier? unimimportant portant Distance range Filling time Emission free No fine dust No driving bans (inside cities) Possible tax refunds Safety aspects System efficiency Heavy load transport Immediate availability Driving cost Noise emission Mobility diversity (vehicle types)

322

Anhang

minimize window / put it in the background

Frage 16: What are your important value propositions for stationary applications for H2 as a renewable energy carrier? unimimportant portant No environmental impact Efficiency Decentralized intelligent energy conversion systems Power ranges from kW to MW Compensate for renewable energy fluctuations Fast response time Availability of thermal and electrical output Noise emissions Energy cost Energy savings Easy to use minimize window / put it in the background

Frage 17: Which applications have the greatest innovation potential with H2 as a renewable energy source? Please make a ranking with §§ elements by drag and drop. H2 Storage systems Electrolyser systems H2 production methods H2 distribution systems (filling stations, Multifuel) Fuel cell systems H2 components Frage 18: Which customer segments are important for you in your H%TIEF2TIEF% field? unimportant Private household (business to consumer) Business (business to business) Energy supplier Energy distribution Transport sector Process/Chemical industries minimize window / put it in the background

important

Anhang

323

Frage 19: Which resources are particularly important for you in your H%TIEF2TIEF% field? unimportant

important

Human capital License/Patents Financial resources Strategic partners Sales organisations Production facilities minimize window / put it in the background

Frage 20: Which key factors are most important to you in your H%TIEF2TIEF% field? unimportant

important

Key Partner Financial situation Cost structure Income sources Product and services minimize window / put it in the background

Frage 21: What do you think about the future of battery and fuel cell vehicles? Yes Both systems will establish themselves on the market Fuel cell vehicles will dominate the future transport and mobility market Future vehicles will be hybrid vehicles using fuel cell and battery technologies The key to success for fuel cells Mobility is the expansion of the infrastructure The electrical power consumption during fast charging processes of battery vehicles will in future hit the limits of the electrical energy infrastructure H2 infrastructure for FCEV is on a long run, more economically as an electrical infrastructure for BEV Today's battery technology has to change fundamentally due to the materials and weight used (availability, dependency, environmental impact) Economically, the fuel cell car will prevail Fuel cell- and battery vehicles will cost a similar amount in large quantities

No