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FÜR DIE STADT ESSEN:
EINE NACHHALTIGE UND
EMISSIONSFREIE MOBILITÄT IM BALLUNGSGEBIET
Seite 2
Für die Gestaltung externer und interner Kommunikationsmittel (Broschüren, Pressemitteilungen, Statistiken, Präsentationen) bieten wir die Logos der HyLand Förderung zum Download an:
Außerdem stehen Ihnen folgende Logos zur Verfügung:
• Förderlogo des BMVI
• „koordiniert durch NOW GmbH“-Logo
• „Projektträger PtJ“-Logo
Alle Logos und technischen Spezifizierungen stehen unter www.now-gmbh.de/service zum Download bereit.
Die Ergänzung von Partner-Logos ist möglich.
Pressemitteilungen müssen rechtzeitig mit der Kommunikation der NOW GmbH abgestimmt werden. Die Förde- rung durch das BMVI und die Fördersumme müssen möglichst am Anfang der Pressemitteilung genannt werden.
Der entsprechende Textbaustein (Vorschlag):
»Die Entwicklung der Region XY als Wasserstoffregion wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP2) mit insgesamt XY Euro durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.«
Zitate von BMVI- bzw. NOW- oder PtJ-Vertretern müssen mit NOW Kommunikation abgestimmt werden.
Leitfaden Kommunikation Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
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»Die Entwicklung der Region XY als Wasserstoffregion wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP2) mit insgesamt XY Euro durch das Bundesministerium für
Leitfaden Kommunikation
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Eine Studie von (in alphabetischer Reihenfolge) BBH Consulting AG
Magazinstraße 15-16 10179 Berlin
con|energy agentur gmbh Norbertstraße 3-5 45131 Essen Hydrogentle Gmbh Schellerdamm 16 D-21079 Hamburg
nymoen|strategieberatung gmbh Joachimsthaler Straße 20 D-10719 Berlin
Die Entwicklung der Region Essen als Wasserstoffregion wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms
Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP2) mit insgesamt 300.000 Euro durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.
Essen | September 2021
INHALTSVERZEICHNIS
Management Summary 8
1. Einleitende Worte zu Ausgangslage und Zielsetzung 12
2. Methodisches Vorgehen 14
2.1 Projektorganisation & Zielsetzung 14
2.2 Potenzialanalyse 15
2.3 Erstellung & Bewertung von Projektsteckbriefen 16
2.4 Entwicklung von Zielbildern 16
2.5 Konkretisierung der Starter-Projekte & Umsetzungsroadmap 18
3. Wertschöpfungsstufen im H2-Ecosystem Essen 19
3.1 Erzeugung von Wasserstoff 19
3.1.1 Grauer Wasserstoff 19
3.1.2 Blauer Wasserstoff 20
3.1.3 Türkiser Wasserstoff 20
3.1.4 Grüner Wasserstoff 21
3.1.5 Wasserstoff aus MHKW 24
3.2 Transport von Wasserstoff 25
3.2.1 Trailer-Belieferung 25
3.2.1 Pipeline-Belieferung 25
3.3 Verwendung von Wasserstoff 27
3.3.1 Verwendung in Wärmeanwendungen 27
3.3.2 Verwendung in industriellen Prozessen 29
3.3.3 Verwendung in der Mobilität 30
3.4 Fazit und Projektübersicht 37
4. Bewertung der konkretisierten Projektansätze 39
4.1 Bewertungskriterien 39
4.2 Bewertung der Projektansätze 40
4.3 Merit-Order 42
5. Transformationspfad des H2-Ecosystem Essen 43
5.1 Mittelfristige Zielbilder auf Basis der Projektansätze 43
5.1.1 Formulierung der Szenarien 43
5.1.2 Energiewirtschaftliche Parameter 45
5.1.3 Ergebnisse der Modellierung 48
5.1.4 Kosten-Nutzen-Verhältnis 55
5.1.5 Synergiepotenzial der Projektentwicklung 56
5.2 Langfristige Zielbilder 56
5.2.1 H2-Anwendungen/Bedarf 56
5.2.2 H2-Erzeugung und -Importe 58
5.2.3 Die Rolle der konventionellen H2-Erzeugung im H2-Ecosystem Essen 60
5.2.4 Risiken und Chancen für das H2-Ecosystem Essen 60
6. Starterprojekte 62
6.1 Logistic Services Essen (LSE) 62
6.1.1 Ausgangslage des Energieversorgungskonzept der LSE („Status quo“) 62
6.1.2 Darstellung der alternativen Versorgungskonzepte 62
6.1.3 Ergebnisdarstellung und Diskussion 65
6.2 Entsorgungsbetriebe Essen (EBE) 67
6.2.1 Status quo 67
6.2.2 H2-Fahrzeughochlauf 67
6.2.3 Betankungsszenarien 68
6.2.4 Umweltbilanz 70
6.2.5 Zusammenfassung 70
7. Grobablaufplan und Handlungsempfehlungen 72
7.1 Grobablaufplan 72
7.2 Handlungsempfehlungen und Rolle der Stadt Essen 73
7.2.1 Handlungsempfehlungen 73
7.2.2 Rolle der Stadt Essen 74
Literaturverzeichnis 76
Anhang 78
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Jahresemissionsmengen nach Sektoren bis 2030 (Quelle: BMU) 12 Abbildung 2: Wasserstoff- und Power-to-Liquid Versorgung sowie Einsatz von Wasserstoff nach Sektoren in
NRW im Jahr 2050 in TWh pro Jahr (Begleitstudie FZJ und eigene Abschätzung NRW) 13 Abbildung 3: Vorgehen im Rahmen der Erarbeitung eines H2-Ecosystems 14 Abbildung 4: Flexible Grundstruktur des Energiesystemmodells R2EnSysMod der BBH Consulting AG 17 Abbildung 5: Methodisches Vorgehen zur Bestimmung des langfristigen H2-Bedarfs in Essen 18 Abbildung 6: Verortung von EE-Anlagen mit einer Leistung von > 100 kW im Essener Stadtgebiet in MW 22
Abbildung 7: Entwicklung von Wasserstoffleitungen in Deutschland 26
Abbildung 8: Verortung von Projektansätzen in der Stadt Essen 30
Abbildung 9: Verortung von Projektansätzen in der Stadt Essen – Mobilität 37
Abbildung 10: Aufteilung der Projektansätze in Cluster 37
Abbildung 11: Bewertungskategorien, Gewichtung, Beschreibung und Bewertungsskala für die Projektansätze 39
Abbildung 12: Quantitative Bewertung der Projektansätze 41
Abbildung 13: Die Projektansätze in einer Merit-Order 42
Abbildung 14: Transformationspfad des H2-Ecosystems Essen bestehend aus mittel- und
langfristigen Zielbildern 43
Abbildung 15: Entwicklung energiewirtschaftlicher Parameter 47
Abbildung 16: Preisentwicklung für den internationalen Import von Wasserstoff nach Essen 48
Abbildung 17: Mittelfristige Zielbilder – Aggregierte Ergebnisse 49
Abbildung 18: Szenario Trend 2025: Standorte und Mengengerüst 50
Abbildung 19: Szenario Trend 2035: Standorte und Mengengerüst 51
Abbildung 20: Szenario Progressiv 2035: Standorte und Mengengerüst 52 Abbildung 21: Szenario Progressiv 2035: Standorte und Mengengerüst 52 Abbildung 22: Pipeline Variante I – Pipelineverlauf und Abschnitte 53 Abbildung 23: Pipeline Variante II – Pipelineverlauf und Abschnitte 53
Abbildung 24: H2-Gestehungs-und Importkosten im Zeitverlauf 55
Abbildung 25: Spez. H2-Emissionsfaktor im Zeitverlauf 55
Abbildung 26: Übersicht der mittel- und langfristigen Zielbilder für das H2-Ecosystem Essen 57
Abbildung 27: Entwicklung der installierten Elektrolyseurkapazitäten in Essen 58
Abbildung 28: Netzverknüpfungspunkte am Standort Karnap 59
Abbildung 29: Entwicklung der Wasserstofferzeugung in Deutschland in der wissenschaftliche Begleitstudie
der Wasserstoff Roadmap Nordrhein-Westfalen (Quelle: Cerniauskas, S. et al. (2021), S. 21-22) 60
Abbildung 30: Chancen und Risiken für das H2-Ecosystem in Essen 61
Abbildung 31: Schematische Darstellung des Energieversorgungskonzeptes der LSE im Status quo 62 Abbildung 32: Darstellung der alternativen Versorgungskonzepte, die im Rahmen der Ausarbeitung
zur Projektskizze analysiert werden 62
Abbildung 33: Darlegung der zwei CO2-Preisszenarien, die in der Modellierung hinterlegt sind 64 Abbildung 34: Entwicklung der Energiepreise in Abhängigkeit von den CO2-Preisszenarien 64 Abbildung 35: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anhand der Gesamtkosten der einzelnen Szenarien
ausgedrückt als prozentuales Verhältnis zum Status quo 65
Abbildung 36: Darstellung der prozentualen Emissionseinsparung der einzelnen Konzepte
bis 2050 gegenüber den Emissionen in 2020 66
Abbildung 37: Wasserstoffpreis €/kg an der Zapfsäule Sz1 69
Abbildung 38: Wasserstoffpreis €/kg an der Zapfsäule Sz2 69
Abbildung 39: Wasserstoffpreis €/kg an der Zapfsäule Sz3 69
Abbildung 40: Wasserstoffpreis in den Szenarien mit Pipelineanbindung 2035 70
Abbildung 41: CO2 Emissionen 2025 bis 2040 70
Abbildung 42: Meilensteine des H2-Ecosystem Essen 72
Abbildung 43: Handlungsempfehlungen an die Stadt Essen 74
Abbildung 44: Positionierungsempfehlungen an die Stadt Essen 75
MANAGEMENT SUMMARY
Der vorliegende Bericht dokumentiert das Vorgehen und die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie „H2-Ecosystem für emissionsfreie und nachhaltige Mobilität in Ballungs- räumen” (E-GoH2), die von Dezember 2020 bis Juli 2021 für die Stadt Essen erstellt wurde.
Zielsetzung
Im Rahmen der Studie wurde ein Konzept für ein integriertes H2-Ecosystem entwickelt, welches emissionsfreie und nach- haltige Mobilität in Ballungsräumen am Beispiel der Stadt Essen sicherstellt. Mit einer bereits ausgereiften Projektskizze und einem Hochlauf künftiger Wasserstoffnachfrage bildete der ÖPNV – genauer die Ruhrbahn GmbH – den Nukleus der Studie. Zusätzlich wurden weitere Projektansätze von Stake- holdern im Stadtgebiet Essen identifiziert und Potenziale für Wasserstoff in den Sektoren Industrie, Verkehr und Gebäude prognostiziert. Mögliche Erzeuger von Wasserstoff in Essen und anliegenden Regionen wurden ebenfalls erfasst und in die Entwicklung des H2-Ecosystems einbezogen.
Potenzialanalyse
Zur Schaffung einer Informationsgrundlage aller beste- henden und geplanten H2-Projekte, inklusive Mengen- gerüst von regionaler Nachfrage und Erzeugung, wurde eine ausführliche Potenzialanalyse durchgeführt. Im Rahmen einer Stakeholderanalyse wurden 76 Akteure mit Anknüpfungspunkten zu Wasserstoff identifiziert und nach ihrer Relevanz im künftigen H2-Ecosystem priori- siert. Davon wurden 29 Stakeholder in Interviews zum Themenfeld Wasserstoff und konkreten Projektideen innerhalb der Stadt Essen befragt. 37 Stakeholder wurden zu einer automatisierten Onlineumfrage eingeladen.
Insgesamt konnten zum heutigen Stand 14 H2-Projekt- ansätze in der Stadt Essen identifiziert werden, welche konkretere Aussagen zu potenziellen Mengengerüsten zukünftiger Nachfrage bzw. Erzeugung treffen konnten.
In einer Bestandsaufnahme wurden zudem potenziell nutzbare Infrastruktur, Flächenpotenziale zur Errichtung von H2-Tankstellen und Erzeugungskapazitäten untersucht und bei der weiteren Ausarbeitung von Projektansätzen berücksichtigt. Die gesammelten Informationen aus der Potenzialanalyse wurden in einer Projektdatenbank syste- matisch aufbereitet und erfasst.
Wasserstoffprojektansätze in Essen
Zur weiteren Konkretisierung des H2-Ecosystems und um Zielbilder aus der Projektdatenbank abzuleiten, wurden Steckbriefe mit Startzeitpunkt, Mengengerüst, Standort und der jeweiligen Wertschöpfungsstufe für jeden Projekt- ansatz erstellt und anschließend im Rahmen einer SWOT- Analyse im Hinblick auf projektspezifische und räumliche
Synergien, Nachhaltigkeit, Projektstart und -hochlauf sowie die Realisierungswahrscheinlichkeit bewertet. Die Bewer- tung diente dazu, wesentliche Treiber und Schlüsselpro- jekte im H2-Ecosystem zu identifizieren und um anschlie- ßend eine weitere wirtschaftliche und ökologische Analyse für zwei ausgewählte Starterprojekte durchzuführen.
Als maßgebliche Wasserstoffsenken wurden neben der Ruhrbahn, als Nukleus der Wasserstoffmobilität in Essen, die Entsorgungsbetriebe Essen, der Entsorgungsbetrieb Harmuth, der Aluminiumhersteller TRIMET, der Glasher- steller Verallia und die Logistic Services Essen identifiziert.
Am MHKW in Karnap sowie der Klärgasanlage in Bottrop könnten zeitnah Elektrolysekapazitäten zur Herstellung von dekarbonisiertem Wasserstoff entstehen. Aus der angrenzenden Region Emscher-Lippe, die ebenfalls im Rahmen des HyExpert-Förderprogramms eine Mach- barkeitsstudie durchführt, zeichnet sich zum aktuellen Zeitpunkt eine Überproduktion von grünem Wasserstoff ab, welcher potenziell nach Essen transportiert werden könnte. Erste Termine zur Machbarkeit einer solchen Zusammenarbeit fanden bereits im Rahmen dieser Studie statt. Durch den Anschluss an die Wasserstofflei- tung des Projektes GETH2 Nukleus in Gelsenkirchen und das geplante internationale Wasserstoffnetz „Hydrogen Backbone“ im Norden der Stadt Essen wären zudem Importe von blauem und grünem Wasserstoff möglich. Als wichtiger Infrastrukturdienstleister spielen die Stadtwerke Essen eine Schlüsselrolle im Aufbau eines Pipelinenetzes, welches vor allem zur Versorgung der Industrieunter- nehmen notwendig sein wird und dadurch günstigere Transport- und Bereitstellungskosten von Wasserstoff für die verbleibenden Nachfrager ermöglicht.
Nach Abstimmung mit dem Auftraggeber wurden auf Basis der Projektansatzbewertung die Logistic Services Essen und die Entsorgungsbetriebe Essen für die Ausarbeitung einer detaillierten Projektskizze ausgewählt. Ausschlaggebend für die Auswahl als relevante Starterprojekte waren neben einer hohen Realisierungswahrscheinlichkeit, die Bedarfe und auch die Rolle als sinnvolle Ankerkunden in den definierten Clus- tern. Gleichzeitig lagen in beiden Unternehmen noch keine Konzepte für eine alternative Wasserstoffversorgung vor, so dass hier ein Mehrwert geschaffen werden konnte.
Transformationspfade und Zielbilder für das H2-Ecosystem in Essen
Um den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft in Essen darzu- stellen, wurden Zielbilder für das H2-Ecosystem abgeleitet, welche sich aus der Realisierung der Projektansätze und deren zeitlicher Umsetzung ergeben. Da sich die einzelnen Projektansätze in verschiedenen Phasen der Umsetzung befinden und teilweise noch nicht über den Ideenstatus hinaus konkretisiert sind, wurden diese anhand ihrer Realisierungswahrscheinlichkeit in die Szenarien „Trend“
und „Progressiv“ eingestuft, wobei das Progressivszenario
eine Erweiterung der Projektansätze aus dem Trendszenario darstellt. Durch Modellierung der einzelnen Projektansätze je Szenario und den damit verbunden Nachfrage- und Erzeu- gungsmengen konnten Wasserstoffpreise und CO2-Emissions- faktoren für die Jahre 2025, 2030 und 2035 simuliert werden.
In beiden Szenarien ist zu erkennen, dass der Wasserstoff- hochlauf in Essen zunächst durch den Mobilitätssektor getrieben wird. Im Trendszenario besteht 2025 bereits ein jährlicher Bedarf von ca. 334 tH2 und im Progressivsze- nario von 482 tH2. Durch den voranschreitenden Hochlauf
Szenario Trend Progressiv
Beschreibung
Bis einschließlich 2035 werden die H2-Anwen- dungs- und Erzeugungsprojekte berück- sichtigt, die der Kategorie „In Planung“
zugeordnet worden sind. Die Umrüstungen in dem Bereich Prozesswärme/-kälte findet größtenteils nach 2030 statt.
Zusätzlich zum Trendszenario wird die Umsetzung der Projekte in den Kategorien
„Konzept“ und „Potential“ berücksichtigt.
Im Jahr 2035 wird die H2-Nachfrage aus dem Bereich Prozesswärme/-kälte vollumfänglich berücksichtigt.
Jahr 2025 2030 2035 2025 2030 2035
H2 Nachfrage in tH2/a
davon Mobilität 334 1.401 1.787 482 2.328 2.800
davon Prozesswärme/-kälte 0 330 15.840 0 330 23.342
davon Niedertemp. Wärme 0 0 0 0 0 0
H2-Erzeugungskapazitäten in MWel
Elektrolyse am MHKW 0 9
(CF: 72%) c
12 (CF: 71 %) c
1 (CF: 79 %) c
16,4 (CF: 76 %) c
20 (CF: 68%) c Elektrolyse Klärgas
Verstromung 2,7
(CF: 83% ) c 2,9
(CF: 81%) c 2,9
(CF: 80 %) c 2,7
(CF: 86 %) c 2,8
(CF: 84 %) c 2,9 (CF: 80%) c Dezentrale Elektrolyse
(Netzstrom) 0 0 0 0 0 1,6
(CF: 76% ) c H2-Importe in tH2/a
davon aus Nachbarregion
Emscher-Lippe d 0 360 360 4,3 360 360
Bezug über GetH2 bzw. Entnahme Gelsen-
kirchen 0 0 15.840 e 0 0 23.012 e
Systemkennzahlen H2-Bereitstellungskosten a
in EUR/kgH2 6,34 6,75 4,9 6,3 6,55 4,94
H2-Emissionsfaktor b f
in kgCO2/kgH2 1,2 (18) 1,0 (9,9) 2,4 (5,7) 1,1 (18,2) 1,1 (11) 2,5 (6,1)
a Der gewichtete Mittelwert der H2-Bereitstellungskosten beinhalten alle Kosten entlang der Wertschöpfungskette bis zu der Anlieferung an den Letztverbraucher bzw. die Tankstelle. Als Strombezugskosten wird der stündliche Marktwert als Opportunitätskosten berücksichtigt. Bei Eigenversorgung mit Direktleitung werden Stromnebenkosten im Umfang von 26 EUR/MWh veranschlagt.
b Der emissionsarme H2 entsteht, wenn der Strombezug aus der Klärgasanlage sowie dem MHKW mit Emissionsfaktor von 0,02 tCO2/MWhel als nahezu emis
sionsfrei bilanziert werden kann. Bei Berücksichtigung des stündlichen Emissionsfaktors im nationalen Strommix resultiert für die regionale H2-Erzeugung ein erhöhter Emissionsfaktor. Dieser wird in den Runden Klammern () ebenfalls angegeben.
c CF: Kapazitätsfaktor
d Trotz höherer Kosten wurde eine vollständige Realisierung des Potentials angenommen.
e Für die Kosten sowie den Emissionsfaktor des Importierten H2 wird ein Verhältnis von 50% blauem und 50% grünem Wasserstoff angenommen.
aus dem Mobilitätssektor sowie der hinzukommenden Nachfrage für Prozesswärme bzw. -kälte aus dem Industrie- sektor steigt der Wasserstoffbedarf in Essen im Jahr 2030 auf insgesamt 1.731 tH2 pro Jahr im Trendszenario und 2.658 tH2 pro Jahr im Progressivszenario.
In beiden Szenarien kann die gesamte Wasserstoffnach- frage bis 2030 durch lokale Elektrolyse an den Stand- orten Bottrop oder Karnap gedeckt werden. Im Jahr 2030 werden zusätzliche Importmengen aus der Nachbarre- gion Emscher-Lippe benötigt. Die Bereitstellungskosten
für Wasserstoff bewegen sich dabei zwischen 6,34 und 6,75 EUR/kgH2 und einem Emissionsfaktor von 1,2 bis 1 kgCO2/kgH2. Bis einschließlich 2030 wird zudem in beiden Szenarien davon ausgegangen, dass die Unternehmen Verallia und TRIMET die schrittweise Umstellung ihres Erdgasbedarfs auf Wasserstoff zunächst über Kokereigas aus der nahegelegenen Kokerei von Arcelor Mittal bewerk- stelligen. Die großen Mengen, die bei einer Vollumstellung auf Wasserstoff ab dem Jahr 2031 nötig werden, sind deut- lich an der Wasserstoffnachfrage für Prozesswärme bzw.
-kälte im Jahr 2035 zu erkennen. Insgesamt beläuft sich die
Szenario Trend Trend –
Variante I Progressiv Progressiv – Variante II
Jahr 2035 2035 2035 2035
H2 Nachfrage in tH2/a
davon Mobilität 1.787 2.800
davon Prozesswärme/-kälte 15.840 23.342
davon Niedertemp. Wärme 0 0
H2-Erzeugungskapazitäten in MWel
Elektrolyse am MHKW 12 (CF: 71 %) c 12 (CF: 71 %) c 20 (CF: 68%) c 0
Elektrolyse Klärgas Verstromung 2,9 (CF: 80 %) c 2,9 (CF: 80 %) c 2,9 (CF: 80%) c 0
Dezentrale Elektrolyse (Netzstrom) 0 0 1,6 (CF: 76%) c 0
H2-Importe in tH2/a davon aus Nachbarregion
Emscher-Lippe d 360 360 360 0
Entnahme Pipeline Air Liquide 0 0 0 0
Bezug über GetH2 bzw. Entnahme Gelsenkirchen 15.840 e 15.840 e 23.012 e 26.142 Systemkennzahlen
H2-Bereitstellungskosten a in EUR/kgH2 4,9 4,3 4,94 3,95
H2-Emissionsfaktor b f in kgCO2/kgH2 2,4 2,38 2,5 2,57
a Gewichteter Mittelwert der H2-Bereitstellungskosten beinhalten alle Kosten entlang der Wertschöpfungskette bis zu der Anlieferung an den Letztverbraucher bzw. die Tankstelle. Als Strombezugskosten wird der stündliche Marktwert als Opportunitätskosten berücksichtigt. Bei Eigenversorgung mit Direktleitung werden Stromnebenkosten im Umfang von 26 EUR/MWh veranschlagt
b Der emissionsarme H2 entsteht, wenn der Strombezug aus der Klärgasanlage sowie dem MHKW mit Emissionsfaktor von 0,02 tCO2/MWhel als nahezu emis
sionsfrei bilanziert werden kann. Bei Berücksichtigung des stündlichen Emissionsfaktors im nationalen Strommix resultiert für die regionale H2-Erzeugung ein erhöhter Emissionsfaktor. Dieser wird in den Runden Klammern () ebenfalls angegeben.
c CF: Kapazitätsfaktor
d Trotz höherer Kosten wurde eine vollständige Realisierung des Potentials angenommen.
e Für die Kosten sowie den Emissionsfaktor des Importierten H2 wird ein Verhältnis von 50% blauem und 50% grünem Wasserstoff angenommen.
Wasserstoffnachfrage in Essen im Jahr 2035 auf 17.627 tH2 pro Jahr im Trendszenario und 26.142 tH2 im Progressiv- szenario. Die enormen Nachfragemengen können nun in beiden Szenarien nicht mehr allein durch lokale Elektrolyse und den Import aus der Nachbarregion Emscher-Lippe gedeckt werden, weshalb eine individuelle Pipelineanbin- dung der Industrieunternehmen Verallia und TRIMET an die H2-Leitung aus dem Projekt GETH2 Nukleus bzw. das Hydrogen Backbone notwendig wird.
Alternativ wurden im Rahmen der Studie Varianten model- liert, in welchen eine Verlängerung der Pipeline, ausgehend von den Industrieunternehmen Verallia und TRIMET im Norden, quer durch die Stadt zu weiteren Wasserstoff- senken gebaut wird. Die Ergebnisse der Modellierung dieser Varianten zeigen, dass aufgrund der Mengengerüste sowie der räumlichen Verteilung der Standorte eine Pipe- lineanbindung weiterer Wasserstoffsenken in Essen aus gesamtsystemischer Sicht wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll sein könnte. In der Variante des Trendszenarios werden die Industriestandorte Verallia, TRIMET und Evonik über eine Pipeline miteinander verbunden, wodurch sich die durchschnittlichen H2-Bereitstellungskosten von 4,9 auf 4,31 EUR/kgH2 reduzieren. Die spezifischen Trans- portkosten der Pipeline belaufen sich dabei auf 0,23 EUR/
kgH2. Die Synergieeffekte aus gesamtsystemischer Sicht werden im Progressivszenario noch deutlicher. Hier werden nahezu alle Wasserstoffsenken in Essen über eine Pipeline miteinander verbunden, wodurch sich die durchschnitt- lichen H2-Bereitstellungskosten von 4,94 auf 3,95 EUR/kgH2 reduzieren. Die spezifischen Transportkosten der Pipeline belaufen sich auf 0,27 EUR/kgH2.
Grobablaufplanung zur Implementierung des H2-Ecosystems
Mit Abschluss der Machbarkeitsstudie wurde ein Grobab- laufplan zur Initiierung und Umsetzung des H2-Ecosystems zusammengestellt. Enthalten sind wichtige Meilensteine, die als Orientierungs- und Monitoringhilfe für den weiteren Umsetzungsverlauf des H2-Ecosytems dienen sollen. Als erster Meilenstein steht bereits im Jahr 2023 der Hochlauf der Entsorgungsbetriebe Essen mit einer Wasserstoffnach- frage von 45 MWh/a an. Ein Jahr später plant die Ruhrbahn den Start ihres Wasserstoffhochlaufs und die schrittweise Umrüstung auf Wasserstoffbusse. Die Errichtung einer Tankstelle sowie der Bau eines weiteren Betriebshofes sind dabei essenziell. Die bis 2025 notwendigen Mengen Wasserstoff werden dabei voraussichtlich eigenständig durch die Unternehmen gedeckt. Erst 2025 wird durch den Bau der Elektrolyseure in Bottrop und Karnap eine Lieferbe- ziehung zur Versorgung der Ruhrbahn, den Entsorgungsbe- trieben Essen und dem Entsorgungsunternehmen Harmuth entstehen. Als wichtiger Meilenstein folgt anschließend die Umrüstung der Kälteversorgung der Logistic Services Essen
auf Wasserstoff. Als Industriekunde stellt das Industrieun- ternehmen einen wichtigen Ankerkunden für das zukünf- tige Pipelinenetz in Essen dar. Von großer Bedeutung ist im Jahr 2035 die Umstellung der Unternehmen Verallia und TRIMET von Kokereigas auf 100 % Wasserstoff. Mit einer Gesamtnachfrage von ca. 470 GWh Wasserstoff sind sie Multiplikator für weitere Wasserstoffanwendungen in der Stadt Essen und ermöglichen Synergien bei den Bereitstel- lungskosten von Wasserstoff in der Stadt Essen.
Handlungsbedarfe
Auf Grundlage des Ablaufplans wurden Handlungs- bedarfe und Maßnahmen aufgezeigt, die eine Realisie- rung der dargestellten Zielbilder sicherstellen sollen.
Empfohlen wird, verschiedene Gremien zu etablieren, um einerseits die Umsetzung der ersten H2-Projekte aktiv voranzutreiben und andererseits eine Plattform für den Austausch zwischen den involvierten Akteuren zu schaffen. So kann der Fortschritt der Meilenstein- planung hinreichend genau nachgehalten und bei Bedarf entsprechend nachjustiert werden. Zu Beginn des Wasserstoffhochlaufs gilt insbesondere den Starter- projekten ein starker Fokus. Ohne die Realisierung der Projekte, die letztlich den Nukleus der heranwachsenden Wasserstoffwirtschaft darstellen sollen, werden wichtige Erfahrungswerte und Infrastrukturen fehlen. Zudem wird es schwierig, weitere Akteure in das Wasserstoffnetz- werk zu integrieren. Weiterhin stellt die rechtzeitige und bedarfsgerechte Planung für das H2-Pipelinenetz eine wesentliche Maßnahme dar. Hierzu wird empfohlen ein weiteres Gremium zu etablieren, welches sich aus den Stadtwerken Essen und den Industrieunternehmen mit großen Nachfragemengen zusammensetzt. Ziel sollte es sein, gemeinsam Unsicherheiten und Risken beim Aufbau der Infrastruktur zu beseitigen und früh genug mit der konkreten Planung und dem Bau zu beginnen.
Neben der Bildung von Gremien empfiehlt es sich Know- how zum Fördermittelmanagement aufzubauen und aktuelle Förderprogramme zu screenen und zu bewerten, um auskunftsfähig zu sein, wenn Nachfragen durch die Stakeholder erfolgen. Darüber hinaus empfiehlt sich für eine Identifikation etwaiger Förderaufrufe ein politisches Monitoring. Aus der Analyse der Starterprojekte wurde deutlich, dass eine Förderung für viele Projektansätze als Vorbedingung gilt.
Eine Ausrichtung der Stadt Essen für eine Bewerbung als HyPerformer-Region sollte als gesonderte Handlungs- empfehlung hervorgehoben werden. Falls eine Bewerbung erfolgreich verlaufen sollte, könnten weitere Fördermittel den Hochlauf eines H2-Ecosystems beschleunigen. Eine enge Zusammenarbeit mit den benachbarten HyExpert- Regionen wird daher empfohlen.
1. EINLEITENDE WORTE ZU AUSGANGSLAGE UND ZIELSETZUNG
Die deutschen Klimaschutzzielsetzungen wurden durch die Änderung des Klimaschutzgesetzes Ende Juni 2021 deut- lich verschärft. So soll das Ziel der Klimaneutralität bereits 2045 erreicht werden, was spürbare Folgen sowohl für das Zwischenziel 2030 als auch für die einzelnen Sektorenziele hat. Mit einem CO2-Einsparziel in Höhe von 65 % im Jahr 2030 und 88 % weniger CO2 im Jahr 2040, müssen in einem ersten Schritt vor allem die besonders emissionsintensiven Sektoren Verkehr, Energiewirtschaft und Industrie zu diesen Zielen beitragen.
Nordrhein-Westfalen (NRW) steht in seiner Rolle als Indust- rieland vor einer besonderen Herausforderung, diese neuen Ziele auf Landesebene zu realisieren. Im Oktober 2020 hat NRW daher eine Wasserstoff-Roadmap veröffentlicht.
Im Rahmen der Wasserstoff-Roadmap wird aufgezeigt, wie die Realisierung der Pariser Klimaschutzziele und die Stärkung des eigenen Wirtschafts- und Industriestandortes miteinander vereinbart werden können. Außerdem wird klar herausgestellt, dass NRW seine Aktivitäten zur Etablie- rung einer lokalen Wasserstoffwirtschaft intensivieren wird.
Es werden sektorspezifische Ziele festgelegt, an denen mit den betroffenen Akteuren gearbeitet werden soll. Erste Ziele werden dabei bereits für 2025 definiert.
Die Roadmap hebt außerdem den Stellenwert von Wasserstoff zur Dekarbonisierung energieintensiver
Industrieprozesse und des Schwerlast- sowie des öffentli- chen Verkehrs hervor. Neben Industrieprojekten sind dies insbesondere Infrastrukturvorhaben. So sollen in NRW insgesamt 120 km Wasserstoffleitungen entstehen und eine Anbindung NRWs an erste überregionale Wasser- stoffleitungen erfolgen.
Im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Phase II des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infra- struktur (BMVI) wurde die Stadt Essen im Wettbewerb
„Hyland – Wasserstoffregionen in Deutschland“ als eine von 13 Regionen als sogenannter HyExpert ausgewählt und mit Fördermitteln zur Erstellung einer Studie unter- stützt. Die Förderung über das Projekt Hyland hat zum Ziel, Regionen in Deutschland dabei zu unterstützen, integrierte Konzepte zu entwickeln, Pläne zu konkreti- sieren und auszuarbeiten, beziehungsweise diese Pläne anschließend umzusetzen. Im Rahmen der Förderung als HyExpert steht in Essen insbesondere die Konkretisierung eines Konzepts für den Aufbau einer Wasserstoffinfra- struktur im Vordergrund.
Konkret hat die durch die Stadt Essen in Auftrag gegebene Studie zum Ziel, ein H2-Ecosystem für emissionsfreie und nachhaltige Mobilität in Ballungsgebieten zu entwickeln und dabei sektorenübergreifende Synergien zu berücksich- tigen. Die Ergebnisse werden im Folgenden vorgestellt.
Eine wichtige Bedingung für das Ziel der Nachhaltigkeit und Emissionsfreiheit eines solchen H2-Ecosystems ist, dass – zumindest langfristig – der Einsatz von emissions- freiem Wasserstoff (sog. grüner Wasserstoff) erfolgt.
Die dafür zu entwickelnden Transformationspfade sollen einerseits Erzeugungs- sowie Absatzpotenziale regionaler
Energiewirtscha�
Industrie Verkehr Gebäude Landwirtscha�
Abfallwirtscha� & Sons�ges
0 50 100 150 200 250 300
2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Abb. 1 | Jahresemissionsmengen nach Sektoren bis 2030 (Quelle: BMU)
H2-Projektansätze aufnehmen, andererseits die Transport- optionen basierend auf bestehender Infrastruktur und neu zu schaffender Infrastruktur beleuchten. Zusätzlich soll mindestens ein Leuchtturmprojekt im Bereich Mobi- lität sowie ein weiteres Projekt identifiziert und detailliert analysiert werden.
Wie das beschriebene Projektziel erreicht werden soll, wird in Kapitel 2 erläutert. Dort wird zunächst der methodische Rahmen erklärt. Im darauffolgenden Kapitel 3 werden die Wertschöpfungsstufen im Bereich Wasser-
stoff beschrieben. Nach einer kurzen allgemeinen Erläuterung wird an dieser Stelle auf Projektideen bzw. -ansätze in Essen Bezug genommen. In Kapitel 4 erfolgt dann eine Bewertung und Priorisie- rung der identifizierten Projektansätze. Anschlie- ßend wird in Kapitel 5 der Transformationspfad des H2-Ecosystems ausführ- lich beschrieben. Hier werden die einzelnen Projektideen systemisch unter Einbeziehung von Synergien betrachtet und der optimale Infrastruktur- aufbau skizziert. In Kapitel 6 werden die im Rahmen der Bewertung herausgearbei- teten Starterprojekte detailliert ökonomisch und ökolo- gisch analysiert und Handlungsalternativen ausgewiesen, um die Realisierungswahrscheinlichkeit zu erhärten.
Im abschließenden Kapitel 7 wird unter dem Stichwort
„Roadmap“ eine Meilensteinplanung für eine mögliche Umsetzung einer H2-basierten Mobilität im Ballungsraum Essen aufgestellt sowie weitere Handlungsempfehlungen für die organisatorische Begleitung des H2-Ecosystems gegeben.
Power-to-Liquid Import Wasserstoff Import
Inländische Power-to-Liquid Produk�on Inländische Wasserstoffproduk�on Gebäude
Umwandlung/Rückverstromung Verkehr
Industrie 18
129 86
10
26 32,4 41,8 3,6
Abb. 2 | Wasserstoff- und Power-to-Liquid Versorgung sowie Einsatz von Wasserstoff nach Sektoren in NRW im Jahr 2050 in TWh pro Jahr (Begleitstudie FZJ und eigene Abschätzung NRW)
2. METHODISCHES VORGEHEN
Im Rahmen dieses Kapitels soll das methodische Vorgehen vorgestellt werden, das zur Erzielung der späteren Projekt- ergebnisse verwendet wurde.
Die angewandten Methoden sind dabei auch für die Verwendung in anderen Regionen geeignet und können bei einer entsprechenden Verallgemeinerung der Vorgehensweise auch als Blaupause für weitere Projekte fungieren. Eine entsprechende Abstrahierung mitsamt Visualisierung der Methodik wurde im Rahmen eines Handbuchs dokumentiert. Das Handbuch ist diesem Endbericht im Anhang 11 beigefügt.
Die Vorgehensweise kann mit der Analyse der Zielsetzung (ergänzt um einige Punkte zur Projektorganisation), der Potenzialanalyse, der Bildung von Projektansätzen, der Entwicklung von Zielbildern sowie der Ausformulierung einer Umsetzungsroadmap und Handlungsempfehlungen in grundsätzlich fünf Schritte unterteilt werden, die im Folgenden kurz erläutert werden.
2.1 Projektorganisation & Zielsetzung
Für eine stringente Projektorganisation sowie die effiziente Koordination zwischen den Auftraggebern und -nehmern wurden in einem ersten Schritt verschiedene Gremien gebildet, die mit unterschiedlichen Projektpartnern besetzt wurden. Während im Rahmen der Projektgruppe, beste- hend aus dem Projektteam Auftraggeber (Grüne Haupt- stadt Agentur (GHA), Essener Wirtschaftsförderungsgesell- schaft (EWG) & Stadtwerke Essen) und dem Projektteam Auftragnehmer (nsb, BBHC, Hydrogentle & con|energy agentur) etwa alle zwei Wochen die Projektfortschritte
dokumentiert wurden, haben Treffen im Rahmen des Lenkungskreises etwa alle fünf Wochen stattgefunden. Hier nahmen zusätzlich zu den Teilnehmern der Projektgruppe die Geschäftsführungen sowie auch Vertreter der Stadt Essen teil. Die Sitzungen wurden jeweils als Konsolidie- rungstermine, zur Qualitätssicherung und zur Integration der Arbeitsergebnisse genutzt.
Ein weiteres Gremium im Rahmen des Essener Projektes war das sogenannte Lead-Stakeholder-Forum (LSF). Das LSF hat die Basis zum Austausch der externen Projekt- partner mit den relevanten Stakeholdern aus der Region geschaffen. Somit konnten bereits frühzeitig effiziente Rückmeldungen zu Projektideen und -konzepten gesam- melt werden. Das LSF soll auch im Nachgang an das Projekt in regelmäßigen Abständen zusammenkommen und als Kommunikationsplattform dienen.
In einer ersten Gremiensitzung wurden die Ziele und Erwartungen an das Projekt in enger Abstimmung mit dem Lenkungskreis erarbeitet und im Anschluss in einem Pflichtenheft festgehalten. Das Pflichtenheft beinhaltet neben den Erwartungen an den notwendigen Input sowie der vorgesehenen Zwischenergebnisse und Ergebnisse auch die geplanten Methodiken, die im Rahmen der einzelnen Arbeitspakete zur Anwendung kommen sollten.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Zielsetzung war zudem die frühzeitige Definition der Betrachtungs- grenzen. Auch diese wurden in Abstimmung mit dem Lenkungskreis festgelegt.
So stehen Projektansätze, die im Essener Stadtgebiet sind, im klaren Fokus dieser Machbarkeitsstudie. Um Synergien und auch Infrastrukturthemen ausreichend abzubilden, wurden die Systemgrenzen hinsichtlich dieser Punkte jedoch erweitert: „Stadt Essen“ und „Region“ stellen den geographischen Rahmen für das Energierechenmo- dell dar. So wurde insbesondere die lokal angrenzende
PROJEKTMANAGEMENT UND BEGLEITENDE KOMMUNIKATION MIT AUFTRAGGEBER STUDIENANALYSE* UND ANALYSE REGULATORISCHER RAHMEN
Die Ergebnisse des Prozesses sollten in einem Endbericht erfasst und erarbeitete Tools und/oder Templates zur weiteren Nutzung zugänglich sein.
*insb. Wasserstoffstrategien Bund, Land, etc.
Zielsetzung 1
Ziele, Erwartungen, Rahmen- bedingungen
Potenzialanalyse H₂-Erzeugung, H₂-Transport, H₂-Verwendung
2
Zielbilder Modellierung des H₂-Ecosystems
4
Ablaufplanung Ablaufplanung
& Handlungs- empfehlungen
5 Projektansätze
Stakeholderdaten- bank und H₂-Projekt- steckbriefe
3
Abb. 3 | Vorgehen im Rahmen der Erarbeitung eines H2-Ecosystems
Modellregion „HyExperts Region Emscher-Lippe“ berück- sichtigt. In einem gemeinsamen Austausch mit der Nach- barregion wurden Schnittstellen analysiert und anschlie- ßende Konzepte abgestimmt.
2.2 Potenzialanalyse
Im Grundsatz geht es bei der Potenzialanalyse um die Iden- tifikation und Spezifizierung von Informationen zu aktuellen und potenziellen Wasserstoff-Aktivitäten und Projekten in allen Wertschöpfungsstufen und Sektoren innerhalb der Untersuchungsgrenzen. Sie gilt als Ausgangspunkt für die Etablierung eines H2-Ecosystems.
Im Rahmen dieses Projektes wurde die Potenzialanalyse zweigeteilt in einer Stakeholder- und eine Infrastrukturana- lyse durchgeführt.
Im Rahmen der Stakeholderanalyse wurden alle Unter- nehmen und Institutionen (folgend H2-Stakeholder) erfasst, die für die Erzeugung, den Transport oder die Verwendung von Wasserstoff im Essener Stadtgebiet gegenwärtige oder zukünftige Potenziale bieten. Die Auswahl der H2-Stake- holder erfolgte in enger Abstimmung mit dem Auftrag- geber. Teilweise konnte dabei auf bereits bestehende Infor- mationsstände beim Auftraggeber zurückgegriffen werden.
Die identifizierten H2-Stakeholder wurden zusammen mit einigen Basisinformationen (Kurzbeschreibung, Anschrift, etc.) in einer Excel-Datenbank gesammelt und anschlie- ßend nach Sektoren (Infrastruktur, Mobilität, Industrie, Wärme) sowie Wertschöpfungsstufen (Forschung &
Entwicklung, Erzeugung, Anwendung, Transport, Globaler Player, Weiteres) geclustert. Die Datenbank ist dem Bericht in Anhang 1 beigefügt. Die H2-Stakeholder wurden in Abstimmung mit dem Auftraggeber in einem nächsten Schritt folgendermaßen priorisiert:
Allen H2-Stakeholder der Priorität 1 wurde ein hohes Potenzial für Aktivitäten in Bezug auf Wasserstoff in ihrem operativen Geschäft eingeräumt. Die Priorisierung beruht darauf, dass der Stakeholder im Bereich Wasserstoff bereits wissentlich aktiv ist oder entsprechende Aktivitäten in naher Zukunft geplant sind. Zusätzlich wurden Stakeholder, die aufgrund ihres Geschäftsfeldes bzw. ihrer jeweiligen Wertschöpfung für eine zukünftige Wasserstoffnutzung besonders prädestiniert schienen, mit einer Priorität 1 bewertet. Mit den Stakeholdern der Priorität 1 wurden bilaterale Interviews geführt. Ziel der Interviews war die Erfassung von Informationen zu konkreten H2-Projekt- ansätzen innerhalb der Betrachtungsgrenzen. Neben der technischen Ausgestaltung und der Erfassung möglicher Hochlaufphasen sollte im Rahmen der Interviews vor allem das Planungsstadium der Projektansätze eruiert werden.
Da im Essener Stadtgebiet nur wenige konkrete Projekt- ansätze vorhanden waren, wurde der Fokus der Interviews außerdem dahingehend erweitert, dass auch Projektideen
für ggf. neue H2-Projekte mit aufgenommen wurden. Zur systematischen Erfassung von Informationen wurden sektorspezifische Interviewleitfäden entwickelt. Ein umfas- sender Interviewleitfaden für die bilateralen Gespräche ist als Anhang 2 beigefügt.
Mit der Priorität 2 wurden Stakeholder priorisiert, wenn zwar ein grundsätzliches Potenzial für eine zukünftige Verwendung von Wasserstoff besteht, die Wahrschein- lichkeit, dass ein entsprechendes H2-Projekt mittelfristig realisiert wird, jedoch weniger wahrscheinlich schien. Die H2-Stakeholder der Priorität 2 wurden zunächst per Online- Befragung kontaktiert. Die Inhalte des entsprechenden Online-Fragebogens wurden variabel auf die unterschied- lichen potenziellen Anwendungsfälle zugeschnitten und mit dem Auftraggeber abgestimmt. Der Online-Fragebogen ist im Anhang 3 beigefügt. Für den Fall, dass aus der Befragung ein konkretes Potenzial abgeleitet werden konnte, wurde der entsprechende Stakeholder in Priorität 1 hochgestuft und zusätzlich ein bilaterales Interview geführt.
Mit der Priorität 3 wurden all jene Stakeholder bewertet, die im Rahmen der Desk-Research zwar als potenziell interessante H2-Stakeholder identifiziert wurden, die aus verschiedenen Gründen und in Absprache mit dem Auftrag- geber jedoch keinen weiteren Bestandteil der Analyse bilden sollten. Dabei handelt es sich konkret um Stake- holder, die aufgrund ihrer Wertschöpfungsebene (bspw.
Interessensverbände oder Forschungseinrichtungen), ihrer Größe, oder ihrer allgemeinen Aktivitäten in einen frühen Hochlauf eines H2-Ecosystems nur schwer eingebunden werden können.
Als zweiter Bestandteil der Potenzialanalyse wurden im Rahmen der Infrastrukturanalyse alle Erzeugungs- und Transportmöglichkeiten innerhalb der festgelegten System- grenzen analysiert. Im Einzelnen wurden interessante Strombezugsoptionen, leitungsgebundene Infrastruktur (vorhanden und geplant) sowie die Tankstelleninfrastruktur erfasst. Außerdem wurden strategisch sinnvolle Flächen für die Errichtung von Wasserstofferzeugungseinheiten festgehalten. Ebenfalls Bestandteil der Infrastrukturanalyse war die Erfassung nationaler und internationaler Transport- infrastrukturprojekte, die in räumlicher Nähe des Untersu- chungsraums vorbeiführen, um Importoptionen sowohl aus den Nachbarregionen als auch überregional als Option für das H2-Ecosystem untersuchen zu können.
Die relevanten Informationen aus den Interviews und der Online-Befragung (Projektideen/-ansätze) wurden anschließend gemeinsam mit den Ergebnissen aus der Infrastruktur-Analyse räumlich und zeitlich gegliedert, kartografisch erfasst und in eine georeferenzierte Projekt-Datenbank überführt (vgl. Anhang 1). Diese fungiert als zentraler Informationspool für alle weiteren Analysen, Bewertungen und Modellierungen, insbeson- dere bei der Entwicklung der Zielbilder.
2.3 Erstellung & Bewertung von Projektsteckbriefen
Aus den Informationen zu Projektansätzen, die sich aus den Interviews ergeben hatten, wurden Projektsteckbriefe abgeleitet die in Anhang 4 im Einzelnen zu finden sind. Der Fokus der Projektsteckbriefe lag dabei auf einer qualitativen Beschreibung des Projektansatzes sowie der Erfassung erster Mengenabschätzungen und Hochlaufpfade. Sofern seitens des Interviewpartners nicht alle Informationen vorhanden waren, hat mithilfe von plausiblen Annahmen eine Prognose durch den Auftragsnehmer stattgefunden.
In den Steckbriefen wurden die folgenden Informationen zu den Projektansätzen festgehalten: Projektstatus (erste Idee, Konzeptentwicklung, Umsetzungsplanung, in Betrieb), Projektstartzeitpunkt, Mengenentwicklung, Wertschöpfungs- stufe und regionale Verortung.
In einem nächsten Schritt wurden die Projektsteckbriefe im Rahmen einer SWOT-Analyse bewertet. Dann wurden weitere Kriterien für eine umfassende Bewertung festge- legt. Neben projektspezifischen und räumlichen Synergien standen dabei vor allem die Nachhaltigkeit und zeitliche Kriterien wie Projektstart und -hochlauf im Fokus. Außerdem wurde die Realisierungswahrscheinlichkeit basierend auf dem Stellenwert einer H2-Strategie im Unternehmen und dem politischen Druck zur Dekarbonisierung bewertet.
Die entsprechende Bewertung ist in Kapitel 4 beschrieben.
Detaillierte Informationen zur Bewertung finden sich zudem in Anhang 6 und 7. Mithilfe der quantitativen Bewertung der Steckbriefe wurde ein Ranking der Projektansätze im Hinblick auf ihren Beitrag bei der Implementierung eines H2-Ecosys- tems ermöglicht. Gemeinsam mit dem Auftraggeber wurden basierend auf dem Ranking zwei sogenannte Starterprojekte identifiziert, die im Folgenden ökonomisch und ökologisch vertieft untersucht wurden.
2.4 Entwicklung von Zielbildern
Aufbauend auf den identifizierten Projektansätzen sowie der Potenzialanalyse wurden Zielbilder für die Entwicklung des H2-Ecosystems in Essen erstellt. Diese stellen eine wichtige Grundlage für die Beurteilung der Potenziale des H2-Ecosys- tems sowie die Planungs- und Kommunikationsprozesse dar. Sie liefern zudem einen entscheidenden Input für die spätere Konkretisierung der Starter-Projekte. Die Zielbilder wurden für unterschiedliche Jahre formuliert und bilden als Gesamtbild einen Transformationspfad der Stadt Essen hin zu einem H2-Ecosystem. Bei der Entwicklung der Zielbilder konnten durch eine detaillierte Berücksichtigung der regio- nalen H2-Wertschöpfungskette Synergien zwischen einzelnen Projektansätzen identifiziert werden. Der gewählte Modellie- rungsansatz erlaubte zudem die Berücksichtigung (prognos- 1 Vgl. oemof developer group (2019)
tizierter) externer Rahmenbedingungen, die mit in die finale Bewertung der Projektansätze einflossen. Die Entwicklung und Verwendung von Szenarien bei der Erstellung der Ziel- bilder wiederum hat entscheidend dazu beigetragen, die Bandbreite möglicher Entwicklungen abzubilden und die ggf.
resultierenden Risiken zu bewerten. Im Ergebnis kann die Entwicklung einer übergreifenden H2-Infrastruktur in unter- schiedlichen Szenarien, räumlich aufgelöst und über mehrere Zeitschritte hinweg dargestellt werden. Bei der Entwicklung der Zielbilder wurde zwischen mittelfristigen und langfris- tigen Zielbildern differenziert. Bei der Ausarbeitung dieser Zielbilder wurden jeweils unterschiedliche Ansätze verfolgt, die im Folgenden beschrieben werden.
Im Fokus der mittelfristigen Zielbilder (bis 2035) stand die Infrastrukturentwicklung auf Basis der identifizierten Projektansätze, sofern diese realisiert werden. Da für H2 zurzeit noch kein liquider Markt besteht, muss für initiale Projekte die Erzeugung, Verteilung und Anwendung gesi- chert sein (Planung als „geschlossene“ Projekte). Bei der Planung und Auslegung muss folglich die gesamte Wert- schöpfungskette betrachtet werden. Für eine effiziente Abstimmung der Kapazitäten entlang der Wertschöpfungs- kette ist im Rahmen der Zielbilderarbeitung des H2-Ecosys- tems eine gemeinsame Betrachtung der identifizierten Projektansätze entlang der gesamten H2-Wertschöpfungs- kette sowie eine ökonomische und ökologische Bewertung des Gesamtsystems maßgeblich.
Für das H2-Ecosystem Essen erfolgte daher eine Optimie- rung der Auslegung von Erzeugungs-, Import-, Speicher- und Transportkapazitäten unter Berücksichtigung einer vorgegebenen H2-Nachfrage. Aus den Ergebnissen können wesentliche Systemkennwerte, wie die H2-Bereitstellungs- kosten und der Emissionsfaktor des H2 abgeleitet werden.
Diese Kennwerte ermöglichen eine fundierte Bewertung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses, wobei die Kosten den Aufbau und Betrieb der Erzeugungskapazitäten und der Verteilinfra- struktur darstellen. Der Nutzen liegt in der Dekarbonisierung des betrachteten Nachfragesektors. Zur Lösung des Optimie- rungsproblems wurde das sektorenübergreifende Energie- systemmodell R²EnSysMod (Renewable and Regional ENergy SYStem MODel) der BBH Consulting AG (BBHC) verwendet, welches auf Basis des Modellierungsframework oemof (Open Energy Modelling Framework) formuliert wurde.1 Die Modellierung ist das wesentliche Werkzeug für die Bestim- mung der mittelfristigen Zielbilder:
• Das Modell bildet die vollständige Wasserstoff-Wert- schöpfungskette inklusive der Transportinfrastruktur detailliert ab.
• Mit einem starken Fokus auf der Regionalisierung von Parametern werden die regionalen Gegebenheiten und Potenziale in Essen detailliert im Modell abgebildet.
• Kosten und Emissionen, die entlang der verschiedenen Wasserstoff-Wertschöpfungsstufen entstehen, werden umfassend abgebildet und bilden die Basis für die Beurteilung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses.
Die nachfolgende Abbildung 4 gibt einen Überblick über die wesentlichen Eingangsparameter, die berücksich- tigten Technologien und die resultierenden Ergebnisse.
Die Modellstruktur sowie die Eingangsparameter mitsamt ihrer zeitlichen und räumlichen Auflösung im Rahmen des Projekts wurden flexibel an die regionalen Bedingungen angepasst (vgl. Kapitel 5.1.1).
Fehlende technische oder kaufmännische Parameter zu bestehenden und geplanten H2-Projekten für die Berech- nung des R2EnSysMod wurden durch das Projektteam ergänzt. Dabei handelt es sich beispielsweise um stunden- scharfe Strompreisprognosen sowie H2-Produktions- oder Nachfrageprofile entsprechender H2-Anwendungen. Die Daten beruhen auf dem aktuellen Stand der Forschung. Als Ergebnis hat das Modell zentrale Kennwerte für die Projekt- entwicklung, konsistente Transformationspfade sowie Abhängigkeiten und Sensitivitäten geliefert.
Eine nachhaltige und zielgerichtete Infrastrukturentwick- lung konnte sichergestellt werden, indem langfristige Ziel- bilder sowohl für die Nachfrage als auch für die Herkunft des Wasserstoffs formuliert wurden. Langfristige Zielbilder zeigen auf, welchen Stellenwert H2 in einem emissions-
2 Die Novelle des Klimaschutzgesetzes legt fest, dass das Ziel der Klimaneutralität bereits 2045 erreicht werden muss (bisher 2050). (vgl.
Deutscher Bundestag (2021), Art. 2, Abs. 3)
3 Vgl. Cerniauskas, S. et al. (2021) in Verbindung mit Robinius, M. et al. (2020) 4 Vgl. Prognos, Öko-Institut, Wuppertal-Institut (2021)
freien Energiesystem annehmen wird.2 Diese Rolle hängt neben regionalen Potenzialen ebenso von übergeordneten Entwicklungen und Trends ab und sollte grundsätzlich im Rahmen einer vollständigen, sektorenübergreifenden Modellierung des Energiesystems bestimmt werden. Da dieses Vorgehen im Rahmen des Projekts nicht umsetzbar war, wurden alternativ übergeordnete Szenarien zur Entwicklung des Energiesystems (regionale und nationale Ebene) herangezogen.3,4 Die Ergebnisse dieser Studien bezüglich des zukünftigen H2-Bedarfs konnten durch lokale Strukturparameter und auf Basis der regionalen Potenzial- erhebung auf den Essener Betrachtungsfall herunterge- brochen werden. Dabei wurde im Wesentlichen zweiteilig vorgegangen.
Zunächst wurde das H2-Potential (also der Energiebedarf aller Anwendungen, der theoretisch durch Wasserstoff substituiert werden kann) in den einzelnen Nachfrage- sektoren bestimmt und bis 2045/2050 fortgeschrieben (Technisches Potential). Bei der Fortschreibung sind sowohl Effizienzsteigerung als auch Technologie- und Energieträgerwechsel durch die Sektorenkopplung zu berücksichtigen. Der aktuelle Endenergiebedarf wurde für die einzelnen Nachfragesektoren Energiewirtschaft, Gebäude- und Prozesswärme, stoffliche Nutzung und Verkehr ermittelt. Für den Nachfragesektor Verkehr wurde bei der Erhebung weiterhin differenziert zwischen dem motorisierten Individualverkehr, dem Straßengüterverkehr und dem öffentlichen Straßenpersonennahverkehr (ÖSPV).
• Stündliche Auflösung
• Sektorenübergreifend
• Op�mierung der Inves��ons- entscheidung
• Op�mierung der Betriebsführung
• Berücksich�gung räumlicher Auflösung
• In der Modellierung bilden wir die H2-Wertschöpfungske�e inklusive der Transpor�nfra- struktur detailliert ab.
• Mit einem starken Fokus auf der Regionalisierung von Parametern berücksich�gen wir detailliert die Potenziale in Essen.
• Umfassende Berücksich�gung aller Kostenbestandteile und Emissionen entlang der verschie- denen H₂-Wertschöpfungsstufen als Basis für die Beurteilung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses.
Eigenschaften
• Energiepreise
• Erzeugungspotenziale
• We�erdaten
• Nachfragelastgänge
• Technologieparameter
Energiewirtschaftliche Parameter Sektorübergreifendes Energiesystemmodell
Regionale Strukturparameter
Szenarioparameter
Der Modellierungsansatz
Netz
Strom H₂
PV Wind
Erdgas Biogas-KWK
Transport Wärme Stoffliche
Nutzung
Konven�onell H₂-Speicher
• Potenziale und Nachfrage
• Bestandsanlagen und Infrastruktur
• Kapazitäten
• Mengengerüst
• Assoziierte Emissionen
Investitionen & Betriebsführung
Betriebswirtschaftlich
Visualisierung der Zielbilder
• Umsätze
• H₂-Bereitstellungskosten
• Energieeffizienz Rückver-
stromung H₂-Importe/
Exporte
Erdgas
Biogas Elektrolyse
Dampf- reformierung
/Pyrolyse
Kumulierte Wasserstoff -nachfrage
Methani- sierung
Abb. 4 | Flexible Grundstruktur des Energiesystemmodells R2EnSysMod der BBH Consulting AG
Anschließend wurde das wirtschaftliche H2-Potential der Anwendungen im Zieljahr auf Basis von Systemstudien ermittelt. Durch die Kombination der H2-Durchdringungs- rate mit der zukünftigen regionalen Endenergienachfrage in den einzelnen Nachfragesektoren, konnte so der zukünftige Wasserstoffbedarf abgeschätzt werden. Abbildung 5 gibt einen Überblick über das methodische Vorgehen, sowie die verwendeten Daten und Studien.
Die Zielbilder für das H2-Ecosystem werden in Kapitel 5 ausführlich dargestellt. Dabei wird eine Gegenüberstellung der mittelfristigen und langfristigen Zielbilder ermöglicht, die dazu dient, die Nachhaltigkeit der Infrastrukturent- wicklung zu bewerten und Risiken frühzeitig zu erkennen.
Weitere Informationen finden sich zudem in Anhang 8.
Basierend auf der Modellierung und Bewertung der Projektansätze sowie ihrer räumlichen wie zeitlichen Verortung wurden im nächsten Schritt die sogenannten Starter-Projekte konkretisiert. Die Zielbilder sind die Basis für die externen Eingangsparameter sowie die Entwicklung des Umfelds, in dem die ausgewählten Starter-Projekte umgesetzt werden sollen.
2.5 Konkretisierung der Starter-Projekte &
Umsetzungsroadmap
Im Rahmen einer Konkretisierung der Starter-Projekte wurde die tatsächliche Umsetzung der Projekte technisch und betriebswirtschaftlich geplant, kalkuliert und geprüft. Dafür wurden im Zuge der Erarbeitung der Projektskizzen unter- schiedliche Versorgungskonzepte bzw. unterschiedliche Hoch- laufpfade basierend auf den Ergebnissen des R2EnSysMod berechnet (bspw. Versorgung via Trailer versus Versorgung via
Pipeline). Anschließend wurden die entsprechenden Projekt- skizzen konkretisiert, indem u. a. Aussagen zur Wirtschaft- lichkeit, zur Umweltfreundlichkeit, zur Umsetzungsfähigkeit sowie zum Beitrag eines Projektes zu einem H2-Ecosystem getroffen wurden. Dafür wurde u. a. das QuartiersSimula- tionsModell (QuaSiMo) der nymoen|strategieberatung gmbh genutzt. Das Tool bildet eine Vielzahl an Eingangsparametern wie bspw. Strom-, Erdgas-, CO2-Preis- und Emissionsfaktoren- entwicklungen verschiedener Energieträger (Strom, Wärme und Kälte) mit konkreten Lastgängen ab. Zur Bedarfsdeckung kombiniert es dann erforderliche Erzeugungstechnologien einschließlich Speicher und berechnet die Einsatzzeiten.
Weiterhin können zur Realisierung einer ganzheitlichen, detaillierten Analyse unternehmensspezifische Eingangspara- meter wie anlagebezogene wirtschaftliche Größen bestehend aus Abschreibungsdauern, Reinvestitionszeitpunkten, Betriebs- und Wartungskosten etc. eingebunden werden.
Die Umsetzungsroadmap wurde in Kapitel 7 basierend auf den Angaben der Unternehmen zu einem geplanten Projektstart erstellt. Da die Mehrheit der Projekte aller- dings noch in einem sehr frühen Planungsstadium ist, stellt die Roadmap nur eine grobe Ablaufplanung dar. Um die Umsetzung des H2-Ecosystems zu begleiten und zu monitoren wurde daher im Zuge dieses Projekts der Fokus auf der Unterstützung der Stadt bei der organisatorischen Aufstellung für diese Aufgaben gelegt. Gemeinsam mit den relevanten Akteuren wurden konkrete Aufgaben und Kommunikationsansätze diskutiert und im Rahmen von Handlungsempfehlungen aufgenommen.
Die Projektskizzen für die Starterprojekte sind in Kapitel 6 zusammengefasst. Detaillierte Informationen zu den Starter- Projekten finden sich darüber hinaus in Anhang 9 wieder.
Ergebnisse der Grobplanung finden sich in Anhang 10 wieder.
• Regionale Datenbank der jährlichen Endenergienachfrage in den Nachfragesektoren.
Entwickelt im Rahmen des Projekts DemandRegio
Zwei Szenarien für das H2-Ecosystem Essen, die jeweils die perspektivische Nutzung von H2 in den Nachfragesektoren aufzeigen Szenario I - Forcierter Einsatz von H2 Szenario II - Konservativer Einsatz von H2 Zeitlich und räumlich hoch aufgelöster Energiebedarf
Technisches H
2-Potenzial
basierend auf Energienachfrage je Sektorin den Nachfragesektoren
1
Wirtschaftliches H
2-Potenzial
2
Nachfragesektoren
Energiebedarf Stoff. Bedarf
Differenzierte Betrachtung der
Einsatzgebiete
Methodik und Vorgehen
Strom Prozess- Verkehr
wärme Niedertemp.
Wärme Industrie-
prozesse Verkehr
Haushalt GHD Industrie
Residuallast- bedarf, Speicher
Aufgeschlüsselt nach Fahrzeugklassen Alterna�ve
Technologien Saisonaler
Speicher, EE-Potenziale
Aufgeschlüsselt nach industri- ellen Prozessen
• Fortschreibung der Energienachfrage und Annahmen zu der H2-Durchdringung in den einzelnen Sektoren auf Basis übergreifender Studien zur Entwicklung des Energiesystems.
• Berücksichtigung übergreifender Studien zur Marktdurchdringung von H2 in den Sektoren • FZ Jülich (2021): Wissenschaftliche Begleitstudie der Wasserstoffroadmap NRW • FZ Jülich (2020): Wege für die Energiewende
• Agora Energiewende (2021): Klimaneutrales Deutschland 2045 Abb. 5 | Methodisches Vorgehen zur Bestimmung des langfristigen H2-Bedarfs in Essen
