Grüne Wasserstoffprojekte sind ein wichtiger Vorteil im Rennen um die Emissionsfreiheit. Eine hypothetische Fallstudie untersucht die Realisierbarkeit von grünen Wasserstoffprojekten auf dem tatsächlichen Markt. BG Consulting Engineers SA (BG) und das Startup Sympheny haben praktische Erfahrungen und Hightech-Lösungen zusammengestellt, um die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Produktion von grünem Wasserstoff für die Schwerlastverkehr in der Schweiz zu bewerten.

Motive und Zielsetzungen

Die jüngste Energieknappheit in Europa hat uns daran erinnert, wie wichtig Energieunabhängigkeit ist, insbesondere für einen Binnenstaat wie die Schweiz. Die Erhöhung des Anteils lokal produzierter erneuerbarer Energien, insbesondere von Photovoltaik und Windkraft, wurde zu einer Frage der nationalen Sicherheit. Die in Intervallen auftretende und saisonale Natur von Photovoltaik und Windkraft stellt jedoch eine Herausforderung dar, die noch ungelöst ist. Eine mögliche Lösung besteht darin, überschüssigen erneuerbaren Strom in grünen Wasserstoff umzuwandeln, einen stabilen chemischen Energieträger, der lange gespeichert werden kann. In der Schweiz ist der prognostizierte Haupteinsatz von grünem Wasserstoff der Schwerlastverkehr, einer der am schwierigsten zu dekarbonisierenden Sektoren.

Es gibt zwei grosse Herausforderungen in Bezug auf grünem Wasserstoff:

1. Konkurrenz für erneuerbare Energien: Für die Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff mit einem Elektrolyseur werden etwa 10 Liter Wasser und 50 kWh Strom benötigt. Das Stromnetz der Schweiz stützt sich derzeit teilweise auf fossile Brennstoffe. Die Nutzung von erneuerbarem Strom zur Herstellung von grünem Wasserstoff könnte daher zu einem Wettbewerb um erneuerbare Energiequellen führen.
2. Produktionskosten: Die Kosten für die Herstellung von einem Kilogramm grünem Wasserstoff sind hoch. Die für die Dekarbonisierung verfügbaren Ressourcen sind begrenzt. Der aktuelle Preispunkt für eine Tonne vermiedener CO₂-Emissionen liegt bei etwa CHF 100 (klik.ch/resources/KliK-Foundation_Annual-Report_2021.pdf). Die Kosten der Emissionsreduzierung sind ein guter Indikator für die Entscheidungsfindung in einer Machbarkeitsstudie.

BG hat in Zusammenarbeit mit der Paris Université des Arts et Métiers und dem Schweizer Startup Sympheny diese Herausforderungen untersucht und die Frage beantwortet: Ist es wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll, im Jahr 2023 in der Schweiz grünen Wasserstoff für den Schwerlastverkehr zu produzieren?

Hintergrund der Fallstudie

Zur Beantwortung der Frage wurde eine hypothetische Fallstudie auf der Grundlage der umfangreichen Erfahrung von BG im Energie-, Bau- und Industriesektor konzipiert. Die konzipierte Fallstudie mit komplexen Technologiekombinationen bietet unendlich viele mögliche Systemkonfigurationen.

Wie bestimmen wir die optimale Grösse und den optimalen Betrieb der einzelnen Teile des Systems, um Kosten und Emissionen zu minimieren? Um diese Frage zu beantworten, haben wir das technische Know-how von BG mit fortschrittlichen Rechenwerkzeugen kombiniert, die von Sympheny entwickelt wurden, einer leistungsstarken Software zur Optimierung von Energiesystemen, die Tausende von möglichen Lösungen untersucht und innerhalb von Minuten die optimalen Lösungen ermittelt.

Das Modell wurde in Sympheny auf der Grundlage mehrerer praktischer Erfahrungen aus BG-Projekten konfiguriert. Neben anderen Multi-Energie-, Wasserstoff-, Energiespeicher- und dekarbonisierten Mobilitätsprojekten führte BG eine Machbarkeitsstudie durch, um die 1000 Fahrzeuge umfassende Flotte einer französischen Region zu dekarbonisieren, einschliesslich Wasserstoff für den Schwerlastverkehr. BG hat auch an einem der wenigen aktiven Wasserstoffprojekte in Frankreich mitgewirkt, mit einer mit Solarenergie betriebenen dezentralen Antenne mit Batterie und wasserstoffbasierter Energiespeicherung.

Beschreibung der Fallstudie

Die Fallstudie umfasst zwei Standorte. Der erste Standort ist eine Industriehalle mit 20.000 m² Dachfläche, die für die Installation von einer Photovoltaikanlage zur Verfügung steht und eine Flotte von 200 Diesel-LKW für den Fernverkehr. Der Wasserstoff wird vor Ort mittels Solarenergie erzeugt. Eine mit erneuerbarer Energie betriebene Batterie erhöht die Betriebsstunden des Elektrolyseurs. Der Wasserstoff wird bei 700 bar in Hochdrucktanks gespeichert, die an eine Wasserstofftankstelle angeschlossen sind. Ein Teil der LKW-Flotte wurde für den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet.

Der zweite Standort ist eine Wohnanlage, unweit des erwähnten Industriestandorts, um die Abwärme aus der Wasserstoffproduktion zu nutzen. Es handelt sich dabei um eine interessante sektorgekoppelte Lösung, um die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion zu erhöhen.

Insgesamt besteht das betrachtete Multi-Energie-System aus acht technologiekandidaten verteilt auf zwei Standorte, die durch Fernwärme verbunden sind, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 Beschreibung des Standortes der Fallstudie (Abbildung wurde durch das Sympheny-Team erstellt)

Ergebnisse

Die Software von Sympheny bietet verschiedene Diagramme und Illustrationen, um einfach durch die Optimierungsergebnisse zu navigieren. Die Ergebnisse zeigen mehrere optimale Konfigurationen mit einem klaren Kompromiss zwischen Kosten und Emissionen. Abbildung 2 zeigt mehrere optimale Lösungen, die von der wirtschaftlich tragfähigsten bis zur umweltfreundlichsten reichen. Die Kosten und Emissionen der Baseline, einer rein fossilen Brennstoffen basierenden Konfiguration, sind nicht Teil der Pareto-optimale Front, da sowohl die Kosten als auch die Emissionen höher sind.

Schlussfolgerungen

Wir haben aufgezeigt, wie die Zusammenarbeit zwischen BG und Sympheny es ermöglicht hat, ein aufkommendes Problem effizient und effektiv anzugehen, indem wir neuartige Lösungen mit dem Know-how mehrerer Jahrzehnte in allen Bereichen des Ingenieurwesens und der Hightech-Lösungen integriert haben.

Trotz der derzeit hohen Investitionskosten für Wasserstoffsysteme entwickelt sich der Markt dank staatlicher Förderung und privater Entwickler schneller als je zuvor. Aus diesem Grund hat BG in den letzten zehn Jahren aktiv Wasserstoffprojekte verfolgt und wertvolle Fähigkeiten und Beziehungen zur Dekarbonisierung unserer Wirtschaft entwickelt.