Potenziale und Perspektiven stationärer Brennstoffzellen

Abstract

Gestützt durch die dynamische Entwicklung im Bereich mobiler Antriebe und eine Vielzahl von Demonstrationsprojekten in der stationären Anwendung sind in die Brennstoffzellen-Technologie hohe Erwartungen hinsichtlich der zukünftigen Energiebereitstellung gelegt worden. Die z. T. euphorische Diskussion mag auch darin begründet sein, dass praktisch alle Bereiche des Energiesystems von ein und derselben Technologie profitieren können und die Brennstoffzelle zudem als erster Schritt von einer zunehmend in der Kritik stehenden fossilen Energiewirtschaft in Richtung nachhaltigerer Energieversorgungsstrukturen gesehen wird. Vor diesem Hintergrund ist es Ziel dieser Arbeit, einen Beitrag zur realistischen Einschätzung der kurz- und mittelfristigen Möglichkeiten und Grenzen der Brennstoffzellentechnik in der stationären Energiewandlung zu leisten sowie Ansatzpunkte für interessante Anwendungsbereiche auch hinsichtlich einer gegebenenfalls gewünschten forcierten Markteinführung dieser neuen Technologie zu identifizieren. Dazu ist es erforderlich, detaillierte, betriebswirtschaftlich orientierte Einsatzanalysen repräsentativer Versorgungsaufgaben in den einzelnen Teilsegmenten des Energiesystems in Baden-Württemberg konsistent mit einer volkswirtschaftlich orientierten systemaren Gesamtoptimierung zu verknüpfen. Grundlage dafür bilden die technischen und ökonomischen Entwicklungstrends der verschiedenen stationären Brennstoffzellensysteme, die im Rahmen einer allgemeinen Technikanalyse anhand der Erfahrungen mit aktuellen Pilot- und Demonstrationsanlagen abgeleitet werden. Diese werden ergänzt um die zeitlich und strukturell differenzierte Bedarfs- und Laststruktur in der Industrie und den Haushalten Baden-Württembergs, wozu eine Methodik zur Verknüpfung verschiedener statistischer Datengrundlagen erarbeitet wird. Abgeleitet werden repräsentative Einsatzfälle, für die mit Hilfe eines neu entwickelten edv-gestützten Simulationstools ein ökonomischer Vergleich der Brennstoffzellentechnologie mit den alternativen Versorgungsvarianten durchgeführt wird. Aufgrund der zunehmenden Liberalisierung der Energiemärkte ist dazu eine detaillierte Analyse der bestehenden und zukünftigen Energiepreisstrukturen erforderlich, auch vor dem Hintergrund, dass mit Öffnung der Märkte die verschiedenen Preiskomponenten individuell betrachtet werden müssen. Die Ergebnisse des objektbezogenen Systemvergleichs werden dann in den gesamtenergiewirtschaftlichen Kontext gestellt, d. h. im Rahmen eines Systemmodells in die technologische und topologische Struktur der Energieversorgung Baden-Württembergs eingebettet. Mit Hilfe dieses Modells werden schließlich Modellrechnungen über die Entwicklung des Energiesystems durchgeführt. Die betrachteten Szenarien werden dabei so gewählt, dass einerseits die technologiespezifischen Auswirkungen eines verstärkten Einsatzes stationärer Brennstoffzellen auch im zeitlichen Verlauf deutlich werden, andererseits der mögliche Beitrag der Technologie zum Erreichen nachhaltiger Versorgungsstrukturen dargestellt wird.

Based on the dynamic development in the field of automotive applications and numerous stationary demonstrations the fuel cell technology was faced with high expectations regarding the future provision of energy. Reasons for the partly euphoric discussion may be that about any segment of the energy system may profit from this one technology, and fuel cells are seen as a first step from an increasingly criticized energy supply based on fossil fuels towards more sustainable energy supply structures. Against this background, the objective of this work is to contribute to a realistic assessment of the short and medium term options and limits of stationary fuel cell systems and to identify starting-points for interesting deployment cases in view of a possibly wanted enforced market penetration of this new technology. This requires the consistent integration of detailed business oriented analysis regarding its use in representative housing and industry supply cases with an overall optimization of the energy system in Baden-Württemberg based on economic theory. The basis for this form the technical and economic development trends of stationary fuel cells, which are derived from experiences with the current demonstration plants in the scope of a general technical analysis. These are supplemented by the industrial and housing demand and load structures of Baden-Württemberg in high temporal and structural resolution, derived by an elaborated methodology for the integration of different statistical databases. Deduced are representative application cases, for which an economic comparison of the fuel cell technology with the alternative supply variants is conducted with help of a newly developed simulation tool. Due to the ongoing liberalization of the energy markets this requires the detailed analysis of the existing and future energy price structures, as with the opening of the markets the different price components have to be looked upon individually. The outcome of the object oriented system analysis is then integrated into the context of the overall energy economy, which means that in the scope of an energy system model the results are imbedded in the technological and topological structure of the energy supply of Baden-Württemberg. Finally, with help of this tool, model calculations for the possible future development of the energy system are carried out. The scenarios looked upon are chosen by means that on the one hand the technology specific effects of an increased use of stationary fuel cell systems become evident also in the chronological development, and on the other hand the possible contribution of the technology for achieving sustainable supply structures is depicted.