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Strukturwandel in der Gaswirtschaft – Was bedeutet die Entwicklung der Gas- und Wasserstoffnachfrage für die zukünftige Infrastruktur?

Eine Metaanalyse bestehender Energiesystemstudien

Structural Change in the Gas Industry—What Does the Development of Gas and Hydrogen Demand Mean for the Future Infrastructure?

A Meta-Analysis of Existing Energy System Studies

Zeitschrift für Energiewirtschaft volume 46, pages 255–266 (2022)Cite this article

Zusammenfassung

Die Erreichung der Klimaneutralität in Deutschland bedingt den Ausstieg aus der Verwendung von fossilem Methan wie zum Beispiel Erdgas. Der Bedarf an gasförmigen Energieträgern kann anstatt durch Erdgas durch grünen Wasserstoff gedeckt werden. Durch einen Brennstoffwechsel von Methan auf Wasserstoff steht der deutschen Gaswirtschaft ein Strukturwandel bevor, für dessen Planung die zukünftige Entwicklung der Methan- und Wasserstoffnachfrage von Bedeutung ist. Im Zuge dieser Metaanalyse werden Szenarien aus Energiesystemstudien der letzten Jahre ausgewertet und daraus Trends für die Entwicklung der Methan- und Wasserstoffnachfragen ermittelt sowie Implikationen für den Strukturwandel abgeleitet. Bis zum Jahr 2045 könnte sich die Gesamtnachfrage nach gasförmigen Energieträgern halbieren, wobei Methan fast vollständig durch Wasserstoff ersetzt wird. Sektoral wird Wasserstoff vor allem im Industriesektor eingesetzt. Darüber hinaus entwickelt sich im Verkehrssektor eine signifikante Wasserstoffnachfrage. In den Sektoren Energie- und Gebäudesektor geht die Nachfrage nach gasförmigen Energieträgern deutlich zurück. Die aktuelle Studienlage sieht den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft als Voraussetzung zur Erreichung der Klimaneutralität. Für den Aufbau eines Wasserstoffnetzes bietet es sich an, Rohrleitungen des bestehenden Fernleitungsnetzes zu verwenden. Dadurch könnte es zu einer Konkurrenz zwischen Methan und Wasserstoff über die Nutzung des Fernleitungsnetzes kommen. Durch den sinkenden Gesamtbedarf ist zu erwarten, dass langfristig weniger Netzinfrastruktur notwendig sein wird als heute vorhanden ist.

Abstract

Achieving climate neutrality in Germany requires a phase-out of fossil methane such as natural gas. Instead of natural gas, green hydrogen can meet the demand for gaseous energy carriers. Due to a fuel switch from methane to hydrogen, the German gas industry is facing a structural change, for whose planning the future development of methane and hydrogen demand is essential. In this meta-analysis, scenarios from energy system studies of the last years are evaluated, trends for the development of methane and hydrogen demand are determined, and implications for the structural change are derived. By 2045, the total demand for gaseous energy carriers could halve, with methane being almost completely replaced by hydrogen. The industrial sector has the most significant hydrogen demand. In addition, the transportation sector develops also substantial hydrogen demand. In general, demand for gaseous energy carriers is declining significantly in the energy and building sectors. Current studies see the development of a hydrogen economy as a prerequisite for achieving climate neutrality. It is economical advantageous to repurpose pipelines of the existing methane grid for constructing a hydrogen pipeline grid. This could lead to competition for the use of the existing grid between methane and hydrogen. Due to the decreasing overall demand, grid infrastructure needs are also expected to decrease.

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Abb. 1
Abb. 2

Notes

  1. In Deutschland werden Vorgaben an die Gasbeschaffenheit in Gasnetzen durch das Arbeitsblatt G 260 des DVGW geregelt. Allgemein wird zwischen der Gasfamilie 2 (Methanhaltige Gase) und der Gasfamilie 5 (Wasserstoff) unterschieden. Die Gasfamilie Methan enthält Methan als Hauptkomponente, welches aus Erdgas, Biogas oder synthetischem Methan stammen kann. Nach derzeitiger Regelung darf die Gasfamilie Methan bis zu 10 Vol.-% Wasserstoff enthalten. Derzeit wird geprüft, ob dieser Anteil auf 20 Vol.-% heraufgesetzt werden kann. Die Gasfamilie Wasserstoff besteht aus Wasserstoff mit einer Reinheit von mindestens 98 Vol.-% (DVGW 2021).

  2. Zum Beispiel galt in einigen Studien die Annahme, dass Wasserstoff als nicht systemkompatibel mit den Leitungen des Gasnetzes sei (Vgl. Deutsche Energie-Agentur GmbH 2018).

  3. Alle kalorischen Angaben beziehen sich auf den Heizwert (lower heating value).

  4. Für die Regression wurde eine Funktion der Form a*exp(b * x) + c * x + d verwendet.

  5. Die betrachteten Studien berücksichtigen die Entwicklung der Gaspreise seit Mitte 2021 und insbesondere seit dem russischen Angriff auf die Ukraine am 24. Februar 2022 nicht. Durch die sehr hohen Gaspreise und die Knappheit der Ressource Erdgas wird im Jahr 2022 in Deutschland vermehrt Kohle zur Stromproduktion genutzt, um die Verstromung von Erdgas zu verringern. Dazu werden Kohlekraftwerke aus der Netzreserve und bereits stillgelegte Kohlekraftwerke wieder hochgefahren.

  6. Sollte in Deutschland Carbon Capture and Storage im industriellen Maßstab eingesetzt werden, würden vorrausichtlich ein Fernleitungsnetz für den Transport von CO2 benötigt. Auch für den Transport von CO2 wäre die Nutzung bestehender Pipelines aus dem Methanfernleitungsnetz günstiger als ein Neubau. In diesem Fall bestünde eine dreiseitige Nutzungskonkurrenz zwischen Methan, Wasserstoff und CO2 um das bestehende Fernleitungsnetz.

Literatur

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Danksagung

Die Forschung wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Wasserstoff – Rolle in der Energiewirtschaft beim Aufbau einer deutschen Hydrogen Economy“ (H2-Ready, FKZ: 03EI1038A & FKZ: 03EI1038B) durchgeführt. Wir bedanken uns für die Förderung dieses Projektes durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Außerdem möchten wir David Schlund herzlich für seine hilfreichen Kommentare und Anmerkungen danken.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (EWI), Vogelsanger Straße 321a, 50827, Köln, Deutschland

    Jan Kopp, Michael Moritz & Julius Schmidt

  2. Fakultät Wirtschaftswissenschaften, Lehrstuhl für Energiewirtschaft, Technische Universität Dresden, 01062, Dresden, Deutschland

    Hendrik Scharf

Authors
  1. Jan Kopp
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  2. Michael Moritz
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  3. Hendrik Scharf
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  4. Julius Schmidt
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Corresponding author

Correspondence to Jan Kopp.

Anhang

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Tab. 1 In der Metaanalyse berücksichtigte Szenarien ausgewählter Energiesystemstudien
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Abb. 3
figure 3

Verteilung der sektoralen Methan- und Wasserstoffnachfrage aus den berücksichtigten Szenarien über die Zeit

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Kopp, J., Moritz, M., Scharf, H. et al. Strukturwandel in der Gaswirtschaft – Was bedeutet die Entwicklung der Gas- und Wasserstoffnachfrage für die zukünftige Infrastruktur?. Z Energiewirtsch 46, 255–266 (2022). https://doi.org/10.1007/s12398-022-00335-2

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  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s12398-022-00335-2