Analytische Studie der bestehenden Modelle der Wasserstoffinfrastruktur

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einführung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau

2 Problemfelder
2.1 Produktion
2.2 Transport und Distribution
2.3 Speicherung
2.4 Tankstelleninfrastruktur
2.4.1 Tankstellentechnologien
2.4.2 Tankstellenallokation und Nachfrageanalyse
2.5 Infrastrukturplanung
2.6 Soziale Akzeptanz von Wasserstoff
2.6.1 Bedeutung der sozialen Akzeptanz
2.6.2 Studien
2.6.3 Generelle Analyse
2.6.4 Wahrnehmung des Sicherheitsaspekts

3 Modelltechniken
3.1 Lineare Optimierung
3.2 Dynamische Optimierung
3.3 Agenten-basierte Modelle
3.4 System Dynamics
3.5 „Well-to-Wheels“-Modelle
3.6 GIS-Modelle

4 Modelle
4.1 HIT.
4.1.1 Modellbeschreibung
4.1.2 Die Peking-Fallstudie
4.2 MOREHyS
4.3 HyDS
4.4 HyTrans
4.5 H2CAS Expansion Model
4.6 HyDive
4.7 Das Modell von Stephan und Sullivan
4.7.1 Modellbeschreibung
4.7.2 Ergebnisse
4.8 Das Modell von Malte Schwoon
4.8.1 Modellbeschreibung
4.8.2 Fallstudie
4.9 MARKAL-ETSAP
4.10 ETP..
4.11 Die Modellfamilie H2A
4.11.1 H2A-Produktionsmodelle
4.11.2 H2A-Distibutionsmodelle
4.12 GREET
4.13 E3-Database
4.14 MSM
4.15 NEMS

5 Modelldiskussion
5.1 Problematik eines Universalmodells
5.2 Aufschlüsselung nach Kriterien
5.3 Modellvergleich
5.3.1 Zeitlicher und räumlicher Infrastrukturaufbau
5.3.2 Lebenszyklus-Analyse
5.3.3 Energiesystem-Analyse
5.3.4 Tankstellenallokation und Nachfrageentwicklung

6 Schlussfolgerung und Ausblick
6.1 Schlussfolgerungen
6.2 Kritische Würdigung und Ausblick

Zusammenfassung

Abstract

Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einführung

1.1 Motivation

Die wachsende globale Konkurrenz um die immer knapper werdenden fossilen Brennstoffe lässt die Frage nach der Versorgungssicherheit mit Energie immer bedeutender werden. Eine andere beunruhigende Tendenz, die zunehmend zu den wichtigsten politischen Themen avanciert, liegt in der Verschmutzung der Atmosphäre durch Treibhausgase und dem damit verbundenen Klimawandel. Es wird immer offensichtlicher, dass die bestehenden Energiesysteme reformiert werden müssen, um diese Probleme abzumildern. Aus diesem Grund werden alternative Technologien gesucht, die im Stande sind, den höheren Anforderungen der Zukunft gerecht zu werden.

Eine solche Alternative stellt der Gebrauch von Wasserstoff als Sekundärenergieträger dar. Wasserstoff bietet erhebliche Vorteile, da er zum einen auf verschiedenen Wegen produziert werden kann und eine dadurch ermöglichte Diversifizierung der Energiequellen einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Energiesicherheit leisten könnte. Zum anderen kann durch den Einsatz einer Reihe von Produktionstechnologien eine Reduktion der Treibhausgasemissionen erreicht werden. Zu den weiteren Vorteilen von Wasserstoff zählt eine hohe Energieeffizienz bei der Nutzung in Brennstoffzellen (IEA, 2005) sowie flexible Möglichkeiten des Endverbrauchs.

Für den Übergang zu einer weit verbreiteten Nutzung des Wasserstoffs muss allerdings erst eine Reihe von Problemen und Herausforderungen bewältigt werden. Neben technischen Verbesserungen in allen Bereichen des Wasserstoff-Lebenszyklus, der Erzielung von wesentlichen Kostensenkungen und der Ausarbeitung internationaler Standards für die Bereiche Sicherheit, Handel und Industrie, muss eine Infrastruktur aufgebaut werden, die die Produktion, den Transport und die Distribution von Wasserstoff gewährleisten kann.

Vor dem Hintergrund der Unsicherheit und der enormen Investitionen, die der Aufbau der Infrastruktur erfordert, wurden und werden in der letzten Zeit zahlreiche Modelle konstruiert, um das Verständnis für den Ablauf des komplexen Entwicklungsprozesses zu verbessern und Entscheidungen bei der Planung zu unterstützen. Es entstand eine umfangreiche Palette an Modellen, die unterschiedliche Bereiche der Wasserstoffwirtschaft behandeln und vielfältige Blickwinkel auf ihre Entwicklung und künftige Rolle bieten.

1.2 Zielsetzung

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Sammlung bestehender Modelle der Wasserstoffinfrastruktur zusammenzustellen und zu jedem Modell eine detaillierte Beschreibung seines Aufbaus und seiner Funktionsweise zu erstellen. Basierend auf dieser Information sollen ihre Strukturierung und Einordnung im Gesamtproblemfeld erfolgen. Darüber hinaus soll ein Vergleich zwischen den Modellen vorgenommen werden, bei dem sie nach ihrem Fokus und ihrem Lösungsansatz sortiert und ihre Stärken und Schwächen hinsichtlich ihrer Zielsetzung ausgewertet werden.

Nicht zur Zielsetzung dieser Diplomarbeit gehört die Erläuterung mathematischer Implementierungen oder die Beschreibung der softwaretechnischen Umsetzung der jeweiligen Modelle, da eine derart detaillierte Analyse die vorrangigen Ziele durch ihren Umfang in den Hintergrund drängen und den Rahmen dieser Diplomarbeit übersteigen würde. Vielmehr sollen kurz und kompakt die wesentlichen Kriterien der Modelle genannt und ihr Stellenwert in der übrigen Modellandschaft verdeutlicht werden.

1.3 Aufbau

Das erste Kapitel dient der Einführung in das Themengebiet und beschreibt den Hintergrund, die konkrete Zielsetzung und den Aufbau der Diplomarbeit. Im zweiten Kapitel werden Problemfelder technischer, organisatorischer und sozialer Natur erläutert, vor denen der Übergangsprozess zur Wasserstoffwirtschaft heute steht. Zu ihnen gehören Fragen in der Produktion, im Bereich Transport und Distribution und bei der Speicherung. Im Bereich der Tankstelleninfrastruktur kommen nicht nur technische Aspekte zur Sprache, sondern auch die Problematik der Ermittlung vorteilhafter Allokationen für Wasserstofftankstellen, kombiniert mit der Verfolgung der Nachfrageentwicklung. Aus gesellschaftlicher Sicht sind Fragestellungen nach den richtigen Entwicklungsprogrammen für die Wasserstoffinfrastruktur sowie die soziale Akzeptanz der Bevölkerung die relevanten Problemfelder.

Das dritte Kapitel befasst sich mit den unterschiedlichen Modelltechniken, die im Zusammenhang mit der Analyse der Wasserstoffinfrastruktur-Entwicklung relevant sind und häufig eingesetzt werden. Alle diese Modelltechniken werden im weiteren Verlauf der Diplomarbeit bei konkreten Anwendungsbeispielen auftauchen.

Im vierten Kapitel befindet sich die detaillierte Beschreibung der einzelnen Modelle, die heute in diesem Bereich existieren. Die Beschreibung enthält Angaben zur ihrer jeweiligen Zielsetzung und ihrer Einordnung im Gesamtzusammenhang, ihrer Funktionsweise, und gegebenenfalls zu ihren bisherigen Anwendungsbeispielen oder künftigen Erweiterungen. Dieses Kapitel bildet zusammen mit dem Kapitel Fünf, in dem die Modelle in einer Übersichtstabelle nach zahlreichen Kriterien aufgeschlüsselt und anschließend hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen miteinander verglichen werden, den Kernbereich dieser Diplomarbeit. Das letzte Kapitel fasst die wichtigsten Erkenntnisse der Diplomarbeit zusammen, setzt sich mit ihr kritisch auseinander und sammelt Abschlussgedanken und Zukunftsaussichten.

2 Problemfelder

Im Zusammenhang mit dem Übergang zur Wasserstoffwirtschaft ergibt sich in Bezug auf die Infrastruktur eine Reihe von Problemen, die in mehrere größere Felder unterteilt werden können. Diese Problemfelder sind technischer, organisatorischer und soziologischer Natur und werden in diesem Kapitel näher vorgestellt. Dies soll dem besseren Verständnis der Sachlage dienen, vor deren Hintergrund die im weiteren Verlauf der Diplomarbeit präsentierten Modelle entstanden sind, um sie beschreiben und lösen zu helfen. Die hier beschriebenen Problemfelder sind allerdings nicht ganz deckungsgleich mit den später beim Modellvergleich im Kapitel 5.3 zusammengefassten Modellgruppen. Dies hängt damit zusammen, dass viele Modelle sich gleichzeitig auf mehrere Problemfelder (z.B. die gesamte Versorgungskette des Wasserstoffs) spezialisieren und sich bei ihrer Kategorisierung etwas andere Strukturen ergeben.

Klassische Probleme der Wasserstoffwirtschaft sind die technischen Felder der Produktion, des Transports, der Speicherung und der Distribution von Wasserstoff. Dazu ergeben sich organisatorische Probleme der optimalen Aufbauprogramme und der Koordination in allen genannten Bereichen. Schließlich existieren Probleme der öffentlichen Wahrnehmung und der sozialen Akzeptanz von Wasserstoff, die für eine erfolgreiche Diffusion dieser Technologie eine wichtige Rolle spielen.

2.1 Produktion

Eines der zentralen Problemfelder der Wasserstoffwirtschaft ist die Produktion des Wasserstoffs. Es handelt sich dabei um seine Gewinnung in reiner Form, da Wasserstoff in der Natur nur in gebundener Form mit anderen Stoffen vorkommt. Die kosteneffiziente und umweltfreundliche Herstellung von Wasserstoff ist eine der großen Herausforderungen bei der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft.

Die Wasserstoffproduktion ist ein energieintensiver Prozess und die benötigte Energie kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden (IEA, 2006). Zu ihnen zählen traditionelle fossile Brennstoffe, die Nuklearenergie und erneuerbare Energiequellen. Welche dieser Quellen und in welchem Umfang zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden, ist dabei eine der zentralen Fragen. Um eine echte Alternative zu den Treibstoffen aus immer knapper werdenden fossilen Energieträgern zu werden, muss die Wasserstoffwirtschaft jedoch langfristig auf fossile Energiequellen verzichten.

Eine weitere große Herausforderung besteht in der richtigen Konzeption der Produktionslogistik. Eine der Möglichkeiten besteht darin, dass Wasserstoff in großen zentralen Anlagen hergestellt und anschließend zu zahlreichen Abnahmepunkten transportiert wird. Dies hat den Vorteil, dass bedeutende Skaleneffekte und Kosteneinsparungen möglich sind, doch zugleich bedeutet dies auch einen größeren Transportaufwand und erfordert eine kostspielige Verteilungsinfrastruktur.

Alternativ kann Wasserstoff in dezentralen Anlagen kleineren Maßstabs produziert werden, die eine größere Nähe zum Endabnehmer ermöglichen. Dabei ergeben sich umgekehrt zum oben genannten Fall höhere Produktionskosten, aber geringere Transportkosten. Eine weitere Option besteht in der Vorort-Produktion von Wasserstoff unmittelbar an den Tankstellen. Nach Ansicht einiger Forscher ist diese Möglichkeit für die Übergangsperiode, in der noch keine groß angelegte Produktionsinfrastruktur besteht, am Besten geeignet (Forsberg et al., 2007). Die verschiedenen technischen Möglichkeiten dazu werden im Kapitel 2.4.1. näher erläutert.

Ca. 95% des heute verwendeten Wasserstoffs werden durch die Technologie der Dampfreformierung von Erdgas ^[1] hergestellt (Ball, 2006), bei der Wasserstoff und Kohlenstoffoxide entstehen^[2]. Der Rest wird über die Elektrolyse gewonnen, einem Prozess, bei dem Wasser unter Benutzung des elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.

Zu den weiteren Technologien gehört die Kohlevergasung, bei der Kohle großer Hitze ausgesetzt wird. Aus dem dabei gewonnen Gas kann anschließend Wasserstoff herausgelöst werden. Eine weitere Option ist die Reformierung der Erdölprodukte wie Benzin, Kerosin, Diesel oder Heizöl. Zu den weiteren häufig genannten Technologien zur Herstellung von Wasserstoff gehören thermochemische Verfahren, bei denen Chemikalien und Hitze eingesetzt werden, um Wasser in seine Bestandteile zu spalten. Photokatalytische und photobiologische Systeme benutzen dazu Sonnenlicht im Verbund mit speziellen Materialen bzw. Mikroorganismen. Biologische Technologien erlauben es, Bakterien zur Zersetzung der Biomasse und zur Gewinnung von Wasserstoff einzusetzen. Schließlich kann aus Biomasse auch über das Verfahren der Vergasung Wasserstoff gewonnen werden, indem diese großer Hitze ausgesetzt wird. Der volle Überblick, wie unterschiedliche Primärenergieträger und technischen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff kombiniert werden können, befindet sich in der Abbildung 2-1.

Hinsichtlich des finanziellen Aufwandes bilden aktuell Energiequellen wie Erdgas und Kohle die kostengünstigsten Produktionsoptionen. Biomasse liegt in dieser Beziehung ungefähr im Mittelfeld, während die noch teuersten Technologien mit der Solarenergie und Photovoltaik verbunden sind (IEA, 2005). Die Elektrolyse ist heute noch zwar relativ teuer, wird jedoch aufgrund der breiten Verfügbarkeit des Stromnetzes in manchen Fällen eingesetzt. Für den Zeitraum zwischen 2015 und 2030, in dem ein starker Anstieg der vorhandenen Infrastruktur erwartet wird, werden nach Prognosen mehr kohlenwasserstoffbasierte Quellen für die Wasserstoffproduktion zum Einsatz kommen. Nach 2030 wird erwartet, dass Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen und der Nuklearenergie an Bedeutung zunimmt (IEA, 2006).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Optionen der Wasserstoffproduktion nach Energieträgern. Quelle: eigene Darstellung nach (Ball, 2006)

2.2 Transport und Distribution

Grundsätzlich lassen sich die heute zur Verfügung stehenden Transportmöglichkeiten von Wasserstoff in drei Methoden unterscheiden:

- Transport über Pipelines im gasförmigen Zustand
- Transport mit Trucks im gasförmigen Zustand
- Transport mit Trucks im flüssigen Zustand

Allerdings ist der Trucktransport von gasförmigem Wasserstoff aufgrund der geringen Energiedichte für eine flächendeckende Versorgungsinfrastruktur wirtschaftlich kaum geeignet und wird nur für kurze Distanzen eingesetzt. Bei einer Entfernung von ca. 300 km vom Produktionspunkt wird diese Transportmethode unrentabel (DOE Factsheet, 2006).

Der Pipelinetransport von Wasserstoff ist technisch mit dem Transport von Erdgas vergleichbar, seine Kosten werden jedoch aufgrund speziellerer Werkstoffanforderungen auf das 1,7-fache bis 2-fache geschätzt, vor allem weil der Wasserstoff die Eigenschaft hat, gewöhnliche Stahlrohre zu zersetzen (Ball, 2006). Im Allgemeinen wird zwischen Transport- und Verteilerpipelines unterschieden. Auch bei Wasserstoffpipelines hängt der Druck, den es zu erzeugen gilt, von Faktoren wie dem Rohrdurchmesser, dem Durchsatz, der Beschaffenheit der Rohroberfläche und der Dichte des transportierten Gases ab. Um den auftretenden Druckverlust auszugleichen, müssen in die Leitung in regelmäßigen Abständen Zwischenverdichter eingebaut werden. Grundsätzlich spielen für die Kosten des Pipeline-Betriebs auch solche Faktoren, wie Topographie, Landnutzung oder der Erwerb von Durchleitungsrechten eine Rolle.

Die Alternative ist der Transport von Wasserstoff in flüssigförmiger Form mit Hilfe von Trucks. Der verflüssigte und auf –253°C abgekühlte Wasserstoff weist eine höhere Energiedichte auf und ist deswegen im Gegensatz zum gasförmigen Wasserstoff auch für den Transport über weite Entfernungen geeignet. Auch hier wird zwischen Transport- und Verteilertrucks unterschieden, wobei die letzteren kleinere Kapazitäten aufweisen und gegebenenfalls auch für den Transport im gasförmigen Zustand konzipiert sind^[3]. In der Regel steht die zurückzulegende Gesamtentfernung beim Trucktransport im umgekehrten Verhältnis zu den eingesetzten Kapazitäten der Trucks.

Die Transportalternativen Pipeline und Truck haben vor allem im Hinblick auf die Kosten unterschiedliche Vor- und Nachteile. Pipelines bieten bei ihrem Betrieb den relativ günstigeren Weg, große Mengen Wasserstoff über weite Entfernungen zu transportieren, sind jedoch anfangs mit erheblichen Investitionssummen verbunden (DOE Factsheet, 2006). Dies stellt in vielen Fällen eine ernsthafte Barriere dar. Der Transport von verflüssigtem Wasserstoff erfordert geringere Fixkosten, weist allerdings erhebliche variable Kosten auf, die sich aus den energieintensiven Verflüssigungs- und Verdampfungsprozessen sowie aus der Entlohnung der Fahrer und dem Treibstoffverbrauch ergeben. In der Praxis ist der Transport von verflüssigtem Wasserstoff mit Hilfe von Trucks oftmals die relevanteste Alternative, solange die Investitionssummen für die Errichtung von Pipelines aus unterschiedlichen Gründen nicht aufgebracht werden können.

Mit der Frage der optimalen technischen und finanziellen Organisation des Transports und der Distribution von Wasserstoff beschäftigen sich zahlreiche Modelle, wie die Delivery-Modelle der H2A-Familie oder wie etwa im HIT-Modell spezielle Untermodule.

2.3 Speicherung

Die Speicherung von Wasserstoff ist ein in der Praxis wichtiges Problemfeld, das auf den Umstand zurückgeht, dass die Nachfrage nach diesem Kraftstoff über die Zeit hinweg nicht konstant ist und nicht zeitgenau bedient werden kann. Viele global angelegte Modelle gehen jedoch der Einfachheit halber davon aus, dass die Nachfrageschwankungen über das Jahr gesehen vernachlässigbar sind und die Produktion von Wasserstoff ihnen weitgehend zeitlich und mengenmäßig angepasst werden kann (Ball, 2006).

Da Tagesschwankungen in der Regel von lokalen Speichern der Tankstellen ausgeglichen werden sollen, wird auf eine explizite Modellierung der Speicherung im größeren, volkswirtschaftlichen Rahmen häufig verzichtet. Grundsätzlich ist die Speicherung jedoch ein technisch unverzichtbarer Aspekt der Wasserstoffwirtschaft und ist sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendung unerlässlich. Die Effizienz der Speichertechnik hat einen erheblichen Einfluss auf die erfolgreiche Durchsetzung der Wasserstoffwirtschaft. So ist sie beispielsweise im mobilen Einsatz ausschlaggebend für die Reichweite wasserstoffbetriebener Fahrzeuge, die gerade im Anfangsstadium des Infrastrukturaufbaus mit seiner geringen Dichte an Tankmöglichkeiten zu den zentralen Entscheidungsparametern für den Kauf eines derartigen Fahrzeugs gehört.

Speichertechniken, die heute in Frage kommen, lassen sich in Druckspeicherung, Flüssigspeicherung und chemische Speicherung aufteilen (Ball, 2006). Druckspeicher speichern Wasserstoff im gasförmigen Zustand und kommen sowohl bei stationären als auch bei mobilen Anwendungen zum Einsatz. Die dabei verwendete Technik und ihre Handhabung unterscheiden sich nur unwesentlich von der unverflüssigten Speicherung von Erdgas. Zur stationären Großspeicherung eignen sich beispielsweise ausgeförderte Öl- und Gaslagerstätten oder Salzkavernen, da sie natürliche Kapazitäten darstellen, die für diesen Zweck groß genug sind. Für den Betrieb solcher Großspeicher sind allerdings höhere Kosten im Vergleich zur Speicherung von Erdgas erforderlich, da der Energiegehalt von gasförmigem Wasserstoff pro Volumeneinheit deutlich niedriger ist. Bei dezentraler stationärer Speicherung empfehlen sich Druckbehälter wie bei der Speicherung von Erdgas. Im mobilen Gebrauch erlauben die auf der Drucktechnik beruhenden 700-bar Tanks eine maximale Pkw-Reichweite von 400 bis 600 km, was sich im für den Kunden akzeptablen Rahmen bewegt.

Verflüssigter Wasserstoff ist durch seine höhere volumenbezogene Energiedichte in der mobilen Anwendung besser geeignet, als Wasserstoff im gasförmigen Zustand. Seine Verflüssigung bedarf jedoch einer höheren Energieaufwendung, als die Kompression. Vorteilhaft für die Flüssigspeichertechnik ist, dass sie heute durch den Einsatz in der Raumfahrt diejenige Speichertechnik ist, mit deren Nutzung am meisten Erfahrung vorhanden ist. Als Nachteil erweist sich die prinzipielle Eigenschaft der Verdampfungsverluste. Um den steigenden Druck, den die Verdampfung innerhalb eines Behälters verursacht, zu umgehen, muss diese über ein Ventil nach außen abgeführt werden. Der prozentuale Verlust durch Verdampfung ist umso größer, je kleiner der Tank ist und wird bei den für Pkws in Frage kommenden Tankgrößen etwa 1% bis 2% des Tankvolumens täglich betragen (Ball, 2006).

Die chemische Speicherung von Wasserstoff ist eine Methode, die seine Moleküle unter einem bestimmten Druck aufspaltet und die Atome in Zwischengitterplätzen spezieller Metall-Legierungen unterbringt. Bei diesem Verfahren entsteht Wärme, die abgeführt oder gelagert werden muss. Um den Wasserstoff aus der Legierung wieder herauszulösen, muss Wärme zugeführt werden (Ball, 2006). Zwar kann mit Hilfe chemischer Verfahren nur eine Speicherdichte erzielt werden, die einen geringen Bruchteil der Speicherdichte von Flüssigspeicherung darstellt, doch auch der Energieaufwand ist hierbei deutlich geringer und kann dazu noch größtenteils kompensiert werden, indem die bei der Speicherladung entstehende Wärmeenergie für die Entladung zwischengelagert wird. Zum Laden des Speichers ist ein geringerer Druck, als bei der Flüssig- oder Druckspeicherung notwendig. Nachteilig ist dagegen das hohe Gewicht solcher chemischen Speicher.

Gegenwärtig befinden sich noch weitere Technologien im Forschungsstadium, beispielsweise die viel versprechende Technologie, die Graphit-Nanostrukturen verwendet. Über ihre technischen Parameter und Umsetzbarkeit sind allerdings noch keine konkreteren Aussagen möglich. Die Eignung einer Speichertechnologie für den Gebrauch in Fahrzeugen hängt davon ab, welches Volumen, Gewicht und Kosten sie ermöglicht.

2.4 Tankstelleninfrastruktur

2.4.1 Tankstellentechnologien

Ein weiteres Problemfeld, mit dem der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft konfrontiert ist, ist die Frage nach der Gestaltung der Wasserstofftankstellen. Tankstellen bilden eine wichtige Komponente und einen bedeutenden Kostenfaktor beim Aufbau der Infrastruktur (IEA, 2005). Ihre technischen Parameter umfassen ihre Kapazitäten, den Aggregatzustand des bereitgestellten Wasserstoffs^[4] und die Eigenschaft, entweder von außen mit Wasserstoff beliefert zu werden oder Möglichkeiten zur Vorort-Produktion zu besitzen. Im letzteren Fall gibt es verschiedene Optionen für Primärenergieträger und Tankstellentechnologien, die zur Wasserstoffproduktion in Frage kommen. Die Ermittlung und die Benutzung der kostengünstigsten technischen Lösungen könnten den Investoren den kapitalintensiven Einstieg^[5] in den Wasserstoffmarkt während der riskanten Einführungsphase erleichtern und die allgemeinen Chancen des erfolgreichen Übergangs erhöhen.

Eines der Konzepte zur Vorort-Produktion von Wasserstoff ist die Benutzung der Elektrolyse, die mithilfe der Elektrizität aus dem allgemeinen Stromnetz betrieben wird. Ein weiteres Konzept ist die Vorort-Produktion durch Dampfreformierung von Methan, für die die Tankstelle regelmäßig mit Methan versorgt werden muss. Bei beiden Verfahren wird gasförmiger Wasserstoff produziert, weshalb die Tankstellen Kompressoren und Speicher als notwendige technische Komponenten besitzen müssen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: Schematischer Aufbau einer solarbetriebenen Wasserstofftankstelle. Quelle: eigene Darstellung nach (Honda, 2007)

Teilweise Autarkie kann eine Elektrolyse-Tankstelle durch die Einbindung der Photovoltaik erreichen (siehe Abbildung 2-2). Hierbei wird der benötigte Strom durch Solarzellen produziert. Bei nicht genügender Sonneneinstrahlung kann auf das allgemeine Stromnetz zurückgegriffen werden.

Weitere Möglichkeiten bieten Wasserstofftankstellen, die sowohl Elektrolyse als auch Dampfreformierung von Methan kombinieren (Forsberg et al., 2007). Durch die Zusammenführung der beiden Kreisläufe können, wie in der Abbildung 2-3 dargestellt, interessante Optionen entstehen. Mit Hinblick auf Preisschwankungen von elektrischem Strom und Methan kann nicht nur auf die jeweils günstigere der beiden Arten Wasserstoff gewonnen werden, sondern mit Hilfe einer Brennstoffzelle Methan via Wasserstoff in elektrischen Strom umgewandelt und ins allgemeine Stromnetz eingespeist werden. Eine solche flexible Technologie würde es dem Tankstellenbesitzer ermöglichen, wirtschaftliche Risiken, die beim Betreiben von Wasserstofftankstellen vor allem am Anfang vor dem Hintergrund kleiner Wasserstoffnachfrage bestehen, zu reduzieren. Gleichzeitig ist sie jedoch mit höheren Investitionen verbunden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Schematischer Aufbau einer Methan-Wasserstofftankstelle. Quelle: eigene Darstellung nach (Forsberg et al., 2007)

2.4.2 Tankstellenallokation und Nachfrageanalyse

Ein weiteres sehr wichtiges Problem beim Übergang zur Wasserstoffwirtschaft stellt die anfängliche Allokation von Tankstellen sowie die Anzahl der beim Start in Betrieb genommenen Tankstellen dar. Die beiden Faktoren sind vor allem in der Phase, in der Tankmöglichkeiten noch rar sind, ein entscheidender Faktor für den Erfolg oder den Misserfolg des Übergangsprozesses.

Alle Seiten, die am Übergangsprozess teilnehmen, insbesondere diejenigen, für die der Einstieg in dieses Gebiet mit beachtlichen Investitionen verbunden ist (Hersteller von Wasserstofffahrzeugen, Betreiber von Wasserstofftankstellen und Produktionsanlagen), stehen anfangs vor einem Dilemma, das in vielen Modellen vernachlässigt wird. Bevor ein Autobauer in die Massenproduktion von Wasserstofffahrzeugen investiert (die notwendig ist, um Kostenreduktionen zu erreichen und die Wettbewerbsfähigkeit der Wasserstoffautos zu verbessern), muss er sich der Nachfrage nach diesen Fahrzeugen sicher sein. Eine Nachfrage kann jedoch nur dann entstehen, wenn eine ausreichende Mindestabdeckung durch die Wasserstoffinfrastruktur gegeben ist. Investoren in die Infrastruktur bleiben jedoch zurückhaltend, solange die Anzahl der Wasserstoffautos im Umlauf zu gering ist, um durch die genügende Nachfrage nach Wasserstoff die Rentabilität der Infrastruktur zu gewährleisten. Es wird deutlich, dass die beteiligten Seiten voneinander abhängig sind und eine Anfangshürde überwunden werden muss, die auch als Henne-Ei-Problem bekannt ist (Stephan et al., 2004b).

Mit einem gewissen Startkontingent an Wasserstofftankstellen wird der Anfang gemacht werden müssen. Vor dem Hintergrund der großen Investitionen, die in diesem sensiblen Stadium mit ernsthaften finanziellen Risiken verbunden sind, sollte der Übergang zumindest an der Frage der optimalen Allokation und Abdeckung nicht scheitern. Da für den potenziellen Käufer eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs eine der zentralen Fragen darin besteht, wie gut er bei seinen Fahrten mit Treibstoff versorgt werden wird, muss eine optimale geographische Allokation von Tankstellen ermittelt werden, die die in Frage kommende Umgebung (Stadt, Land usw.) relativ zu anderen Allokationsalternativen am Besten abdeckt und die Nachteile bzw. Risiken für Benutzer von Wasserstoffautos möglichst reduziert.

Für die Anzahl der zu errichtenden Starttankstellen ergeben sich dabei zwei gegenläufige Tendenzen. Auf der einen Seite reduziert eine möglichst große Anzahl der Tankstellen die Skepsis der Verbraucher und bewegt sie zu einer größeren Kaufbereitschaft von Wasserstofffahrzeugen. Auf der anderen Seite steigt mit zunehmender Zahl der Tankstellen das Risiko der mangelnden Auslastung, was wirtschaftlich nicht rentabel ist. Folglich muss eine auf dem konkreten Straßennetz basierende und lokale Nachfragen berücksichtigende Vorgehensweise entwickelt werden, die die anfängliche Anzahl und die Allokation der Tankstellen in Abhängigkeit voneinander optimiert.

Aus der Motivation heraus, ein genaueres Verständnis für das Henne-Ei-Problem zu ermöglichen und mit Kalkulationen jeweiliger Allokationsszenarien die erheblichen bestehenden Investitionsängste zu mindern, spezialisieren sich diverse Modelle auf dieses Problem. Unter ihnen befinden sich vor allem Agenten-basierte Modelle, aber auch System-Dynamics-Modelle. Dazu gehören Modelle von Malte Schwoon, Stephan und Sullivan, das H2CAS-Modell und das HyDIVE-Modell. Mit der optimalen Allokation von Wasserstofftankstellen beschäftigt sich in einem Untermodell auch das sequentielle dynamische Hydrogen Infrastructure Transition Model (HIT). Meistens greifen Modelle, die das Startallokation-Problem behandeln, auf GIS-Systeme^[6] zurück. Ihr wesentliches Kennzeichen ist die Analyse der dynamischen Wechselwirkungen zwischen Tankstellenallokation und der Nachfrageentwicklung.

Parallel existieren statische Methoden, die die optimale Tankstellenallokation lediglich vor dem Hintergrund exogen gegebener Nachfrage untersuchen. Zur Schätzung der regional verteilten Nachfrage werden anhand der GIS-Daten territoriale Cluster in gewünschter Auflösung gebildet, die mit Daten aus Volkszählungen und anderweitigen soziologischen Daten kombiniert werden. Die Wasserstoffnachfrage zu einem bestimmten Zeitpunkt wird dann als Produkt

- der projizierten Bevölkerungsdichte,
- der Fahrzeugrate pro Person,
- des für diesen Zeitpunkt angenommenen Wasserstoff-Penetrationskoeffizienten
- des Treibstoffverbrauchs pro Auto

berechnet (Ni et al., 2005). Aufwändigere und realitätsnähere Modelle berücksichtigen nicht nur das Siedlungsbild, sondern die wahrscheinlichen Reiserouten, wobei unterschiedliche Vorgehensweisen möglich sind, die in mehreren Modellen im Rahmen dieser Diplomarbeit näher vorgestellt werden. Spezifische Schwellenwerte entscheiden darüber, ob die Eröffnung einer Wasserstofftankstelle in einem Cluster gerechtfertigt ist.

2.5 Infrastrukturplanung

Neben technischen Herausforderungen bei der Einführung der Wasserstoffwirtschaft, besteht eine wichtige Aufgabe darin, die Lösungen in den einzelnen Bereichen auf optimale Art und Weise miteinander zu koordinieren und langfristige Pläne für den Aufbau der Infrastruktur zu entwickeln. Mit diesem Problemfeld beschäftigen sich diverse Modelle, die im Rahmen dieser Diplomarbeit vorgestellt werden. Sie liefern die Nachbildung eines zeitlichen Ablaufs des Übergangs zur Wasserstoffwirtschaft und geben Aufschluss über die einzelnen optimalen Entwicklungsschritte in Abhängigkeit von zahlreichen Input-Faktoren. Sie können somit der öffentlichen Verwaltung und privaten Subjekten eine Handlungsempfehlung abgeben, wie sie sich zu jedem einzelnen Zeitpunkt zu verhalten haben, damit insgesamt ein kostenoptimaler Übergangsprozess stattfindet. Zu solchen Modellen gehören unter anderem HIT, ETP, MARKAL, MOREHyS, HyDIVE, HyDS, HyTrans und NEMS. Manche von ihnen legen ihren Schwerpunkt in erster Linie auf den räumlichen Aufbau und behandeln die ganze Versorgungskette, während andere vorwiegend die Einbindung der Wasserstoffwirtschaft in die gesamte Energiewirtschaft optimieren.

2.6 Soziale Akzeptanz von Wasserstoff

2.6.1 Bedeutung der sozialen Akzeptanz

Steigende öffentliche Ausgaben für die Entwicklung der Wasserstofftechnologien erhöhen die Besorgnis darüber, ob die Öffentlichkeit die Veränderungen in ihrem Energiesystem akzeptieren wird. Von der Frage der sozialen Akzeptanz sind alle Teile der Wasserstoffwirtschaft, von der Produktion bis zum Konsum, betroffen. Aus diesem Grund muss die soziale Akzeptanz für diese Technologien detaillierter analysiert werden.

Das Wissen der Öffentlichkeit über die Wasserstofftechnologie befindet sich immer noch auf einem relativ niedrigen Stand (Fuhrmann et al., 2007). Viele Menschen haben immer noch Schwierigkeiten mit der Unterscheidung der Benutzung des Wasserstoff als Treibstoff und der Brennstoffzelle, die eine Vorrichtung darstellt, mit deren Hilfe Wasserstoff in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Um die soziale Akzeptanz von Wasserstoff zu verbessern, ist es wichtig, die derzeitige Wahrnehmung des Wasserstoffs seitens der breiten Öffentlichkeit zu verstehen, so dass die Investoren und der Staat daraus ihre Schlussfolgerungen ziehen können. Das Wissen um den aktuellen Stand der sozialen Akzeptanz ist eine Grundlage, um Verbesserungspotenziale zu identifizieren und die Akzeptanz in Zukunft zu erhöhen.

2.6.2 Studien

Bisher existieren nur wenige Studien, die die Akzeptanz des Wasserstoffs in der öffentlichen Wahrnehmung untersuchen. Die meisten von ihnen wurden in Deutschland und anderen europäischen Ländern sowie in Kanada durchgeführt. Ihre überwiegende Mehrheit fokussiert sich auf den Verkehrssektor, insbesondere auf die öffentlichen Verkehrsmittel wie Busse und Taxis. Akzeptanzstudien, die die ganze Versorgungskette des Wasserstoffs betrachten, existieren bisher nicht.

Eine Studie, die in Kanada durchgeführt und von Hickson, Philipps und Morales (Hickson et al., 2006) beschrieben wurde, bestand aus einer Umfrage von Passagieren, die zuvor mit einem Test-Wasserstoffbus gefahren sind. Die Ergebnisse zeigten eine große Präferenz für Wasserstoffbusse im Vergleich zu konventionellen Bussen sowie eine starke Zustimmung für Wasserstoff als Treibstoff im Allgemeinen. Die positive Einstellung war unter männlichen Befragten und besonders häufigen Buspassagieren am Höchsten.

Eine andere Studie wurde von Maack und Skulason (Maack et al., 2006) in Island durchgeführt, wo es zwei Umfragen zu wasserstoffverwandten Themen gab. Eine telefonische Umfrage wurde mit zufällig ausgewählten Personen vor der Einführung von Wasserstoffbussen in Island durchgeführt, während die zweite Umfrage nach ihrer Einführung stattfand und als Zielpersonen die Benutzer von Wasserstoffbussen hatte. Die erste Umfrage zeigte eine positive Einstellung gegenüber der Benutzung von Wasserstoff sowie Neugier gegenüber dieser Technologie bei 93% der Befragten. Die zweite Umfrage offenbarte eine Bereitschaft, 10-20% mehr für Wasserstoffbusse während der Einführungsphase zu zahlen. Wasserstoff wurde weitgehend als sauberer und sicherer Treibstoff angesehen. Allerdings gaben viele Befragte zu, zu wenig über diese Technologie informiert zu sein.

Zwei verschiedene Studien wurden von Gundi Dinse (Dinse, 2000) vom Institut für Mobilitätsforschung der BMW Group durchgeführt. In der ersten wurden ein Tausend Mitarbeiter von BMW zu ihrer Einstellung gegenüber Wasserstoff befragt. Das Ziel war, aus den Ergebnissen Strategien abzuleiten, um die Akzeptanz für Wasserstoff als Treibstoff zu erhöhen. Die Umfrage zeigte eine breite Zustimmung für Wasserstoff und den Glauben an sein großes Potenzial, die konventionellen Treibstoffe künftig zu ersetzen. Dazu müssten allerdings laut der Umfrage die Preise niedriger werden und eine gut nutzbare Infrastruktur entstehen. Als größten Vorteil von Wasserstoff nannten die Befragten den Umweltschutz. Als Maßnahmen zur Erhöhung der Akzeptanz von Wasserstoff wurden umfangreichere Informationsaktivitäten sowie häufigere Gelegenheiten zu praktischen Erfahrungen mit Wasserstoff identifiziert. Die zweite Umfrage wurde in der Fußgängerzone in Berlin abgehalten, wo zufällige Passanten über ihre Assoziationen in Bezug auf Wasserstoff befragt wurden. Die meisten Antworten waren neutral mit jeweils einem Fünftel positiver und negativer Einstellungen. Ein Viertel wusste nicht, wie Wasserstoff genutzt werden könnte, die überwiegend männliche Hälfte nannte jedoch energieverwandte Felder. Viele hörten bereits von wasserstoffbetriebenen Autos. Zu den Ergebnissen der Studie zählte, dass das Wissen über Wasserstoff in der deutschen Bevölkerung noch relativ gering ist, bei gleichzeitig hohem Interesse.

Das AcceptH2-Projekt war eine der wenigen bisherigen Studien, die sich nicht auf Deutschland konzentrierten. Im Rahmen dieses Projekts wurden öffentliche Einstellungen gegenüber Wasserstoff in London, Luxemburg, München, Perth und Oakland verglichen, um so Unterschiede in der internationalen Wahrnehmung zu studieren (AcceptH2, 2007). Das Ziel des Projekts, das zwischen 2003 und 2005 durchgeführt wurde, war die Bewertung der wirtschaftlichen Präferenzen bezüglich des potenziellen und des tatsächlichen Gebrauch von Wasserstoff in Bussen, indem Umfragen unter den Passagieren vor und nach den Fahrten in solchen Bussen unternommen wurden. Damit sollte auch der Effekt der Demonstrationsprojekte, in denen Wasserstoffbusse eingesetzt wurden, ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigten einen starken Anstieg der Unterstützung für Wasserstoff und Brennstoffzellen unter den Befragten. Die Menschen zeigten keine Vorbehalte gegenüber dem Einsatz der Wasserstofftechnologie, weder im Verkehrsbereich noch im allgemeinen Gebrauch. Viele gaben allerdings an, dass sie mehr Information über Wasserstoff benötigen und ihre Entscheidung, ein Wasserstofffahrzeug zu erwerben, von der Verfügbarkeit der Infrastruktur abhängig machen würden. Viele Passagiere zeigten die Bereitschaft zur Zahlung eines Aufpreises bei der Benutzung von Wasserstoffbussen (Schmidt, 2004).

Insgesamt zeigten die Studien eine große Akzeptanz bei gleichzeitig niedrigem Wissensniveau über Wasserstoff in der Bevölkerung. Männer und Personen mit höherer Bildung schienen eine größere Akzeptanz gegenüber Wasserstoff zu besitzen. Es zeigte sich praktisch kein Widerstand gegenüber der Einführung von Wasserstoff als Treibstoff.

2.6.3 Generelle Analyse

Neben Studien und Umfragen, die es bisher in begrenzter Anzahl gibt, können allgemeine Veröffentlichungen über Einflussfaktoren auf die Konsumentenentscheidungen betrachtet werden. Die meisten Autoren stimmen darin überein, dass die Kundenzufriedenheit ein Schlüsselfaktor für eine positive Einstellung gegenüber einer neuen Technologie ist. Sie kann nur erreicht werden, wenn die Leistungen der neueren Technologie die Leistungen der älteren übersteigen. Allerdings wird auch immer wieder darauf verwiesen, dass Kundenzufriedenheit eine sehr subjektive Größe ist und von einer Vielzahl individueller Faktoren wie Persönlichkeit, Bildung und Interessen bestimmt wird, so dass allgemeingültige Verkaufsargumente nur schwer zu finden sind.

Eine Studie der OECD (OECD, 2002) identifiziert mehrere Barrieren für eine neue Technologie, um einen Markt zu durchdringen. Diese bestehen aus

- dem niedrigen Wissensniveau bei den Kunden
- der widersprüchlichen Information
- dem Mangel an Besorgnis um künftige Generationen
- der Angst und dem Widerstand gegenüber Veränderungen
- dem Fehlen der professionellen Beratung

Jede von diesen Barrieren muss mit gezielten Maßnahmen entgegengewirkt werden, um die soziale Akzeptanz für eine neue Technologie (in diesem Fall für Wasserstoff) zu erhöhen.

Laut Vigon (Vigon, 2000) gibt es sechs größere Faktoren, die die Entscheidung der Konsumenten beeinflussen, auf ein mit alternativen Treibstoffen betriebenes Fahrzeug umzusteigen. Dazu gehören

- Leistung des Fahrzeugs
- Treibstoffverbrauch
- Lärm und allgemeiner Fahrkomfort
- Preis
- Haltbarkeit
- Sicherheit

Eine neue Technologie muss in einigen dieser Punkte spürbar überlegen sein, ohne in den anderen Punkten schlechter zu sein. Andere Experten weisen auf die Notwendigkeit einer intensiveren medialen Berichterstattung über wasserstoffverwandte Themen hin, da größeres Wissen mit der Akzeptanz für Wasserstoff positiv korreliere. Unternehmen, die neue sensible Technologien entwickeln müssen die Entwicklung der öffentlichen Wahrnehmung antizipieren und bereits in der Frühphase der Produktentwicklung versuchen, die Akzeptanz in der Bevölkerung zu stimulieren (Fuhrmann et al., 2007).

2.6.4 Wahrnehmung des Sicherheitsaspekts

Explizite Studien der öffentlichen Wahrnehmung des Sicherheitsaspekts von Wasserstoff wurden bisher nicht durchgeführt. Daher sind Rückschlüsse auf diesem Bereich bisher nur über die allgemeine Einstellung der Öffentlichkeit gegenüber der Wasserstofftechnologie möglich. Solange das Wissen über den Gebrauch von Wasserstoff gering bleibt, ist es schwierig, adäquate und nützliche Daten über die Wahrnehmung des Sicherheitsaspekts von Wasserstoff zu gewinnen. Mit der Verbreitung der Wasserstoffanwendungen werden das öffentliche Interesse und die öffentliche Aufmerksamkeit für diese Frage allerdings zunehmen. Die wichtigste Quelle für die Meinungsbildung werden Kommentare der Experten sein, wie dies bereits bei anderen aufkommenden Technologien zu beobachten ist.

Bisher geben die meisten Experten zu bedenken, dass es nur wenig Erfahrung mit dem Gebrauch von Wasserstoff in großen kommerziellen Umfängen sowie in künftigen Anwendungen gibt (Flynn et al., 2006). Viele Experten sehen Sicherheitsrisiken und betrachten unbeabsichtigte Leckstellen in Verbindung mit Entzündungsquellen als ernsthafte Gefahren. Technische Berichte besagen, dass das größte Risikopotenzial im öffentlichen Gebrauch im langsamen Entweichen von Wasserstoff in abgeschlossenen Räumen ist (z.B. in Garagen), wo die Ansammlung von Wasserstoff zu Explosionen und Bränden führen kann, falls keine Meldesysteme oder Lüftungsanlagen vorhanden sind (Flynn et al. 2006). Eine andere potenzielle Gefahr liegt in der Eigenschaft des Wasserstoffs, Metalle und andere Materialien zu verspröden. Vergossener flüssiger Wasserstoff ist in der Lage, schwere Erfrierungen zu verursachen, während gasförmiger Wasserstoff bei der Freisetzung in größeren Mengen sauerstoffverdrängend und erstickend wirken kann. Eine weitere Gefahrenquelle, die noch wenig erforscht ist, sind die Nebenwirkungen exotischer Metalle, die in Brennstoffzellen als Katalysatoren eingesetzt werden und in Brandfällen freigesetzt werden könnten.

Das Wissen um diese Gefahren wird sich in der Öffentlichkeit umso mehr ausbreiten, je mehr wasserstoffbasierte Anwendungen Einzug ins Alltagsleben halten. Sicherheitsbedenken haben das Potenzial, die Diffusion der Wasserstoffanwendungen, einschließlich im Verkehrsbereich, erheblich zu verlangsamen. Es bleibt abzuwarten, wie sich diese Bedenken auf die Reputation von Wasserstoff auswirken werden und ob technische Verbesserungen imstande sein werden, sie frühzeitig zu neutralisieren.

3 Modelltechniken

In diesem Kapitel werden theoretische Grundlagen der Modellbildung behandelt und einige Grundtypen von Modellen vorgestellt, die oftmals zur Abbildung der Problemstellungen im Wasserstoffbereich hinzugezogen werden und im Rahmen dieser Diplomarbeit auftreten.

Grundsätzlich wird unter einem Modell eine vereinfachte Nachbildung der Wirklichkeit verstanden, deren Funktion es ist, Verständnis für bestimmte Vorgänge zu ermöglichen. Laut Meyers Lexikon handelt es sich dabei um ein „ materielles Objekt oder theoretisches Konstrukt, das einem Untersuchungsgegenstand in bestimmten Eigenschaften oder Relationen entspricht (Struktur-, Funktions- oder Verhaltensanalogie) und für sonst nicht mögliche oder zu aufwändige experimentelle Untersuchungen, mathematische Berechnungen, Erklärungs- oder Demonstrationszwecke oder zur Optimierung des Originals verwendet wird“ (Meyers, 2007).

In der Regel beschränkt sich ein Modell auf Aspekte und Sachverhalte, die für diese Zwecke besonders relevant sind, während andere Aspekte aus Gründen der Komplexität bewusst ausgelassen werden. Zu den im Folgenden vorgestellten Modelltypen gehören Modelle der linearen Programmierung (LP), Modelle der dynamischen Programmierung (DP), Agenten-basierte Modelle (ABM), System-Dynamics-Modelle (SD), "Well-to-Wheels"-Modelle (WTW) und GIS-Modelle. Nicht selten bedient sich ein konkretes Modell gleich mehrerer dieser Techniken und kombiniert, wie im Kapitel 4 mehrfach zu sehen sein wird, z.B. einen ABM-Ansatz mit der Benutzung der GIS-Technologie.

Die Modelle linearer (reell oder ganzzahlig) sowie dynamischer Optimierung werden oftmals in der Überkategorie der Energiesystemmodelle verwendet. Dies sind partielle Gleichgewichtsmodelle, die den gesamten Energiesektor von der Primärenergiegewinnung bis zum Energieverbrauch technologisch abbilden (Forum, 1999). Dabei werden die real bestehenden Infrastruktureinheiten zu Modelltechnologien aggregiert und zusammengefasst. In Energiesystemmodellen werden Vorgänge im Energiesektor anhand von Energie- und Güterflüssen dargestellt, die jeweils ihre eigenen technischen Charakteristika besitzen. Die aggregierten Technologien konkurrieren miteinander in den Energiesystemmodellen anhand ihrer ermittelten Grenzkosten und Angebotsfunktionen. Die Nachfrage nach Energie wird dabei wie auch makroökonomische Einflussgrößen in der Regel exogen vorgegeben und die Wirkung der Energiewirtschaft auf sie wird so gut wie nicht abgebildet (Forum, 1999). Die Energiesystemmodelle werden je nach zur Optimierung oder Simulation der bestehenden Energiesysteme eingesetzt.

3.1 Lineare Optimierung

Lineare Optimierung (auch lineare Programmierung genannt) stellt einen Teil der Optimierungsrechnung dar und dient bei komplizierten Problemen als Hilfsmittel zur Findung der optimalen Entscheidung. Lineare Optimierung wird eingesetzt, um Extrempunkte (Minima und Maxima) linearer Zielfunktionen unter einschränkenden Nebenbedingungen zu lokalisieren (Vanderbei, 2001). Nebenbedingungen treten dabei in Form linearer Gleichungen oder Ungleichungen auf. In Bezug auf wirtschaftliche Fragestellungen beziehen sich die zu maximierenden Funktionen meistens auf den Gewinn und die zu minimierenden auf die Kosten.

Ein Spezialfall der linearen Optimierung ist dabei die ganzzahlige lineare Optimierung, bei der die Variablen nur ganzzahlige und keine reellen Werte annehmen dürfen. Dies ist sinnvoll, wenn Objekte modelliert werden, die nur als diskrete Einheiten auftreten (z.B. Wasserstoffproduktionsanlagen). Ganzzahlige Optimierung ist in vielen Fällen die realistischere Methode, hat aber den Nachteil, umständlichere Lösungswege zu haben (Vanderbei, 2001). Lineare Optimierung mit Variablen, die sowohl ganzzahlige als auch reelle Werte umfasst, heißt gemischt-ganzzahlige lineare Optimierung.

Zur Bestimmung der Extremwerte linearer Funktionen werden Lösungsmethoden aus dem Operations Research angewendet, wie beispielsweise das Simplex-Verfahren oder Branch-and-Bound (ganzzahlige Probleme). Modelle der linearen Optimierung liefern als Output — je nach Optimierungsrichtung — ein Maximum oder ein Minimum, an denen Handlungen abgelesen werden können, die zu ihrer Erreichung notwendig sind. Bei der Bestimmung des Maximums einer Gewinnfunktion wird beispielsweise die dazugehörige Produktionsmenge eines Gutes erkennbar.

3.2 Dynamische Optimierung

Dynamische Optimierung (auch dynamische Programmierung genannt) ist eine algorithmische Methodik, die in Fällen verwendet wird, in denen eine Sequenz aus gleichartigen Entscheidungen oder Teilproblemen existiert und eine sich aus ihnen zusammensetzende Gesamtlösung optimiert werden, d. h. ein Maximum oder ein Minimum gefunden werden muss (Blendinger, 2005). Die Methodik der dynamischen Optimierung basiert häufig auf dem Bellmann’schen Optimalitätsprinzip, das besagt, dass jede optimale Gesamtstrategie die Summe aus jeweils optimalen und voneinander unabhängigen Teilstrategien darstellt. Falls ein bestimmtes Teilergebnis durch eine bessere Alternative ersetzt werden kann, folgt daraus auch eine Verbesserung des Gesamtergebnisses. Auf diese Weise wird versucht, in jeder Teilsequenz eine eigene optimale Lösung zu finden.

Das Lösen der Probleme mit Hilfe der dynamischen Optimierung erfordert im ersten Schritt die Definition des gesamten Lösungsraums und die Bestimmung, wie sich eine optimale Lösung rekursiv aus kleineren optimalen Lösungen zusammensetzt. Anschließend werden über einen Algorithmus von der einfachsten Ebene an optimale Teillösungen ermittelt und aus ihnen die jeweils nächst größeren Teillösungen zusammengesetzt, bis eine optimale Gesamtlösung gefunden ist (Blendinger, 2005). Ein Vorteil dynamischer Optimierung liegt darin, dass die Lösungen der Teilprobleme gespeichert werden können und zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung stehen, anstatt neu berechnet werden zu müssen. Dadurch kann erheblicher Rechenaufwand eingespart werden.

3.3 Agenten-basierte Modelle

Agentenbasierte Modellierung (ABM) ist ein in letzter Zeit immer häufiger verwendeter Ansatz, um das Verhalten komplexer Systeme zu simulieren. Im Gegensatz zu anderen Modellierungsarten besteht es aus einer Vielzahl von Individuen (Agenten), die miteinander und mit ihrer Umgebung unter Befolgung von bestimmten, möglichst soziologisch plausiblen Verhaltensannahmen interagieren.

Die Entwicklung des Systems ergibt sich aus dem Verhalten heterogener Individuen, die ihre jeweilige Lage auswerten und Entscheidungen treffen (Bonabeau, 2002). Sie können mit anderen Agenten kommunizieren und sind durch Tendenzen geleitet, die durch qualitative Ziele oder Optimierungswünsche ihrer persönlichen Nutzenfunktionen gekennzeichnet sind. Sie besitzen eigene Ressourcen und können ihre Umwelt je nach Modellaufbau eingeschränkt oder vollständig wahrnehmen. Zu den weiteren modellabhängigen Möglichkeiten der Agenten gehören diverse Fertigkeiten, die sie als Dienstleistung anbieten oder die Fähigkeit, sich zu reproduzieren. In besonders komplexen Modellen besitzen Agenten die Fähigkeit, aus den Ereignissen der Vergangenheit zu lernen.

Die Modelle erlauben es, das heterogene Verhalten von Individuen sowie ihre Interaktionen und Auswirkung aufeinander detailliert abbilden zu können. Dabei hat ihr Verhalten auf der Mikro-Ebene Strukturen auf der Makro-Ebene als Konsequenz, die auch Emergenz genannt werden. Agenten-basierte Modelle tragen dem Umstand Rechnung, dass es bei komplexen Fragestellungen erforderlich ist, die Mikro-Ebene direkt zu analysieren, da das System oftmals mehr ist, als nur die Summe seiner Einzelteile (Bonabeau, 2002). Ein Emergenz-Phänomen kann unterschiedliche Eigenschaften besitzen, als seine Bestandteile (beispielsweise ein Stau, der in die entgegen gesetzte Richtung zur Fahrtrichtung der ihn verursachenden Autos wächst), so dass nur Modelle, die die Interaktionen auf der Mikroebene untersuchen, hinreichendes Verständnis und akzeptable Prognosen für das Systemverhalten liefern können.

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^[1] Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan

^[2] Kohlenstoffoxide können zur Vermeidung von Umweltschäden abgefangen werden, was jedoch mit höheren Investitionen verbunden ist

^[3] Zwischen den beiden Prozessen muss das Wasserstoff mithilfe spezieller Anlagen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt und komprimiert werden

^[4] Da die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge und Busse gasförmigen Wasserstoff benutzen, geht heute auch an den Tankstellen der Trend zur Bereitstellung von Wasserstoff im gasförmigen Zustand (IEA, 2005).

^[5] Entweder durch die Umrüstung einer herkömmlichen oder die Errichtung einer neuen Tankstelle

^[6] GIS steht für Geoinformationssysteme mit deren Hilfe raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und grafisch präsentiert werden.“ [Bill, 1999]. Eine ausführlichere Beschreibung der GIS-Systeme befindet sich im Kapitel 2.6.