In the energy sector, few topics, if any, are more hyped than hydrogen. Countries develop hydrogen strategies to provide a perspective for hydrogen production and use in order to meet climate-neutrality goals. However, in this topical field the role of water is less accentuated. Hence, in this study, we seek to map the interrelations between the water and wastewater sector on the one hand and the hydrogen sector on the other hand, before reflecting upon our findings in a country case study. We chose the Hashemite Kingdom of Jordan because (i) hydrogen is politically discussed not least due to its high potentials for solar PV, and (ii) Jordan is water stressed - definitely a bad precondition for water-splitting electrolyzers. This research is based on a project called the German-Jordanian Water-Hydrogen-Dialogue (GJWHD), which started with comprehensive desk research mostly to map the intersectoral relations and to scope the situation in Jordan. Then, we carried out two expert workshops in Wuppertal, Germany, and Amman, Jordan, in order to further discuss the nexus by inviting a diverse set of stakeholders. The mapping exercise shows various options for hydrogen production and opportunities for planning hydrogen projects in water-scarce contexts such as Jordan.
This paper examines the current and prospective greenhouse gas (GHG) emissions of e-fuels produced via electrolysis and Fischer-Tropsch synthesis (FTS) for the years 2021, 2030, and 2050 for use in Germany. The GHG emissions are determined by a scenario approach as a combination of a literature-based top-down and bottom-up approach. Considered process steps are the provision of feedstocks, electrolysis (via solid oxide co-electrolysis; SOEC), synthesis (via Fischer-Tropsch synthesis; FTS), e-crude refining, eventual transport to, and use in Germany. The results indicate that the current GHG emissions for e-fuel production in the exemplary export countries Saudi Arabia and Chile are above those of conventional fuels. Scenarios for the production in Germany lead to current GHG emissions of 2.78-3.47 kgCO2-eq/L e-fuel in 2021 as the reference year and 0.064-0.082 kgCO2-eq/L e-fuel in 2050. With a share of 58-96%, according to the respective scenario, the electrolysis is the main determinant of the GHG emissions in the production process. The use of additional renewable energy during the production process in combination with direct air capture (DAC) are the main leverages to reduce GHG emissions.
Der vorliegende Endbericht zu AP 3.2 des Projekts "Effiziente Synthese und Rückverstromung von E-Fuels" (ESyRE) präsentiert die Ergebnisse der techno-ökonomischen Analyse eines mit synthetischem Dieselkraftstoff betriebenen Hilfsstromaggregats (Auxiliary Power Unit, APU) auf Basis einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Die Rückverstromung von synthetischem Dieselkraftstoff in hocheffizienten SOFC-APUs stellt in schwer zu dekarbonisierenden Nischenanwendungen eine interessante und je nach Wirkungsgrad und Marktvolumen auch wirtschaftlich sinnvolle Technologieoption dar. Ein Bedarf an flüssigen Kohlenwasserstoffen wird in speziellen Anwendungsbereichen wie etwa dem Schienenverkehr oder bei Kühlcontainern voraussichtlich auf absehbare Zeit bestehen bleiben. Gleichzeitig ist die Herstellung strombasierter flüssiger Kraftstoffe derzeit mit einem hohen Primärenergieaufwand verbunden (etwa Faktor 5 im Vergleich zur direkten Stromnutzung), sodass ein gezielter und effizienter Einsatz unabdingbar ist.
Obwohl sich die Technologie noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, lassen sich aus den Projektergebnissen klare Grundtendenzen ableiten. So kann perspektivisch durch die Erhöhung der Produktionsmenge von SOFC-APUs eine deutliche Kostenreduktion erreicht werden. Bezogen auf den Anwendungsfall Bahn und im Vergleich zur Beibehaltung des Leerlaufs bei Antriebsmotoren hat die SOFC-APU durchweg positive Effekte. Unter anderem können bei Dieseltriebzügen und Kühlcontainern erhebliche Einsparungen an Kraftstoff und Treibhausgasemissionen erzielt werden.
Der vorliegende Endbericht zu AP 3.3 des Projekts "Effiziente Synthese und Rückverstromung von E-Fuels" (ESyRE) präsentiert die Ergebnisse der Umweltwirkungsanalyse für die Herstellung von synthetischem Diesel und dessen Einsatz in einer Auxiliary Power Unit (APU) auf Basis einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Flüssige Kohlenwasserstoffe sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und guten Transport- und Lagerfähigkeit als Kraftstoffe in energieintensiven Anwendungen wie dem Schwerlast- und Flugverkehr bisher unverzichtbar. Synthetische Kraftstoffe bieten, obwohl verlustbehaftet, die Möglichkeit, einen Teil der regenerativen Stromerzeugung zeitversetzt zu nutzen. Sie werden im untersuchten Fall über die Fischer-Tropsch-Synthese aus Synthesegas (CO und H2) hergestellt, das zuvor in der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse aus Kohlendioxid und Wasserdampf erzeugt wurde. Diese Kombination ist innovativ und bietet ein großes Effizienzpotenzial. Zudem sind in Nischenanwendungen auch hocheffiziente SOFC-APUs eine vielversprechende Lösung für die Rückverstromung von synthetischem Dieselkraftstoff.
Die Herstellung klimaneutraler synthetischer Kraftstoffe erfordert jedoch große Mengen zusätzlichen regenerativen Stroms, was einen massiven Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung notwendig macht. In Deutschland reichen die Erzeugungspotenziale hierfür auf absehbare Zeit nicht aus, insbesondere angesichts der Akzeptanzprobleme neuer Stromerzeugungsanlagen in der Bevölkerung. Zudem müssen Elektrolyse- und Synthesekapazitäten sowie eine CO2-Transportinfrastruktur geschaffen werden. Vor diesem Hintergrund werden in diesem Bericht die Umweltwirkungen der Herstellung von E-Fuels im In- und Ausland sowie der Transport nach und die Nutzung in Deutschland betrachtet. Das Einsparpotenzial synthetischer Kraftstoffe hinsichtlich der Treibhausgasemissionen kann mindestens 60 % gegenüber erdölbasierten Kraftstoffen betragen. Bereits heute existieren demnach mögliche Bereitstellungspfade für Fischer-Tropsch-Kraftstoffe, die geringere Treibhausgasemissionen aufweisen als fossile Otto- und Dieselkraftstoffe. Die verbleibenden Emissionen stammen hauptsächlich aus den Vorketten der Stromerzeugungsanlagen für die Elektrolyse und die CO2-Abtrennung, während Bau und Betrieb der Syntheseanlage selbst nur einen geringen Anteil an der Klimawirkung haben.
