Modeling a potential hydrogen refueling station network for fuel cell heavy-duty vehicles in Germany in 2050

Schwerlastverkehr ist für rund acht Prozent der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Zu deren Reduzierung ist der Einsatz von Brennstoffzellen-Schwerlastfahrzeugen, welche Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen verwenden, eine mögliche Lösung. Eine massive Verbreitung von Brennstoffzellen-Schwerlastfahrzeugen würde jedoch ein neues Wasserstoff-Tankstationsnetz erfordern und den Stromsektor beeinflussen. Diese Dissertation zielt auf die Bewertung eines potenziellen Wasserstoff-Tankstationsnetzes für Brennstoffzellen-Schwerlastfahrzeuge in Deutschland im Jahr 2050 ab.
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Für die Entwicklung alternativer Tankstationsnetze für Schwerlastfahrzeuge wird ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher erforderliche Eingangsdaten generiert und ein neues Optimierungsmodell entwickelt. Die für diese Dissertation gesammelten Fahrzeug- und Infrastrukturnutzeranforderungen ermöglichen es, relevante Rahmenparameter wie Fahrzeugeffizienz, Reichweite und Tankstationsauslegung zu bestimmen. Weiterhin wird eine Analyse von mehreren tausend Schwerlastkilometern erstellt, um aktuelle Verkehrsnachfragen und -ströme zu verstehen. Anschließend ermöglicht ein Flow-Refueling-Location-Modell, erweitert um eine Standortkapazitätsbegrenzung, die Ableitung eines potentiellen Wasserstoff-Tankstationsnetzes mit den wenigsten Stationen zur Versorgung des Verkehrs. Eine Verknüpfung mit einem Open-Source-Strommodell erlaubt es, den Flexibilitätswert einer dezentralen Wasserstofferzeugung über flexibel einsetzbare Elektrolyseure für das Tankstationsnetz zu bewerten.
Dass Wasserstofftankstationen für Schwerlastfahrzeuge hinsichtlich ihrer Größe sehr unterschiedlich im Vergleich zu Pkw-Stationen sind, zeigen die Ergebnisse. Die Netzwerkmodellierung resultiert in einem Wasserstofftankstationsnetz von rund 140 Stationen, welches den gesamten Schwerlastverkehr bei einer täglichen Bedarfsobergrenze von 30 Tonnen Wasserstoff pro Standort abdeckt. Dieses potenzielle Stationsnetz würde im Jahr 2050 jährliche Kosten von rund neun Milliarden Euro pro Jahr verursachen, einschließlich Betriebs- und Kapitalkosten für Stationen, Elektrolyseure und Strom. Die Kopplung dieses Tankstationsnetzes mit dem Stromnetz könnte durch eine erhöhte Flexibilität der Wasserstofferzeugung für das Stationsnetz rund eine Milliarde Euro an den genannten Ausgaben reduzieren, ebenso wie der Bau und Betrieb eines Pipelinenetzes mit zentraler Wasserstofferzeugung anstelle dezentraler Erzeugung. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis einer großen Schwerlastfahrzeug-Wasserstofftankinfrastruktur und deren Flexibilitätswert bei der Wasserstofferzeugung durch Kopplung mit dem Stromsektor bei.

Heavy-duty traffic is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions. A potential solution to reduce these greenhouse gas emissions is to use fuel cell heavy-duty vehicles powered by hydrogen produced from renewable energy sources. However, widespread adoption of fuel cell heavy-duty vehicles would require a new hydrogen refueling station network and would have major impacts on the electricity sector. This thesis aims at evaluating a potential hydrogen refueling station network for the large-scale adoption of fuel cell heavy-duty vehicles in Germany in 2050.
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A new model-based approach to developing alternative fuel station networks for heavy-duty vehicles is introduced, which generates the required input data and develops a new optimization model. Vehicle and infrastructure user requirements collected for this thesis allow the determination of relevant framework parameters, e.g. vehicle efficiency, range, and refueling station technical layout. Further, an analysis is conducted of several thousand heavy-duty vehicle traffic kilometers on highways to understand current traffic demand and flows. Subsequently, a Flow-Refueling Location Model, which is extended by a node-capacity restriction, enables the derivation of an optimal hydrogen refueling station network with the fewest stations needed to meet the traffic demand. A link to an open-source electricity model makes it possible to assess what value a flexible hydrogen production for the HDV station network has for the electricity system as a whole.
The results show that hydrogen refueling stations for heavy-duty vehicles are very different in size compared with passenger car stations. The network modeling indicates that a hydrogen refueling station network of about 140 stations with a daily demand capactiy of 30 tons of hydrogen per location could cover all the heavy-duty traffic. This potential station network would cause annual costs of about nine billion euros per year in 2050, including operating and capital expenditures for the stations, electrolyzers and electricity. Coupling this station network with the electricity system could reduce the annual costs by about one billion euros due to the increased flexibility of hydrogen production for the station network, as could the construction and operation of a pipeline network with centralized hydrogen production instead of decentralized production. In sum, this thesis contributes to a better understanding of a large-scale hydrogen refueling infrastructure for heavy-duty vehicles and the potential to reduce its costs by coupling flexible hydrogen production with the electricity system.