Transformationspfade zur Treibhausgasneutralität der Gasnetze und Gasspeicher nach COP 21 - Hypos
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Transformationspfade zur Treibhausgasneutralität der Gasnetze und Gasspeicher nach COP 21 Modellierung kostenoptimaler Transformationspfade zur Treibhausgasneutralität der Gasnetze und Gasspeicher innerhalb der Technologiepfade EE-PtG-H2 und EE-PtG-CH4 Marek Poltrum1), Gert Müller-Syring1), Elias Dannenberg1), Anja Wehling1), Josephine Glandien1), Marco Henel1), Fabian Möhrke2), Felix Ortloff3) DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH1), Bergische Universität Wuppertal2), DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut3) 6. HYPOS-Dialog Konferenzzentrum Salles de Pologne, Leipzig, 08.04.2019
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER AGENDA Hintergrund und Projektziel Entwicklung der Nutzung von EE-PtG-Gasen (alle Sektoren) Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher − Berechnungsmodell, Terminologie, Szenariendefinition − Ergebnisse Fazit & Auszug Handlungsempfehlungen 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 2
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER HINTERGRUND UND PROJEKTZIEL Ziel Systembild Ermittlung kostenoptimaler Transformationspfade inklusive Mehrkosten für eine Transformation der Gasnetze und Gasspeicher hin zur Treibhausgasneutralität innerhalb der Technologiepfade Beimischung von erneuerbarem Power-to-Gas-Wasserstoff (EE-PtG-H2) und erneuerbarem Methan (EE-PtG-CH4) (c) DBI-Gruppe, 2018 Hintergrund Fokus (s. Systembild) Treibhausgasneutralität als Weg zu den COP21 Aussage nur für Gasnetze und Gasspeicher Klimazielen (Erderwärmung auf unter 2°C begrenzen) kann durch erneuerbare Power-to-Gas- Gasverwendung in allen Sektoren und Wasserstoff- Gase (EE-PtG-Gase) unterstützt werden Erzeugung außerhalb der Systemgrenze 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 3
ENTWICKLUNG DER NUTZUNG VON EE-PTG-GASEN IN DEN SEKTOREN
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER ENTWICKLUNG DER NUTZUNG VON EE-PTG-GASEN - METHODIK Methodik Literaturanalyse zum Vergleich einschlägiger Studien Kriterien Wahl nur der aktuellsten Studien (Stand Januar 2017, jüngere Studien1 im Nachgang analysiert, kein Mehrwert identifiziert) Gegeben sein sollte Entwicklung bis 2050 und THG-Minderung bis -95% Wahl der Studien, welche eine Entwicklung von Erdgas bzw. PtG-Gasen betrachten; nicht nur eine „all-electric-world“ antizipieren Möglichst für alle Parameter Wahl der gleichen Studie, da Vergleichbarkeit gegeben und die Nutzung eines Mittelwertes aus verschiedenen Studien methodisch unsauber ist (es liegen unterschiedliche Annahmen zugrunde) 1z.B. Enervis: Klimaschutz durch Sektorkopplung: Optionen, Szenarien, Kosten (2017) oder dena: Netzflexstudie - Optimierter Einsatz von Speichern für Netz- und Marktanwendungen in der Stromversorgung (2017) 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 5
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER ENTWICKLUNG DER NUTZUNG VON EE-PTG-GASEN - ERGEBNISSE Entwicklungsszenarien für die Gasnachfrage in Dtl. Fossiles Erdgas − Verstärkte Nachfrage aus dem Stromsektor bis nach J. Nitsch (2016): Energiewende nach COP21, Szenario "KLIMA 2050" 1000 60%-THG-Reduktion (plus 235%) 800 832 12% geringere Gasnutzung − Stoffliche Nutzung ist bei -95%-THG für den Gasnachfrage Heizwert [TWh/a] 729 Hauptteil der Nachfrage nach fossilem Erdgas 42% geringere 779 Gasnutzung verantwortlich 600 482 EE-PtG-Gase 400 − entfallen bei 95%-THG-Reduktion etwa zu 444* ▪ jeweils 25% auf die klassischen Sektoren *61% Erdgasanteil Wärme und Strom und zu 200 ▪ 50% auf Verkehr (c) DBI-Gruppe, 2018 75* *16% Erdgasanteil − Hochlauf der Nachfrage beginnt im Verkehr, 0 Wärme und Strom folgen zeitlich mit leichter -27% -60% -80% -95% zeitlicher Verzögerung − EE-PtG-Gase (Strom) enthalten Nachfrage zur THG-Emissionsminderung ggü. 1990 [%] Erdgas (Wärme) Erdgas (Strom) Erdgas (Verkehr) Erdgas (Stoffliche Nutzung) Biogas (v.a. Wärme, Strom) EE-PtG-Gase (Wärme) Deckung in „Kalten Dunkelflauten“ (vgl. AP1) EE-PtG-Gase (Strom) EE-PtG-Gase (Verkehr) Biogas − Nachfrage in etwa konstant über gesamten Anmerkung: Gasnachfrage nach EE-PtG-Gasen nicht aufgeteilt nach EE-PtG-H2 bzw. EE-PtG-CH4 in zugrunde Betrachtungszeitraum liegendem Szenario; Aufteilung wird im Rahmen dieser Studie vorgenommen 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 6
BERECHNUNGSMODELL, TERMINOLOGIE, SZENARIENDEFINITION
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER BERECHNUNGSMODELL - ÜBERBLICK Ziel Berechnungsmodell Identifizierung des kostenoptimalen Transformationspfades für Gasnetze und Gasspeicher (FNB/UGS, VNB) zur Integration von nachgefragten EE-PtG-Gasen innerhalb der Technologiepfade Beimischung von EE-PtG-H2 und Beimischung von EE-PtG-CH4 unter Berücksichtigung der Klimaziele bis 2050 Rahmensetzung Berechnungsmodell zur Gasinfrastruktur-Integration von EE-PtG-Gasen Entwicklung Ressourcen Entwicklung Rand- Technologiepfade Szenarien Gasnachfrage Gasinfrastruktur Technologie bedingungen Nach J. Nitsch Mengen-Gerüst Methanisierung Beimischung Aufteilung Trend-Szenario (2016): Altersstruktur CO2-Quellen EE-PtG-H2 PtG-Einspeisung Basis-Szenario Energiewende Nutzungsdauer Einspeise- Beimischung FNB / VNB Sensitivitäten nach COP21, anlagen EE-PtG-CH4 Startjahr H2-Toleranz Szenario „KLIMA Jährlich Gasinfrastruktur 2050“ Anpassungs- Deutschlandweit Sektoren- kosten aufgelöst 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 8
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER BERECHNUNGSMODELL – TERMINOLOGIE WIRTSCHAFTLICH 1 GasNEV-regulärer Austausch von Assets am Ende ihrer Außerordentliche Kosten der Wasserstoff- regulatorischen Abschreibungsdauer und Ersatz durch die Ersatzinvestitionen: jeweils modernste, verfügbare Alternative hinsichtlich der Einspeisung Wasserstoff-Toleranz (Weiterbetrieb technisch teilweise Wasserstoffbedingte vorzeitige Anpassung Gasnetze möglich) und Gasspeicher Außerordentliche Investition mit dem alleinigen Ziel die Außerordentliche sowie EE-Wasserstoff-Einspeisung (CAPEX + OPEX) Wasserstofftoleranz der Gasnetze und Gasspeicher vorzeitig Kosten zu erhöhen bzw. Wasserstoff-Einspeiseanlagen zu errichten H2-Einspeisung: + Außerordentliche Methanisierungskosten Netz und zu betreiben zur Gasnetzeinspeisung von EE-PtG-H2 CAPEX und OPEX (fix, CO2-Gestehung, Außerordentliche Kosten in Errichtung und Betrieb von Methanisierung Netz: Methanisierungsanlagen sowie Methan-Einspeiseanlagen Umwandlungsverluste) zwecks Gasnetzeinspeisung von EE-PtG-CH4 sowie EE-Methan-Einspeisung (CAPEX + OPEX) Außerordentliche Kosten in Errichtung und Betrieb von Methanisierungsanlagen vor Poren-Untergrundgasspeichern + Außerordentliche Methanisierungskosten für den Methanisierung zwecks Methanisierung des Wasserstoff-Anteils über Betrieb von Poren-UGS Poren-UGS: 5 Vol.-% in dem in Poren-UGS einzuspeichernden Gasstrom aufgrund der ungeklärten Wasserstoff-Toleranz der CAPEX und OPEX (fix, CO2-Gestehung, Untertageanlage. (vgl. Folie 32) 3 Umwandlungsverluste) 2 Der kostenoptimale Transformationspfad meint den Kostenoptimaler Ergebnispfad der Berechnung mit den geringsten Mehrkosten für die Treibhausgasneutralität der Transformationspfad: = Mehrkosten. Gasnetze und Gasspeicher 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 9
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER BASIS-SZENARIO – DEFINITION Systembild Beschreibung 95% THG-Reduktion bis 2050 Einspeisung EE-PtG-Gase zu 70% in FNB und zu 30% VNB1 10% EE-PtG-Gase (Verkehr) im Gasnetz1 Nur Poren-UGS südlich Main-Linie in Betrieb (H2-Anteil am einzuspeichernden Gas wird methanisiert)1 Keine Begrenzung der H2-Konzentration im Gasnetz vorgegeben 1 Erläuterungen siehe Back-Up (Folie 31 ff.) bzw. Bericht 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 10
ERGEBNISSE
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER ZUSAMMENFASSUNG – BALKEN – ÜBERBLICK Transformationspfade Gasnetze und Gasspeicher - Mehrkosten in Mrd. € Kernaussagen Trend-Szenario 0 (Klimaziele werden nicht erreicht) Über Ersatzinvestitionen (Trend-Szenario) allein Basis-Szenario lässt sich bis 2050 keine Treibhausgasneutralität der Basis-Szenario 45 Gasnetze und Gasspeicher erreichen PtG-Einspeisung FNB50/VNB50 38 Im Basis-Szenario sind Mehrkosten in Höhe von 100% EE-PtG-Gase (Verkehr) im Gasnetz 77 45 Mrd.€ erforderlich (ggü. 192 Mrd.€ Ersatzinvest.) Je höher der Anteil an EE-PtG-Gasen, der auf gedeckelt 2 Vol.-% H2 110 FNB/UGS-Ebene eingespeist wird, desto höher die Sensitivitäten gedeckelt 5 (FNB) bzw. 10 (VNB) Vol.-% H2 96 erforderlichen Mehrkosten Die Systemintegration der PtG-Gase aus dem Optimistische Lernkurve PtG-CH4 44 Verkehrssektor führt absolut zu höheren Startjahr 2025 57 Mehrkosten, PtG-gasmengenspezifische Mehrkosten sind kleiner beschleunigt -95% THG 2040 72 Eine Begrenzung der Wasserstoff-Einspeisung verzögert - 80% THG 2050 16 (c) DBI-Gruppe, 2018 führt zu deutlichen Steigerungen der erforderlichen Mehrkosten in der Gasinfrastruktur gegenüber dem 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 in Mrd. € bis 2050 Basis-Szenario Wird die Transformation erst 2025 begonnen, Hinweis: Szenariendefinition s. Folie (Trend-Szenario), Folie (Basis-Szenario) sowie Folie steigen die erforderlichen Mehrkosten bis 2050 etwa (Sensitivitäten) um weitere 12 Mrd. € (ca. 25%) 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 12
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER ZUSAMMENFASSUNG – BALKEN – ÜBERBLICK Transformationspfade Gasnetze und Gasspeicher - Mehrkosten in Mrd. € Kernaussagen Trend-Szenario 0 (Klimaziele werden nicht erreicht) Im Basis-Szenario findet die für Gasnetze und Basis-Szenario Basis-Szenario 34 4 7 Gasspeicher kostenoptimale Integration der EE-PtG-Gase vorwiegend als Wasserstoff statt PtG-Einspeisung FNB50/VNB50 26 4 8 (ohne Berücksichtigung der 100% EE-PtG-Gase (Verkehr) im Gasnetz 56 6 14 Wasserstofferzeugung und Kosten für gedeckelt 2 Vol.-% H2 1 76 32 Anpassungen Gasverwendung) Sensitivitäten gedeckelt 5 (FNB) bzw. 10 (VNB) Vol.-% H2 4 70 22 Der deutlich überwiegende Teil der erforderlichen Mehrkosten ist auf der Ebene Optimistische Lernkurve PtG-CH4 33 3 7 der Transportnetze und Untergrundgasspeicher Startjahr 2025 38 4 13 zu tätigen beschleunigt -95% THG 2040 48 7 15 2 Selbst bei optimistischer verzögert - 80% THG 2050 13 11 Technologieentwicklung der Methanisierung (c) DBI-Gruppe, 2018 bleibt die Anpassung der Gasinfrastruktur für 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 in Mrd. € bis 2050 höhere Wasserstoff-Konzentrationen die kostengünstigere Alternative EE-PtG-H2 FNB EE-PtG-CH4 FNB Poren-UGS EE-PtG-H2 VNB EE-PtG-CH4 VNB Die Deckelung des Wasserstoff-Anteils führt Hinweis: EE-PtG-H2 entspricht Außerordentliche Kosten der Wasserstoff-Einspeisung; EE-PtG-CH4 entspricht zur starken Nutzung des Technologiepfades Methanisierungskosten Netz; Poren-UGS entspricht Methanisierungskosten (Definitionen s. Folie 8) Methanisierung bei erheblichen Mehrkosten 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 13
FAZIT
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER FAZIT THG-Neutralität der Gasnetze und Gasspeicher zur Unterstützung des 2°C-Ziels des Pariser Klimaabkommens (95% gegenüber 1990) machbar, Gesamtstrategie Gasversorgung steht noch aus Innerhalb der Technologiepfade EE-PtG-H2 und EE-PtG-CH4 gelingt eine im Sinne der Klimaziele ausreichende Integration von EE-Gasen, welche durch UGS stark unterstützt (Erhalt der UGS wichtig!) Für Gasnetze und Gasspeicher (ohne Berücksichtigung der Gasverwendung und Erzeugung von EE-PtG-H2) gelingt die Transformation kostenoptimal vorwiegend über die Beimischung von EE-PtG-H2, Gesamtmodellierung ist geplant Die Mehrkosten für die Transformation belaufen sich auf mind. 45 Mrd. EUR (2020-2050) wobei ein um fünf Jahre verspäteter Beginn der Transformation zu einem Anstieg der Mehrkosten um etwa 25% führt Aus: Müller-Syring, G.; Henel, M.; Poltrum, M.; Wehling, A.; Dannenberg, E.; Glandien, J.; Krause, H. (DBI GUT); Zdrallek, M.; Möhrke, F. (Bergische Universität Wuppertal); Ortloff, F. (EBI): Transformationspfade zur Treibhausgasneutralität der Gasnetze und Gasspeicher nach COP21. DVGW, Bonn, November 2018. 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 15
TRANSFORMATIONSPFADE THG-NEUTRALITÄT GASNETZE UND GASSPEICHER AUSZUG HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN - GASWIRTSCHAFT Allen energiewirtschaftlichen Akteuren wird empfohlen, ihren bestmöglichen Beitrag für das 95%-THG-Minderungsziel anzustreben, um ihre gesellschaftliche Daseinsberechtigung bis 2050 und darüber hinaus zu erhalten. Für die Gaswirtschaft bedeutet dies, zeitnah und proaktiv eine umfassende Strategie für den Weg in eine treibhausgasneutrale Gasversorgung 2050 in Form einer Strategieroadmap zur Handlungempfehlungen Treibhausgasneutralität des Gassystems nach COP 21 zu entwickeln. Allen Betreibern von Gasinfrastruktur wird empfohlen, bei Ersatzinvestitionen auf die jeweils modernste Alternative hinsichtlich der H2-Toleranz zu nahezu Erdgas-äquivalenten Preisen zurückzugreifen. Es sollte eine modulare Erweiterbarkeit für hohe H2-Konzentrationen vorgesehen werden. Komponentenhersteller sollten sich darauf einstellen. Fernleitungsnetzbetreibern wird empfohlen, die sich durch EE-PtG-Gase ergebenen Anforderungen bei der Entwicklung der Netzentwicklungspläne Gas stärker zu berücksichtigen. Dies gilt neben Leitungskapazitäten insbesondere für Verdichter-Stationen hinsichtlich hohen und schwankenden H2-Konzentrationen. Hier sollten Antriebsart und modulare Erweiterbarkeit einbezogen werden. Aus: Müller-Syring, G.; Henel, M.; Poltrum, M.; Wehling, A.; Dannenberg, E.; Glandien, J.; Krause, H. (DBI GUT); Zdrallek, M.; Möhrke, F. (Bergische Universität Wuppertal); Ortloff, F. (EBI): Transformationspfade zur Treibhausgasneutralität der Gasnetze und Gasspeicher nach COP21. DVGW, Bonn, November 2018. 6. HYPOS-Dialog - 08.04.2019 Transformationspfade THG-Neutralität Gasnetze und Gasspeicher 16
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