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 - Hypos
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.

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                                               fax:      (+49) 341 2457-136

                                               e-Mail:   gert.mueller-syring@dbi-gruppe.de
                                               web:      www.dbi-gruppe.de
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