Power-to-Gas: Entwicklung, Chance für dezentrale Konzepte, Kosten - Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner - OTH Regensburg
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Power-to-Gas:
Entwicklung, Chance für dezentrale Konzepte, Kosten
+ Impuls PV vs. Solarthermie
Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner
Mareike Jentsch, Tobias Trost, Dr. Carsten Pape, Norman Gerhardt
14.06.2012
Intersolar 2012
Minga
Inhalt
1) PV vs. Solarthermie?
Impuls zur Diskussion
2) Was führt uns zu Power-to-Gas?
Gasspeicher als Schlüsselelement in der Energiewende
3) Wie funktioniert Power-to-Gas?
Technologie, Chancen, Risiken
4) Brauchen wir jetzt eine Speicherförderung?
100 000 Batterienprogramm & Co.
5) Zusammenfassung
Inhalt
1) PV vs. Solarthermie?
Impuls zur Diskussion
2) Was führt uns zu Power-to-Gas?
Gasspeicher als Schlüsselelement in der Energiewende
3) Wie funktioniert Power-to-Gas?
Technologie, Chancen, Risiken
4) Brauchen wir jetzt eine Speicherförderung?
100 000 Batterienprogramm & Co.
5) Zusammenfassung
Vermaisung der Landschaft
Vermaisung der Landschaft
Vermaisung der Landschaft
Vermaisung der Landschaft PV vs. Solarthermie?
Vermaisung der Landschaft PV vs. Solarthermie?
Vermaisung der Landschaft „Ver-photovoltaikung“ der Dächer? Ist das ein weltweiter Trend?
Einordnung PV vs. Solarthermie weltweit Solarwärme 3x so viel wie Solarstrom Quelle: Weiss, Mauthner, Solar Heat Worldwide 2012
Solarthermie: Weltweiter Ausbau Solarstrom: noch weitgehend begrenzt auf Deutschland / EU Quelle: Weiss, Mauthner, Solar Heat Worldwide 2012
Vermaisung der Landschaft „Ver-photovoltaikung“ der Dächer? PV ist billiger, hat höhere Erträge & verbreitet sich daher mehr. Warum?
PV vs. Solarthermie
Blanke Kosten
0,1 € / kWh 0,2 € / kWh
Wirkungsgrad mit PR Systemnutzungsgrad
15% 25%
Problem Speicherung
Speicher = verlagert auf‘s Netz Speicher = selbst lokal gelöst
Speicher Batterie Speicher Warmwasser
ganz andere Jahreserträge (kleiner) kann nicht alles aufnehmen
& Kosten (deutlich höher)! Erträge geringer
Langzeitspeicherung aufwändig & teuerInhalt
1) PV vs. Solarthermie?
Impuls zur Diskussion
2) Was führt uns zu Power-to-Gas?
Gasspeicher als Schlüsselelement in der Energiewende
3) Wie funktioniert Power-to-Gas?
Technologie, Chancen, Risiken
4) Brauchen wir jetzt eine Speicherförderung?
100 000 Batterienprogramm & Co.
5) ZusammenfassungPrinzipielle Entwicklung des Energiebedarfs
Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie all-electric-world
Heute 2050
Bedarf und neue Verbindungen
STROM STROM
Wärme-
WÄRME pumpen, WÄRME
EE-Gas
Elektro-
mobilität,
VERKEHR VERKEHR
EE-GasLangfristszenarien 2010 als Beispiel: Wind als tragende Säule
Leistung vs. Energie
Installierte Leistung [GW]
Bruttostromerzeugung [TWh/a]
Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2010Transformation zu Inverter-dominierten Systemen
EE sollen Systemstabilität übernehmen Inverter im Regelleistungsmarkt
=
~
Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2010Weiterer EE-Ausbau erfordert flexiblen Kraftwerkspark und weitgehende Ausgleichsmaßnahmen (Netzausbau, Lastmanagement, Speicher) Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 – 39% EE-Anteil
Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen Reihenfolge
Erzeugungs- und Lastmanagement
Flexible Kraftwerke (Gas, Biogas) 1
Flexibler Verbrauch
Transport
Netzausbau 2
Europäisches Netz für Strom und Gas
Speicher
Kurzzeit (Tage): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien
Langzeit (Saisonal): 1. (Pump)Speicher in Skandinavien,
3
2. Wind / Solarstrom im Gasnetz
als erneuerbares Gas (Methan, Wasserstoff)Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien 1 Gesicherte Leistung vorwiegend durch Gaskraftwerke / BHWK Biomasse, Wasserkraft und Geothermie bereitstellen Quelle: Gorshkov, Müller-Kirchenbauer, (ITE Clausthal-Zellerfeld) 2012
Netzausbau elementar, aber nicht die “finale” Lösung
- was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden 2
Windenergie
Windenergie in Planung
Photovoltaik- / Bioenergieanlagen
Engpass
Ballungszentrum
Übertragungsnetz
2000 km (ca. 5% dazu), umgesetzt 90 km
Verteilnetz
PV: NetzUMbau; Wind: Netzplanung
Quelle: Ahmels, 2011, eigene ErgänzungenUBA Umweltbundesamt –100% regeneratives Szenario
Technisches Potential
H2-Kavernen 110 TWhth = 66 TWhel
(Power-to-Gas) bei η= 60%
EE-Methan 514 TWhth = 308 TWhel
(Power-to-Gas) bei η = 60%
Pumpspeicher ca. 0,06 TWhelRein regenerative Energieversorgung hat sehr großen Speicherbedarf
trotz idealem Netzausbau, Energiemanagement und Pumpspeichern 3
Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007)
60
Defizite: 62 TWh
40
Überschüsse: - 111 TWh
20
0
Residuallast (GW)
-20
-40 Kapazität und Leistung
Pumpspeicher heute
-60
42 Mio. E-KFZ
Pumpspeicher (Theorie)
-80
Norwegen (Theorie)
Überschüsse: -110.9 TWh
-100 Defizite: 62.1 TWh
Kapazität und Leistung
Minimale Residuallast: -59.8 GW Gasspeicher heute © Fraunhofer IWES 2010
Maximale Residuallast 54.1 GW Defizite (Last > EE-Einspeisung)
Überschüsse (EE-Einspeisung > Last)
-120
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Monat
Gasspeicher haben die 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei GT,GuD = 28-55%)
Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EEInhalt
1) PV vs. Solarthermie?
Impuls zur Diskussion
2) Was führt uns zu Power-to-Gas?
Gasspeicher als Schlüsselelement in der Energiewende
3) Wie funktioniert Power-to-Gas?
Technologie, Chancen, Risiken
4) Brauchen wir jetzt eine Speicherförderung?
100 000 Batterienprogramm & Co.
5) ZusammenfassungEntwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas
12000
Online
Forecast D+1
10000 Forecast 4H
Forecast 2H
8000
Power [MW]
6000
4000
2000
0
14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1
Day
Numerisches Wettermodell Windleistungsprognose für eine Regelzone
Wind Power Cluster Management Kombikraftwerk
Quelle: Lange / Rohrig, 2008Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?
© IWES, 2010
Chem. Energie
(fossil, bio)
Effizienz: ca. 1%
Energiespeicherung
Kernprozess: 1) Spalten von Wasser
2) H2 reagiert mit CO2Erneuerbares Gas – Power-to-Gas
Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz
Technische Nachbildung der Photosynthese
Bild: Wingas
Quelle:Quelle:
Sterner,
Sterner,
2009 2009
SpechtSpecht
et al, 2010
et al, 2010Entwicklungsstand Power-to-Gas Quelle: Linke (E-ON), 2012
Einspeisung von Wasserstoff in das Gasnetz: Grenzen schnell erreicht!
H2-Einspeisegrenzen derzeit:
2% Fahrzeuge
1% Gaskraftwerke
0,5% Messinstrumente
Verbrauch/Einspeisevolumenstrom in 103 m3/h
Speicher unbekannt saisonale Speicherkapazität
- vor Ort oder
- überregional in Untergrundspeicher
wird benötigt
Quelle: Berechnungen DBIEinbindung von Biogasanlagen Biologische Methanisierung
Verdopplung des Ertrages von Biogasanlagen durch Zusatz Windgas
Quelle: Specht et al, 2010
Sterner, 2009Gestehungskosten für EE-Gas in Relation zu Volllaststunden
Jahr 2020 Invest 1200 € / kW = 55% (optimist. Annahmen)
Windgas:
Gestehungskosten SNG
Break Even 220 US-$ / Barrel
Quelle: Jentsch, Sterner, 2010Chancen von Power-to-Gas Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Pipelines, Speicher, Kraftwerke, BHKW, Herde, Heizungen, Fahrzeuge Austauschgas (Methan) statt Zusatzgas (Wasserstoff) Erschließt enorme Speicherkapazitäten Langzeitspeicherung von EE im Erdgasnetz – „ohne“ Begrenzung CH4 (Erdgas) Langzeitspeicherung technisch erprobt und vorhanden CO2-neutraler Energieträger auch für Verkehr und Wärme hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite weniger Konkurrenz zu Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas und Transportstaus Übertragungskapazität von Gas vs. Strom: eine Größenordnung höher Vermeidung von Übertragungsnetzengpässen (Redispatch) und deren Kosten „Gas“ aus der Sahara – Pipeline zw. Algerien und Spanien vorhanden
Risiken von Power-to-Gas
Überzogene Erwartungen Enttäuschung Verzögerung
Technologie generell sehr alt aber gleichzeitig sehr jung in der Energietechnik
Technologieentwicklung & Kostensenkung vorantreiben – Vermeiden v. „Growian“
Push aus dem Stromsektor nicht abzusehen Pull aus Mobilität / Wärme?
Roadmap Power-to-Gas & Einbindung Fahrplan Energiewende angebracht
Atomgas, Kohlegas, Erdgas-to-Gas
Energetischer Kurzschluss im Energiesystem durch Echem Eel Echem
Wirtschaftlichkeit nur gegeben bei hohen Vollaststunden
Verstetigung fossiler / nuklearer Einspeisung möglich (Chance? / Risikio?)
Benchmark von „Graugas“ = fossiles Gas keine Wirtschaftlichkeit zu erwarten
Wärmemarkt: Alternative Heizstab setzt Erdgas ca. doppelt so effizient & für
einen Bruchteil der Kosten frei für Mobilität / Strom
Greenwashing fossiler Energie
CO2 – Quelle für Klimabilanz von Power-to-Gas irrelevant, da klimaneutral
Kann jedoch keine CO2 – Senke für fossile Kraftwerke sein
Emissionshandel: fossile Emissionen bleiben beim fossilen BrennstoffnutzerBiokraftstoffe und Wind- und Solarkraftstoffe
Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente
Größter Vorteil von Windkraftstoff:
kombinierte Energie- und Landwirtschaft
Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011Power-to-Gas – Power-to-Liquid – Gas als Dreh- und Angelpunkt Energiespeicherung durch Kopplung der Energienetze Strom, Gas, Kraftstoff
Inhalt
1) PV vs. Solarthermie?
Impuls zur Diskussion
2) Was führt uns zu Power-to-Gas?
Gasspeicher als Schlüsselelement in der Energiewende
3) Wie funktioniert Power-to-Gas?
Technologie, Chancen, Risiken
4) Brauchen wir jetzt eine Speicherförderung?
100 000 Batterienprogramm & Co.
5) ZusammenfassungDekarbonisierung der Wärmeversorgung – Beispiel FVEE Quelle: FVEE Energiekonzept, 2010
Globale Dekarbonisierung der Wärmeverosrgung Quelle: Sterner, 2009
VDE Studie: Energiespeicher für die Energiewende
Speichereinsatz und Auswirkungen auf das Übertragungsnetz
Speicher werden bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% nur in geringem
Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt.
Bei EE-Anteil von 40% nur wenige Stunden mit Erzeugungsüberschuss
Speicher dienen dann überwiegend der Einsatzoptimierung der Kraftwerke
(klassische Speicherfunktion).
10
8
TWh
6
nicht abgeregelte EE
4 Biomasse KWK
2 KWK
Erdgas, Erdöl
0
Steinkohle
-2
Braunkohle
-4
-6
B C D E
Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten
(Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40%
Quelle: VDE, 2012VDE Studie: Energiespeicher für die Energiewende
Speichereinsatz und Auswirkungen auf das Übertragungsnetz
Kurz- und Langzeitspeicher dienen bei einem EE-Anteil von 80% dem
Klimaschutz.
Bei EE-Anteil von 40% dienen Speicher nicht dem Klimaschutz
(Flexibilität steigert Braunkohle-Grundlast).
Bei EE-Anteil von 80% substituiert eingespeicherte EE-Erzeugung
Stromerzeugung aus fossilem Gas.
40
TWh
30
20
nicht abgeregelte EE
10 Biomasse KWK
0 KWK
Erdgas, Erdöl
-10 Steinkohle
-20
-30
B C D E
Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten
(Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 80%
Quelle: VDE, 2012Bilanzkreis Eigenheim PV + lokaler Speicher
Eigenverbrauch, „Batterieprogramm“
Windflaute
Sonne scheint Es herrscht Windflaute
Allgemeinheit würde Solarstrom
Solaranlagenbesitzer lädt Speicher
dringend benötigen
mit allen Kosten für Speicher
… der geht aber in den Speicher
mit allen Verlusten von Speichern
alte Kohlekraftwerke gehen ans Netz
und das ohne Notwendigkeit
Quelle: Stadler, 2012Bilanzkreis Eigenheim PV + lokaler Speicher
Eigenverbrauch, „Batterieprogramm“
Kräftige Brise
Es ist Nacht geworden Wind weht nicht zu knapp
Alle könnten mit Windstrom aus dem Netz
Solaranlagenbesitzer entlädt Speicher
versorgt werden
mit allen Kosten für Speicher … der Strom kommt bei
mit allen Verlusten von Speichern Solaranlagenbesitzern aber aus dem
Speicher
Windkraftanlagen werden abgeregelt
und das ohne Notwendigkeit
Quelle: Stadler, 2012Inhalt
1) PV vs. Solarthermie?
Impuls zur Diskussion
2) Was führt uns zu Power-to-Gas?
Gasspeicher als Schlüsselelement in der Energiewende
3) Wie funktioniert Power-to-Gas?
Technologie, Chancen, Risiken
4) Brauchen wir jetzt eine Speicherförderung?
100 000 Batterienprogramm & Co.
5) ZusammenfassungSynergien suchen – von der Natur lernen
Lösung des Speicherproblems
Bisher Nutzung von gespeicherter „fossiler“ Solarenergie
Solar Biomasse (+ Zeit + Druck + Temperatur) Fossil
Regenerativer Ersatz:
Biomasse begrenzt – Geothermie & Wasserkraft auch
günstigste/potentialreichste EE: Strom aus Wind und Solar
Ressource in unmittelbarer Form nicht lagerbar Wind- und Solarkraftstoffe
All-Electric-World Interaktion aller Energiesektoren
Stromversorgung Mobilität Gasversorgung Mineralölwirtschaft
P2G als eine Lösung für zwei Kernprobleme der Energiewende
Langzeitspeicher: stabile Stromversorgung auch mit Wind & Solar
CO2-neutrale Mobilität in der Fläche ohne Einschränkung bei
Reichweiten oder Potential
Speicheranreiz derzeit kontraproduktiv Zeitfenster für F&E
PV und Solarthermie statt PV vs. ST – vernünftig integriertInformationen und Quellen (1) Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2 Sterner, M., Jentsch, M. (2011): Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. Gutachten für Greenpeace Energy. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.greenpeace-energy.de/windgas/windgas-idee-mit-zukunft.html Sterner, M.; Specht, M.; Ebert, G. (2010): Technologievergleich einer regenerativen Energieversorgung des Verkehrs. FVEE Jahreskonferenz 2010, Berlin. Jentsch, M.; Sterner, M. (2010): Betriebskonzepte von SolarFuel Anlagen und deren Wirtschaftlichkeit. Fraunhofer IWES, Kassel. Nitsch (DLR), Sterner (IWES), Wenzel (IfnE) et al (2011): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global„Leitstudie 2010“ BMU - FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/47034.php Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) – Basisdaten Bioenergie 2011, Gülzow Linke, G. (2012): Smart Gas Grids – Anforderungen und Möglichkeiten zur EE- Integration“; ETP-Konferenz - Energy Innovation Days, Berlin
Informationen und Quellen (2) WBGU (2011): Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation. Hauptgutachten 2011. Berlin: WBGU – Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. http://www.wbgu.de Krajete, A. (2011): Green Thitan. http://www.greenthitan.com/, Linz. Audi (2011): http://www.audi-balanced-mobility.de. Ingolstadt Specht, M.; Baumgart, F.; Feigl, B.; Frick, V.; Stürmer, B.; Zuberbühler, U.; Sterner, M.; Waldstein, G. (2010): Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz. FVEE Jahrestagung 2009. Forschen für globale Märkte erneuerbarer Energien. FVEE, Berlin. Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. http://www.uba.de Sterner, M. et al(2010): Energiewirtschaftliche Bewertung von Pumpspeicherwerken und anderen Speichern im zukünftigen Stromversorgungssystem. Studie für Schluchseewerke AG. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.schluchseewerk.de/105.0.html
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner
Hochschule Regensburg
Fakultät Elektro- und Informationstechnik
Fraunhofer Institut für Windenergie und
Energiesystemtechnik
Wissenschaftl. Leitung Energiewirtschaft und Systemanalyse
+ 49 – (0) 941 – 943 9888
michael.sterner@hs-regensburg.de
www.power-to-gas.de
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