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 2TRANSFORMATIONSPFADE 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 3ENTWICKLUNG 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 5TRANSFORMATIONSPFADE 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 6BERECHNUNGSMODELL, 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 8TRANSFORMATIONSPFADE 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 9TRANSFORMATIONSPFADE 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 10ERGEBNISSE
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 12TRANSFORMATIONSPFADE 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 13FAZIT
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 15TRANSFORMATIONSPFADE 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 16THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!
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fax: (+49) 341 2457-136
e-Mail: gert.mueller-syring@dbi-gruppe.de
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