Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme

Transkript

1 Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Prof. Dr.-Ing. Klaus Görner Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme 15. Jahrestreffen des Netzwerks Brennstoffzelle und Wasserstoff NRW Hilton Hotel, Düsseldorf

2 Energiewende Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Energiewende

3 Energiewende Motivation für die Einrichtung des Instituts Ziel: Klimafreundliche, wirtschaftliche und bezahlbare Energieversorgung Strom EE? Gas Wärme In Deutschland folgt aus der Energiewende u.a. der Ausbau fluktuierender erneuerbarer Energien. Flexibilitätsoptionen können dazu beitragen, das Problem der volatilen Einspeisung von Strom aus Erneuerbaren (Wind und Sonne) und der fehlenden Speicher-kapazitäten für Strom zu lösen.

4 Leistung [GW] Energieversorgung der Zukunft Herausforderung: Residuallastabdeckung Über- schuss- Strom Verschiebung durch Speicherung Flexible Erzeugung Residuallast Anzahl an Stunden [-]

5 Energieversorgung der Zukunft Herausforderung: Nutzung von Flexibilitätsoptionen Zeitliche Verschiebung DSM Strom Erneuerbare Energien P2C P2F Chemische Speicherung P2G P2H Thermische Speicherung

6 Energieversorgung der Zukunft Potenziale verschiedener Speichertechnologien 10,000 1, Methan Power-to-Gas 10 1 Batterien Schwungrad Druckluftspeicher Pumpspeicher Wasserstoff Vorhandene Pumpspeicherkapazität Notwendige Speicherkapazität zur Gesamtnetzstabilisierung kwh MWh GWh TWh Speicherkapazität

7 Energiewende - Herausforderungen und Lösungen Strukturen in NRW Energiewende Systemische Ebene Veränderung des Erzeugungsportfolios Veränderungen der Energiemärkte Veränderungen des Verbraucherverhaltens FuE- Ebene Virtuelles Institut KWK.NRW Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Virtuelles Institut Transformationsprozesse Umsetzungs- Ebene Rhein Ruhr Power RRP Kraftwerk der Zukunft Horizon2020 MefCO2 Methanol-Synthese SINTEG-Schaufenster DESIGNETZ Baukasten E-Wende...

8 Strukturen in NRW Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Virtuelles Institut

9 Strukturen in NRW Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Energiewende Systemische Ebene Veränderung des Erzeugungsportfolios Veränderungen der Energiemärkte Veränderungen des Verbraucherverhaltens FuE- Ebene Virtuelles Institut KWK.NRW Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Virtuelles Institut Transformationsprozesse Umsetzungs- Ebene Rhein Ruhr Power RRP Kraftwerk der Zukunft Horizon2020 MefCO2 Methanol-Synthese SINTEG-Schaufenster DESIGNETZ Baukasten E-Wende...

10 Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Partner des Instituts Gefördert durch das: Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen Virtuelles Institut: Strom zu Gas und Wärme

11 Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Gliederung der Arbeiten Pfade der Energiewende Gliederung des Projekts Einleitung und Überblick Ökonomische Systemanalyse Systempfade als Bindeglied zum Vorprojekt Technologische Systembegleitforschung Zusammenfassung der Ergebnisse Öffentlichkeitsarbeit

12 Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Arbeitsschwerpunkte der Partner Intelligente Flexibilisierung der Energieversorgungssysteme in NRW Virtuelles Institut Strom zu Gas und Wärme Ökonomische und ökologische Systemanalyse ewi Technologische & gesamtsystemische Analyse GWI ewi IEK- STE WI IEK-3 RUB TC, UMSICHT, ZBT IEK-3, RUB TC GWI, ZBT H 2 Elektrolyse CH 4 Methanisierung PtF, PtC, GtP Anwendung BZ, KWK, PtH Pfadgedanke: Systemintegration im Fokus

13 Ökonomische und ökologische Systemanalyse Ökonomische und ökologische Systemanalyse

14 Raum Zeit Nachfrage Angebot Ökonomische und ökologische Systemanalyse Analyse von Systemstudien inklusive Flexibilitätsoptionen Übersicht Studie: Auflösung, Modellart, Brennstoffpreise, Flexibilität (Lastgradient, Mindestlast, ) Erzeugung Lastverschiebung (Dauer, endogen / exogen) Verbrauch Umwandlung / Speicher Einsatzzeitraum, Flexibilität Auflösung (Knoten, Engpässe, ), Ausbau Transport / Netze 5

15 Ökonomische und ökologische Systemanalyse Systemanalytische Betrachtung

16 Erzeugung Umwandlung Ökonomische und ökologische Systemanalyse Matrix der Betrachtung bzw. Auswertung Speicher-Einsatzzeitraum Kurzzeitspeicher Tagesspeicher Langzeitspeicher Elektrizitätsspeicher PSKW ISE, ZFES, SRU VDE80/100, BDEW, SRU, DIW, BMU VDE80/100, SRU Druckluftspreicher SRU, BDEW, BMU SRU Batterien ISE, ZFES, DIW, PIK VDE80/100, BDEW, PIK, BMU Wärmespeicher betrieben mit Heizstab ISE BDEW, PIK, BMU PIK (Wärmeverbund) Wärmepumpe ISE PIK, BMU PIK KWK BDEW, PIK, BMU PIK Wärmespeicher betrieben mit Heizstab ISE PIK, BMU PIK (Haushalte) Wärmepumpe ISE PIK, BMU PIK KWK ISE PIK PIK Speicher-Einsatzzeitraum Kurzzeitspeicher Tagesspeicher Langzeitspeicher Erdgasspeicher Erdgasspeicher ISE, PIK Netzinfrastruktur als Speicher DIW, PIK, BMU Wasserstoff-Speicher H2-Speicher ISE, ZFES,PIK, BMU Netzinfrastruktur als Speicher ZFES, PIK, BMU Sektoren Elektrizität Flexibilität Wärme Teillast möglich abschaltbar Lastgradient real Power-to-Gas (PtG) Elektrolyse Verkehr ISE, BDEW, PIKFlexibilität VDE80/100, BDEW, DIW, PIK VDE80/100, BDEW Mindestlast möglich abschaltbar Anfahrdauer abgebildet Lastgradient real Lastgradient linearisiert Methanisierung Gas ISE, BDEW, PIK VDE80/100, BDEW, DIW, PIK VDE80/100, BDEW konv. Kraftwerke Kohle ISE, VDE80/100, BDEW, BMU VDE80/100, BDEW, BMU VDE80/100, BDEW, BMU BDEW, BMU VDE80/100, BDEW Power-to-Fuels Industrie/GuH/Dienstleistung (PtF) steuerbar Gas ISE, ZFES, VDE80/100, BDEW, BMU VDE80/100, BDEW, BMU VDE80/100, BDEW, BMU BDEW, BMU VDE80/100, BDEW Nuklear Power-to-Chemicals ISE, VDE80/100, (PtC) BDEW, BMU VDE80/100, BDEW, BMU VDE80/100, BDEW, BMU BDEW, BMU VDE80/100, BDEW erneuerbaren Kraftwerke Biomasse ISE, VDE80/100, BDEW, SRU, BMU BDEW, BMU BDEW, BMU BDEW, BMU steuerbar Sektoren Wasserkraft Elektrizität ISE, VDE80/100, BDEW, SRU, BMU BDEW, DIW, BMU BDEW, BMU BMU Geothermie Wärme ISE, VDE80/100, BDEW, SRU, BMU BDEW, BMU BDEW, BMU BMU fluktuierend Wind Verkehr Onshore ISE, VDE80/100, BDEW, SRU, BMU BDEW, DIW, BMU BDEW, BMU BDEW, DIW, BMU Wind Gas Offshore ISE, VDE80/100, BDEW, SRU, BMU BDEW, DIW, BMU BDEW, BMU BDEW, DIW, BMU Solar ISE, VDE80/100, BDEW, SRU, BMU BDEW, DIW, BMU BDEW, BMU BDEW, DIW, BMU Industrie/GuH/Dienstleistung wärmegeführt stromgeführt Kopplung mit Wärmespeicher Stufenweise Dampfentnahme Kraft-Wärme-Kopplung Kohle KWK PIK ISE, VDE80/100, BDEW, BMU ISE, BDEW, BMU Gas KWK PIK ISE, VDE80/100, BDEW, BMU ISE,BDEW, BMU Biomasse KWK DIW, PIK VDE80/100, BDEW, SRU, DIW, BMU BMU

17 Ökonomische und ökologische Systemanalyse Ergebnisse Die Thematik PtX und weitere Flexibilitätsoptionen betreffen alle Wirtschaftssektoren (Strom, Wärme, Transport, Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistung) Keine geschlossene Analyse von Strom-, Gas-, Wärme- und Transportsystemen, da sehr anspruchsvoll und i.a. zu komplex Es besteht weiterer Klärungsbedarf, welche Flexibilitätsoptionen unter Berücksichtigung von Nutzungskonkurrenzen und unter sonstigen Randbedingungen in Zukunft (sektorenübergreifend) sinnvoll sein werden Nationale oder regionale Ausrichtung von Flexibilitätsoptionen ohne Berücksichtigung grenzüberschreitenden Stromaustausches haben limitierte Aussagekraft Für NRW Betrachtung und Analyse von PtX als sektorenübergreifende Brückentechnologie im Vergleich zu anderen Technologieoptionen für NRW existiert nicht Standortfragen für PtX in NRW noch unklar 5

18 Technologische und gesamtsystemische Analyse Technologische und gesamtsystemische Analyse

19 Technologische und gesamtsystemische Analyse Technologie-Steckbriefe

20 Technologische und gesamtsystemische Analyse Technologie-Steckbriefe Beschreibung von Kraftwerkstechnologien, Netzen (Gas, Strom, Wärme) und Prozessen (KWK Kopplung mit BZ, DSM, ). Insgesamt 34 Steckbriefe verfasst. Steckbriefsammlung dient als Nachschlagewerk im Rahmen des VI, dient als Referenzwertbibliothek und ist öffentlich zugänglich.

21 Technologische und gesamtsystemische Analyse P2G, P2F, P2C P2G, P2F, P2C

22 Technologische und gesamtsystemische Analyse P2G, P2F, P2C Zeitliche Verschiebung DSM Strom Erneuerbare Energien P2C P2F Chemische Speicherung P2G P2H Thermische Speicherung

23 P2X-Technologien Elektrolyseprozess ist Basis für P2G, P2F, P2C Sauerstoff O 2 Transport Strom 100 % Elektrolyse = 70 % (p=30 bar) Wasserstoff H 2 Methanisierung = 80 % (p=30 bar) Methan CH 4 58 % Speicherung Nutzung Abwärme (Energie) Kohlendioxid CO 2

24 P2G-Technologie (H 2 und/oder CH 4 ) Konvergenz von Strom- und Gasnetz Transportkapazität des Elektrischen Netzes in Deutschland: 600 TWh Transportkapazität des Gasnetzes in Deutschland: TWh Power-to-Gas Source: VDE, BDEW, TenneT, Amprion, 50Hz, EnBW, EnLAG Gas-to-Power

25 P2G-Technologie (H 2 und/oder CH 4 ) Prozesskettenvergleich nach Gesamtwirkungsgrad Gesamtwirkungsgrad der Kette: direkter Stromtransport 71,5 % Gesamtwirkungsgrad der Kette: power-gas-power (H 2 ) 37,2 % Gesamtwirkungsgrad der Kette: power-gas-power (CH 4 ) 29,6 % Gesamtwirkungsgrad der Kette: Abregelung von Wind- u. Solaranl. 0,0 %

26 Technologische und gesamtsystemische Analyse DSM Demand Side Management Demand Side Management

27 Arbeitsgebiete des virtuellen Instituts Flexibilitätsoptionen Zeitliche Verschiebung DSM Strom Erneuerbare Energien P2C P2F Chemische Speicherung P2G P2H Thermische Speicherung

28 Darstellung des Energiesystems Strom zu Gas und Wärme als Flexibilitätsoptionen Aus dem Pfaddiagramm wurden insgesamt 7 Pfade ausgewählt: 1. Lastmanagement im Industriebereich 2. Stromnutzung für die Wärmebereitstellung 3. Regenerativer Wasserstoff für den Straßenverkehr 4. H 2 -basierte Syntheseprodukte für Verkehr und Industrie 5. H2-Einspeisung ins Erdgasnetz und dezentrale Rückverstromung 6. Großtechnische H 2 - Speicherung mit zentraler Rückverstromung 7. Regenerativer Wasserstoff für die dezentrale Nutzung

29 Negativ (-) Positiv (+) Lastmanagement im Industriebereich Exemplarische Darstellung Demand Side Management (DSM) richtet sich auf die Verbraucherseite und nutzt das Auftreten von Preisspitzen zur Abschaltung von Lasten Umgekehrt kann in Off-Peak Zeiten Last zugeschaltet werden Durch optimierte Fahrweisen können Effizienzpotentiale in der Industrie gehoben werden. Intern Stärken Effiziente Flexibilitätsoption, da Energieumwandlung keine Voraussetzung Geringe variable Kosten bei reiner Lastverschiebung (abhängig von Opportunitäten des Verbrauchs) Technische Steuerung bei großen Anlagen bereits vorhanden Bereitstellung positiver und negativer Flexibilität möglich Entlastung der Stromnetze Schwächen Vielzahl an technologischen Lösungen und Akteuren macht Koordination aufwändig Strompreisunterschiede notwendig für Rentabilität Zeitliche begrenzte kurzfristige Lastverschiebung, tendenziell kein saisonaler Einsatz Extern Chancen Flexibilisierung der Nachfrage fördert wettbewerbliches System und kann potentielle Marktmacht reduzieren Verbesserte Nutzung von dargebotsabhängiger Energie möglich Risiken Kostenreflektierende Netzentgeltstrukturen fehlen Lastmanagement steht in Konkurrenz zu Stromspeichern im Energiesystem Bereitschaft der Endanwender am Lastmanagement teilzunehmen

30 Ökonomische und ökologische Systemanalyse Studienauswertung Weiteres Vorgehen Handlungsempfehlungen Zusammenfassung

31 Weiteres Vorgehen / weitere Projekte EU Horizon 2020 Projekte mit EU-Förderung Projekt MefCO2 Projekte mit Bundes- und/oder Industrieförderung Diverse Projekte im Vorfeld und beantragt Virtuelles Institut Projekte mit NRW-Förderung

32 Weiteres Vorgehen / weitere Projekte Horizon / SPIRE-Projekt: MefCO2 - Methanolsynthese Rauchgas CO 2 - CO 2 Abtrennung KW Lünen steinkohlebefeuert Methanolsynthese CH 3 OH Wasser Elektrolyse H 2 O 2

33 Weiteres Vorgehen / weitere Projekte Horizon / SPIRE-Projekt: MefCO2 - Methanolsynthese Anlagenintegration und Betrieb

34 Weiteres Vorgehen / weitere Projekte Horizon / SPIRE-Projekt: MefCO2 - Methanolsynthese Halbtechnische Versuchsanlage im Kraftwerk Lünen der STEAG Produkt: hochreines CO 2 Menge: 120 kg/h Gefördert durch: Technologie: Chemische Wäsche mit Aminen, Aninosäuresalzen oder Alkalien

35 Sauerstoff Weiteres Vorgehen / weitere Projekte Horizon / SPIRE-Projekt: MefCO2 - Methanolsynthese Post Combustion Capture Luft Kraftwerk (Power Island) Clean gas CO 2 O 2 Elektrolyse ~ = H 2 Rauch- gas Methanolproduktion HP PH G LP PH CH 3 OH Strom und Wärme Methanol H 2 O Quelle: Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe

36 Weiteres Vorgehen / weitere Projekte Horizon / SPIRE-Projekt: MefCO2 - Methanolsynthese Strompreis [ /MWh] Preis grünes Methanol 90 65% MeOH-Preis 400 /t = 72 /MWh th Zulässige Grenzkosten für Power-to-MeOH Preis graues Methanol 65% NG-Preis 30 /MWh th Zulässige Grenzkosten für Power-to-Gas Erdgas ist zu billig MeOH-Produktion ist wirtschaftlich h Preis Ergas Ohne Subventionen wirtschaftlich nicht darstellbar. Weniger als 1000 Volllastbetriebsstunden für eine SNG-Produktion Mehr als 6500 Volllastbetriebsstunden für eine MeOH-Produktion Quelle: Buddenberg, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe Strompreis EEX 2013 Ausreichend, um schon heute wirtschaftlich zu produzieren.

37 Handlungsempfehlungen Auszug (komprimierte Darstellung) Modellierung und Überprüfung der Relevanz von PtX Technologien im europäischen Systemzusammenhang sowie Analyse der Bedeutung für den Standort NRW Analyse von Nachfragekonkurrenzen, um potentiellen Überschussstrom aus Kosteneffizienzgesichtspunkten Einordnung und Bewertung der Systempfade unter Berücksichtigung der im virtuellen Institut festzulegenden Überschussstrommengen aus EE. Spezifische Handlungsempfehlungen zu den einzelnen Technologien und Technologiepfaden Experimentelle Grundlagenforschung mit Bezug zur Anwendung und besonderem Augenmerk auf Systempfade bzw. technische Integration ins Energiesystem

38 Kurzanalyse Unterschiedliche Flexibilitätsoptionen sind denkbar Netzausbau Kraftwerkspark E-Management Speicher Vorteile Strom kann langfristig in chemischer Form gespeichert werden (P2G, P2F, P2C) Dabei sind die Speicherzeiten relativ hoch Speicherverluste sind relativ niedrig Überschussstrom aus Wind und Sonne kann damit genutzt werden Nachteile Wirkungsgrade der Gesamtketten sind relativ niedrig Kosten (OPEX) sind derzeit zu hoch Erfahrungen im instationären Betrieb sind relativ gering Chancen Kosten (CAPEX und OPEX) scheinen reduzierbar zu sein Trotz anfänglicher wirtschaftlicher Hemmnisse, können (neue) Technologien sinnvoll kombiniert werden und neben Klimaschutz auch Versorgungsaufgaben erfüllen.

39 Zusammenfassung Das virtuelle Institut Strom zu Gas und Wärme untersucht notwendige Flexibilitätsoptionen im System Strom-Gas-Wärme und trägt damit dazu bei, diese Optionen zu erschließen. Ausgangspunkt Vorhandene Kompetenzen verschiedener Partner in NRW Zusammenarbeit im Vorprojekt Zusammenstellung von Technologien und Technologieketten Erste Ansätze für eine Forschungsagenda Virtuelles Institut Verstetigung der Zusammenarbeit Erschließung und Einbindung weiterer Partner Forschungsagenda dynamisch anpassen und abarbeiten Beantragung und Durchführung von Projekten (NRW, Bund, EU) Übergeordnetes Ziel Kompetenzen in NRW bündeln und stärken

40 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dank an das Kontakt Klaus Görner