Power-2-Gas: Zukünftige Nutzung von Gaskavernen und Umwandlung gasförmiger Medien in elektrische Energie. Fritz Crotogino + Sabine Donadei, KBB UT

Transkript

1 Power-2-Gas: Zukünftige Nutzung von Gaskavernen und Umwandlung gasförmiger Medien in elektrische Energie Fritz Crotogino + Sabine Donadei, KBB UT

2 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

3 Ziele der deutschen Bundesregierung Reduzierungen bis 2050

4 Prognose zu installierten Leistungen erneuerbarer Energiequellen in Deutschl. durchschnittliche Netzlast

5 Prognose-Abweichung Wind MW MW excess power MW missing power

6 Windenergie längere Flauten 6

7 Fokus neu: Ausgleich langfristiger, saison. Abweichungen 15% Produktion % der % jährl. of annual Produktion prod. 10% 5% Wind PV Winter actual trend Sommer max = 12% min = 5% 0% time Zeit / months Monate 7 Quelle: LBST

8 Kapazität der Untergrund-Gasspeicher in Deutschland 200 TWh Erdgas 40 GWh elektrische Energie Kapazität der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland 8 Untertage Gasspeicherung in Deutschland, ERDÖL ERDGAS KOHLE 127, Jg. 2011, Heft 11

9 Zukünftiger Speicherbedarf? Prognosen sehr widersprüchlich Größenordnung langfristig TWh (28 TWh = 200 H2-Kavernen) Stromversorgung in Übergangszeit - Mangel an EE-Energie: Kompensation durch Gaskraftwerke - Überschuss an EE-Energie: Speicherung im Untergrund und stoffliche Nutzung des gespeicherten H2 Interessenten an EE-Speichern - Küstenländer mit großem Windüberschuss - Auto- und Kraftstoff-Industrie (BZ-Fahrzeuge) - DVGW - Speicherindustrie 9

10 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

11 Pumpspeicher Glockner Kaprun ( <80%)

12 Druckluft-Speicher-GT-Kraftwerk 12

13 Adiabatic CAES ADELE ( < 70%)

14 Wasserstoff-Speicher-System ( > 40%) Windstrom > Wasserstoff > Speicher > Strom Verbraucher Strom Wasserstoff Elektrolyseur GuD-KW Speicher Brennst. Zelle 14

15 Vergleich der volumetrischen Energiedichten Methan kwh/m³ Volumetrische Energiedichte in kwh/m³ Heizwert 280 kwh/m³ Energiedichte nach Umwandlung in Leistung 170 kwh/m³ 2,4 kwh/m³ H 2 (100%) H 2 (60%) AA CAES Annahmen: H2 / CH4 p = 120 bar adiab. CAES p = 20 bar Pumpspeicher h = 300 m 0,7 kwh/m³ Pumpspeicher 15

16 Pumpspeicher - Kaverne Vergleich von Leistung und Kapazität Pumpspeicher Goldisthal V = 12 Mio. m³ P = MW W = MWh 2-Kavernen-Anlage V = 1 Mio. m³ (ges.) P = MW W = MWh Kapazität Goldisthal

17 Heute bereits betriebene H2-Speicher Sabic Petrochemicals H2 Kavernen in Teesside, UK 3 Kavernen à 70,000 m p = 45 bar konstant Teufe ca. 370 m

18 Texas / USA H2-Kavernen für petro-chemische Industrie Moss Bluff Praxair Spindletop Air Liquide Clemens Dome ConocoPhillips

19 H2 in Porenspeicher (ausgeförderte Lagerstätte & Aquifer) Gesteinsmatrix Porenspeicher Gas Wasser

20 H2 in Salzkavernen BLANKET SUMPF

21 Bevorzugte Teufe von Speicherkavernen CAES H2

22 Speicherkapazitäten der versch. Optionen

23 Aufteilung der Investkosten für eine Wasserstoff-Speicheranlage inkl. Elektrolyse Annahme: MW Elektrolyse

24 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas (Power-2-Gas) 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung 24

25 Basis-Anwendungen von Power-to-Gas

26 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas Zusamm enfassung

27 Nutzung von Wasserstoff in der (petro) - chemischen Industrie

28 Nutzung von Wasserstoff für Brennstoffzellenautos 28

29 Nutzung von Wasserstoff zur Stromerzeugung

30 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

31 Übertragungsleistung für Stromleitung vs. Erdgas-Pipeline Strom Erdgas

32 Europäisches Gasnetz inkl. Untergrundspeicher 32

33 Kapazität der Untergrund-Gasspeicher in Deutschland 200 TWh Erdgas 50 TWh Wasserstoff 40 GWh Quelle: Untertage-Gasspeicherung in Deutschland ERDÖL ERDGAS KOHLE 127, Jg. 2011, Heft 11

34 DVGW: Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz

35 Zulässige H2-Konzentration (grobe Schätzung) 35

36 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

37 Methanisierung 4 H2 + CO2 > CH4 + 2 H2O Wasserstoff+ Kohlendioxid > Methan Quelle: R.Otten, PtG-Nutzungspfad Mobilität erneuerbare Energien für zukunftsfähige Verkehrssysteme nutzbar machen dena Strategieplattform Power to Gas. Berlin, 13. Juni 2012

38 Audi balanced mobility project / CNG-Erzeugung aus grüner Energie Quelle:: R.Otten, PtG-Nutzungspfad Mobilität erneuerbare Energien für zukunftsfähige Verkehrssysteme nutzbar machen dena Strategieplattform Power to Gas. Berlin, 13. Juni

39 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

40 1 kwh Windenergie ersetzt elektr. Leistung Erdgas für GuD-KW Erdgas Erdgas Erdgas Diesel

41 Vergleich der Power 2 Gas Optionen Direkte Nutzung von grünem Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung pro Verwendung in der chemischen Industrie Verwendung für Brennstoffzellen Autos Verwendung für H2 Gasturbinen Höchste Effizienz bei Umwandlung in elektr. Leistung (begrenzte) Verwendung der Erdgasinfrastruktur unbegrenzte Verwendung der Erdgasinfrastruktur 3 fache Energiedichte bei Speicherung Keine Anpassung der technischen Einrichtung in der Industrie nötig contra separate Pipeline Systeme und Speicher benötigt Einschränkungen durch Nutzungsbeschränkungen Risiken bei der Speicherung Kein Wasserstoff für Brennstoffzellen Autos Energieverluste durch die zusätzliche Umwandlung CO2 Quellen benötigt Niedrigste Effizienz bei Umwandlung zu Leistung Kein Wasserstoff für Brennstoffzellen Autos

42 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

43 Potentielle H2-Nutzer 43

44 alle haben das gleiche Problem: H2-Erzeugung: unstetig Bedarf: stetig Wasserstoffproduktion t/h] Produktion Bedarf Zeit [h] EUROPÄISCHES INSTITUT FÜR ENERGIEFORSCHUNG INSTITUT EUROPEEN DE RECHERCHE SUR L ENERGIE EUROPEAN INSTITUTE 44 FOR ENERGY RESEARCH

45 Füllhöhe des Wasserstoffspeichers während eines Jahres Kavernendruck [bar] Zeit [h] EUROPÄISCHES INSTITUT FÜR ENERGIEFORSCHUNG INSTITUT EUROPEEN DE RECHERCHE SUR L ENERGIE 45 EUROPEAN INSTITUTE FOR ENERGY RESEARCH

46 DVGW-Konzept: Wo bleibt der H2-Speicher? H2

47 Ergebnis der H2-Einspeisung ins Erdgasnetz Quelle:

48 1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung

49 Zusammenfassung zukünftige Energiequellen Wind + PV fluktuierend Speicherbedarf für Ausgleich von Produktion und Bedarf Speicheroptionen: Druckluft und Wasserstoff vornehmlich in Salzkavernen aktuelles Thema Power-2-Gas - Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur alle P2G-Verfahren erfordern zusätzliche H2-Speicher