Power-to-Gas Neue Energiespeichertechnologie der Zukunft

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1 6. Isnyer Energiegipfel Power-to-Gas Neue Energiespeichertechnologie der Zukunft Benjamin Schott Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg -1-

2 Was erwartet Sie?? Warum benötigen wir Speicher? Wann und in welchem Umfang benötigen wir Speicher? Welche Speichertechnologien sind verfügbar? Wie kann die Rolle von Power-to-Gas im zukünftigen Energiesystem ausssehen? -2-

3 Warum? Herausforderungen der Transformation des Energiesystems Zukünftig stark steigender Anteil an fluktuierender Stromerzeugung, insbesondere aus Windkraft und Photovoltaik in Deutschland/Europa -3-

4 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -4-

5 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -5-

6 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -6-

7 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -7-

8 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -8-

9 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -9-

10 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -10-

11 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -11-

12 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -12-

13 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -13-

14 Warum? Technische Herausforderungen durch fluktuierende erneuerbare Energien Beispiel Szenario für das Jahr 2020 mit 38% Erneuerbare Energien in Baden-Württemberg -14- Benötigt werden Maßnahmen zum zeitlichen Ausgleich kurzfristig (Stunden-Tage) bis saisonal (Wochen Monate)

15 Warum? Regionale Konzentration von EE-Erzeugungsanlagen Photovoltaikstrom vor allem im Niederspannungsnetz und vorwiegend im Süden Windstrom bisher vor allem im Mittel- und Hochspannungsnetz und vorwiegend (bisher) im Norden Benötigt werden Maßnahmen zum räumlichen Ausgleich - Infrastruktur -15-

16 Welche? Aufgaben von Speichertechnologien in einer zunehmend regenerativen Stromerzeugung Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung Netzstabilisierung und Verbesserung der Stromqualität Ausgleich von Lastspitzen (load-levelling, peakshaving) / Bereitstellung von Regelleistung Blindleistungsbereitstellung Phasensymmetrisierung Flickerkompensation Spannungshaltung Bereitstellung von Primärregelleistung (Minuten) Im Tagesverlauf Ausgleich von Prognoseabweichungen (Stundenbereich) Mehrstündigen Erzeugungs- bzw. Flautenspitzen Ausgleich mehrtägiger Großwetterlagen (Tage) Ausgleich jahreszeitlicher Schwankungen (Monate) Einsatz von Leistungsspeichern Einsatz von Energiespeichern -16-

17 Welche? Speichertechnologien für erneuerbare Energien Entladungsdauer [h] ,1 0,01 0,001 1 Jahr 1 Monat 1 Tag 1 Stunde Leistungsspeicher Batterien (CAES) Druckluft CAES Pumpspeicher Jährlicher Strombedarf eines durchschnittlichen 4 Personenhaushalts ~ 3,5 MWh Wasserstoff 1 kwh 10 kwh 100 kwh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh -17- Erdgassubstitut (SNG) Jährlicher Strombedarf von Baden- Württemberg ~ 85 TWh 1 TWh 10 TWh 100 TWh Speicherkapazität unterschiedlicher Speichertypen

18 Welche? STROM Ausgleich fluktuierender Erzeugung STROM ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität ABREGELN? DSM? X Flexibilitätsoptionen EXPORT? SPEICHERN? -18-

19 Ausgleich fluktuierender Erzeugung Welche? STROM STROM ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität Abhängig vom Netzausbau ABREGELN? DSM? X Flexibilitätsoptionen EXPORT? Wichtig, aber Potenzial? Kurzfristig und kein Ausgleich SPEICHERN? -19-

20 Welche? STROM Ausgleich fluktuierender Erzeugung STROM ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität SPEICHERN -20-

21 Wann? Speicherbedarf? -21-

22 Speichertechnologien für erneuerbare Energien Entladungsdauer [h] ,1 0,01 0,001 1 Jahr 1 Monat 1 Tag 1 Stunde Leistungsspeicher Batterien (CAES) Druckluft CAES Pumpspeicher Jährlicher Strombedarf eines durchschnittlichen 4 Personenhaushalts ~ 3,5 MWh Wasserstoff 1 kwh 10 kwh 100 kwh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh -22- Erdgassubstitut (SNG) Jährlicher Strombedarf von Baden- Württemberg ~ 85 TWh 1 TWh 10 TWh 100 TWh Speicherkapazität unterschiedlicher Speichertypen

23 Ausgleich fluktuierender Erzeugung STROM STROM ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität Verbrauch STAND HEUTE durchschnittliche Leistung Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0, SPEICHERKAPAZITÄTEN Bedarfsprognose Bis 2050: bis zu 85 TWh [TWh/a] [GW] Strom Erdgas ) SPEICHER:? -23- Flüssigkraftstoffe 1) ) Benzin, Diesel, Kerosin 2) jahreszeitlich stark schwankend 3) Pumpspeicherkraftwerke 4) 47 Untertage Gasspeicher / für weitere 79 TWh Rahmenbetriebsplan eingereicht / weitere Speicher in Planung [LBEG, Hannover] 5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung

24 Ausgleich fluktuierender Erzeugung STROM STROM ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität Verbrauch STAND HEUTE durchschnittliche Leistung Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0, SPEICHERKAPAZITÄTEN Bedarfsprognose Bis 2050: bis zu 85 TWh [TWh/a] [GW] Strom Erdgas ) SPEICHER:? -24- Flüssigkraftstoffe 1) ) Benzin, Diesel, Kerosin 2) jahreszeitlich stark schwankend 3) Pumpspeicherkraftwerke 4) 47 Untertage Gasspeicher / für weitere 79 TWh Rahmenbetriebsplan eingereicht / weitere Speicher in Planung [LBEG, Hannover] 5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung

25 Power-to-Gas : Verknüpfung bestehender Infrastruktur STROM STROM ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität SPEICHERKAPAZITÄTEN Heute Gasnetz: 217 TWh SPEICHERKAPAZITÄTEN Bedarfsprognose Bis 2050: bis zu 85 TWh SPEICHER: GAS -25-

26 Power-to-Gas Verknüpfung von Energiesektoren STROM STROM η 36% KRAFTWERK ÜBERSCHUSS Wärme Mobilität η 50% Elektrolyse H 2 Methanisierung CH 4 Erdgasnetz Untergrund speicher CO 2 Quelle CO 2 SPEICHER: GAS Brennstoffzellen Fzg. MOBILITÄT Erdgas Fzg. -26-

27 Power-to-Gas Verknüpfung von Energiesektoren Modell

28 Power-to-Gas Verknüpfung von Energiesektoren Realität Technische Realisierung einer 25 kw el -P2G -Anlage für die Firma SolarFuel (2009: Alpha-Anlage; 2011: Beta-Anlage und Feldtests)

29 Power-to-Gas Verknüpfung von Energiesektoren Realität Aktuelles Forschungsprojekt: Aufbau einer 250 kw el -P2G -Anlage in Stuttgart Elektrolyse Stack

30 Power-to-Gas Verknüpfung von Energiesektoren Realität Aktuelles Forschungsprojekt: Aufbau einer 250 kw el -P2G -Anlage in Stuttgart

31 Power-to-Gas Verknüpfung von Energiesektoren Realität Aktuelles Forschungsprojekt: Aufbau einer 250 kw el -P2G -Anlage in Stuttgart

32 P2G -Roadmap >2015: Kommerzialisierung 2012: P2G -250 kw 2013: P2G kw (Audi/SolarFuel) 2009: P2G -25 kw 2007: Konzept

33 Potenziale aller Flexibilitätsoptionen ausschöpfen: Aufbau intelligenter Netze Verbrauchsteuerung z.b. über variable Tarife und Smart Metering Kombikraftwerke Verknüpfung verschiedener Erzeuger um konstante Einspeisung zu ermöglichen Virtuelle Kraftwerke: Verknüpfung verschiedener Verbraucher (z.b. Kühlhäuser, Elektrolysen), Speicher um diese lastvariabel zu regeln. -33-

34 Akzeptanz: Notwendig, aber bitte nicht bei uns Beispiele: Pumpspeicher Schluchseewerke (Atdorf) Ausbau der Stromnetze (v.a. in Nord-Süd- Deutschland -34-

35 Fazit Durch den Ausbau fluktuierender Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik steigt der Bedarf an Flexibilitätsoptionen zukünftig voraussichtlich um ein Vielfaches an Es existieren vielfältige Speichertechnologien - von etabliert bis neuester Stand der Technik -, sie decken prinzipiell alle benötigten Anwendungsbereiche ab Langfristige Speicherung/Saisonal nur über chemische Energieträger Wasserstoff oder SNG Potenziale neben dem Bau von Speichern und Netzausbau müssen genutzt werden Der günstigste Speicher ist der, der nicht gebaut werden muss Bürgerakzeptanz ist für die gesamte Transformation des Energiesystems die wichtigste Voraussetzung -35-

36 // Energie mit Zukunft // Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Stuttgart: Widderstall: Photovoltaik, Solar-Testfeld Energiepolitik und Energieträger, Zentrale Dienste Ulm: Elektrochemische Energietechnologien Ulm: Labor für Batterietechnologie (elab) -36-

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