Power-to-Gas Meilenstein in der Energiewende

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1 Power-to-Gas Meilenstein in der Energiewende Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. Solarfreunde Moosburg e.v Moosburg

2 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten, Speicher 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Macht die Natur das nicht günstiger? Energiespeicherung über natürliche Photosynthese 4) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 5) Kostendebatte & Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 2

3 Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte Vereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen Energieeffizienz Wind Solar Verbrauch Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch! Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 3

4 Das globale technische Potential erneuerbarer Energien Beispiel Strom Größte Herausforderung von Wind und Solar: Meteorologische Abhängigkeit Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 4

5 Neue Technologieentwicklungen erschließen größeres Potential (z.b. hohe Windkraftanlagen im Wald) Energie kommt je Anlage in 3-9 Monaten zurück Lärmemissionen minimal Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 5

6 Windenergie in Deutschland Bayern trotz Landesgröße nach wie vor bei den Schlusslichtern Quelle: DEWI, 2013 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 6

7 1% bay. Landesfläche kann 50% unseres Stroms decken Technisches Potential " Auf 22% der Fläche (plus Wald und Schutzgebiete) Potential für 316 GW " Auf 2% der Fläche (Vorgabe BWE) Potential für 41 GW (ca Anlagen) heute ausgeschöpft: 0,5 GW (1,2 %) Windstrom-Ertrag ca. 80 TWh Bayern s Strombedarf (2009): 74 TWh " Bay. Windatlas für individuelle Standortbestimmung nicht geeignet (! WindPro)! 1% unserer Landesfläche für Wind nutzen! 50% unseres Strombedarfs decken Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 7

8 Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe! Technologie und Markt danach ausrichten Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: % EE-Anteil Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 8

9 Wind & Solar alleine schaffen eine stabile Wende nicht Wir brauchen Ausgleichsmaßnahmen: 1. Flexible Kraftwerke (v.a. Erdgas, Biogas, KWK) 2. Flexible Verbraucher (Lastmanagement) 3. Stromnetze (Netzaus- und -umbau) 4. Speicher Kurzzeitspeicher (Pumpspeicher, Batterien) Langzeitspeicher (Norwegen, Gasnetz) Wind & Solar in das Gasnetz über Power-to-Gas Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 9

10 Was heißt Versorgungssicherheit? Versorgungssicherheit ENERGIE LEISTUNG Volkswirtschaft, Strategie Technisch Potential Gesicherte Leistung Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 10

11 Vergleich der Optionen zur techn. Versorgungssicherheit Technisch Wirtschaftlich Gesellschaftlich Netze Kraftwerke Speicher Masterplan?! regional leichter als national / europäisch Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 11

12 UBA Umweltbundesamt 100% regeneratives Szenario Quelle: UBA, 2010 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 12

13 Ab 70% erneuerbaren Energien entsteht ein großer Speicherbedarf trotz idealem Netzausbau Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007) Defizite: 62 TWh Überschüsse: TWh 20 Residuallast (GW) Pumpspeicher Norwegen (Theorie) 42 Mio. E-KFZ (Theorie) Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute -100 Überschüsse: TWh Defizite: 62.1 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 54.1 GW Kapazität und Leistung Gasspeicher heute -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat Fraunhofer IWES 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last)! Gasspeicher haben die 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei η GT,GuD = 28-55%) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 13

14 PSW Riedl kann ein guter Speicher für erneuerbaren Strom aus der Region für die Region werden Voraussetzung: Betrieb im Takt von Wind und Sonne Quelle: RegioWiki, 2013 (Foto: Limmer; Grafiken: Donaukraftwerk AG) Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 14

15 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten, Speicher 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Macht die Natur das nicht günstiger? Energiespeicherung über natürliche Photosynthese 4) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 5) Kostendebatte & Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 15

16 Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas Online Forecast D+1 Forecast 4H Forecast 2H 8000 Power [MW] Numerisches Wettermodell Day Windleistungsprognose für eine Regelzone Wind Power Cluster Management Quelle: Lange / Rohrig, 2008 Kombikraftwerk Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 16

17 WBGU 2008: Integration von Biomasse: in das Gasnetz ideal Vorstellung auf int. Biomassekonferenz in Valencia Juni 2008 Quelle: Schmid, Sterner für WBGU, 2008 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 17

18 Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 18

19 Erneuerbares Gas Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz! Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, Specht Specht et al, 2010 et al, 2010 Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 19

20 Wirkungsgrade von Power-to-Gas 2/3 1/3 1/2 vs. Norwegische Pumpspeicher mit 65-68% (75% vor Ort % Verlust durch Stromtransport) vs. 0% durch Abregelung oder vs. effizientere aber kapazitätslimitierte Speicheralternativen Quelle: Sterner, Jentsch, 2011 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 20

21 Einspeisung von Wasserstoff in das Gasnetz: Grenzen schnell erreicht Verbrauch/Einspeisevolumenstrom in 10 3 m 3 /h H 2 -Einspeisegrenzen derzeit: 2% Fahrzeuge 1% Gaskraftwerke 0,5% Messinstrumente Speicher unbekannt saisonale Speicherkapazität - vor Ort oder - überregional in Untergrundspeicher wird benötigt Quelle: Berechnungen DBI, Energiespeicherkonzepte 2013 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 21

22 Hybridkraftwerk Prenzlau Quelle: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 22

23 Windgas bei Greenpeace Energy Power-to-Gas bei E-ON Ruhrgas Über 6000 neue Gaskunden Direktvermarktung des Gases Pipelineanbindung Niederspannungsversorgung Automation Stromübergabe Messtechnik Elektrolysen Quelle und : Greenpeace Energy, 2012 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 23

24 2011: Entwicklungsstand Power-to-Gas biologisch Methan Pilotanlagen in Schwandorf (MicroBEnergy) und Linz (Krajete) 86 % Methanausbeute Vol. % Kontinuierlicher Prozess Einfacher Durchgang Quelle: Krajete GmbH, Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 24

25 Gestehungskosten für EE-Gas Ergebnisse DVGW Projekt Energiespeicherkonzepte Quelle: Köppel, DVGW 2012 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 25

26 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten, Speicher 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Macht die Natur das nicht günstiger? Energiespeicherung über natürliche Photosynthese 4) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 5) Kostendebatte & Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 26

27 Energiespeicher Wald Zuwachs übersteigt den bay. Heizölverbrauch Zuwachs: Energie: ca. 30 Mio. m 3 / a etwa 1 m³ Festmeter Holz pro Sekunde ca GWh entspricht ca Mio. l Heizöl bei rein energet. Nutzung (max % realistisch) bay. Heizölverbrauch ca Mio. l Gegenwert ca Mio. EUR Holz als Energie (bei 90 EUR / 100 l Heizöl) Speicherleistung ca MW! der Wald ist Bayerns größter Speicher Quelle: Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 27

28 Kosten Naturverjüngung Anpflanzung kostenlos pro Hektar 1 Pflanze 70 Cent Einpflanzen 50 Cent Pflanzen pro Hektar Zaun 400 m mit 8 EUR pro m! bis zu EUR pro Hektar Bilderquelle: Google Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 28

29 Wann wird eine künstliche Anpflanzung notwendig? Wenn die natürliche Ordnung aus dem Gleichgewicht gerät X O Ausgleich durch künstliche / menschengemachte Jagd Falls mangelhaft! System aus dem Gleichgewicht! Gesetz Wald vor Wild Bilderquelle: Google Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 29

30 Wald und Wild aus dem Gleichgewicht Beispiel LKA PA Nur vollständige Einzäunung hilft Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 30

31 Wald und Wild im dem Gleichgewicht Beispiel LKA PA Wald kommt von selbst hoch ohne menschliche Hilfe Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 31

32 Vorteile eines ausgeglichenen Gleichgewichts Wald-Wild Mehr Ertrag (bis zu % bei Jahre verkürzten Anbauzyklen) Mehr Energie Mehr kostenloser Klimaschutz Robustere Wälder gegen Klimawandel Mehr kostenloser Hochwasserschutz Mehr Biodiversität Weniger Wildunfälle Geringere Personen- und Sachschaden Besserer Schutz für Tiere! Mehr Engagement und Bewusstseinsbildung notwendig bei Waldbesitzern, Jägerschaft und Behörden Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 32

33 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten, Speicher 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Macht die Natur das nicht günstiger? Energiespeicherung über natürliche Photosynthese 4) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 5) Kostendebatte & Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 33

34 Welche Leistung liegt ständig an den deutschen Tankstellen an? 170 Mio l Benzin / Tag = 64 GW! Irene kontrolliert gerade einen Leistungsfluss von 16 MW: Energieinhalt Benzin: 9 kwh/l = 32 MJ/l Durchflussmenge: 0,5 l/s) Elektrisches Äquivalent von Haushalten (a 500 W Mittelwert)! Quelle: C. Hoffmann - Siemens, 2011 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 34

35 Elektromobilität Effizienzsprung Faktor 3-4 aber nur mit erneuerbaren Energien Quelle: Sterner, Wickert, Schmid, 2008 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 35

36 Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 36

37 Audi e-gas Projekt in Werlte / Emsland Richtfest am WKA à 3.6 MW el Elektromobilität Quelle: Audi 2012 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 37

38 Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Koppelung der Energienetze Quelle: Sterner, 2011 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 38

39 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten, Speicher 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Macht die Natur das nicht günstiger? Energiespeicherung über natürliche Photosynthese 4) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 5) Kostendebatte & Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 39

40 Verantwortung in Betriebs- und Volkswirtschaft Volkswirtschaft Politik, Gesellschaft Betriebswirtschaft Geschäftsführer, Manager Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 40

41 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 41

42 Handlungsfeld Stromerzeugung: Wind / PV leitende Größen Anteil EE 20% 35% 50% 65% 80% Netze Netze umbauen, Netze ausbauen, Energienetze koppeln Erzeugung Kraftwerke flexibilisieren Verbrauch Nachfrage flexibilisieren, Lastmanagement ausbauen Speicher Power-to-Heat für Überschüsse einsetzen Pumpspeicher Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring der Energiewende Quelle: Sterner, 2012 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 42

43 Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10% bis /MWh Variable3Stromgestehungskosten Investitionskosten3Speicher Investitionskosten3Kraftwerke 78 /MWh 79 /MWh 84 /MWh 1003 /MWh Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen Quelle: VDE, %(A 80%(E 100%(D Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 43

44 Zusammenwachsen der Energienetze ist zukunftsweisend Power-to-Gas Stärken - Bestehende Infrastruktur - Bestehende Speichertechnologie - Vielfältige Nutzung der Energie Firmen involviert in 4 J. - X00 Mio. investiert in 4 J. Schwächen - Kosten (10-20-fach fossil) - Wirkungsgrad (Power-to-Heat first!) - Frühes Stadium Chance - Lösung des Speicherproblems - Wind & Solarkraftstoffe (strombasierte Kraftstoffe) - CO 2 -neutrale Langstreckenmobilität - Geringere Importabhängigkeit Fallstricke - Hype - Wettbewerber! Fokus Mobilität - Atomgas, Kohlegas, Gas-to-Gas, Wasserkraft-Gas - Green Washing Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 44

45 Die Energiewende ist machbar und lohnt sich " Die Energiewende ist " ökologisch / klimatechnisch not-wendig " technisch möglich " ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht kostengünstiger als fossil " Größte Chancen: Arbeitsplätze, Know-How, Wohstand " Erhalt der natürlichen Lebens- und Wirtschaftsgrundlagen " Speicher sind ein wichtiger Baustein in der Wende " Speicher im Takt von erneuerbaren Energien einsetzen " Gesunder Wald stärkt Energiewende und schafft kostenlosen Klimaschutz " Entscheidend " Umsetzung auf allen Ebenen (Politik, Behörden, Gesellschaft) " Chance regionale Energiewende: Wertschöpfung vor Ort schafft Wohlstand Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 45

46 Eine Ernährungspyramide für eine emissionsarme Energieversorgung oder das deutsche / bay. Energie-Reinheitsgebot : Wind, Sonne, Wasser, Holz, Luft sonst nicht s! Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 46

47 Ausgewählte Informationen und Quellen " Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. " Sterner, M., Jentsch, M. (2011): Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. Gutachten für Greenpeace Energy. Fraunhofer IWES, Kassel. " Sterner, M.; Specht, M.; Ebert, G. (2010): Technologievergleich einer regenerativen Energieversorgung des Verkehrs. FVEE Jahreskonferenz 2010, Berlin. " Nitsch (DLR), Sterner (IWES), Wenzel (IfnE) et al (2012): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global; Leitstudie 2011 BMU - FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. leitstudie2011_bf.pdf " Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. " WBGU verschiedene Gutachten, Berlin. Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 47

48 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Technische Hochschule Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik + 49 (0) hs-regensburg.de Vielen&Dank& Prof. Dr. Sterner, TH.R S. 48