VDE-Symposium 2015 Energiespeicherung - Baustein der Energiewende , Stadtwerke Erfurt GmbH

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1 VDE-Symposium 2015 Energiespeicherung - Baustein der Energiewende , Stadtwerke Erfurt GmbH Power-to-Gas als Möglichkeit der Langzeitspeicherung erneuerbarer Energien und Nutzung zeitweiliger regenerativer Überschussleistung Jochen Bard, Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Kassel

2 Vortragsinhalt I. Warum ist es sinnvoll mit Hilfe von Strom Gas zu erzeugen? II. Wie funktioniert Power-to-Gas? III. Power-to-Gas wie geht s weiter? Graphik: Fraunhofer IWES

3 Herausforderungen der Energiewende aus systemtechnischer Sicht Randbedingung: Versorgungssicherheit bei Einhaltung Klimaziele D & EU Anforderung: Flexibilität bei Erzeugung und Verbrauch Koppelung: Strom-Wärme-Verkehr Bewertung: Technologien im zukünftigen Markt Herausforderung: wirtschaftliche Optimierung Optimierung: EE-Ausbau, Netze, Speicher Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in 2025 Biomasse Wasser Wind PV Geothermie Kohle Gas Uran 653 TWh 65 TWh Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %)

4 Erzeugung / Verbrauch [TWh] Europa Stromverbrauch und -erzeugung AUT BEL CHE CZE DEU DNK ESP FIN FRA GBR HUN ITA LUX IRL NLD NOR POL PRT SVK SVN SWE EE-Abregelung Anteile der Energieträger an der Stromversorgung in 2050 Netto-Import Müll-HWK, Klärgas GT Biomasse GuD Wasser Wind KWK PV Geothermie Geothermie Kohle Wasserkraft Gas Wind-OffshoreUran Wind-Onshore PV Netzverluste Netto-Export Speicherverluste Oberleitungs-Lkw E-Pkw Klimatisierung Wärmepumpen Power-to-Heat / Industrie-WP Power-to-Gas 994 TWh 99 TWh Herkömml. 100 Verbrauch Anteil der EE an der Nettostromerzeugung (in %)

5 Treibhausgasziele und Konsequenzen Ein THG-Minderungsziel von - 80% bis 2050 erfordert für Deutschland eine Einsparung um ca. -83% Berücksichtigung Emissionen außerhalb des Energiesektors und internationaler Verkehrsanteils (Steigerung Flugaufkommen, nicht elektrifizierbar) geringe zulässige Emissionen für Energie Begrenzte Biomasse: 2 Mio. ha NaWaRo Strom als zukünftiger Primärenergieträger Effizienzsteigerung durch neue Stromanwendungen wie E-Mobilität und Wärmepumpen

6 Endenergieverbrauch [TWh] Anteil an Verkehrsleistung Kosten- und Energieeffizientes Verkehrsszenario Steigerung Stromverbrauch Verkehr auf 111 TWh in 2050 (exkl. Bahn) Sehr hoher Anteil E-Pkw Kombination von Plug-In-Hybrid mit CNG Oberleitungs-LKW Biomasse Fokus Biokraftstoffe Entwicklung Straßenverkehr Energieverbrauch Heute 2050 Verkehrsleistung Strom Biokraftstoffe Erdgas Mineralöl % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Pkw/LNF LkW/SNF Benzin Diesel Erdgas PHEV (konv.) PHEV (Erdgas) PHEV (elek.) BEV HO-Lkw (konv.) HO-Lkw (elek.)

7 Wärmebedarf [TWh] Wärmebedarf [TWh] Technologische Zusammensetzung der Wärmemärkte Technologische Zusammensetzung der Wärmemärkte EFH bis 1979 EFH EFH Neubau, KfW 55 Standard bis 2050 MFH bis 1979 MFH MFH Büroähnliche Betriebe Handel, Textil, Bekleidung, Spedition Beherbergung, Gaststätten, Heime Krankenhäuser, Schulen, Bäder Industrie < 100 C Industrie < 500 C Industrie > 500 C Deutschland Wärmemarkt Jahresbilanz Deckungsanteile und Technologie EFH MFH GHD Haushalte und Gewerbe Industrie Industrie (inkl. GHD-PW) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Gaswärmepumpe* Brennstoffzelle* BHKW* Brennwertkessel* Brennwertkessel* + Solarthermie FW-KWK~ + Groß-WP FW-KWK*~ + Solarthermie FW-KWK*~ WP-Luft WP-Sole Müll-HKW Holzheizung Raumwärme Warmwasser * PtH ~ Spitzenlastkessel Hohe Bedeutung von Wärmepumpen und KWK-Systemen 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Strom Monovalent Gas Monovalent Bio-Gas/-SNG Monovalent Heizkessel* Heizkessel* + Solarthermie KWK~ + Groß-WP KWK*~ + Solarthermie KWK*~ Groß-WP WP + Solarthermie Reststoffe-HKW Raumwärme Prozesswärme * PtH ~ Spitzenlastkessel

8 Erzeugung / Verbrauch [TWh] Deutschland 2050: Stromverbrauch und -erzeugung Optimales Energiesystem 2050: Steigerung Nettostromverbrauch von heute 557 TWh auf 793 TWh Rückwirkungen auf den EE-Ausbau Langfristig ist ein hoher PV-Anteil wirtschaftlich Mittelfristig müssen PV-Ausbauziele erhöht werden am Beispiel des Netzentwicklungsplanes Netzverluste Speicherverluste Oberleitungs-Lkw E-Pkw Klimatisierung Wärmepumpen Power-to-Heat / Industrie-WP Power-to-Gas Herkömml. Verbrauch EE-Abregelung Erzeugung Verbrauch Gas 400 Müll-HWK, Klärgas GT 300 GuD KWK 200 Netto-Import Laufwasser 100 Wind-Offshore Wind-Onshore 0 Erzeugung Verbraucher PV

9 Deutschland 2050: Installierte Leistungen einer hohen fluktuierenden Erzeugungsleistung steht ein flexibler Stromverbrauch gegenüber 30 TWh aus PtG Wind- und PV können effizient ins System integriert werden

10 Senken Quellen Zusammenwirken der Komponenten über den Strommarkt Erneuerbare Erzeugung Konventionelle Erzeugung Erzeugung und Strombedarf in Deutschland Meteo-Jahr 2006, 15./16. Kalenderwoche GW Last Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Wochentag Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore Biomasse Laufwasser Netto-Export Netto-Import Residuallast RL - Im + Ex PSW-Turbine Batteriespeicher Gas GuD/GT BHKW Gas - KWK Wärmepumpen E-Mobilität Klimatisierung Batteriespeicher PSW-Pumpe PtH PtG Abregelung

11 BMU Leitstudie 2011 Entwicklung der Residuallast in Abhängigkeit des EE Anteils Stromüberschüsse Anteil EE [%] ca. ab 2030 relevante Überschussmengen für Langzeitspeicher zu erwarten

12 Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen

13 Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung der Energienetze Stromnetz Gasnetz Übertragungskapazität Einstellige GW Zweistellige GW 0,04 TWh el Speicherkapazität 220 TWh th Vor- und Nachteile + Hochwertige Energie Hochpreisige Energie - Strom kaum speicherbar + Direkte Nutzung hocheffizient - AC-Übertragungsverluste 3-10% / 1000km + Universeller Energieträger Niedrigpreisige Energie + Große Speicher - Umwandlungsverluste hoch - Übertragungsverluste 0,5% / 1000 km H 2 Grenzen heute: 2% KFZ; 1% Gas-KW und Speicher

14 Erhöhter Ausgleichsbedarf im zunehmend erneuerbaren Energiesystem Zeitliche Ausgleichsmaßnahmen Flexibilisierung der Erzeugung (Verringerung von Must-Run Erzeugung) Lastmanagement (Industrie, Haushalte, E-KFZ) Speicher (PSW, Batterien, Power-to-Gas) Räumliche Ausgleichsmaßnahmen Netzausbau Power-to-Gas Power-to-Gas bietet Möglichkeit für zeitlichen und räumlichen Ausgleich

15 Wie funktioniert Power-to-Gas? -18-

16 Erneuerbares Gas - Power-to-Gas Energiespeicherung durch die Kopplung von Strom- und Gasnetz

17

18

19 CO 2 aus der Biogasaufbereitung

20 Direktmethanisierung als Form der Biogasaufbereitung ELECTRICITY NETWORK NATURAL GAS NETWORK Wind Solar Andere Erneuerbare KWK, GuD, Gasturbine VERSTROMUNG STROMSPEICHERUNG - für Wärme - für Verkehr Gasspeicher H 2 O O 2 Elektrolyse, H 2 -Tank CH 4 /CO 2 -Tank (Biogas-Tank) Biomass, Biogasanlage Abfall CH 4 / CO 2 H 2 CH 4 Methanisierung Biogas Heat

21 Hessisches Biogas Forschungszentrum (HBFZ) in Bad Hersfeld

22 Direktmethanisierung an einer landwirtschaftlichen Biogasanlage PtG-Projekt an IWES Versuchsbiogasanlage Eichhof , 4-monatiger Testbetrieb proof of concept im Technikumsmaßstab

23 Ergebnisse der ersten Direktmethanisierungsversuche Zusammensetzung des Produktgases (E-Gas) Nach der Startphase stetige Methankonzentration > 93 Vol% Andere Gaskomponenten: 3% CO 2 und ca. 4,5 % H 2

24 Potential der Direktmethanisierung an Biogasanlagen in Thüringen Annahme: - Mind. 1 MWel Power-to-Gas Anlage - Erforderlich: 60 m³/h CO 2 oder 135 m³/h Rohbiogas Potential (Stand 2012): - Biogasanlagen mit mind. 270 kwel - Ca. 70% der BGA in Thüringen erfüllen die Mindestvoraussetzungen für den Betrieb einer PTG-Anlage. Größenverteilung Biogasanlagen Thüringen -> PtG-Potenzial: 240 MW el in Thüringen Technische Voraussetzungen müssen Anlagenspezifisch geprüft werden!

25 Power-to-Gas Wird das was?

26 Wind & Solar alleine können eine stabile Stromversorgung nicht gewährleisten!

27 Zusammenfassung I Insbesondere vor dem Ziel einer 100% EE Versorgung wird ein Langzeitspeicher für erneuerbare Stromüberschüsse benötigt Nennenswerte Stromüberschüsse sind jedoch erst in einigen Jahren zu erwarten Strom-Gasnetz-Kopplung nationale Speichermöglichkeit Ausreichend Speicherkapazitäten zur Langzeitspeicherung (ca. 200 TWh th ) Vorhandene Infrastruktur (Verteilung, Anwendung) Biogenes CO 2 als geeignete CO 2 -Quelle Bereits heute nennenswertes Potenzial Zusätzliche Flexibilisierung von Biogasanlagen in Verbindung mit Power-to-Gas möglich ->Power-to-Gas-Anlagen bilden in Kombination mit Biogasanlagen eine nachhaltige Lösung für die Langzeitspeicherung sowie zusätzliche Möglichkeiten für die Flexibilisierung von Stromerzeugung aus Biogas

28 Zusammenfassung II Power-to-Gas ist nicht DIE Lösung, aber eine Technologie, die wichtige Beiträge leisten kann Größere Bedeutung wird die Technologie erst bei deutlichen Stromüberschüssen erhalten, dann trägt sie zur Kostensenkung bei Lokal/Regional bzw. im Kraftstoffmarkt kann das schon früher der Fall sein Aufgrund der komplexen Randbedingungen und Variantenvielfalt der Technologie ist noch Entwicklungsarbeit nötig

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik advancing energy systems

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