Steckbrief Energiespeicherung im Erdgasnetz

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1 Steckbrief Energiespeicherung im Erdgasnetz Ziel des Forschungsprojektes ist der Aufbau eines hybriden Energiespeichers, um überschüssigen Photovoltaikstrom durch Methanisierung im Erdgasnetz zu speichern und bei Bedarf in BHKWs oder im Nutzfahrzeugbereich zeitversetzt und an anderen Stellen zu nutzen. Gleichzeitig soll die Stabilität der Stromnetze verbessert werden, da sowohl positive als auch negative Regelenergie dezentral bereitgestellt wird. Durch die Nutzung der bestehenden Infrastruktur des Erdgasnetzes ist sowohl die Speicherung als auch der Transport von Energie über weite Entfernungen und über lange Speicherzyklen möglich. Die Speicher- und Transporttechnologie für Erdgas ist vorhanden. Der Fokus des Projekts liegt im Raum Süddeutschland, da dort die größten Engpässe in der Energieversorgung nach dem Atomausstieg erwartet werden und aufgrund der hohen Photovoltaikleistungen die bestehende Niederspannungsebene an die Kapazitätsgrenzen stößt. Aufgrund des besseren Kosten- Nutzenverhältnisses ist die Realisierung durch größere Einheiten (MW-Bereich) im Industriebereich vorzuziehen. Das Projekt umfasst eine Methanisierungsanlage, die Gasspeicherung und Verstromung in BHKWs mit dem Ziel der Netzstabilisierung sowie alternative Einsatzmöglichkeiten (Verkehrsektor, mobile Anwendungen) des umweltfreundlich erzeugten Erdgases. Zusätzlich ist die Kopplung mehrerer BHKWs zur Bereitstellung von Regelenergie geplant. Ebenfalls sind neben den technisch/ wirtschaftlichen Voraussetzungen die rechtlichen und gesellschaftlichen Bedingungen zu prüfen, welche den Einsatz bisher behindern. Aktuell teilt sich das Gesamtprojekt in sechs Teilprojekte auf, um die verschiedenen Elemente der Energiespeicherung ausführlich zu untersuchen. AP 1: Klärung der Rahmenbedingungen und Systemgrenzen für die Energiespeicherung AP 2: Erdgaserzeugung und Einspeisung in das bestehende Netz AP 3: Speicherung und Rückverstromung des synthetischen Erdgases AP 4: Alternative Nutzungsformen des synthetischen Erdgases AP 5: Last- und Einspeisemanagement AP 6: Wirtschaftliche, soziale und rechtliche Rahmenbedingungen

2 AP 1: Klärung der technischen Rahmenbedingungen und Systemgrenzen für die Energiespeicherung im Erdgasnetz Anmerkungen beim letzten Treffen/ Ideen: Definition der Modellumgebung (Deutschland, Schwaben, ) Beschreibung der Ziele (Vollversorgung, Spitzenlast, Speicherung, Transport) Beschreibung der Ziele (Vollversorgung, Spitzenlast, Speicherung, Transport) Beschreibung des Szenarios (Ausbaugrad der erneuerbaren Energien, konventioneller Kraftwerkspark) Aufnahme von Lastverläufen (Strom, Gas) Bildung von geeigneten Kenngrößen (zur Beschreibung der Ziele und technischen und wirtschaftlichen Zielerreichung) Größen für geeignete Auslegung definieren (Gaseinspeisung, Lager- und Verteilmöglichkeiten, Kraftwerksleistung) Mögliche Beteiligte: Forschung: WZU Universität Augsburg TUM, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik TUM, Lehrstuhl für Energiesysteme RMV Industrie: LEW als Stromnetzbetreiber Stadtwerke Augsburg als Energieversorger

3 Konkrete Fragestellungen: - Welche Region soll betrachtet werden (Bayern, Schwaben, Ballungsgebiete, ländliche Regionen, )? Die Wahl richtet sich entsprechend des Bedarfs (Netzausbau, installierte PV-Leistung, benötigte Strommenge/ erwartetes Stromdefizit) und der Projektpartner, die geeignete Daten liefern können. - Welche Ziele sollen verfolgt werden? Die Auslegung der Methanisierungsanlagen und der BHKWs wird stark beeinflusst, welche Ziele dadurch verfolgt werden. Eine kurzfristige Netzstabilisierung erfordert andere Komponenten als die langfristige Spannungshaltung. Ebenso ist zu klären, ob eine Netzstabilisierung durch dezentrale BHKWs zielführend ist und welche Anforderungen an die BHKW-Hersteller gestellt werden. - Neben der aktuellen Lastverläufe sind diese entsprechend der erwarteten Veränderungen der Energieversorgung für die Jahre 2015, 2020 und 2030 anzupassen, um aufgrund der hohen Investitionen eine bessere Planungssicherheit zu erhalten. - Wie können die Projektergebnisse bewertet werden? Um den Erfolg des Projektes zu zeigen, sind entsprechende Kennzahlen und Bilanzen (CO2- Bilanz, Potential an Regelenergie, Kosten pro kwh el, Investitionskosten pro kw el, vermiedene Netzausbaukosten, Versorgungssicherheit, Zuverlässigkeit, Anzahl kritischer Zustände im Versorgungsnetz) zu erstellen und geeignet aufzubereiten. - Welche Anlagengröße macht an welchen Standorten für eine hohe Effizienz und günstige Kosten Sinn? Die bestehenden Auslegungskriterien für BHKWs orientieren sich gemäß den Wärmebedarf des Objektes. Externe Aspekte werden in der Regel nicht einbezogen. Es fehlen Richtlinien zur Bereitstellung von Regelenergie und deren Auslegung für einen wirtschaftlichen Betrieb.

4 AP 2: Erdgaserzeugung und Einspeisung in das bestehende Netz Anmerkungen beim letzten Treffen: Zentrale Fragestellung: Wo macht die Installation einer Methanisierungsanlage Sinn. Ideen: - Abwärme der Methanisierungsanlage für die Fernwärme nutzen. - Optimierung Solar Fuel - Synergien mit der Müllverbrennungsanlage vorhanden? Abgrenzung zu Audi-PowerToGas und allgemein Stand der Technik prüfen Mögliche Beteiligte: Forschung: TUM, Lehrstuhl für Energiesysteme Industrie: MAN Anlagenbau, Linde (sind bei Erdgas Schwaben im Gespräch) solar fuel, (bei Audi & IWES dabei, kein Kontakt) Erdgas Schwaben Biogasanlagenbetreiber für CO 2 Quelle StaWA zur Abwärmenutzung Konkrete Fragestellungen: - Welche Konzepte zur Methanisierung sind für industrielle Maßstäbe geeignet und günstig in der Investition und im Betrieb? Bisher gibt es noch keine Methanisierungsanlagen im MW-Bereich, welche komplett kommerziell eingesetzt werden können. Die bestehenden Anlagen besitzen Pilotstatus und verfügen meist über deutlich geringere Leistungen. Deshalb ist aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen eine Potentialabschätzung der verschiedenen Technologien nötig. Ebenfalls denkbar ist eine zweistufige Methanisierungsanlage, in der je nach Bedarf reiner Wasserstoff oder aufbereitetes Methan erzeugt wird. - Zu welchen Kosten kann synthetisches Erdgas erzeugt werden? Für einen zukünftigen kommerziellen Betrieb zu ermöglichen, müssen die Kosten bekannt sein und für den Betreiber einen nachhaltigen Gewinn ermöglichen. Aufgrund der schwankenden

5 Stromerzeugung durch Photovoltaik steigt die Schwankungsbreite der Stromkosten, so dass mit der Energiespeicherung ein wirtschaftliches Potential vorhanden ist, welches effizient genutzt werden muss. - Planung und Bau einer Methanisierungsanlage im kommerziellen Maßstab (MW- Bereich), da die kostengünstige Energiespeicherung nur durch eine angepasste Dimensionierung realisierbar ist. Die Erkenntnisse der Großanlagen sind im nächsten Schritt auf kleinere Anlagen zu übertragen, so dass eine flächendeckende Struktur geschaffen werden kann. Im Rahmen dieses Projektes werden nur größere Anlagen betrachtet. - Wie kann die Methanisierungsanlage wirtschaftlich betrieben werden? Die Anforderungen an eine Pilotanlage und eine kommerzielle Methanisierungsanlage unterscheiden sich deutlich. Im Rahmen dieses Projektes ist zu prüfen, durch welche Stellhebel die Kosten gesenkt und die laufenden Betriebskosten niedrig gehalten werden können.

6 AP 3: Speicherung und Rückverstromung des synthetischen Erdgases Anmerkungen beim letzten Treffen: - Stichpunkte: Virtuelle Speicher, dezentral, gemeinsame Steuerung prüfen - Potential von Speichern in Süddeutschland Potential von Speichern in Süddeutschland - Nötiges Speichervolumen für Deutschland - Ausgleich der Tagesschwankungen mit anderen Speicherkonzepten (Batterie, Wärme, ) - Optimierter BHKW-Betrieb allgemein - Flexibilisierungspotentiale des BHKW-Betriebs Flexibilisierungspotentiale des BHKW-Betriebs - Nutzung der Abwärme für Heizung und Kälte bereits gut bekannt, aktuell noch keine - großen Neuerungen in Sicht. - Hochtemperaturnutzung über 100 C (Thermoöl durch Abgaswärmetauscher) - Gedanke im Nachgang: Wirkungsgradsteigerung durch ABgasturbolader - Gedanken: Start-Stop-Automatik, Vorwärmung auf Betriebstemperaturen, Verkürzung - der notwendigen Mindest-Einschaltzeiten Mögliche Beteiligte: Forschung: TUM, Lehrstuhl Energiesysteme RMV Industrie: MTU, Tognum LEW zur Identifikation kritischer Netzregionen Erdgas Schwaben als Gasversorger StaWA zu Speicherpotential Gasnetz sowie Nah- und Fernwärme Konkrete Fragestellungen: - Wie hoch ist das Langzeitspeicherpotential von Erdgas im süddeutschen Raum? - Wie können Alternativen zum bestehenden Erdgasnetz gestaltet sein? Mikrogasnetze verbinden bereits heute Biogasanlagen mit entfernten Satelliten-BHKWs, ohne dass die Aufbereitung auf Erdgas-Qualität nötig wird. Dies könnte vergleichbar durchgeführt werden mit einem Mikro-Gasnetz mit höheren Anteilen von Wasserstoff, welcher bei der Erzeugung einen höheren Wirkungsgrad aufweist. - Wie ist das BHKW mit der Zielrichtung höchste Effizienz zur Bereitstellung von Regelenergie auszulegen? Welche Möglichkeiten zur Lastflexibilisierung existieren in der Industrie?

7 Aktuell wird der Stromlastgang in der Industrie sehr wenig beeinflusst, noch weniger der Gaslastgang. Bei einem Projekt zur Reduktion und Flexibilisierung der Stromverbräuche war seitens der Industrie hohe Nachfrage vorhanden. Ev. können in diesem Projekt weitere Ansätze verfolgt werden. - Wie können Netzdienstleistungen durch BHKWs realisiert werden? Wodurch werden diese gestellt? Moderne Wechselrichter müssen Netzdienstleistungen erbringen. BHKWs sind hier bereits durch deren rotierende Masse im Vorteil. Es stellt sich jedoch die Frage, ob und unter welchen Bedingungen eine weitere Netzstabilisierung möglich ist (50,2 Hz- Grenze, Leistungsanpassung bei grenzwertiger Spannung) - Wie hoch ist das Potential mobiler Erdgasspeicher? Unter welchen Bedingungen ist dies sinnvoll? Aktuell sind in Deutschland 2 GW BHKW-Leistung im Biogas-Sektor und ca. 4 GW als Notstromaggregate installiert, diese sind aber nicht als Regelenergie im Einsatz. Welche Faktoren behindern dies? Die Speicherung von Biogas (nicht aufgewertet) ist aufgrund rechtlicher Belange teuer, da das Speichervolumen im Verhältnis dazu sehr gering ist. Gibt es dazu Alternativen?

8 AP 4: Alternative Nutzungsformen des synthetischen Erdgases Anmerkungen beim letzten Treffen: - Potentialstudie der Vollversorgung mit synthetischem Gas - Wirkungsgrade für Gas-Mobilität Wirkungsgrade für Gas-Mobilität - Augsburg war Modellstadt für Erdgas-Flotte - Nutzung eines Erdgasantriebs für Nutzfahrzeuge (Bagger, Traktoren, ) - Frage in den Raum: Was spricht gegen Erdgas-Lkws? - Verfügbarkeit von Tankstellen Mögliche Beteiligte: Forschung: TUM, Institut für Verbrennungskraftmaschinen (offen) TUM, Lehrstuhl für Energiesysteme Industrie: BMW, vgl. zu Audi mit Windgas (gute Kontakte, aber noch keine Gespräche) MAN Nutzfahrzeuge, Einsatz im Lkw (noch offen) Ausrüster für Umrüstungtechnik (offen) StaWA als Erdgasteststadt (Autoflotte) Konkrete Fragestellungen: - In welchen Bereichen macht die Erdgasnutzung neben der stationären Stromerzeugung Sinn? - Kann das synthetische Erdgas in Nutzfahrzeugen als Alternative zu bestehenden Brennstoffen verwendet werden? Im Automobil ist dies bekannt und bewährt. Im Nutzfahrzeugbereich sind Erdgasantriebe bisher noch nicht großflächig im Einsatz. Welche technischen oder wirtschaftlichen Probleme bestehen hierbei? Was ist für die großfläche Markteinführung notwendig (Tankstellen mit speziellen Anschlüssen, )? - Ist die direkte Auskopplung von Wasserstoff für mobile Anwendungen besser geeignet? Kann durch die Umwandlung in Flüssiggas ein breiterer Kundenkreis erschlossen werden? Bei Autogas ist das Tankstellennetz deutlich dichter und die verwendeten Tanks können aufgrund des niedrigeren Drucks leichter gebaut sein. Ca. 80 % der auf Gas umgerüsteten Autos werden mit LPG (Liquified petrol gas = Flüssiggas) betrieben. - Welche Erfahrungen der Modellregion für Erdgasmobilität können für die weitere Entwicklung verwendet werden? - Bei weitere Nutzfahrzeugen (Landwirtschaft, ) gibt es erste Konzepte für

9 wasserstoffbetriebene Fahrzeuge. Hier wären ebenfalls Einsatzmöglichkeiten für Gas zu untersuchen. - Welche Hemmnisse bestehen seitens der Nutzfahrzeughersteller gegenüber dem Erdgasantrieb? - Umrüstung der entsprechenden Fahrzeuge und Feldversuch nach Möglichkeit. - Wie wirkt sich ein erhöhter Einsatz von Erdgas auf die bestehende Struktur aus, welche Lastverläufe kämen hinzu und wie hoch sind die Reserven?

10 AP 5: Last- und Einspeisemanagement Anmerkungen beim letzten Treffen: - Realisierung des Einspeisemanagements - Integration der vorhandener erneuerbarer Energiequellen Integration der vorhandener erneuerbarer Energiequellen - Integration externer Einflussfaktoren (Strom- und Gaspreise, Lieferung von Spitzenlast, - Netzstabilisierung) - Exemplarischer Aufbau eines dezentralen virtuellen Kraftwerks für Grund- und - Spitzenlastabdeckung - Vergleich mit alternativen Speicher- und Spitzenlastkonzepten - (Wirtschaftlichkeitsabschätzung) - Standardisierung der Kommunikationsprotokolle für den Datenaustausch zwischen - BHKW und anderen Aggregaten (Vattenfall) - Was kann mit Bestandsanlagen gemacht werden. Mögliche Beteiligte: Forschung: RMV ISSE Uni Augsburg Industrie: BHKW-Betreiber - Konventionelles BHKW - Biogas-BHKW ROWITEC Solutions dataprofit Konkrete Fragestellungen: - Durch die dezentrale Methanisierung und Rückverstromung ist es möglich, positive und negative Regelenergie bereitzustellen. Wie können/ sollten die Anlagen angesteuert werden, so dass ein möglichst effektiver Betrieb vorhanden ist und gleichzeitig die ökonomische Rentabilität erreicht wird? Gleichzeitig sind die Auswirkungen auf die Netzstabilität zu beachten, so dass das Strom- und Gasnetz bei der schwankenden Einspeisung durch Photovoltaik nicht überlastet wird. - Sind vorhandene Nachrichtenprotokolle zur Übermittlung der Betriebs- und Netzdaten geeignet

11 für die Regelung der Methanisierungsanlage und der BHKWs geeignet? Welche Aspekte sind in Bezug auf die Datensicherheit zu beachten? Die Datenübermittlung erfolgt zweckmäßig über das vorhandene Internet. Für die Sicherheit der Verbindung sind entsprechende Strukturen (VPN, GENOBox, private key, ) vorzusehen. - Wie kann eine entsprechende dezentrale Regelung an den Anlagen erfolgen? Welche Daten sind von einer zentralen Koordinationsstelle zu liefern und welche Daten benötigt diese (Netzzustand, Prognosen des Verbrauchs und der Einspeisung durch erneuerbare Energien, Preise)? - Welche Informationen des BHKWs müssen in die Steuerung einfließen (Heizbedarf des Objektes, Prognosen, Kosten)? Ziel ist immer, dass der Bilanzkreis ausgeglichen ist. - Wie kann der Zusammenhang mit bestehenden Stromerzeugern (Biogas, konventionelle Kraftwerke, Wind- und Wasserkraftwerke, Notstromaggregate, ) hergestellt werden? - Bilanzieren der Kosten und des Nutzens und Vergleich mit alternativen Energiespeichern und Regelenergiekraftwerken. Hierzu ist ebenfalls die Energiemenge einzubeziehen, welche ohne Methanisierung ungenutzt bliebe. - Aufbau eines virtuellen Speicherkraftwerks.

12 AP 6: Wirtschaftliche, soziale und rechtliche Rahmenbedingungen Anmerkungen beim letzten Treffen: Mögliche Beteiligte: Forschung: WZU Universität Augsburg Universität Bayreuth, Forschungsstelle europäisches und deutsches Energierecht (offen) Uni Augsburg, Fakultäten Sozialwesen oder Wirtschaftsingenieurwesen Industrie: Rechtsanwaltskanzleien München, Augsburg Konkrete Fragestellungen: - Welche Gesetze, Normen und Verordnungen (Energierecht, Gasrecht, Energiewirtschaftsgesetz, Marktbestimmungen der Börsen, technische Richtlinien, ) sind für das virtuelle Speicherkraftwerk relevant? Neben der technischen Machbarkeit müssen diverse Vorschriften beachtet werden, welche ihren Ursprung aufgrund der bisherigen Energieversorgung zurückzuführen ist. Durch die Veränderung weg vom zentralen Ansatz hin zur dezentralen Versorgung kann es nötig sein, diese zu hinterfragen. Die reale Sicherheit darf dabei aber nicht verringert werden, jedoch ist eine Anpassung an bestehende und gewollte Strukturen in Betracht zu ziehen. Teilweise können rechtliche Vorgaben ohne finanzielle Mehrbelastung oder Abstriche in der Sicherheit erfolgen, so dass eine wirtschaftliche Investition möglich ist. - Wie beeinflussen diese Vorschriften die Investition sowie den laufenden Betrieb? Welche Verordnungen haben den größten Einfluss auf die Kosten/ Erlöse? Mit dem virtuellen Speicherkraftwerk wird neben der Energieerzeugung die lokale Netzstabilität deutlich beeinflusst. Wie sehr lassen sich diese Effekte wirtschaftlich messen? Wie hoch liegen die vermiedenen Netzausbaukosten? Politisch ist bisher die strikte Trennung zwischen Erzeugung und Verteilung gewollt, weshalb aber eine Anlage mit diesen beiden Zielen Energieerzeugung und Netzstabilisierung in eine Grauzone fällt. - Wer kann diese Anlagen betreiben? Der Netzbetreiber darf/ soll keine Anlagen für die Energieerzeugung besitzen. Für den Energieversorger ist dies nur wenig relevant, da er für die Netzstabilisierung keine Vergütung erhält. - Wie können wirtschaftliche Geschäftsmodelle für Investoren aussehen? Welche Rolle spielen

13 dabei die aktuellen Netzbetreiber und Energieversorger? Diese stellten bisher die Versorgungssicherheit her, welche einen sehr hohen Stellenwert besitzt. Diese Funktion muss auch weiterhin gewährleistet und rentabel sein. Eine Energieversorgung ohne große Versorger ist nicht das Ziel dieses Forschungsprojekts! - Welche Auswirkungen hat die Gaseinspeisung und Regelenergiebereitstellung durch BHKWs auf den Energiepreis? Die Netzentgelte werden neu berechnet und den Verbrauchern direkt weitergeleitet. Eingesparte Investitionen wirken sich direkt auf die Verbraucherpreise aus. Gleichzeitig sind die Grenzkosten der meisten erneuerbaren Energien (Photovoltaik, Wind, Wasser) sehr gering, so dass diese bei entsprechenden Witterungsbedingungen vorrangig und sehr kostengünstig betrieben werden können. Die Nutzung dieser Energie ist durch die Flexibilisierung der Nachfrage und durch Speicherung in größerem Maßstab möglich. In welchem Massstab spielen andere Energiespeichertechniken eine wesentliche Rolle? - Wie hoch ist die gesellschaftliche Akzeptanz der Energiespeicherung im Erdgasnetz? Wo treten welche Befürchtungen auf (Geruch, Sicherheit, Effektivität)?