Das Potential der elektrochemischen Verfahrenstechnik für die Energiewende

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1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Das Potential der elektrochemischen Verfahrenstechnik für die Energiewende Detlef Stolten, Thomas Grube, Martin Robinius, Vanessa Tietze Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) Energiespeicher für die zukünftige Energieversorgung Lösungen aus der Chemie 5. Energiekolloquium der Chemie-Gesellschaften Frankfurt

2 Die Energiewende braucht tragfähige Technologien Treiber Klimawandel Versorgungssicherheit Wirtschaftswachstum Lokale Emissionen Tragfähige Technologien Erneuerbare Energie Elektromobilität Effiziente Fossile Kraftwerke Fossile Kraft-Wärme-Kopplung Ziele Reduktion der Klimagasemissionen bezogen auf 1990 ohne Kernenergie 40 % bis % bis % bis % bis 2050 Stromwirtschaft und Verkehr wachsen zusammen Elektromobilität Versorgungsinfrastruktur Speicherung Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 2

3 H 2 -Nutzungsalternativen: Rückverstromung vs. Kraftstoff Energiebedarfsverhältnis ICV / FCV 2,0 THG-Emissionsverhältnis (well-to-tank) Benzin / Erdgas 1,25 THG-Vermeidung durch H 2 -Nutzung Verkehr / Rückverstromung 2,5 Anmerkungen Rückverstromung: gleicher Wirkungsgrad für H 2 und Erdgasverstromung im GUD-Kraftwerk Straßenverkehr: Steigerung der Umwandlungseffizienz und Nutzung eines Kraftstoffs mit geringeren Well-to-tank THG Emissionen Fuel consumption, l be /100km C-Sgmt. D-Sgmt. CONCAWE Gasol. ICE CONCAWE C.H2 FCV Honda FCX Clarity M-Sgmt. J-Sgmt. GM Hydrogen4 Mercedes Benz B-Class F-CELL Curb weight, kg H 2 als Kraftstoff ist bezogen auf THG-Reduktion günstiger als dessen Rückverstromung Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 3

4 Brennstoffzellen-Pkw (FCV) Quellen: Pressmitteilungen der Hersteller Hersteller (aktuelle Fahrzeuge) Ausblick Hyundai (ix35 Fuel Cell, 15 Pkw) Januar 2013: Produktionsstart für 1000 FCV bis 2015; danach Pkw p.a. geplant Daimler (B-Klasse F-Cell, 200 Pkw) Ford (Ford Focus Fuel Cell, 30 Pkw) Nissan BMW Toyota (FCHV-adv, 100 Pkw) GM (Hydrogen4, 100 Pkw) Honda (FCX Clarity, 50 Pkw) Volkswagen gemeinsame Entwicklung eines Brennstoffzellensystems, 2017 großflächige Markteinführung (100 k geplante Stückzahl) gemeinsame Entwicklung eines BZ-Antriebs bis 2020; Toyota: FCV-Markteinführung im Jahr 2015 auf Basis des Toyota FCV Concept Gemeinsame Entwicklung von BZ-System und Speicher bis 2020 Honda: FCX Clarity Nachfolger kommt 2015 Kooperation mit Ballard Power Systems, zunächst für 4 Jahre ( Mio. CAD) Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 4

5 Wasserstofftankstellen Region Kalifornien (California Fuel Cell Partnership) Japan Skandinavien (Scandinavian Hydrogen Highway Partnership) Ausbaupläne 68 Tankstellen bis Tankstellen bis 2015, gemeinsame Ankündigung von 13 Automobil- und Energieversorgungsunternehmen MoU zwischen 6 Automobil- und Infrastrukturunternehmen zur Markteinführung von FCV und zur Errichtung einer Wasserstoffinfrastruktur in Norwegen, Schweden, Island und Dänemark für den Zeitraum Deutschland 50 Tankstellen bis 2015 (5 Industriepartner, Förderung durch BMVBS) Europäische Union Vorschlag für eine Richtlinie (COM(2013) 18) zum Aufbau von Infrastrukturen für alternative Kraftstoffe: öffentlich zugängliche H 2 -Tankstellen im Abstand von mindestens 300 km ab Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 5

6 Nutzungspfade im Energiesystem Zentral: Erzeugung Transport, Umwandlung, Speicherung Dezentral: Erzeugung/ Verteilung Nutzung Strom (REG) Übertragungs- Netz Verteilnetz Haushalte Strom (fossil) CO2 Strom - speicher Power-to-gas Rückverstromung REG- Strom Elektrolyse Industrie CO2 Biogenes CH4 Industrie-H2 CO2- Transport Elektrolyse Methanisierung H2- Speicher Wärmetauscher H2- Transport Biogenes H2 Erdgasspeicher Industrie- H2 H2- Distribution KWK Strom Wärme Verkehr Erdgas Erdgastransport Erdgasdistribution Gewerbe Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 6

7 Das Zielsystem: Wasserstoffpipelinenetz Minimale Transportkosten für Wasserstoff in Abhängigkeit von Massenfluss und Transportentfernung. Mit G = gasförmiger Transport via Lkw, L = flüssiger Transport via Lkw und P = gasförmiger Transport via Pipeline Yang, C. and J. Ogden, Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode. International Journal of Hydrogen Energy, (2): p Krieg, D., Konzept und Kosten eines Pipelinesystems zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff, Jülich: Forschungszentrum, Zentralbibliothek. Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 7

8 Kann eine weitgehend erneuerbare Strom- und Kraftstoffversorgung technisch funktionieren? Gerechnetes Szenario eines starken Ausbaus erneuerbarer Stromproduktion: 100 % des deutschen gehandelten Stromes und ¾ der deutschen Pkw betreibbar mit: Anzahl Onshore-Windturbinen wie Ende 2011 Repowering auf 7,5 MW / Windturbine 70 GW installierte Offshore Windleistung Sonstige Erneuerbare Stand 2010 (incl. PV!) Überschussleistung zur H 2 -Erzeugung für Elektro-Pkw mit Brennstoffzelle (1 kg/100 km); Restbedarf im Straßenverkehr: MinÖl-Produkte Residuallasten mit Erdgaskraftwerken gedeckt (GuD und offene GT) CO 2 -Einsparung: 55 % gegenüber 1990 Strommix: 80 % Windenergie, 10 % sonst. Erneuerbare, 10 % Erdgas Überschussstrom: 35 % via Elektrolyse als Wasserstoff für den Verkehr (5,4 Mio. t) Speicherbedarf: 5 % saisonal ( 1000-fache Kapazität dt. Pumpspeicherwerke) => Überschussstrom muss gespeichert werden => saisonale Speicherung geht (nur) über Gas Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 8

9 Abschätzung der Investitionskosten für das 55 % CO 2 -Reduktionsszenario Stationär Mrd. Wasserelektrolyseure /kw 42 Wasserstoffpipelinenetz Gaskavernen 5-15 & Tankstellen (Vollversorgung von D mit 9800 Tankstellen) 20 Zusätzliche Erdgaskraftwerke 24 (42 GW GT + GUD, 23 GW bereits in Betrieb) Zwischensumme stationär Fahrzeuge Brennstofzellenfahrzeuge: 28 Mio. Stück x 4,565 k / Stück Zusatzkosten: 128 Gesamt zur Kompensation der jährlichen Fluktuation & Strategische Reserve für 60 Tage Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 9

10 Kostenvergleich vor Steuern von Power-to-gas Nutzungspfaden Kosten, ct/ kwh ,4 2,9 3,7 15,1 Windstrom (9 ct/kwh) Elektrolyse Wasserstoff für den Straßenverkehr ohne Schattenkraftwerke, inklusive Netznutzungsentgelte Stromspitzen gekappt: ΔP = -50 %; ΔW = -2 % 20 2,3 2,9 3,7 10,7 Windstrom (6 ct/kwh) Elektrolyse 11 1,6 2,0 1,7 5,8 Erdgas (4 ct/kwh) Reformierung Erdgas (2,5 ct/kwh) Reformierung Kapitalkosten als Annuitäten mit Nutzungsdauern von 10 Jahren für Produktionsanlagen, 40 Jahren für Transmissionsnetz, 20 Jahren für Distributionsnetz und einem Zinsfuß von 8 % H2 an der Tankstelle (anlegbar) 22 (0,7 kg/100km) Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 10 Benzin (heute) Erdgas (4 ct/kwh) Wartung/Betrieb Kapitalkosten Kapital Energie Benzin (heute) H2 (anlegbar) 16* (1,0 kg/100km) 8,8 8,0 1,5 2,0 1,7 4,0 2,5 3,6 4,0 2,5 Wasserstoff-/ Methaneinspeisung Erdgas (2,5 ct/kwh) 15 1,2 2,4 10,5 0,7 Windstrom (6 ct/kwh) Elektrolyse Einspeisung 23 1,6 2,6 5,3 13,2 Windstrom (6 ct/kwh) Elektrolyse Methanisierung Weitere wesentliche Annahmen: 5,4 Mio. t H2 /a aus regenerativem Strom Elektrolyse: 84 GW, 70 % Wirkungsgrad (LHV), 500 EUR/kW Methanisierung: 80 % Wirkungsgrad (LHV) Netznutzungsentgelt für Übertragungsnetz: 1,4 ct/kwh e [1] * Anlegbare Kosten bei halbiertem Kraftstoffverbrauch [1] EWI (2010): Energiekosten in Deutschland - Entwicklungen, Ursachen und internationaler Vergleich (Projekt 43/09); Endbericht für das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Frontier Economics/EWI, 2010.

11 H 2 -Kosten an Tankstellen: Zielwerte für Windwasserstoff H 2 -Kosten / ct kwh ,5 9,5 ct kwh -1 kg -1 18,0 16,6 6,0 5,5 19,6 6,5 25,0 8,3 8,9 26, H 2 -Kosten / kg -1 0 Heute (CEP) CEP- Zielwert IEK-3 Konzept 4 ct/kwh (> 2030) IEK-3 Konzept 6 ct/kwh (> 2030) HH-SH Studie > 2020 NOW- Studie (2030) 0 IEK-3 Konzept: Stolten, D.; Grube, T.; Mergel, J.: Beitrag elektrochemischer Energietechnik zur Energiewende. In proceedings: VDI-Tagung Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden, , VDI-Verlag GmbH, VDI-Berichte 2183, ISBN , Anmerkung: Wert für 6 ct kwh -1 Stromkosten HH-SH Studie: Stiller, C.; Schmidt, P.; Michalski, J.; Wurster, R.; Albrecht, U.; Bünger, U.; Altmann, M.: Potenziale der Wind-Wasserstoff-Technologie in der Freien und Hansestadt Hamburg und in Schleswig Holstein. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, Eine Untersuchung im Auftrag der Wasserstoffgesellschaft Hamburg e.v., der Freien und Hansestadt Hamburg, Anmerkung: Zahlenwerte als Mittelwerte, Fehlerbalken geben die Werte laut in der Studie definierter Szenarien an. NOW-Studie: Michaelis, J.; Genoese, F.; Wietschel, M.: Systemanalyse zur Verwendung von Überschussstrom. In proceedings: Ergebnisvorstellung der Studie "Integration von Windwasserstoff-Systemen in das Energiesystem", Berlin, , NOW GmbH, Anmerkung: (i) siehe Anmerkung zu HH-SH Studie (ii) in der Studie angegebene Kosten wurden um Tankstellenkosten laut Tillmetz (WHEC 2010) ergänzt. Heute (CEP): Umweltminister Franz Untersteller weiht autarke Wasserstoff-Tankstelle in Stuttgart ein, gemeinsame Pressemitteilung von EnBW Energie Baden- Württemberg AG, CEP, NOW GmbH und Ministerium für Klima, Umwelt und Energiewirtschaft Baden-Württemberg vom 14. März 2013 Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 11

12 Wasserstoffnutzung als Kraftstoff Tietze et al. (2014) Zeit- und ortsversetzt auftretende Produktionsschwankungen Ausgleich der Schwankungen in der H 2 -Versorgungsinfrastruktur Zeit- und ortsversetzt auftretende Nachfrageschwankungen Erneuerbare Energien Elektrolyseur Stromnetz Räumliche und zeitliche Auflösung der H 2 -Versorgungsinfrastruktur mit Fokus auf Speicherung und Transport unter Berücksichtigung der sich dynamisch ändernden Randbedingungen Bildelemente aus: Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 12

13 Betrieb einer Salzkaverne Tietze et al. (2014) Prinzipskizze der Salzkaverne: m T in in p = p t in = const. = const. C ( ) ( ) h = f T,p const. T Salt in in in Q ìn/out s Salt V Salzkaverne ( ) C ( ) C( ) C( ) ( t) ρ C t, T t, p t, m t, u in/out,h2 C = V in/out,ch4 out m T = T t out p = p t out = const. ( ) C ( ) ( ) C h OT h = f T,p const. out out out h C Systemgrenze Eingabeparameter T in 40 C p C (t=0) 65 bar V in,h2/ch4 35 m 3 (STP)/s p C,max 175 bar m in/out,h2 3 kg/s p C,min 58 bar m in/out,ch4 25 kg/s s Salt 2 m V C m 3 λ Salt 5,5 W/(m K) h C 300 m α i,h2 133 W/(m 2 K) h OT m α i,ch4 120 W/(m 2 K) T Salt 44 C t in/out 8 d T C (t=0) T Salt t stand-by 24 d Annahmen: Temperatur des eintretenden Gases und Massenströme sind konstant. Verdichtung entsprechend dem Gegendruck in der Kaverne. Bei innerem Wärmeübergangskoeffizienten nur natürliche Konvektion berücksichtigt. Wärmespeicherfähigkeit des Salzgesteins wird vernachlässigt. Kavernenform als Zylinder approximiert. Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 13

14 Simulationsergebnisse: T-p Diagramm Tietze et al. (2014) Temperatur [ C] Salz Einspeicherung Stillstand Ausspeicherung Stillstand Methan Wasserstoff Druck [bar] Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 14

15 Bestimmung von Last- und Einspeiseverläufen Robinius et al. (2014a) Regelzonenlast von 50Hertz, Amprion und TransnetBW verfügbar Berechnung Regelzonenlast TenneT: P TTTTTT TTT,ii = P EEEEE E,i P AAAAAAA,ii P 50HHHHH,ii P TTTTTTTTTT,ii j Stunde im Jahr: i=1,2,3,4, 8760; Viertelstunde der jeweiligen Stunde j=1,2,3,4 Aufteilung der Regelzonenlast auf Gemeinden über Kennzahlen (BIP, Einwohner) Einspeiseverläufe erneuerbaren Stroms aus GIS basierter Ermittlung der Erzeugungskapazität aus erneuerbarer Energie räumlich aufgelösten Wetterdaten (DWD) Regelzonenlast am :15 Uhr in Gemeinden Datenquelle: ÜNB Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 15

16 Netzzugangsmodelle Robinius et al. (2014b) Grundsätzlich drei Zugangsmodelle: Badewannen-Modell Regelzonenmodell Kontraktpfadmodell Kontraktpfadmodell In Anlehnung an: Wagner, U., R. Igelspacher, and H. Roth, Netzzugangsmodelle für Gas im Spannungsfeld von Technik und Handlungsflexibilität. Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 2004(9): p Jedes Handelsgeschäft besitzt konkrete Quelle-Senke-Verbindung Lieferung erfolgt vollumfänglich Gashändler muss entsprechende Kapazität buchen Fiktiver Transportpfad: Kontraktpfad (daher auch: Kontraktpfadmodell) + Stets maximale Kapazität vermarktet - Große Anzahl von komplexen Verträgen + Transportentgelt verursachergerecht berechnet - Hohe Transaktionskosten - Keine effizienzsteigernden Preissignale Für Wasserstoffnetze: zunächst Kontraktpfadmodell, später Regelzonenmodell; Verringerung der Preisamplituden durch Speicher Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 16

17 Schlussbetrachtung Energiewende braucht top-down Gestaltungsprozess von 2050 ausgehend Fluktuierende erneuerbare Energie macht Energiespeicher zwingend notwendig Energieumwandlung wird sich wesentlich auf elektrochemische Prozesse verlagern Sektorenübergreifende Betrachtung erforderlich: Haushalte, Verkehr, Industrie Zeitliche Abfolgen kostengerecht gestalten (Rückverstromung zuletzt) Infrastrukturausbau definieren Technische, marktwirtschaftliche und sozialwissenschaftliche Analysen müssen den Transformationsprozess begleiten Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 18

19 Bibliographie Tietze (2014) Tietze, V., Stolten, D., Thermodynamisches Verhalten von Wasserstoff und Methan bei der Speicherung. Vortrag bei: Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Energieverfahrenstechnik, Februar 2014, Karlsruhe Robinius (2014a) Robinius, M., ter Stein, F., Schiebahn, S., Stolten, D., Lastmodellierung und -visualisierung mittels Geoinformationssystemen. 13. Symposium Energieinnovation Innehalten und Ausblick: Effektivität und Effizienz für die Energiewende, Februar 2014, Graz Robinius (2014b) Robinius, M., Küster, M., Stolten, D., Power-to-Gas: Netzzugangsmodelle und Marktdesign. 13. Symposium Energieinnovation Innehalten und Ausblick: Effektivität und Effizienz für die Energiewende, Februar 2014, Graz Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) 19