Die Rolle von Power to Gas in einem zukünftigen, regenerativen Energiesystem. Vision und Wirklichkeit

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1 Die Rolle von Power to Gas in einem zukünftigen, regenerativen Energiesystem. Vision und Wirklichkeit Viktor Kaplan-Lecture , Wien [IWES] Vortragender: Dipl.-Ing. (FH) Frank Schünemeyer

2 Inhalt 100% Erneuerbare Energien Netzsituation Notwendigkeit von Energiespeichern Power to gas Kopplung Strom- und Gasnetz Bestehende-, im Bau befindende-, geplante Anlagen Einsatzplanung Mögliche Kosten Schlussfolgerung

3 Vision

4 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nach den BMU-Leitszenarien Szenario 2011 A Stromerzeugung erneuerbare Energien, TWh/a Wasser Fotovoltaik 103 Wind Onshore Geothermie Wind Offshore Europäischer Verbund 235 Biomasse, biog. Abfälle [Quelle: BMU Leitstudie 2011] SZEN11/ STR-2030;

5 Netzsituationen bei 100%EE

6 Residuallastverläufe (Meteo-year 2007) Bioenergy Germany: 4.5 GW el / 30 TWh el Biogas: (2012) 3.18 GW el / 22 TWh el Balancing power (GW) 2010 Source: IWES-calculation for UBA Energy goal 100% electricity from RE 6

7 Die Transformation 7

8 BMU Studie 2011: beginnend in 2030 werden bedeutende Stromüberschüsse für die Langzeitspeicherung erwartet Energiemenge (TWh) Energie [TWh] Performance (GW) Leistung [GW] Stundenausgleich stündlicher Ausgleich Tagesausgleich täglicher Ausgleich Wochenausgleich wöchentlicher Ausgleich Monatsausgleich monatlicher Ausgleich Jahresausgleich jährlicher Ausgleich 8

9 Bedarf an Stromausgleich (ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimaanlagen (Meteo-Jahr 2007) Ausgleich notwendig 2010 Source: IWES-calculation for UBA Energy goal 100% electricity from RE

10 Bedarf an Stromausgleich (ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimaanlagen (Meteo-Jahr 2007) Ausgleich notwendig Kapazität und Leistung Pumpspeicher Heute 2010 Source: IWES-calculation for UBA Energy goal 100% electricity from RE

11 Bedarf an Stromausgleich (ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimaanlagen (Meteo-Jahr 2007) Ausgleich notwendig Kapazität und Leistung Pumpspeicher Heute 42,000,000 Elektro Fahrzeug (Ideal Fall) 2010 Source: IWES-calculation for UBA Energy goal 100% electricity from RE

12 Bedarf an Stromausgleich (ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimaanlagen (Meteo-Jahr 2007) Ausgleich notwendig Kapazität und Leistung Gasspeicher Heute Kapazität und Leistung Pumpspeicher Heute 42,000,000 Elektro Fahrzeug (Ideal Fall) ) 2010 Gasspeicher = 1500 to 3000x die Kapazität von allen Pump Speichern ( GT,GuD = 28-55%) Source: IWES-calculation for UBA Energy goal 100% electricity from RE

13 Maßnahmenkatalog Transport Netzausbau Europäisches Supergrid für Strom und Gas Erzeugungs- und Lastmanagment Gest. Erzeugung: Kombi-KW, flexible Biogaserzeugung Gesteuerter Verbrauch: E-KFZ, Wärmepumpen, Smart Grids Speicher Kurzzeit (Tage): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien, Biogasanlagen vor Ort Verstromung Langzeit (Saisonal): 1. (Pump-)Speicher in Skandinavien, 2. Wind / Solarstrom/Biomethan im Gasnetz als EE-Methan 3. Wind / Solarstrom als EE-Wasserstoff

14 Erneuerbares Gas (PtG) Das Prinzip der Strom-Gasnetz Kopplung Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

15 Biogasaufbereitung als CO2-Quelle für die Methanisierung

16 Direkte Methanisierung mit Biogas Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

17 Wirklichkeit

18 Die Netze wachsen zusammen - Chancen der 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

19 Wirklichkeit: PtG Anlagen in Deutschland Windpark RH2-WKA Audi-e-gas-Anlage, 6MW, Werlte Hybridkraftwerk Prenzlau Pilotanlage Falkenhagen Betrieb Bau RWE Demoanlage HYPOS H2 Forschungszentrum Cottbus Sunfire Power to Liquids Plan. Biogas, 25kW, Bad Hersfeld Thüga Demoanlage PtG im Eucolino ZSW, Etogas, 25kW, ZSW, Etogas, 250 kw Quelle: DENA (Okt. 2013) www://powertogas.info/power-to-gas/interaktiveprojektkarte.html

20 Wirklichkeit: Internationale Projekte Dänemark Electrochaea, Foulum, 250kW Schweiz Kanada Hydrogenics, Ontario, 1MW Quelle Deutschland Karte:

21 Messergebnisse der direkten Methanisierung Produktgas der PtG Anlage/ Versuchsergebnisse aus Bad Hersfeld Nach dem Anlagenstart einen konstanten Methangehalt > 93 Vol% Andere Komponenten: 3% CO 2 und ca. 4.5 % H 2 Übliche Messwerte für die gesamte Versuchsphase

22 Einsatzplanung (Fahrplan) einer netzgekoppelten PtG Anlage Strompreis an der EEX in / MWh. /MWh Strompreis 0 07.Nov 08.Nov 09.Nov 10.Nov 11.Nov 12.Nov 13.Nov 14.Nov 15.Nov 16.Nov Anlagenbetrieb Anlagenbetrieb auf Grundlage der Strompreise MW BHKW Methanreaktor Elektrolyseur 07.Nov 08.Nov 09.Nov 10.Nov 11.Nov 12.Nov 13.Nov 14.Nov 15.Nov 16.Nov Speicherfüllstände: Biogas PtG Methan Wasserstoff Füllstand [%] Speicherfüllstand Biogas Methan Wasserstoff 0 07.Nov 08.Nov 09.Nov 10.Nov 11.Nov 12.Nov 13.Nov 14.Nov 15.Nov 16.Nov

23 ct/kwh EEG Umlage Zusatzenergiekosten Volllaststunden 35 VLS Elektrolyseur Jahr 1 Jahr 2 Jahr 1 Jahr 2 Jahr 1 Jahr 2 Jahr 1 Jahr 2 Jahr 1 Jahr 2 Jahr 1 Jahr 2 Graustrom (Markt) Windstrom Graustrom (Markt) Windstrom Speicher am Markt Windstrom Speicher 500 Direktmethanisierung Gasvermarktung (AK 1) Biogas CO2 Abscheidung vor Methanisierung Gasvermarktung (AK 2) Direktmethanisierung und Rückverstromung Stromvermarktung (AK 4)

24 Erneuerbares Gas Strom zu Gas Wirkungsgrade Wärmeintegration! Wirkungsgrade: % Methan % Strom % Kraft-Wärme Kopplung Vs. 0 % Abschaltung Windanlagen Gegenüber effizientere Technik aber mit geringeren Speichervermögen Erneuerbares Gas Strom wird zur Primärenergy Source: Sterner, 2009; Specht et al, 2010

25 Potenzial heutiger Biomethananlagen als CO 2 -Quelle zur Methanisierung Ende 2012: ca. 120 Biomethananlagen mittlere Einspeisung 640 m n ³/h Mittlere Power-to-Gas Anlagengröße: 6,8 MW el CO 2 -Potenzial für ca. 700 MW el Power-to-Gas (Biogas 2013 ca. 3GW)

26 Erhöhter Ausgleichsbedarf im zunehmend erneuerbaren Energiesystem Zeitliche Ausgleichsmaßnahmen Flexibilisierung der Erzeugung (Verringerung von Must-Run Erzeugung) Lastmanagement (Industrie, Haushalte, E-KFZ) Speicher (PSW, Druckluft, Power-to-Gas) Räumliche Ausgleichsmaßnahmen Netzausbau Power-to-Gas Power-to-Gas bietet Möglichkeit für zeitlichen und räumlichen Ausgleich Die Summe der Eigenschaften bestimmt den Wert!

27 Zusammenfassung Bei einer 100% EE Versorgung (und auf dem Weg dahin!) wird ein Ausgleich von Defiziten und Überschüssen im Strombereich benötigt Nennenswerte Stromüberschüsse sind jedoch erst in einigen Jahren zu erwarten lokal kann das schon früher eintreten Der kurzfristige Ausgleichsbedarf wird sich früher einstellen als der langfristige Ansatzpunkt für die Flexibilisierung von Biogasanlagen Das heute, energetisch genutzte Biomassepotenzial könnte, im Biogasbereich eingesetzt, einen großen Teil der anstehenden Aufgaben lösen

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hessisches Biogas Forschungszentrum (HBFZ), Bad Hersfeld/ Germany

29 Kontaktdaten Dipl.-Ing. (FH) Frank Schünemeyer Fraunhofer-Institute IWES Bereich Biogas System Technik / Hessisches Biogas Forschungszentrum Schlossstraße Bad Hersfeld / Germany +49/6621/

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