Thesen und Leitsätze: Wärme / EE - Mix

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1 Ludger Klus Leussow Arbeitsgemeinsacht EnergieMix 23. Dezember 2012 Thesen und Leitsätze: Wärme / EE - Mix Der Zugang EE in den konventionellen Wärme- und Kraftstoffmarkt kann über den Umweg des Ausbaubedarfs elektrischer Netze, der zum Pfad Wind Solar Gas führt, erreicht werden. Dieser Umweg ist mit einem geringeren Wirkungsgrad gegenüber dem direkten Weg der Wind Solar Stromnutzung verbunden. Vom Übertragungs- und Verteilnetz wird (überschüssiger) Wind- und Solarstrom in das Erdgasnetz umgeleitet. (Prinzip: von Straße auf Schiene). Technischer Vorteil: Höhere Aufnahme- und Leitungskapazität des Gasnetzes wird genutzt, EE Energie steht ohne Fluktuationen zur Verfügung. Das ökonomische Optimum Energietransport über Stromnetze vs. Gasnetze samt Speicher ist noch zu bestimmen. Fest steht hingegen: Ausbau des Stromnetzes in Deutschland und Europa kann das Fluktuationsproblem nicht lösen. Erzeugungs- und Lastmanagement: Biomassepotential ist für vollständigen Ausgleich der Fluktuationen zu klein, zu ineffizient und nicht nachhaltig. Die gesteuerte Bereitstellung von Strom aus Pumpspeichern und flexiblen Biogasanlagen kann theoretisch Versorgungslücken von Wind- und Solarstrom schließen (vergl. Kombikraftwerk, 2008). In diesem Modell ist das nachhaltige Potential von Biomasse jedoch nicht ausreichend (WBGU, 2009; Sterner, 2009). Wärme- und Stromverbrauch von Industrie, Handel, Gewerbe und Haushalten kann über intelligente Netze gesteuert erfolgen (Lastmanagement). Verbraucher wie bspw. Wärmepumpen, Klimaanlagen, Wasserspeicher zwangsläufig im Lastmanagement betreiben, um die Fluktuationen im Stromnetz nicht zu verstärken. Die Potentiale sind quantifiziert (Stadler, 2005; Klobasa, 2007). Die Umsetzung setzt hinreichende Bereitschaft der Verbraucher zur Verlagerung des Stromverbrauchs sowie den Aufbau eines intelligenten Kommunikationssystems (statt ideologisch motivierten Netzausbau) zur Steuerung voraus. Beide Anforderungen sind heute nicht gegeben. Dennoch: Auch im idealsten Einsatz löst das Lastmanagement nicht das Problem der Speicherung: Nicht jeder Stromverbrauch kann aus Zeiten von wenig Wind und Sonne verschoben werden. Biomasse wiederum verfügt als Speicher nicht über genügend nachhaltiges Potential. Energiespeicherung ist verlustbehaftet: Sie ist für eine dauerhaft regenerative Strom-, Wärme- und Mobilitätsversorgung dennoch unverzichtbar. Wirkungsgrade der Energiespeicherung sind stark technologieabhängig. Sie reichen von 66 bis 95%. Batteriespeicher verursachen hohe Kosten für die Stromverlagerung. Dennoch ist zukünftig eine steigende Nachfrage an dezentralen Speichern zu erwarten. Batteriespeicher können eingesetzt werden, um regionale Versorgungsaufgaben zu übernehmen, Netzengpässe und Netzausbau zu vermeiden und optimieren: Kopplung mit PV-Anlagen durch Deckung des Eigenbedarfs. Wärmetransport in Besonderheit und auch Stromtransport über weite Strecken sind nicht verlustfrei: Wirkungsgrad der Stromspeicherung in skandinavischen Pumpspeichern kann auf 65% absinken (NorGer, 2011). Er ist vergleichbar mit der Strom-Gasnetz-Kopplung,

2 die mit KWK vergleichbare Wirkungsgrade erreicht und zusätzlich dem Wärmemarkt (zentral und dezentral) zur Verfügung steht. Das Gasnetz ist der größte nationale Strom- und Wärmespeicher und verfügt außerdem über große Übertragungskapazitäten: Die Transportkapazitäten liegen im Gasnetz eine Größenordnung über der im Stromnetz. Über EE Methanisierung kann unter Beachtung der geltenden Einspeisegrenzen von 5-vol% (d.h. 1,5% energetisch) die volle Speicherkapazität el genutzt werden, mit der die Stromversorgung mit entsprechend ausgebauten Gaskraftwerken oder BHKW über 2-3 Monate zu bewerkstelligen ist. (Quellen: Specht et al, 2010; Sterner 2009; Enertrag 2009; DVGW 2011; IWES 2011) Solare Einstrahlung als Bilanzgrenze: Während die Natur etwa 1% der Solarenergie in chemische Energieträger (Biomasse, Erdgas, Erdöl) wandelt, können über die Photovoltaik (Modulwirkungsgrad 15%) samt Strom-zu-Gas -Technologie (Wirkungsgrad 60%) etwa 8 bis 10% der Solarenergie gespeichert werden und stehen dem Strom und Wärmemarkt zur Verfügung. Der Flächenertrag WiSo Gas erreicht trotz Wandlungsverlust etwa das 20-fache und mehr des Hektarertrages von NawaRo - Biogas und anderen Biomassen (WBGU, 2009; Sterner, 2010b). WiSo Gas - Technologie ist trotz mehrfacher Konversionsschritte ein wichtiger Beitrag für den Aufbau einer regenerativen Wärme und Energieversorgung insgesamt: Aus diesem Grunde kann die heutige Nutzung von WiSo - Gas im bestehenden Gas- und Wärmemarkt dazu beitragen, diese Technologie zu entwickeln, damit sie langfristig als eine wichtige Speichertechnologie genutzt werden kann. Die Technik EE Strom Wasserstoff - Methan kann Strom- und Gasnetz koppeln (bis zu einem gewissen Prozentsatz auch EE - Wasserstoff) und regenerativen Strom für Verkehr, Wärme und die Langzeitspeicherung von Strom über Wochen und Monate zur Verfügung stellen. So kann mit einem regenerativen Anlagenpark und konventionellen Gaskraftwerken bzw. vielen dezentralen KWK - Anlagen im Back-up die Wärme- und Stromversorgung vollständig erneuerbar erfolgen. WiSo Gas kann eine nachhaltige Dekarbonisierung des Wärmemarktes und des Verkehrs ermöglichen, ohne auf weitreichende Landnutzungskonkurrenzen oder Reichweitenbegrenzungen (E-KFZ) und damit verbundene Akzeptanzprobleme zu stoßen.

3 Biomasse sollte künftig lediglich aus Reststoffnutzung und ausschließlich zur Erzeugung von WiSo Gas bzw. Methanisierung verwendet werden. (Ausnahme: Wärmeerzeugung durch Restholznutzung). Dadurch werden Nutzungskonkurrenzen mit Nahrungs- und Futtermitteln und Monokulturen im Energiepflanzenanbau vermieden WiSo Gas kann mittelfristig überschüssigen EE - Strom nutzbar machen. Es kann langfristig in Kombination mit Gasspeichern, flexiblen Gaskraftwerken und BHKW als Langzeitspeicher für EE dienen und dauerhaft fossile und nukleare Kraftwerke ersetzen. WiSo Gas verursacht kaum Emissionen durch Landnutzungsänderungen, da durch diese Anlagen, einschließlich Elektrolyse und Methanisierung, nur sehr wenig Platz beansprucht wird. Überdies sind die Energieerträge pro Fläche deutlich höher als von NawaRo - Biomasse. Weiterer Aspekt: CO2-Emission-NawaRo-Strom NawaRo BGA 1 - ohne Gärrestlagerabdeckung, ohne Wirtschaftsdünger, ohne Wärmenutzung, relativ hoher Anteil Mineraldünger 2 - ohne Gärrestlagerabdeckung, ohne Wirtschaftsdünger, ohne Wärmenutzung 3 - ohne Wirtschaftsdünger, ohne Wärmenutzung 4 - ohne Wirtschaftsdünger, mit Wärmenutzung 5 - mit 60 % Rindergülle und mit 20 % Wärmenutzung*) 6 - mit 30 % Rindergülle und mit Wärmenutzung **) 7 - mit 30 % Hühnermist und mit Wärmenutzung 8 - Erdgas GuD mit Wärmenutzung Wärmenutung *) Typische BGA im nordöstlichen und östlichen Deutschland **) Jedoch: Rund 80 % BGA ohne Wärmenutzung, häufig ohne Gärrestlagerabdeckung, Biogas Messprogramm II, FNR 2010, Biogas Forum Bayern - Nr. V 3/2009; Seite 3 ff sowie eigene Berechnung Hinzu kommt: Emissionen aus direkten und indirekten Landnutzungsänderungen sind neben den Referenz -BGA weitere Faktoren in der Bilanzierung von NawaRo - Strom und wurden bis kürzlich in der THG Bilanzierung dieses Nutzungspfades nahezu gänzlich außen vorgelassen (WBGU, 2009). Methanemissionen in die Atmosphäre können durch Einsatz von WiSo Gas in Kombination mit Biogas- Einspeiseanlagen vermieden werden: Dabei ist sicherzustellen, dass im Betrieb und im Störfall keine zusätzliches Methan emittiert wird. In der WiSo Gas Kette der Methanerzeugung ist auch die Herkunft des CO 2 für die Methanisierung zu betrachten. Eine primäre CO 2 -Quelle für WiSo - Gas ergibt sich aus Kombination mit Biogasanlagen: Gasgemisch etwa 55-60%, Methan und 40-45% CO 2. Bei Aufbereitung von Biogas für das Erdgasnetz fällt als Abfallprodukt CO2 an: Das abgetrennte CO 2 kann mit einer EE - Gas Anlage in der Methanisierung genutzt werden. Durch die Biomethananlage steht eine permanente biogene CO 2 - Quelle zur

4 Verfügung. Diese Anlagenkombination und CO 2 -Quelle ist zu bevorzugen. Die zweite Möglichkeit besteht in der direkten Verwendung von Rohbiogas für die Methanisierung. Hierdurch wird eine Aufbereitung des Biogases zu Methan realisiert und gleichzeitig wird das CO 2 des Rohbiogases in Verbindung mit dem Wasserstoff zur Methanherstellung verwendet. Ein Teilschritt der Aufbereitung zu Biomethan kann somit eingespart werden. Allerdings muss das Rohbiogas vorher nach Möglichkeit ohne Lufteintrag entschwefelt werden. Da die EE - Gas Anlage in der Regel geringere Betriebsstunden als die Biogasanlage haben wird, sind ausreichende Pufferspeicher für das extra entschwefelte Biogas zu realisieren, was eine direkte Verwertung von Rohbiogas erschwert. Die wünschenswerteste CO 2 -Quelle zur Erzeugung von WiSo Gas ist die Luft selbst. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) hat mit der ersten Alpha- Anlage - 25 KW el die technische Machbarkeit unter Beweis gestellt (Specht, 2010). Anmerkung: Kurz- bis mittelfristig stellt die CO 2 Absorption aus der Luft im Vergleich zu den anderen Möglichkeiten jedoch einen erhöhten technischen und energetischen Aufwand dar, der sich in höheren Kosten niederschlägt, da eine zusätzliche CO 2 -Absorptionsanlage notwendig ist. Damit bleibt diese CO 2 Quelle vorerst eine Zukunftsoption. Langfristig kann sie aber erschlossen werden. CO 2 aus stofflichen industriellen Prozessen (Industrielles CO 2 ) scheidet in ländlichen Regionen in aller Regel aus. Im Idealfall wird überschüssiger WiSo - Strom zur Herstellung von Wasserstoff und nach Erreichen der Einspeisegrenze i.v.m. CO 2 aus einer Reststoff BGA zur Erzeugung von WiSo Methan verwendet. Anmerkung: Da bei höheren EE - Anteilen in der Stromversorgung die Klimaschutzwirkung der Rückverstromung geringer wird, gewinnen der Wärmemarkt und der Verkehr zunehmend an Bedeutung für WiSo - Gasanwendung. Gasgemisch WiSo Gas: Es steht als marktkonformes Produkt insbesondere für den Wärmemarkt zur Verfügung. Es kann zur Langzeitspeicherung für erneuerbare Energie und dezentraler Wärmeerzeugung, KWK Anlagen sowie mit abnehmender Bedeutung im Strom - Lastmanagement eingesetzt werden. Es ist überdies eine wichtige Option im Verkehrssektor. Anmerkung: EE - Wasserstoff hat gegenüber EE Methan den Vorteil, dass ein Energiewandlungsschritt eingespart wird. Der elektrische Gesamtwirkungsgrad ist dadurch um etwa 10 % Punkte höher. Die Einspeisung ins Erdgasnetz ist jedoch begrenzt (nach DVGW Norm auf etwa 1,5% energetisch). Die Umstellung auf ein Wasserstoffnetz und Wasserstofftechnik würde Milliarden kosten. EE - Wasserstoff ist kurz- bis mittelfristig nur als Zusatzgas zum Erdgas handhabbar. Ein Gasgemisch aus EE - Wasserstoff und EE - Methan lässt sich in allen drei Energiesektoren Strom, Verkehr und Wärme einsetzen. Solange der EE - Strom direkt ohne Konversionsverluste genutzt werden kann und dabei fossile Energie ersetzt und THG-Emissionen einspart, ist er direkt zu nutzen. Wärme: EE - Strom kann bis 2020 direkt in bestehenden Elektroheizungen verwendet werden. Aus ökologischer Sicht weit attraktivere Möglichkeit ist die Verwendung von Wärmepumpen: In beiden Fällen muss der Verbraucher jedoch EE - Strom beziehen. Mit elektrischen Wärmepumpen können nicht alle Segmente der Wohn Wärmenutzung bedient werden. Bei Prozesswärmeanwendungen ist es noch schwieriger. Für diese Anwendungen ist WiSo Gas eine Option. In Kopplungsanlagen (KWK) oder in einer Gaswärmepumpe ist die Anwendung effizienter als Strom - zu Gas - zu Strom in Elektroheizungen. Größtes Hemmnis in der Steigerung des EE - Anteils im Wärmemarkt sind die relativ hohen Anfangsinvestitionen in Anlagentechnik. Eine Brennwerttherme für die Nutzung von WiSO - Gas kostet bei gleicher Leistung etwa ein Drittel im Vergleich zu einer Pelletheizung oder einer elektrischen Wärmepumpe.

5 Volkswirtschaftlich liegt der ideale Einsatz von WiSo Gas im Wärmemarkt, in der GuD - KWK (solange es noch fossile Stromerzeugung gibt) oder Ausnahmsweise in Verstromung als EE - Stromquelle für Elektrowärmepumpen. Durch Umstellung der fossilen Wärmeenergieträger auf WiSo Gas werden direkt THG Emissionen eingespart. Grundlegend ist Erzeugung von WiSo Gas auch volkswirtschaftlich sinnvoll, wenn Überschüsse genutzt werden, die sonst abgeregelt werden müssten oder wenn es technisch-ökonomisch-ökologisch günstiger ist, WiSo - Gas für Wärme und Verkehr herzustellen als andere regenerative Alternativen. Wind- und Solarenergie können die Stromversorgung letztlich nur dominieren, wenn auch in Zeiten ohne Wind und Sonne Strom geliefert werden kann. Das ist ohne einen Langzeitspeicher nicht möglich. Erneuerbare Energien müssen langfristig die Verantwortung für gesicherte Energiedienstleistungen Strom, Wärme und Verkehr übernehmen. Die Strom-Gasnetz- Kopplung ist hierfür in dem erforderlichen Umfang derzeit die einzige Option mit nationaler Wertschöpfung. Wenn eine Heizungserneuerung erforderlich ist, ist standortangepasst ein Heizsystem der EE - Wärmeversorgungstechnologien (Reststoff-Biomasseheizung, Wärmepumpe, Solarthermie, KWK usw.) in Abwägung mit Wärmedämmmaßnahmen auszuwählen. Primär sollte Kohle und Öl durch WiSo - Gas ersetzt werden. Hier liegen in allen Energiesektoren (Wärme, Strom, Verkehr) unmittelbar klimawirksame Potentiale. In der Industrie wird Prozesswärme oftmals mit Erdgas bereitstellt und kann auch nicht auf andere Energiequellen umgestellt werden. Hier bietet WiSo Gas eine der wenigen Möglichkeiten, industrielle Prozesse regenerativ zu gestalten. Neben dem Wärmemarkt kann sich WiSo - Gas als wichtiger EE - Kraftstoff im Verkehrsektor etablieren. Es kann überdies die nicht nachhaltigen Biokraftstoffe ersetzen. Außerdem: Die Dekarbonisierung ist im ständig wachsenden Verkehrssektor eine immense Aufgabe. Das nachhaltige Potential der konventionellen Biokraftstoffe ist für diese Aufgabe nicht ausreichend und nicht geeignet. Zudem verursacht eine verstärkte Nutzung von Energiepflanzen Landnutzungskonkurrenzen und zusätzliche THG-Emissionen durch Landnutzungsänderungen, die zu ökologischen und sozialen Nachteilen führen. Das größte erneuerbare Potential liegt in der Windenergie und Solarenergie. Mithin sind sie für den Wärmemarkt und den Verkehr verfügbar zu machen. Besonders attraktiv macht WiSo Gas der hohe Hektarertrag ohne intensive Ackerlandbeanspruchung. Mit WiSo Gas kann eine kombinierte Energie- und Biomasse Reststoffverwertung realisiert werden. Dadurch kann in jedem Land Gas bzw. Kraftstoff aus Wind, Wasser und Luft bzw. CO 2 hergestellt werden. Die Entwicklung der Strom - zu - Gas - Technologie ist entscheidend für eine nachhaltige Energieversorgung. Im Wärmemarkt hat WiSo Gas bevorzugt die klimaschädlichsten Energieträger Kohle und Heizöl und langfristig auch Erdgas zu ersetzen. Den ersten und wichtigsten Schritt stellen jedoch Energieeinsparmaßnahmen dar. Zielwert 2050: 65 % des Niveaus Generell soll WiSo - Gas so eingesetzt werden, dass es maximale Treibhausgasminderung erzielt. Daher sind Aussagen zur Klimaschutzwirkung immer auf zeitliche Perspektiven und dem jeweils aktuellen EnergieMix zu beziehen. In Deutschland wird Kohle vorwiegend zur

6 Stromerzeugung, aber auch im Wärmemarkt eingesetzt. Entsprechend ist es ökologisch sinnvoll, WiSo - Gas in der Strom- und Wärmebereitstellung einzusetzen. Im Strommarkt erhöhen WiSo - Gas befeuerte Kraftwerke oder KWK-Anlagen in Kombination mit fluktuierenden erneuerbaren Energien den Anteil der gesicherten Leistung und verdrängen damit bestehende CO2-intensive Stromerzeugung. Die Klimaschutzwirkung von WiSo - Gas im Wärmemarkt nimmt perspektivisch im Vergleich zur Stromerzeugung zu, da die spezifischen Emissionen im StromMix durch den Ausbau erneuerbarer rückläufig wird. In dem Maße wie Kohlestrom zurücktritt, rückt ab 2020 Erdöl in Verkehr und Wärme in den Vordergrund der Emissionsspitzenreiter. Entsprechend ist es sinnvoll, WiSo - Gas am Wärmemarkt für Gasanwendungen verfügbar zu haben. Zeitgleich sind die Möglichkeiten der Wärmedämmung und andere Maßnahmen der Energieeinsparung auszuschöpfen. Gegenüber Biogas aus NawaRo hat WiSo - Gas den Vorteil, dass es die Konkurrenz um Ackerflächen zur Nahrungsmittelproduktion nicht verstärkt, sondern eine klimaeffiziente und nachhaltige Energie- und BioReststoffWirtschaft ermöglicht. Mittelfristig werden mehr elektrische Wärmepumpen in Neubauten eingesetzt, da nur ein Energieanschluss (Strom) für die Energieversorgung notwendig ist und über den Bezug von EE - Strom die geothermische Anlage auch regenerativ betrieben werden kann. Die Rolle der KWK könnte gegenüber einfachen Gasthermen bei entsprechender Förderung (Reduzierung der hohen Anfangsinvestition) durch den Bund zunehmen. Hier besteht bei gesetzlicher Gleichstellung von WiSo - Gas mit Biogas die Möglichkeit, mit einem WiSo - Gasangebot KWK Anlagen klimaneutral zu betreiben. Überdies wird der Stromeigenbedarf der BGA in aller Regel aus dem Stromnetz genommen und belastet entsprechend (nationaler StromMix) die THG Bilanz von Biogasstrom und wärme. Ein Anreiz der KWK - Anwendung in der Nutzung von WiSo Gas ist daher sehr sinnvoll. Die Rolle der KWK (auch mit WiSo Gas) ist nach heutigen Einschätzungen aufgrund sinkender Auslastung und dem Trend zu Passiv- bzw. Nullenergiehäusern langfristig rückläufig. Dennoch stellt sie in Kombination mit einem Wärmespeicher und einer stromgeführten Betriebsweise eine dezentrale Option zur Wärmeversorgung i.v.m. Stabilisierung von Stromnetzen dar. WiSo Gas hat nach derzeitigem Ermessen für erneuerbare Energien die Verantwortung für die gesicherte Leistung für Strom, Wärme und Verkehr zu übernehmen. Die Strom-Gasnetz-Kopplung mit CO 2 BioReststoffNutzung ist hierfür in dem erforderlichen Umfang derzeit die einzige Option mit durchgängig dezentraler und nationaler Wertschöpfung. Ludger Klus Leussow, 23. Dezember 2012