Diskurs 2014 Smarte Netze mit Gas und Strom. Dipl. Ing. Heinrich Busch Leiter des Forschungsclusters Smart Grids

Transkript

1 Diskurs 2014 Smarte Netze mit Gas und Strom Dipl. Ing. Heinrich Busch Leiter des Forschungsclusters Smart Grids

2 Welches Energiesystem wird denn attraktiv bleiben?...strom oder Gas? 2

3 Energiesysteme HEUTE Erdgas Erdgasspeicher HD GuD HS KKW AKW Wind MD BHKW MS BHKW Wasser Biogas ND Endverbraucher (wärmegeführt) z.b. Brennwert NS PV 3

4 Gas ist noch gefragt oder nur ein Schrecken???? 4

5 Energiesysteme ZUKUNFT- Systemgedanken entwickeln und Lösungen suchen.. Erdgas Erdgasspeicher HD GuD Lastverschiebung/Systemdienstleistung z.b. Transportverdichter HS KKW AKW Wind Biogas MD BHKW Power-to-Gas z.b. Wasserstoff, SNG MS BHKW (Biogas) Wasser ND Endverbraucher/Prosumer (wärme und stromgeführt durch intelligente Agenten) z.b. Micro-KWK NS PV 5

6 Forschungscluster Smart Grids Die Projekte im Einzelnen

7 DVGW-Projekt Smart Gas Grids

8 Ziel- und Fragestellungen Smart Gas Grid" welche Anforderungen ergeben sich für Gasnetze, aber auch für Stromnetze, aus den sich verändernden Rahmenbedingungen in der Energiewirtschaft? Wie können diese effizient erreicht werden? In welcher Weise kann das Gasnetz unterstützen kann, um eine effiziente Integration Erneuerbarer Energien sowohl in das Gas- als auch das Stromnetz, d.h. in den Verbund der Energienetze (Hybridnetze), zu ermöglichen? Ziel: Definition von effizienten Möglichkeiten (mit Schwerpunkt auf Hardware & Software) zum Umgang mit Erneuerbaren Energien, so genannte Smarte Elemente, mit denen das Gasnetz zu einem Smart Gas Grid wird. Damit kann das Gasnetz einen wichtigen Beitrag in einem zukünftigen Hybridnetz leisten und gleichzeitig seine weiterhin bestehenden etablierten Kernaufgaben, die sichere, effiziente und kostengünstige Versorgung mit Gas, erfüllen.

9 Anforderungen an die Energienetze der Zukunft Die Anforderungen an die Energienetze resultieren aus der sich verändernden Abnehmer- und Erzeugungsstruktur durch die Zunahme der Erneuerbaren Energien. Die folgenden Kernaufgaben muss das Gasnetz der Zukunft erfüllen: 1. Spartenübergreifende Netzführung: Effiziente Integration Erneuerbarer Energien in die Energienetze und Ausnutzung der jeweiligen Vorteile der Netze. 2. Einspeise-, Transport- und Speicherfähigkeit: Verringerung des Aufwands für die Integration Erneuerbarer Gase in das Gasnetz bei gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren und effizienten Netzbetriebs. 3. Einzelgerechte Gasabrechnung: Gewährleistung einer korrekten Abrechnung trotz vermehrter Einspeisung alternativer Gase mit aus technischer und wirtschaftlicher Sicht minimiertem Aufwand. 4. Informationsmanagement: Gewährleistung eines effizienten Netzverbundes, durch schnelle und zuverlässige Bereitstellung sowie Auswertung von spartenübergreifenden Informationen.

10 Smarte Elemente Aufgrund der Vielzahl von Herausforderungen und unterschiedlichen Netzkonfigurationen sowie Lösungsoptionen gibt es nicht DAS Smart Gas Grid welches allen Herausforderungen gerecht wird. Es werden Smarte Elemente benötigt für die Aufgabengruppen: Netzbetrieb: Aufrechthaltung und Verbesserung des Netzbetriebs unter den Einflüssen der zunehmenden Einspeisung alternativer Gase. Lastverschiebung: Verschiebung von positiven und negativen Lasten zwischen den Energienetzen zur verbesserten Nutzung der Erneuerbaren Energien. Energiespeicherung: Erzeugung und Einspeisung von Gas aus Erneuerbaren Energien zur Speicherung und effizienten Nutzung.

11 Handlungsempfehlungen für Smart Gas Grids

12 DVGW-Projekt Biogaspotenzialatlas

13 Ziel- und Aufgabenstellung Optimale Verknüpfung von Biogaserzeugungspotenzialen und Standorten mit der Gasnetzinfrastruktur Bemessung des nachhaltig erzeugbaren Potenzials an Biogas Strukturierung der Aufgabenstellung in einem interdisziplinären Team aus Fachleuten und Institutionen aus Landwirtschaft, Biogaswirtschaft sowie der Energie- und Wasserwirtschaft Mit dieser spartenübergreifenden Studie liegt somit erstmals eine Untersuchung vor, Biogas- und Biogasmethanproduktion noch stärker mit Nachhaltigkeitsaspekten und einer effizienten Gasnetzplanung zu verzahnen. Das bedeutet auch, Biogas stärker für ein Einspeisung als die lokale Verstromung vorzusehen.

14 Erzeugungspotenzial

15 Biomasseanteile

16 DVGW Projekt Synergieeffekte Gas- und Stromnetz Nutzung von Gasnetzen und speichern für die Integration von Strom aus Erneuerbaren Energien und zur Entlastung der Stromnetze

17 Bonn, Abschluss-Workshop Ausgangslage: Folgen und Anforderungen an die Stromversorgung durch den Ausbau von erneuerbaren Energien Erzeugung (Spitzen), Verbrauch (Senken) und Leistungsflüsse für eine exemplarische Lastsituation im Jahr 2022 Der EE-Ausbau führt phasenweise zu: Hohen netzbedingten, lokalen Überschüssen an EE-Strom (bereits heute) Hohen Leistungsflüssen vom Norden in den Süden (bereits mittelfristig) Sehr hohen dargebotsbedingten EE- Strom-Überschüssen und -Defiziten (langfristig) Quelle: (C. Neus 2012)

18 Bonn, Abschluss-Workshop Welche Rolle kann das Gasnetz für einen "virtuellen" Stromtransport spielen? Gut ausgebaute regionale und überregionale Transportleitungen in Nord-Süd-Richtung, z. B. MIDAL (Parallelleitungen DN 1000/800 max. 2 x 26 GW) OGE (Parallelleitungen DN 1100 max. 2 x 36 GW) GUD (DN 1000 max. 13 GW) TENP (Parallelleitungen DN 900/950,1.000 max. 2 x 23 GW) NETG (Parallelleitungen DN 900 max. 2 x 21 GW ) METG (Parallelleitungen DN 900/1000 max. 2 x 22 GW) Nutzung der umliegenden Gasinfrastruktur (Mittel- / Ostdeutschland, Benelux) Wasserstoffkonzentrationen: Nord-Süd-Transport nicht kritisch, zumal selbst nicht der Wasserstoff selbst weitergeleitet werden muss, sondern genügend Gas, um die Rückverstromung im Süden zeitgleich mit der Elektrolyse im Norden stattfinden kann Es gibt mehrere leistungsstarke Verbindungen von Nordwesten nach Süden für den Abtransport der eingespeisten EE-Gase!

19 Die Untersuchungen belegen topographisch günstige Konvergenz- Strukturen von Nordwesten nach Süden Bonn, Abschluss-Workshop Netzausbaubedarf gemäß dem bestätigten Netzentwicklungsplan 2012 Vorhandene Gastransportkapazitäten Gasnetztopografie geeignet für Nord-Süd- Transport In der Überschussregion Nord-West sind große Gasspeicher vorhanden Eig. Darstellung nach (Übertragungsnetzbetreiber 2012) Anbindung Osten Süden gegeben Eig. Darstellungen nach (entsog 2012) Die bestehenden Strukturen und Kapazitäten im Gasnetz eignen sich besonders für einen weiträumigen virtuellen Stromtransport von Nord- nach Südwesten ( Fallbeispiel).

20 Bonn, Abschluss-Workshop Ergebnisse In Deutschland besteht dringender und nennenswerter Bedarf für den Ausbau des Übertragungsnetzes und mittel- bis langfristig zunehmender Bedarf an großen saisonalen Speicherkapazitäten. Power-to-Gas zusammen mit dem Gasnetz kann zusätzlich zur Energiespeicherung auch zum virtuellen Stromtransport und damit zur Entlastung des Stromnetzes eingesetzt werden. Das bestehende Gasnetz bietet insbesondere bezogen auf einen weiträumigen virtuellen Stromtransport von Nord- nach Südwesten viele Synergieeffekte und mittelfristig ausreichende Kapazitäten. Ein netzentlastender Einsatz von Power-to-Gas kann Kosten durch verzögerten Netzausbau, für neue Druckluftspeicher und ggf. auch neue HGÜ-Leitungen reduzieren oder vermeiden helfen. Power-to-Gas wird primär zur Energiespeicherung aufgebaut, der zusätzliche netzentlastende Nutzen wächst quasi kostenlos mit

21 Nutzen von Smart-Grid-Konzepten unter Berücksichtigung der Power-to-Gas-Technologie G

22 Hintergrund und Ziele der Studie 22 Herausforderungen der Stromnetze Zielanteil von Erneuerbaren Energien am Strommix von 80% bis 2050 entsprechend Energiekonzept der Bundesregierung Integration hoher Mengen dezentraler Erzeugungsanlagen (DEA) mit ca. 125 GW installierter Leistung (PVA, WEA, KWK) bis 2023 Sehr hoher Ausbaubedarf in den Stromverteilungsnetzen Bedarf an Langzeitspeichern bei hohem Anteil volatiler Einspeiser Zentrale Fragestellung Projektkonsortium: Wie können Gasnetze die Stromnetze bei der Bewältigung der Herausforderungen unterstützen? Lösungsansatz Gekoppelter Betrieb von Strom- und Gasverteilungsnetzen durch Power-to-Gas-Anlagen und Lastverschiebungselemente Anwendung von Smart-Grid-Konzepten Nutzung des Gasnetzes als (Langzeit)speicher PVA: Photovoltaikanlage WEA: Windenergieanlage KWK: Kraft-Wärme-Kopplung

23 Der Bedarf an Netzintelligenz steigt 23 Einsatz von intelligenten Systemen je nach Ausbauvariante: Bedarf an Netzintelligenz Getrennte Planung (konventionell): kein Einsatz Getrennte Planung (innovativ): Ansteuerung von DEA, regelbaren Transformatoren und Lasten Gekoppelte Planung: Zusätzlich Ansteuerung von PtG und GVWA; Überwachung des Gasnetzes Funktionalitäten für das elektrische Netz: Die Ströme, Spannungen und Leistungsflüsse je Betriebsmittel werden bestimmt. Funktionalitäten auf der Gasseite: Laufende Ermittlung der Potenziale zur Lastverschiebung und H 2 -/CH 4 -Einspeisung Überwachung der H 2 -Zumischung Brennwertverfolgung (Gasabrechnung)

24 Fallbeispiel: Ergebnisse aus einem Netzabschnitt

25 Gesamtergebnis für das ländliche NS-Netz unter Berücksichtigung der Einsparungen im überlagerten MS-Netz 25 Ausgaben* EUR Ersparnis im MS-Netz PtG-Anlage (H + GVWA 2 ) + GVWA Netzausbau Markterlöse Summe Annahmen: PtG-Anlage (H 2 ) mit 150 kw el für EUR/kW el Bivalente GVWA mit 35 kw el für ca. 485 EUR/kW el Einsparung beim Ausbau des Mittelspannungsnetzes Getrennter Netzausbau Konventionell Getrennter Netzausbau Innovativ Gekoppelter Netzausbau Frei am Markt Gekoppelter Netzausbau Netzdienlich *) Barwert 2018 Netzdienlicher Anlageneinsatz verringert die maximal rückgespeiste Leistung Reduzierter Ausbaubedarf auch in überlagerten Netzebenen Gekoppelte Ausbauvariante Netzdienlich erreicht Kostenniveau des konventionellen Ausbaus

26 Schlussfolgerungen und Ausblick 26 Übergreifende Smart-Grid-Konzepte für Strom- und Gasverteilungsnetze erreichen Wirtschaftlichkeit durch Deckungsbeiträge aus Markt und Netz Kopplung der Netze auf möglichst niedriger Netzebene Investitionskosten für kleine PtG-Anlagen (H 2 ) von ca EUR/kW el (inkl. Einspeisung) Ausreichendes Zumischungspotenzial für Wasserstoff in den Gasnetzen (bis 10 Vol.-%) Weitere Schritte (neues Projekt): Reduzierung des Ausbaus im überlagerten 110-kV-Hochspannungsnetz Erschließung von neuen Sektoren für CO2-neutrales Gas (z.b. Mobilität) Speicherfunktion der PtG-Anlagen als systemischer Mehrwert, der im derzeitigen Marktdesign bislang nicht honoriert wird

27 Energiesysteme werden zukünftig in gemeinsamer Wirkungsweise zu betrachten und entwickeln sein, in smarten Netzen Strom/Gas liegen große Potenziale 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank auch an die beteiligten Forschungsnehmer, die Projektbegleitkreise für die hilfreichen Diskussionen, Anregungen und Kommentare während der Erstellung der Studien

29 Kontaktdaten 29 Dipl. Ing. Heinrich Busch Leiter Abteilung Netz Engineering Rüttenscheider Straße Essen Telefon 0201/ Mobil