Power-to-Gas als Energiespeicher
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- Dieter Kappel
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1 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende 45. Woche der Erzeuger und Vermarkter Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien Bayerischer Bauernverband Dienstag, 17. November 2015, 13:00 Uhr Herrsching am Ammersee Martin Thema, M.Sc. B.Eng. Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Fakultät Elektro- und Informationstechnik Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg Bildquellen: Sterner/Stadler/Springer, Sustainx.com, Wikipedia.org, Iwb.ch, Poppware.de, Stadtwerke-herne.de,
2 Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl Derzeit ca. 40 Mitarbeiter und Studenten Lehre und Forschung im Bereich Integration erneuerbarer Energien (Energiespeicher, Power-to-Gas, Energieverteilung und Energiepolitik) Ingenieurbüro Thema Partnerschaftsgemeinschaft Solektrik Beratung, Planung, Umsetzung Technische Betriebsführung Photovoltaik, Gutachten Energetische Sanierung LED-Beleuchtung martin.thema(at)solektrik.de Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 2
3 Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 3
4 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 4
5 Energiespeicher Nachhaltig wirtschaftende Organismen brauchen Energiespeicher Vorratshaltung für schlechte Zeiten Anpassung an schwankendes Angebot (kurzzeitig/saisonal) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 5
6 Verkehr: Irene beim Tanken Welches el. Leistungsäquivalent liegt beim Tanken an? Irene kontrolliert gerade einen Leistungsfluss von 16 MW: Energieinhalt Benzin: Durchflussmenge: 9 kwh/l = 32 MJ/l 0,5 l/s Elektrisches Äquivalent von 5 großen Windkraftanlagen 3x Elektrisches Äquivalent von Haushalten (á 500 W Mittelwert)! ~ 3 x Herrsching am Ammersee Quelle: nach C. Hoffmann - Siemens, 2011 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 6
7 Overpopulation & Overconsumption Oil spill fire, Deepwater Horizon, 2010 (thegueardian.com) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 7
8 Overpopulation & Overconsumption (theguardian.com) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 8
9 Klimawandel natürlich vs. menschengemacht CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende Energiesysteme 1/3 Strom 1/3 Wärme 1/3 Verkehr 190 Landnutzung (Land- und Forstwirtschaft, Abfall) Jahrtausende vor Heute Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 9
10 Lebensraum in Gefahr auch in Bayern Notwendigkeit der Energiewende Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 10
11 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 11
12 Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 12
13 Ende des fossilen Zeitalters Energieversorgung back to the roots? Energieeffizienz Wind Solar Verbrauch Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse Zeit oberirdisch regenerativ unterirdisch fossil oberirdisch regenerativ vereinfachte Darstellung aller fossilen Quellen Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 13
14 Wind & PV werden zu Leitgrößen Technologie und Markt müssen danach ausgerichtet werden Einspeisung im Mai: Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: % EE-Anteil Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 14
15 Residuallast EE-Ausbau allein reicht nicht aus Szenario: 80 % erneuerbare Energien zu viel EE zu wenig EE Quelle: VDE ETG (2012) Energiespeicher für die Energiewende;, Energietechnische Gesellschaft im VDE. Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie Frankfurt und am Main Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 15
16 Gesicherte Leistung installierte Leistung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 16
17 Optionen zur techn. Versorgungssicherheit Ende des Strom-Schlaraffenlandes? Versorgungssicherheit im sich wandelnden Energieversorgungssystemen technisch Versorgungssicherheit ökonomischstrategisch Auch im 100 % erneuerbaren System weiterhin gegeben Netze (räumlicher Ausgleich) Flexible Erzeugung Lastmanagement (flexible Nachfrage) Bildquellen: Schnellmotor.de vdi.de Otto.de Pro-smartmetering.de wikipedia.org Energiespeicher (zeitlicher Ausgleich) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 17
18 Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 18
19 Vergleich Energiespeicher Einordnung in die Speicherlandschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 19
20 Vorsicht vor Äpfeln und Birnen! Beim Vergleich verschiedener Energiespeicher Energie = Energie aber mechanische Energie chem. E. el. E. thermische Energie ~ 111 ml Benzin ~ 100 l Erdgas (Normvolumen) ~ 500 g Rohbraunkohle ~ 100 g Steinkohle ~ 31 kg Blei-Säure Batterie ~ 6,6 kg Li-Ionen Batterie Bildquellen: pixabay.de, putzlowitsch.de Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 20
21 Das Power-to-Gas-Konzept Analogie zum natürlichen Kohlenstoffkreislauf Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1 % Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 21
22 Das Power-to-Gas-Konzept In Analogie zum natürlichen Kohlenstoffkreislauf Wirkungsgrade Wasserstoff-Pfad: % Methan-Pfad: % Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 22
23 Potentiale von Power-to-Gas/chem. Speicherung Mit ca. 230 TWh ausreichend Gasspeicherkapazität sind vorhanden Deutsches Gas-Fernleitungsnetz Gasspeicher in Deutschland 60 GW Gaskraftwerke: 3 Monate Versorgung sichern (gesicherte Leistung, Ablösung AKW & Kohlekraft) Quelle: Fernleitungsnetzbetreiber Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 23
24 Bildquelle: Sterner/Stadler Energiespeicher, Das Konzept Power-to-Gas: Vorhandene Technik Einspeichern Speichern Ausspeichern Alkalische Elektrolyse (AEL) Membran-Elektrolyse (PEMEL) Hochtemperatur- Elektrolyse (HTES) Methanisierung (chem./biolog.) Gasnetz Ehem. Gas-/Öl-Lagerstätten (Poren- und Kavernenspeicher) Oberirdische Gasspeicher Brennstoffzelle Gasturbine, GuD, BHKW Gasheizung, Gaswärmepumpe, Kältemaschinen Verbrennungsmotor (Mobilität, Luft-/Schifffahrt) Stoffliche Nutzung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 24
25 Technischer Fortschritt bei Power-to-Gas Wirkungsgrad, Kosten, Einsatzbereich Erwartete Wirkungsgradsteigerung (H 2 /CH 4 ) von heute ca. 66/59 % auf 80/78 % im Jahr 2050 Für wirtschaftlichen Betrieb notwendige Strombezugskosten zunächst negativ, ab 2025 Einpendeln um ca. 5 ct/kwh Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 25
26 Potentiale von Power-to-Gas Kostenentwicklung, Kostenvergleich mit anderen Speichern Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 26
27 Potentiale von Power-to-Gas PtG von der Idee zur Umsetzung: Projekte, Akteure, Entwicklung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 27
28 Power-to-Gas Archaea-Bakterien oder Sabatier-Prozess MicrobEnergy, Schwandorf (275 kw) ZAE, Stuttgart (400 kw) Audi E-Gas, Werlte (6 MW) Bildquelle: Viessmann/MicrobEnergy, Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 28
29 Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 29
30 Strom-, Wärme- und Verkehrswende+Effizienz Deutschlands Ziele bis 2050 Beginn des erneuerbaren Zeitalters Darstellung auf Basis der BMU Langfristszenarien (Nitsch et al., 2012) und BMU Erneuerbare Energien 2010 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 30
31 Fazit: Speicherproblem gelöst? Power-to-Gas Technologie-Reifegrad P Technik vorhanden. Und jetzt? Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 32
32 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Martin Thema, M.Sc. B.Eng. Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik Postfach Raum S Regensburg Telefon: +49 (0) Mobil: +49 (0) martin.thema(at)oth-regensburg.de martin.thema(at)solektrik.de ISBN: , 750 S. Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 33
33 Wir brauchen PtG für die Energiewende Vergleich der Stromsystemkosten mit und ohne Elektrolyseuren/PtG Quelle: FENES, Energy Brainpool: Greenpeace Energy, Windgas-Studie (2015) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 34
34 Stromüberschüsse in Deutschland Speicherbedarf Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 35
35 Erneuerbare drängen auf den Markt Merit-Order der Kraftwerkseinsatzplanung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 36
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