Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V

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1 Strategierat Wirtschaft Wissenschaft Zukunftsfeld Energie Workshop Regenerative Energien Speicher Netze Stralsund, Strategierat - Zukunftsfeld Energie Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V Prof. Dr. Thomas Luschtinetz Institut für Regenerative EnergieSysteme IRES Fachhochschule Stralsund understanding reality facing challenges creating future

2 Strategierat - Zukunftsfeld Energie Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V - Nutzung regenerativer Energien in D / M-V - Problemfeld fluktuierende (Strom-)Einspeisung und zugehörige Lösungsansätze - Energiespeicher für Strom / Wärme / Kraftstoffe - internationale und nationale Schwerpunkte bei ptx - Erfahrungen der Verbundforschung / Ausblick understanding reality facing challenges creating future

3 Institut für Regenerative EnergieSysteme - IRES ires 1993 Komplexlabor Alternative Energien (KAE) als fachbereichsübergreifendes Labor der Fachbereiche Maschinenbau / Elektrotechnik gegründet (Führung im Anschluss an den Workshop...) 2009 Institut für Regenerative EnergieSysteme IRES Erweiterung des KAE auf mehr als 30 Prof. und wissenschaftliche Mitarbeiter der FH Stralsund und ihre Labore - Zusammenarbeit in Lehre in Forschung - nationale und internationale Vernetzung understanding reality facing challenges creating future

4 Wind Wasserstoff Kette an der FH Stralsund seit kw 20 kw -Elektrolyseur ires 780 kwh / 200 Nm 3 10 kw El. E. H 2 H 2 BHKW Isoll Iist U T p V Reinheit Isol in A, I ist in A, U in V, T in C Zeit in s p in bar, V in Nm³/h, Rein in % Heizkessel BZ understanding reality facing challenges creating future

5 IRES-Forschungsschwerpunkte ires Neue Materialien + Fertigungstechnologien Leichtbau / 3D-Verformung Nutzung von Bioenergie Intell. Steuerung von Biogasanlagen Charakterisierung von Biomasse Nutzung von solarer Strahlungsenergie Solarthermie- und Solarrinnenanlagen, solares Kühlen Nutzung der Windenergie Klein-WKA / Blitzschutz Wasserstofftechnologie und Brennstoffzellen Brennstoffzellensysteme zur Stromversorgung (PEM / SOFC) Mischgas-BHKW Automatisierung und Modellierung von Energiesystemen BZ- und Hybridkraftwerksmodellierung / Modulkraftwerke Elektromobilität * ThaiGer-H 2 -Racing Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit understanding reality facing challenges creating future

6 Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V Strategierat - Zukunftsfeld Energie 1 Nutzung regenerativer Energien in D / M-V understanding reality facing challenges creating future

7 Anteil erneuerbarer Energien an der Endenergiebereitstellung in Deutschland Quelle: Strategierat - Zukunftsfeld Energie understanding reality facing challenges creating future

8 Quantitative Ziele der Energiewende in D Strategierat - Zukunftsfeld Energie understanding reality facing challenges creating future

9 Erneuerbare Energien in M-V Jahresbedarf / Erzeugung / davon regenerativ Wärme (2009): GWh therm GWh therm GWh therm (4 %) Strategierat - Zukunftsfeld Energie Kraftstoffe: (26%) Elektroenergie: GWh el / GWh el / GWh el (61 %) M-V 2013 Anlagenbestand: /1.200 MW peak / MW peak 511 / 273 MW Ausbau: + 78% + 8% + 6% Anlagen + 89 WEA +32 Anlagen Einspeisung: 853,5 GWh GWh GWh Biogas Gwh tota l vgl. Statistik M-V Nr. 55/ StatA MV Agentur für erneuerbare Energien - understanding reality facing challenges creating future

10 Strategierat - Zukunftsfeld Energie Ziele / Potenzial (2020) und Stand (2009) reg. Strom- und Wärmeerzeugung in M-V understanding reality facing challenges creating future

11 Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V Strategierat - Zukunftsfeld Energie 2 Problemfeld fluktuierende (Strom-) Einspeisung und zugehörige Lösungsansätze understanding reality facing challenges creating future

12 Problemstellung Integration der Windenergie in die Energieversorgung Strategierat - Zukunftsfeld Energie Regelleistung Nuclear Kohle Wasserkraft Erdgas Weitere GW 10% GW 120 Onshore 2007 Onshore 2020 Offshore 2030 (Ostsee) Konventionelle Kraftwerke in D Jährliche durchschnittl. Energieerzeugung = % der installierten Windkapazität Offshore 2030 (Nordsee) BDEW 2007 understanding reality facing challenges creating future

13 Integration der Erneuerbaren Energien BMU 2010 Gradient Strategierat - Zukunftsfeld Energie Fluktuierende Quellen: Windstrom + PV Maßnahmen zur Integration: Netzausbau Flaute Flexibilisierung der konventionellen + regenerativen Kraftwerke + Übernahme von Netzdienstleistungen Lastmanagement / Smart Grid Beitrag E-Mobilität Energiespeicher February 2008 understanding reality facing challenges creating future

14 Flexibilisierung der konventionellen Kraftwerke Juliwoche 2010 Strategierat - Zukunftsfeld Energie BEE 2020 Leistungsreserve für Mittel- und Spitzenlast ist stark zu erweitern (15 min Fahrplan) - Pumpspeicherkraftw. / Gaskraftw. / Kohlekraftw.: 2h-warm/ 8h-kalt - Reserveleistung für Windflauten Wasserkraft in D + Alpenraum + Norwegen (Trassenproblematik) / Biomassenutzung Grundlastkraftwerke werden überflüssig! V. Quaschning, Sonne, Wind & Wärme 2010 / BEE 2009 understanding reality facing challenges creating future

15 Lastmanagement / Smart Grid Strategierat - Zukunftsfeld Energie u.a. bidirektionales Netz Lastmanagement auf Kundenseite tagesabhängige Tarife verlagerbare Nachfrage - Haushalte (max. 4 GW) - Kühlhäuser - E-Mobilität (1 Mill. PKW = ca. 10 GWh) usf. Mitnahme der Bevölkerung möglich! understanding reality facing challenges creating future

16 Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V Strategierat - Zukunftsfeld Energie 3 Energiespeicher für Strom / Wärme / Kraftstoffe understanding reality facing challenges creating future

17 Speicherung von regenerativem Strom Strategierat - Zukunftsfeld Energie Situation ohne Energiespeicher teures Netz (für Starkwind) wird im Mittel nur zu 30% genutzt kostenintensive Schattenkraftwerke durch geringe Volllast-h Netzdynamik führt zu vorzeitigem Anlagenverschleiß Ziele Speicherung möglichst am fluktuierenden Erzeuger Prognosesicherheit / Spitzenbedarf / Tagesgang / Langzeitspeicher Speicherung mit Zusatzeffekten z.b. für grüne Mobilität u.a. nachhaltige Kreisprozesse Übernahme von Stabilisierungsfunktionen für das Netz understanding reality facing challenges creating future

18 Notwendigkeit von Speichern im Stromnetz Ergebnisse der VDE-Studie 2012 (Gesamtbilanzierung) Speichertechnologien für reg. Einspeisung 80% EE (2050) - Kurzzeitspeicher 14 GW / 70 GWh (5h) und - Langzeitspeicher 18 GW / 7,5 TWh (17 Tage) sowie - 1 % EE Abregelung (0,4 TWh/a) erforderlich, Kosten: KSp: 0,8 Mrd. LSp: 2,2 Mrd. ohne EE Abregelung ist Verdoppelung der Speicher notw. Vergleiche: Pumpspeicherkraftwerke in D 2010: 7,2 GW / 48 GWh Regelleistung D 2009: 7 GW Energieumsatz LZSp: 16 TWh = 2% NG-Umsatz (850 TWh/a) 100% EE (Opt.) - Kurzzeitspeicher x 2,5 - Langzeitspeicher x 3,5 - Speicherkosten: 12 Mrd. /a - Stromgestehungskosten: + 19% understanding reality facing challenges creating future

19 Speicherbedarf und -größen Speichertechnologien für reg. Einspeisung understanding reality facing challenges creating future

20 Goldisthal Energiespeichertechnologien im Vergleich Bedarf bei 80%EE: KSp: 14 GW / 70.ooo MWh LSp: 18 GW / ooo MWh Speichertechnologien für reg. Einspeisung Speicherung der Elektroenergie mit Wirkungsgraden - Kavernen-Druckluft-Gasturbinenkraftwerk (CAES) Huntorf: 0,3*10 6 m 3 / 60-70% / 600 MWh - Wasser-Pumpspeicherkraftwerk ( MWh in ZE mgl.) Goldisthal: 80% / MWh -1 Mill. E-PKW (2020) mit je 50 kwh, 20% verfügbar / 90% / MWh Kavernenspeicher für Wasserstoff (70% x 50%) 100 bar / 0,3*10 6 m 3 / 35% / 27.ooo MWh - Kavernenspeicher für Erdgas aus H2 (70% x 70% x 50%) 100 bar / 0,3*10 6 m 3 / 25% / 64.ooo MWh F. Crotogino 2008 understanding reality facing challenges creating future

21 Energieinhalt im Vergleich E.ON Innovation Center Energy Storage Dr. Andrei Zschocke, REGWA Stralsund, Schiff, t Steinkohle, 540 GWh el Zeit, über die ein 800 MW Kraftwerk versorgt werden kann 35 d Erdgasspeicher: 260 GWh 17 d Wasserstoffspeicher: 84 GWh 5 d PSP Waldeck: total 4,3 GWh 6 h CAES Huntorf 0,9 GWh 1,4 h Annahmen: - für Wasserstoff- bzw. Erdgasspeicher kleines Kavernenvolumen von m 3 (= Huntorf), - Wirkungsgrad Erzeugung: 0,6 21 René Schoof, E.ON Gas Storage GmbH

22 Energiespeichertechnologien im Vergleich Kosten in Cent je kwh (ausgespeichert) Kosten für Kosten für lfd. Speicherpfad Investition/en Energiebezug*** Power to Gas Status und Potenziale Kavernenspeicher - für Wasserstoff 15** + 10 ct / kwh H2 für Mobilität (Elektrolyse) 2x/30d 25 10* + 20 ct / kwh ausgesp. Strom - für SNG aus H2 (7**+Sab) + 14 ct / kwh SNG Erdgasnetz (Elektrolyse + Sabatier) + 28 ct / kwh ausgesp. Strom * VDE-Studie, Kleimaier 2009, heute 10Jahre ** NOW-Studie, Januar 2013, Zielpreis H2: 25 ct / kwh ohne UST Vergleichswerte 2012: Benzin: 18 ct/ kwh Erdgas: 3 / 6 ct / kwh ***Höchstpreis Elektrolysestrom bzw. Windstrom: 7 ct / kwh understanding reality facing challenges creating future

23 Investitionen für verschiedene Auslegungen eines Wasserstoffspeicherkreises Strategierat - Zukunftsfeld Energie Klassischer Windpark Grundlastorientierte Rückverstr. Spitzenlastorientierte Rückverstromung Wasserstoff-Produktion Reconversion Storage Electrolyser Other install. Grid Wind turbine Lehmann / Miege / Sponholz, FH Stralsund 2006 understanding reality facing challenges creating future

24 Hybridkraftwerk der ENERTRAG AG Minimierter H2-Speicherkreis + H2-Produktion für Mobilität Windprognose Windeinspeisung Wasserstoff-Speicher Strategierat - Zukunftsfeld Energie ENERTRAG AG / FH Dr. Stralsund Schicke 2009 / 2011 understanding reality facing challenges creating future

25 Szenario für MV aus NOW-Studie (Jan. 2013) Power to Gas Status und Potenziale Wasserstoffspeichersystem MW Elektrolyseur - mit einem Wasserstoff-Zielpreis von 10 / kg 270 MW GUD-Kraftwerk in einem Korridor mit Kostendeckung 4000 t H2-Kavernenanlage in den Marktsegmenten Kraftstoff + Trailersystem Strom wirtschaftlich betreibbar understanding reality facing challenges creating future

26 Methanisierung in power to-gas nachhaltige CO 2 -Quellen und ihre Nutzung Power to Gas Status und Potenziale Erschließung von CO 2 -Quellen: Umgebungsluft, Biomasse und Reststoffe, (foss. Kraftwerke)... Vollständige Überführung von Biomasse-C in CH 4 durch H 2 -Einsatz (thermochemisch, anaerobe Konversion...) Nutzung der Speicherfähigkeit der Biomasse - Dynamisierung der Biomassenutzung insb. der wärmegeführten stromgef. KWK-Anlagen (2 GW / 2000 h- Überstromband in 2030 durch Bio-KWK in Norddeutschland lt. NOW-Studie Januar 2013) understanding reality facing challenges creating future

27 Power to Gas Status und Potenziale understanding reality facing challenges creating future M. Specht, ZSW: Flexiblere Nutzung erneuerbarer Ressourcen Power-to-X, , Berlin

28 Energieinhalt der Oxidationsstufen von Methan Power to Gas Status und Potenziale understanding reality facing challenges creating future

29 Überblick zu Speichertechniken Quelle: Prof. Sterner, TH Regensburg 2013 Ausspeicherzeit Strategierat - Zukunftsfeld Energie ThaiGer Supercaps H kwh FH Stralsund WEMAG 5 MWh Lubmin CH 4 /H 2 - Kaverne Norw. PSp Speicher- kapazität understanding reality facing challenges creating future

30 Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V Strategierat - Zukunftsfeld Energie 4 Nationale und Internationale Schwerpunkte bei ptx understanding reality facing challenges creating future

31 Power to Gas Status und Potenziale (2013) - i.d.r. Windstrom - teilw. Rückverstromung PtG-Kapazität 2013: 11 MW Elektrolyseleistung m 3 H 2 /h = 7,5 MW chem 350 m 3 CH 4 /h = 3,5 MW chem Ziel 2022: MW = 1 GW understanding reality facing challenges creating future

32 Wirkungsgradkette Power-to-Gas Power to Gas Status und Potenziale understanding reality facing challenges creating future

33 Power to Gas Status und Potenziale Nutzung von Wasserstoff und Methan im Verkehr CNG Nutzung z.t. problemlos (Thailand) Übergangstechnologie zu Wasserstoff? H 2 -BZ-Fahrzeuge: In 2013 fünf weltweite Entw.-konsortien der Hersteller Honda Clairity (200) seit 2007 Hyundai FC-iX35: 2013 Skandinavien (keine Steuer) 2015 >10.000/Jahr H 2 -Infrastruktur Skandinavian Hydrogen Highway Partnership CEP-/NOW-Tankstellennetz 700/350bar in D understanding reality facing challenges creating future

34 H2 in Südkorea Stationäre BZ-KW / Posco Energy Ptx und 20. WHEC MW in 17 MCFC-Kraftwerken mit max. 60 MW (2014) durch Regierungsvorgaben/Einspeisevergütung Erwarteter Zubau 100 MW/Jahr bis 2020 (MCFC/PAFC) POSCO-MCFC: Stack mit 3,5 Jahren Laufzeit Hybrid-MCFC-Kraftwerke: Gasturbinen / ORC / CO2-Capture understanding reality facing challenges creating future

35 20. WHEC 2014 Gwangju / Südkorea Aktuelle Entwicklungen Ptx und 20. WHEC Nationale Ziele u.a. Schweden, Norwegen... - H2-Speicherung: LOHC (J-Kawasaki, D), NH3 (J-Hiroshima), LH2 und CHG (Linde), MHydrid - BZ: HTPEM (DPS Dänem.) / AFC (AFC Energy GB) - Infrastruktur: H2-Netz (Jap) versus Einspeisung und Methanisierung - Insellösungen: Korea (Jesu), Canada (Neufundland) - vgl. Utsira understanding reality facing challenges creating future

36 Chiyoda Corp./ LOHC-storage (6,2% weight H 2 ) vgl. Carbazol-Aktivitäten in D / Nürnberg, Teterow, Peenem. H 2 T - Wasserstofftechnologie understanding reality facing challenges creating future

37 Ptx und 20. WHEC 2014 understanding reality facing challenges creating future

38 Integration regenerativer Einspeiser Stand und Perspektiven in M-V Strategierat - Zukunftsfeld Energie 5 Erfahrungen der Energie-Verbundforschung & Ausblick understanding reality facing challenges creating future

39 Beispiel Verbundforschung Kompakte innovative Stromerzeugung aus Propan und Bioethanol mit SOFC-Hochtemperaturbrennstoffzellen ( ) Strategierat - Zukunftsfeld Energie Projektleitung / Mitarbeiter: Dr. rer. nat. U. Fischer, Prof. Th. Luschtinetz, Prof. B. Steffenhagen, Bsc. Andre Deibel Dipl.-Ing. Ingo Wendlandt Batteriemanagement, Systemmodellierung und Optimierung eines 500 W-SOFC- Stromversorgungsaggregats Finanzierung: Landesverbundforschung MV, 330 T Kooperationspartner: New enerday GmbH, Neubrandenburg; Leibniz-Institut für Katalyse LIKAT, Rostock understanding reality facing challenges creating future

40 Forschungsgroßgeräte im IRES (DFG / MV) Strategierat - Zukunftsfeld Energie 2010: SOFC-Systementwicklungsprüfstand, 320 T (enerday Neubr.) 2011: Versuchs-Adsorptionskälteanlage 10 kw inkl. reg. Wärmebereitstellung ( 120 T 2011: H2-Erdgas-Mischgas-BHKW mit Gasnalyse Fa. Emerson für Abgas BHKW + Brenngase BHKW /SOFC, 180 T understanding reality facing challenges creating future

41 Modulkraftwerk zur Versorgung von Gewerbestandorten auf Basis erneuerbarer Energien ( ) Projektleitung / Mitarbeiter: Dr. rer. nat. U. Fischer, Prof. Th. Luschtinetz, Prof. B. Steffenhagen, Bsc. Christian Kolbe Strategierat - Zukunftsfeld Energie Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines kompakten grund- und spitzenlastfähigen Modulkraftwerks, welches dezentrale Standorte in netzfernen Gebieten bedarfsgerecht mit Energie versorgt... Entwicklung des Energiemanagement-Systems und der Steuerung des Modulkraftwerkes Aufbau eines Energiecontainers zur Systemerprobung und optimierung, Finanzierung: Landesverbundforschung MV, 320 T Kooperationspartner: Hydyne GmbH, Schwerin understanding reality facing challenges creating future

42 Erprobung und Optimierung des Modulkraftwerks bei der Vorsorgung eines Firmenstandortes ohne Netzanschluss Strategierat - Zukunftsfeld Energie understanding reality facing challenges creating future

43 Ausblick / Chancen für M-V Strategierat - Zukunftsfeld Energie Nachhaltige Bewältigung der Energiewende mit vertretbaren Kosten Grundlagenforschung Identifizierung wirtschaftl. + nachhaltiger Energie-/ Stoffkreisläufe Angewandte Forschung / Verbundforschung, u.a. Fortführung Netzstudie (Netzforum) Forschungscluster Netzstabilität Speichereinsatz Windenergie u.a. mit Speicherstudie / Windparks als Kraftwerke / Biomassenutzung Wiss. Begleitung der Realisierung von Kurz- und Langzeitspeichern u.a. WEMAG / Energieknoten Lubmin / Peenemünde Zusammenführung von Überstromnutzung, Wärme- + Mobilitätsbedarf u.a. H2-/E-Tankstellen in MV (Anbindung CEP-Netz + Skand.) modularisierte Hybridlösungen für netzferne Standorte / Inseln Studium / Ausbildung IRES.biz - Institute Institut of für Renewable Regenerative Energy EnergieSysteme Systems Energie-Forschungs- und Lehrcluster / Grad.-kolleg M-V understanding reality facing challenges creating future

44 Strategierat Wirtschaft Wissenschaft Zukunftsfeld Energie Derzeitige Projektvorschläge (Sept. 2014) im Forschungscluster Netzstabilität Speichereinsatz Windenergie (September 2014) Workshop Regenerative Energien Netze Speicher, FH Stralsund,

45 Strategierat Wirtschaft Wissenschaft Zukunftsfeld Energie Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontaktdaten: Prof. Dr.-Ing. Thomas Luschtinetz Fachhochschule Stralsund / IRES Zur Schwedenschanze 15, Stralsund Fon: / Mobil: Fax: / Thomas.Luschtinetz@fh-stralsund.de Workshop Regenerative Energien Netze Speicher, FH Stralsund,

46 Anhang Strategierat - Zukunftsfeld Energie understanding reality facing challenges creating future

47 Strategierat - Zukunftsfeld Energie understanding reality facing challenges creating future

48 Strategierat - Zukunftsfeld Energie understanding reality facing challenges creating future