Sektorkopplung: Auf dem Weg zur Dekarbonisierung des Energiesystems - Hintergründe, Ansätze, Herausforderungen

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1 Sektorkopplung: Auf dem Weg zur Dekarbonisierung des Energiesystems - Hintergründe, Ansätze, Herausforderungen Richard Hanke-Rauschenbach 1,2 1 Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES) Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme 2 Leibniz Forschungszentrum Energie 2050 (LiFE 2050) 10. Niedersächsische Energietage, 7./8. November 2017, Hannover

2 Vier (technische) Thesen zur Sektorkopplung 1. Die Sektorkopplung stellt ein wichtiges Lösungselement im Kontext der Wärme-/Verkehrswende dar. 2. Die Umsetzung der Sektorkopplung erfordert einen gleichzeitigen (!) Zubau erneuerbarer Energien. Missachtung dieses Grundsatzes führt gegenwärtig zu einer Erhöhung der CO 2 -Emissionen. 3. Die Sektorkopplung bietet unter bestimmten Voraussetzungen Flexibilitäten für den Betrieb des Stromsystems und hilft damit Speicherbedarfe zu senken. 4. Der Zubau Erneuerbarer zur Verwendung in der Sektorkopplung kommt unter bestimmten Voraussetzungen ohne Netzausbau aus. Seite 2

3 CO 2 -Emissionen nach Anwendungsbereichen (Basisjahr: 2014) Colour coding Energy carriers Oil, Natural Gas, Coal Electricity Distric heating Others Zielkorridor 2050 B. Bensmann. Energetische Untersuchungen zur Druckwasserelektrolyse im Kontext von Power-to-Gas-Anwendungen. Dissertationsschrift Universität Magdeburg, Seite 3

4 Wärmesektor: Beispiel Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Stromnetz jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 178 Mio t CO2 (24% d. CO 2 -Emiss.) 770 TWh (32% d. Endenergiebed.) Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe KWK- Anlagen Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung klass. Heizkessel Erdgasnetz Nachwachsende Rohstoffe + Nutzung bestehender Infrastr. + liefern aktuell 105 TWh (entspricht 90% des EE-Anteils) + Bedarfsgerechte Bereitstellung möglich insg. begrenztes Potential niedrige Kettenwirkungsgrade, hoher Flächenbedarf, deshalb Einhaltung Nutzungskaskade *Bezugsjahr: 2014 Seite 4

5 Wärmesektor: Beispiel Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Stromnetz jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 178 Mio t CO2 (24% d. CO 2 -Emiss.) 770 TWh (32% d. Endenergiebed.) Wärmepumpen ggf. Widerstandsheizung KWK- Anlagen Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung klass. Heizkessel Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Power-to-Heat mittels Wärmepumpenanlagen 1 kwh elekt. >3 kwh therm. mittels Widerstandsheizung 1 kwh elekt. 1 kwh therm. Erdgasnetz Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 5

6 Wärmesektor: Beispiel Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Stromnetz jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 178 Mio t CO2 (24% d. CO 2 -Emiss.) 770 TWh (32% d. Endenergiebed.) Wasser- Elektrolyse CO 2 H 2 Methanisierung CH 4 Wärmepumpen ggf. Widerstandsheizung KWK- Anlagen Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung klass. Heizkessel Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Power-to-Heat Power-to-Gas-to-Heat + Ausnutzung bestehender Infrastruktur schlechter Kettenwirkungsgrad 1 kwh el. 0,6 kwh therm. Erdgasnetz Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 6

7 Wärmesektor: Beispiel Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Stromnetz Sonne jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 178 Mio t CO2 (24% d. CO 2 -Emiss.) 770 TWh (32% d. Endenergiebed.) Wasser- Elektrolyse CO 2 H 2 CH 4 Wärmepumpen ggf. Widerstandsheizung Methanisierung Solarthermie Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Power-to-Heat Power-to-Gas-to-Heat Direkte Nutzung erneuerbarer Energie KWK- Anlagen klass. Heizkessel Erdgasnetz Nachwachsende Rohstoffe Welcher Pfad ist der Richtige? *Bezugsjahr: 2014 Seite 7

8 Mittlere CO 2 -Vermeidungskosten (in EUR/t) Welcher Pfad ist der Richtige? Gegenstand mehrerer aktueller Studien Quelle: Ecke et al. (enervis): Klimaschutz durch Sektorenkopplung Optionen, Szenarien, Kosten. März 2017 Grüne Vollelektrifizierung Grüne Elektrifizierung Kohleausstieg Grünes Gas Summarische CO 2 -Vermeidung ggü. Referenz (in Mio. t) Seite 8

9 Mobilitätssektor Stromnetz jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 185 Mio t CO2 (25% d. CO 2 -Emiss.) 720 TWh (30% d. Endenergiebed.) Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Otto/ Diesel + Nutzung bestehender Infrastr. + liefern aktuell 35 TWh (entspricht 99% des EE-Anteils) insg. begrenztes Potential niedrige Kettenwirkungsgrade, hoher Flächenbedarf Kraftstoffinfrastruktur Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 9

10 Mobilitätssektor Stromnetz BEV, PHEV Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Otto/ Diesel jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 185 Mio t CO2 (25% d. CO 2 -Emiss.) 720 TWh (30% d. Endenergiebed.) Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Batterieelektrische Mobilität (Power-to-Mobility) + sehr guter Kettenwirkungsgrad gegenwärtig häufig mit Komforteinschränkungen verbunden Kraftstoffinfrastruktur Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 10

11 Mobilitätssektor Stromnetz Brennstoffzellenantrieb Wasser- Elektrolyse H 2 BEV, PHEV Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Otto/ Diesel jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 185 Mio t CO2 (25% d. CO 2 -Emiss.) 720 TWh (30% d. Endenergiebed.) Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Batterieelektrische Mobilität Wasserstoff-Mobilität (Power-to-Gas-to-Mobility) * weniger starke Komforteinschränkungen * mäßiger Kettenwirkungsgrad Kraftstoffinfrastruktur Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 11

12 Mobilitätssektor Stromnetz CO 2 Methanisierung CH 4 Brennstoffzellenantrieb Wasser- Elektrolyse H 2 Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Erdgas- Motor BEV, PHEV Otto/ Diesel jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 185 Mio t CO2 (25% d. CO 2 -Emiss.) 720 TWh (30% d. Endenergiebed.) Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Batterieelektrische Mobilität Wasserstoff-Mobilität Synthetische Kraftstoffe (Power-to-Gas-to-Mobility Kraftstoffinfrastruktur Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 12

13 Mobilitätssektor Stromnetz CO 2 Fischer- Tropsch, etc. CO 2 Methanisierung CH 4 Kraftstoffinfrastruktur Brennstoffzellenantrieb Wasser- Elektrolyse H 2 Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Erdgas- Motor BEV, PHEV Otto/ Diesel Nachwachsende Rohstoffe jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 185 Mio t CO2 (25% d. CO 2 -Emiss.) 720 TWh (30% d. Endenergiebed.) Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Batterieelektrische Mobilität Wasserstoff-Mobilität Synthetische Kraftstoffe (Power-to-Gas-to-Mobility bzw. Power-to-Fuels-to-Mobility) + keine Komforteinschränkungen + Ausnutzung bestehender Infrastruktur geringer Kettenwirkungsgrad *Bezugsjahr: 2014 Seite 13

14 Vier (technische) Thesen zur Sektorkopplung 1. Die Sektorkopplung stellt ein wichtiges Lösungselement im Kontext der Wärme-/Verkehrswende dar. 2. Die Umsetzung der Sektorkopplung erfordert einen gleichzeitigen (!) Zubau erneuerbarer Energien. Missachtung dieses Grundsatzes führt gegenwärtig zu einer Erhöhung der CO 2 -Emissionen. 3. Die Sektorkopplung bietet unter bestimmten Voraussetzungen Flexibilitäten für den Betrieb des Stromsystems und hilft damit Speicherbedarfe zu senken. 4. Der Zubau Erneuerbarer zur Verwendung in der Sektorkopplung kommt unter bestimmten Voraussetzungen ohne Netzausbau aus. Seite 14

15 Zu These 2 Beispiel Mobilitätssektor Stromnetz Brennstoffzellenantrieb Wasser- Elektrolyse jährl. Substitutionspotential/bedarf*: 185 Mio t CO2 (25% d. CO 2 -Emiss.) 720 TWh (30% d. Endenergiebed.) CO 2 Fischer- Tropsch, etc. CO 2 Methanisierung CH 4 H 2 Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Erdgas- Motor BEV, PHEV Otto/ Diesel Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Batterieelektrische Mobilität Wasserstoff-Mobilität Synthetische Kraftstoffe Kraftstoffinfrastruktur Nachwachsende Rohstoffe *Bezugsjahr: 2014 Seite 15

16 spezif. CO2-Emmissionen in g CO2-Äqu. pro km Zu These 2 Beispiel Mobilitätssektor Emissionen Strom 600 gco2/kwh (2014) Verbrauch BEV: kwh/100 km Quelle: IFEU: Weiterentwicklung und vertiefte Analyse der Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen BEV 26 kwh BEV 80 kwh Otto Diesel Otto PHEV Seite 16

17 spezif. CO2-Minderung in t CO2-Äqu. pro MWh EE Zu These 2 Auf die Reihenfolge kommt es an! Quelle: Sternberg und Bardow: Power-to-What? Environmental assessment of energy storage systems. Energy Environ. Sci. 8 (2015), 389 Emissionen Strom 0 g CO2 /kwh (100% EE) Seite 17

18 Vier (technische) Thesen zur Sektorkopplung 1. Die Sektorkopplung stellt ein wichtiges Lösungselement im Kontext der Wärme-/Verkehrswende dar. 2. Die Umsetzung der Sektorkopplung erfordert einen gleichzeitigen (!) Zubau erneuerbarer Energien. Missachtung dieses Grundsatzes führt gegenwärtig zu einer Erhöhung der CO 2 -Emissionen. 3. Die Sektorkopplung bietet unter bestimmten Voraussetzungen Flexibilitäten für den Betrieb des Stromsystems und hilft damit Speicherbedarfe zu senken. 4. Der Zubau Erneuerbarer zur Verwendung in der Sektorkopplung kommt unter bestimmten Voraussetzungen ohne Netzausbau aus. Seite 18

19 Zu These 3 Beispiel Wärmesektor Stromnetz Wasser- Elektrolyse CO 2 H 2 Methanisierung CH 4 Sonne Wärmepumpen ggf. Widerstandsheizung Solarthermie Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Dekarbonisierungs-Optionen Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe Power-to-Heat Power-to-Gas-to-Heat Direkte Nutzung erneuerbarer Energie KWK- Anlagen klass. Heizkessel Erdgasnetz Nachwachsende Rohstoffe Seite 19

20 Zu These 3 Beispiel Wärmesektor Flexibilisierter Betrieb einer Power-to-Heat/Cold-Anlage P2H/P2C-Anlage zur Versorgung des EUREF-Campus, Berlin Gemeinsames Projekt von GASAG AG und Uni Hannover Zielsetzung: Erarbeitung Betriebsführungs- und Vermarktungskonzept, um * Lieferverpflichtungen für den Campus erfüllen * Gleichzeitig Bereitstellung von Flexibilitäten für Stromsystem Gegenwärtig: Vermarktung an Spot- und Regelleistungsmärkten Stromnetz, Handel über DA, ID, SRL Erdgas Strom Biogas 2 MW he GB 400 kw el KWK1 CHP1 20 kw el KWK3 CHP3 50 kw el KWK2 CHP2 500 kw el P2H 600 kw el P2C Wärme Kälte 420 kwh he 2x 900 kwh he bzw. 205 kwh co Wärme- /Kälte- Speicher schaltbar Seite 20

21 Vier (technische) Thesen zur Sektorkopplung 1. Die Sektorkopplung stellt ein wichtiges Lösungselement im Kontext der Wärme-/Verkehrswende dar. 2. Die Umsetzung der Sektorkopplung erfordert einen gleichzeitigen (!) Zubau erneuerbarer Energien. Missachtung dieses Grundsatzes führt gegenwärtig zu einer Erhöhung der CO 2 -Emissionen. 3. Die Sektorkopplung bietet unter bestimmten Voraussetzungen Flexibilitäten für den Betrieb des Stromsystems und hilft damit Speicherbedarfe zu senken. 4. Der Zubau Erneuerbarer zur Verwendung in der Sektorkopplung kommt unter bestimmten Voraussetzungen ohne Netzausbau aus. Seite 21

22 Zu These 4 Sektorkopplung und Netz Beispiel: Veränderung des Lastgangs im Niederspannungs-Netz Referenz: 150 Haushalte im Jahr Haushalte in 2017 Quelle: Schlömer: Planung von optimierten Niederspannungsnetzen. Dissertation U Hannover, 2017 PV-Anlagen Elektromobilität Wärmepumpen Seite 22

23 Zu These 4 Sektorkopplung und Netz Ausbaubedarf für 3 kva/ha +/- 5 kva/ha Quelle: Schlömer: Planung von optimierten Niederspannungsnetzen. Dissertation U Hannover, 2017 Seite 23

24 Zu These 4 Sektorkopplung und Netz Ausbaubedarf für 3 kva/ha +/- 5 kva/ha Neuer Trafo 630 kva regelbar 630r 630 Austausch- Trafo kva Austausch- Trafo kva regelbar 400r 250 Zusätzliche Kabelstrecke 500 m Quelle: Schlömer: Planung von optimierten Niederspannungsnetzen. Dissertation U Hannover, r Austausch- Trafo kva regelbar Austausch- Trafo kva Seite 24

25 Zu These 4 Netzdienlicher P2X-Einsatz Quelle: Ecofys, Fraunhofer IWES: Smart-Market- Design in deutschen Verteilnetzen Seite 25

26 Zu These 4 Power-to-Gas- to-forget Stromnetz Wasser- Elektrolyse CO 2 H 2 Methanisierung CH 4 Gebäudebeheizung/ Warmwasserbereitung Mobilitätssektor (Straße, Schiene, Luft, Wasser) Erdgasnetz Dekarbonisierung bestimmter Zielsektoren steht nicht unmittelbar im Vordergrund Stattdessen: * Nutzung/Auslastung bestehender Infrastruktur (Gasnetz) * Reduktion Ausbaubedarf des Stromnetzes (insb. Übertragungsnetz und hohe Spannungsebenen des Verteilnetzes) durch alternative Transport- Route Kritisch: Wirkungsgrad Zu bewerten: volkswirtschaftlicher Nutzen Seite 26

27 Zusammenfassung Vier (technische) Thesen zur Sektorkopplung 1. Die Sektorkopplung stellt ein wichtiges Lösungselement im Kontext der Wärme-/Verkehrswende dar. 2. Die Umsetzung der Sektorkopplung erfordert einen gleichzeitigen (!) Zubau erneuerbarer Energien. Missachtung dieses Grundsatzes führt gegenwärtig zu einer Erhöhung der CO 2 -Emissionen. 3. Die Sektorkopplung bietet unter bestimmten Voraussetzungen Flexibilitäten für den Betrieb des Stromsystems und hilft damit Speicherbedarfe zu senken. 4. Der Zubau Erneuerbarer zur Verwendung in der Sektorkopplung kommt unter bestimmten Voraussetzungen ohne Netzausbau aus. Seite 27

28 Zusammenfassung Vier (technische) Thesen zur Sektorkopplung Power-to-X ohne EE- Zubau ist aus CO2- Sicht kontraproduktiv 1. Die Sektorkopplung stellt ein wichtiges Lösungselement im Kontext der Wärme-/Verkehrswende dar. Flexibilitäten (Verteil-) netzdienlich nutzen 2. Die Umsetzung der Sektorkopplung erfordert einen gleichzeitigen (!) Zubau erneuerbarer Energien. Missachtung dieses Grundsatzes führt gegenwärtig zu einer Erhöhung der CO 2 -Emissionen. 3. Die Sektorkopplung bietet unter bestimmten Voraussetzungen Flexibilitäten für den Betrieb des Stromsystems und hilft damit Speicherbedarfe zu senken. 4. Der Zubau Erneuerbarer zur Verwendung in der Sektorkopplung kommt unter bestimmten Voraussetzungen ohne Netzausbau aus. Installationsreihenfolge der Power-to-X- Technologie berücksichtigen Seite 28

29 Sektorkopplung: Auf dem Weg zur Dekarbonisierung des Energiesystems - Hintergründe, Ansätze, Herausforderungen Richard Hanke-Rauschenbach 1,2 1 Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES) Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme 2 Leibniz Forschungszentrum Energie 2050 (LiFE 2050) Dank an: Boris Bensmann, Gerrit Schlömer (LUH/IfES) 10. Niedersächsische Energietage, 7./8. November 2017, Hannover

30 Sprechen Sie uns gern an! Unsere Themen Energiespeicherkonzepte und deren Geschäftsmodelle Multimodale Energiesysteme zur Bereitstellung von Flexibilitäten für das Stromsystem Wasserelektrolyse im Kontext von Power-to-Gas-Anwendungen Ihre Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Richard Hanke-Rauschenbach Institutsleiter Dr.-Ing. Astrid Bensmann Gruppenleiterin Speichersystemtechnik Dr.-Ing. Boris Bensmann Gruppenleiter Wasserelektrolyse Seite 30