Grundlagen Volkswirtschaftslehre: Schwerpunkt Umweltökonomie

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1 Grundlagen Volkswirtschaftslehre: Schwerpunkt Umweltökonomie Dr. Robert Tichler Teil III Universitätslehrgang "Energiemanagement" 1

2 Volkswirtschaftliche Bewertung von Energieträger Welche makroökonomischen Parameter bzw. welche wohlfahrtsökonomischen Parameter können für einen spezifischen Energieträger bewertet werden? 2

3 Volkswirtschaftliche Bewertung von Energieträger Beispiele für volkswirtschaftliche Parameter: Auswirkungen der heimischen Produktion, des heimischen Handels, des heimischen Transports des Energieträgers auf Beschäftigte, Investitionen, Konsum, Bruttoinlandsprodukt Wertschöpfungszufluss/-abfluss durch den Energieträger (Nettoexporte); Auswirkungen auf Leistungsbilanz Substitution anderer Energieträger Soziale Effekte; Auswirkung auf Verteilung in Volkswirtschaft Beitrag zur allgemeinen Preisentwicklung (Inflation/VPI) und deren Auswirkungen Auswirkungen auf öffentlichen Haushalt: öffentliche Einnahmen, öffentliche Ausgaben Notwendige zusätzliche Infrastrukturausgaben (z.b. Speicher, Netze) Externe Effekte: Positiver oder negativer Beitrag zur Versorgungssicherheit Ökologische Auswirkungen (v.a. Emissionen) Auswirkungen auf Gesundheit, Lebenskomfort 3

4 Diskussion: Koks? Wasserkraft? Pellets? 4

5 Primärenergieträger-Einteilung: Steinkohle Braunkohle Brenntorf Erdöl Naturgas Brennholz Biogene Brenn- und Treibstoffe Umgebungswärme Windkraft Photovoltaik Wasserkraft 5

6 Sekundärergieträger: Ist die Zuteilung der Sekundärenergieträger Elektrische Energie in erneuerbar und fossil eindeutig? Fernwärme Braunkohlebriketts Koks Welche Problemstellungen könnte es geben? Sonstiger Raffinerieeinsatz Benzin Petroleum (Kerosin) Dieselkraftstoff Gasöl für Heizzwecke (= Heizöl extraleicht, = Ofenheizöl) Heizöl (leicht, mittel, schwer) Flüssiggas (entspricht nicht LNG) Sonstige Produkte der Erdölverarbeitung Raffinerierestgas Gichtgas Kokereigas 6

7 Umwandlungseinsatz: Einsatz eines Energieträgers zur Produktion eines anderen Energieträgers. Beispiel: Der Umwandlungseinsatz von Wasserkraft erzeugt elektrische Energie Umwandlungsausstoß: Erzeugte Energie eines bestimmten Energieträgers durch einen vorgelagerten Energieträger Beispiel: Der Umwandlungsausstoß von elektrischer Energie wird durch den Umwandlungseinsatz von Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik, Steinkohle, Erdgas, erzeugt Die Transformation von Umwandlungseinsatz zu Umwandlungsausstoß bildet die Umwandlungsverluste ab. Eine eindeutige Zuordnung in den Energiebilanzen der verschiedenen Umwandlungsverluste der Energieträger beispielsweise in der Stromproduktion ist in den Energiebilanzen nicht möglich 7

8 Signifikanter Umwandlungseinsatz in Österreich: Erdöl Steinkohle Koks Gasöl für Heizzwecke Heizöl Naturgas Gichtgas Kokereigas Brennbare Abfälle Biogene Brenn- u. Treibstoffe Umgebungswärme Wasserkraft Windkraft und Photovoltaik Umwandlungseinsatz in Österreich: österreichische Wertschöpfung Welche Anlagen sind hierbei in Österreich besonders relevant? Importe von Primärenergie: Wertschöpfungsabflüsse 8

9 Zentrale Variablen: Bruttoinlandsverbrauch Energetischer Endverbrauch Zusammensetzung des Bruttoinlandsverbrauchs: Möglichkeit 1: + Inländ. Erzeugung v. Rohenergie + Importe + Lagerbestandsveränderung - Exporte = Bruttoinlandsverbrauch Problemstellung elektrische Energie: Verbrauch Bruttoinlandsverbrauch von Strom Möglichkeit 2: + Umwandlungseinsatz + nicht energetischer Verbrauch + Verbrauch des Sektors Energie + Energetischer Endverbrauch - Umwandlungsausstoß = Bruttoinlandsverbrauch 9

10 Elektrische Energie 10

11 Anteil Erneuerbare in Österreich von 2005 bis

12 Stromerzeugung in Österreich

13 Inlandstromverbrauch der letzten Monate (Datenstand: März 2016) GWh Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Netzabgabe Eigenbedarf aus Erzeugung Verbrauch für Pumpspeicherung physikalisce Exporte Quelle: E-Control 13

14 Zeitliche Entwicklung Energie in Österreich, Teil Inländ. Erzeugung v. Rohenergie Importe Lager Exporte Bruttoinlandsverbrauch TJ

15 Zeitliche Entwicklung Energie in Österreich, Teil Umwandlungseinsatz Verbrauch des Sektors Energie Nichtenergetischer Verbrauch Umwandlungsausstoß Transportverluste+Meßdifferenzen Energetischer Endverbrauch TJ

16 Sektorale Untergliederung der Energiebilanzen (vgl. Statistik Austria) Eisen- und Stahlerzeugung Chemie und Petrochemie Nicht Eisen Metalle Steine und Erden, Glas Fahrzeugbau Maschinenbau Bergbau Nahrungs- und Genussmittel, Tabak Papier und Druck Holzverarbeitung Bau Textil und Leder Sonst. Produzierender Bereich Eisenbahn Sonstiger Landverkehr Transport in Rohrfernleitungen Binnenschifffahrt Flugverkehr Öffentliche und Private Dienstleistungen Private Haushalte Landwirtschaft 16

17 Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 1) ÖNACE-Hauptsegmente der Wirtschaftssektoren (gemäß Statistik Austria) Sachgütererzeugung Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden Bauwesen Verkehr und Nachrichtenübermittlung Energie und Wasserwirtschaft Land- und Forstwirtschaft, Fischerei Handel; Rep. v. Kfz. u. Gebrauchsgütern Beherbergungs- und Gaststättenwesen Kredit- und Versicherungswesen Realitätenwesen, Unternehmensdienstleistungen Öffentliche Verwaltung, Sozialversicherung, Exterritoriale Organisationen Sonstige Dienstleistungen Privater KONSUM!!! 17

18 Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 2) Sachgütererzeugung (ÖNACE): Eisen- und Stahlerzeugung Chemie und Petrochemie Nicht Eisen Metalle Fahrzeugbau Maschinenbau Nahrungs- und Genussmittel, Tabak Papier und Druck Steine und Erden, Glas Textil und Leder Sonst. Produzierender Bereich Holzverarbeitung 18

19 Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 3) Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden (ÖNACE): Bergbau Bauwesen (ÖNACE): Bau Energie- und Wasserwirtschaft (ÖNACE): Verbrauch des Sektors Energie Land- und Forstwirtschaft, Fischerei (ÖNACE): Landwirtschaft 19

20 Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 4) Verkehr und Nachrichtenübermittlung (ÖNACE): Eisenbahn Sonstiger Landverkehr (auch privater Konsum enthalten!!!) Transport in Rohrfernleitungen Binnenschifffahrt Flugverkehr Handel; Rep. v. Kfz. u. Gebrauchsgütern; Beherbergungs- und Gaststättenwesen; Kredit- und Versicherungswesen; Realitätenwesen u. Unternehmensdienstl.; Öffentl. Verwaltung, Sozialversicherung, Exterritoriale Organisationen; sonstige Dienstleistungen (ÖNACE): Öffentliche und Private Dienstleistungen Problem private Haushalte Frage: wieso existieren diese Problemstellungen? 20

21 Zentrale Variablen in der Energiebilanz Österreich 2014 Variable TJ Inländ. Erzeugung v. Rohenergie Importe aus dem Ausland Lager Exporte ans Ausland Bruttoinlandsverbrauch Umwandlungseinsatz Umwandlungsausstoß Verbrauch des Sektors Energie Transportverluste u. Messdifferenzen Nichtenergetischer Verbrauch Energetischer Endverbrauch Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

22 Verlauf der österreichischen Energie-Nettoexporte Importe Exporte Nettoexporte TJ Bei einem durchschn. Preis von 4 Cent/kWh würde dies ca. 11 Mrd. an Wertschöpfungsabfluss durch Energienettoexporte entsprechen 22 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

23 Energetischer Endverbrauch in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger GWh = 3,6 TJ TJ Diesel elektrische Energie Naturgas biogene Brenn- u. Treibstoffe Fernwärme Benzin Brennholz Gasöl (Heizöl EL) 23 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

24 Bruttoinlandsverbrauch Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ Erdöl Naturgas biogene Brenn- u. Treibstoffe Wasserkraft Steinkohle Diesel Brennholz 24 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

25 Nicht-energetischer Verbrauch in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ sonst. Produkte der Erdölverarb. Koks Naturgas 25 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

26 Energie-Importe nach Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ Naturgas Erdöl Diesel elektrische Energie Steinkohle Koks Benzin 26 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

27 Energie-Exporte von Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ Naturgas elektrische Energie Diesel 27 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

28 Umwandlungseinsatz in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ Erdöl Wasserkraft Naturgas Steinkohle biogene Brenn- u. Treibstoffe Koks 28 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

29 Umwandlungsausstoß in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

30 Inl. Erzeugung v. Rohenergie in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger TJ biogene Brennu. Treibstoffe Wasserkraft Naturgas Brennholz Erdöl brennbare Abfälle 30 Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

31 Rechenbeispiel (altes Klausurbeispiel) In Salzburg wurden im Jahr TJ an Biogas erzeugt. 22 TJ davon entfielen auf den energetischen Endverbrauch in Salzburg (davon 11 TJ im Dienstleistungssektor, 6 TJ im Sektor Papier und Druck, 2 TJ in den privaten Haushalten, je 1 TJ in den Sektoren Steine/Erden/Glas und Holzverarbeitung), es existierte kein Import und kein Export von Biogas in Salzburg. 89 TJ wurden in Kraftwerken zu Strom umgewandelt, 48 TJ in KWK-Anlagen zu Strom und Wärme und 10 TJ zu Wärme in Heizwerken. Wie hoch war der Bruttoinlandsverbrauch von Biogas in Salzburg im Jahr 2009? 31

32 Rechenbeispiel (altes Klausurbeispiel) In Salzburg wurden im Jahr TJ an Biogas erzeugt. 22 TJ davon entfielen auf den energetischen Endverbrauch in Salzburg (davon 11 TJ im Dienstleistungssektor, 6 TJ im Sektor Papier und Druck, 2 TJ in den privaten Haushalten, je 1 TJ in den Sektoren Steine/Erden/Glas und Holzverarbeitung), es existierte kein Import und kein Export von Biogas in Salzburg. 89 TJ wurden in Kraftwerken zu Strom umgewandelt, 48 TJ in KWK-Anlagen zu Strom und Wärme und 10 TJ zu Wärme in Heizwerken. Wie hoch war der Bruttoinlandsverbrauch von Biogas in Salzburg im Jahr 2009? Ergebnis: Variante 1: (I.E.) (M) 0 - (X) 0 + (L.B.) 0 = 169 Variante 2: (UE) (N.E.) 0 + (VE) 0 + (EV) 22 (UA) 0 =

33 Rechenbeispiel In Niederösterreich wurden im Jahr TJ an Erdgas exploriert/erzeugt. Die Lagerbestandsveränderung betrug laut Statistik Austria TJ. Insgesamt wurde in NÖ eine Erdgasmenge von TJ importiert und TJ wurden exportiert. Wie hoch waren die Nettoexporte von Erdgas in Niederösterreich im Jahr 2011 in TJ? 33

34 Rechenbeispiel In Niederösterreich wurden im Jahr TJ an Erdgas exploriert/erzeugt. Die Lagerbestandsveränderung betrug laut Statistik Austria TJ. Insgesamt wurde in NÖ eine Erdgasmenge von TJ importiert und TJ wurden exportiert. Wie hoch waren die Nettoexporte von Erdgas in Niederösterreich im Jahr 2011 in TJ und wie hoch der Bruttoinlandsverbrauch? Ergebnis B.I.V. Variante 1: (I.E.) (M) (X) (L.B.) = BIV Variante 2: nicht berechenbar Ergebnis Nettoexporte: (X) (M) =

35 Nutzenergieanalyse Österreich

36 Nutzenergieanalyse Österreich 2011 neue Darstellung für Haushalte; inkl. Zuordnung Traktion zu Haushalten Raumwärme Warmwasser Kochen Kühlen und Gefrieren Großgeräte Haushalts-kleingeräte Unterhaltungselektronik Beleuchtung Sonstiges Traktion 36

37 Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen Beispiel für eine doppelte Dividende: Volkswirtschaftliche Auswirkungen der Errichtung und des Betriebs der geplanten Windparks Silventus und Munderfing Referenz: Tichler, R., Friedl, C., Schneider, F. (2010) Volkswirtschaftliche und energiepolitische Bedeutung der oberösterreichischen Zulieferunternehmen für Windkraftanlagen sowie der Errichtung neuer Windkraftparks in Oberösterreich; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH. Bruttoregionalprodukt Investitionen privater Konsum Nettoexporte BIP-Veränderung (Ø p.a., Jahr 1-5): +23,5 Mio. Veränderung CO 2 -Emissionen (Ø p.a., Jahr 1-5): t Mio Anmerkung: Die dargestellten Ergebnisse sind als Veränderungen aufgrund der Projekte in Relation zu einer Situation ohne Umsetzung der Projekte (business-as-usual-verlauf) zu betrachten. Die Finanzierung der Projekte wird durch Realisierung von Rücklagen durchgeführt.

38 Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen Beispiel für eine doppelte Dividende: Volkswirtschaftliche Auswirkungen der Umsetzung der Maßnahme Ausbau und Neubau von Wasserkraftwerken unter Bedachtnahme auf die Potentiale und 2030-Ziele [ ] Referenz: Tichler, R., Schneider, F., Steinmüller, H. [Hrsg.] (2009) Volkswirtschaftliche Analyse des Maßnahmenprogramms Energiezukunft 2030 der Oberösterreichischen Landesregierung, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH, in Kooperation mit Energy Economics Group, Technische Universität Wien; Institut für Verkehrswesen, Universität für Bodenkultur Wien.. Bruttoregionalprodukt (in Mio. ) Privater Konsum (in Mio. ) Investitionen (in Mio. ) nicht-energetische Nettoexporte (in Mio. ) BIP-Veränderung (Ø p.a., Jahr 1-15): +32,2 Mio. Veränderung CO 2 -Emissionen (Ø p.a., Jahr 1-15): t Mio Anmerkung: Die dargestellten Ergebnisse sind als Veränderungen aufgrund der Projekte in Relation zu einer Situation ohne Umsetzung der Projekte (business-as-usual-verlauf) zu betrachten.

39 Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen Beispiel für eine Reduktion von Treibhausgas-Emissionen 57 Maßnahmen zur Reduktion von CO 2 -Emissionen wurden seitens des Energieinstituts für das Land OÖ hinsichtlich CO 2 e-vermeidungskosten analysiert Davon rechnen sich monetär etwa 40% der Maßnahmen auch in der betriebswirtschaftlichen Perspektive und reduzieren dabei natürlich auch Emissionen Hinzu kommt noch die volkswirtschaftliche Relevanz der Maßnahmen (indirekte Effekte, heimische Wertschöpfung, reduzierte externe Kosten, ) Referenz: Tichler, R., Schmidthaler, M., Schwarz, Steinmüller, H. (2010) Analyse von Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen in Oberösterreich, Teil 3; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH. Viele Maßnahmen zur Emissionsreduktion beinhalten neben dem Trade-off Ökonomie- Ökologie auch eine Divergenz zwischen dem BWL- und dem VWL-Ergebnis dies gilt es vermehrt zu berücksichtigen 39 siehe

40 Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen Problemstellung Amortisationszeiträume : Die Amortisationszeiträume von erneuerbaren Energiesystemen (gemäß betriebswirtschaftlicher Perspektive) liegen großteils über den maximalen Realisierungszeiträumen von Großbetrieben/der Industrie sowie über den finanzierbaren Zeiträumen von einkommensschwachen Haushalten Referenz: Tichler, R., Schmidthaler, M., Schwarz, M, Moser, S., Goers, S., Steinmüller, H. (2010) Analyse von Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen in Oberösterreich, Teil 4; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH.. siehe Notwendigkeit neuer Finanzierungskonzepte für Industrie und einkommensschwache Haushalte 40

41 Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen Reduktion der direkten Effekte geopolitischer Krisen durch Verringerung des Einflusses des Ölpreises bei einer schrittweisen Umstellung auf erneuerbare Energieträger Rohölpreissteigerungen weisen große Auswirkungen auf die österr. Volkswirtschaft auf Auswirkungen einer Rohölpreiserhöhung auf 200 $ je Barrel im Jahr 2009 auf zentrale Variablen in der österreichischen Volkswirtschaft, ohne grundlegende strukturelle Veränderungen:. Variable Einheit Differenz des Simulationsszenarios zum business-asusual-szenario Jahr 1 Jahr 2 Jahr 3 Jahr 4 Bruttoregionalprodukt Mio (-1,3%) (-3,9%) (-2,8%) (-1,4%) Beschäftigte Personen (-0,6%) (-2,1%) (-1,4%) (-0,4%) Privater Konsum (nichtenergetischer Konsum und Energiekonsum) Mio (-0,3%) (-0,9%) -450 (-0,3%) -250 (-0,2%) 41 Referenz: Tichler, R., Schneider, F. (2008) Auswirkungen der aktuellen sowie einer prognostizierten Ölpreisentwicklung auf die oberösterreichische und österreichische Volkswirtschaft, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz.

42 Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energieund umweltpolitischen Fragestellungen Ausführliche Darstellung einer technoökonomischen Analyse einer neuen Technologie:. Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas 42

43 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Ausgewählte Projekte des Energieinstituts zum Thema Power-to-Gas EU-Projekt Store&Go - Store&Go - Innovative large-scale energy STORagE technologies AND Power-to-Gas concepts after Optimisation (Projektleitung Engler-Bunte-Institut am KIT) Power to Gas eine Systemanalyse. Markt- und Technolologiescouting und analyse Förderung des österr. Wirtschaftsministeriums (BMWFW) Auftrag des österreichischen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit): FTI-Roadmap Power-to-Gas für Österreich (im Auftrag des bmvit) Förderung durch den österr. Klima- und Energiefonds: Underground Sun.Storage (Projektleitung RAG Rohöl-Aufsuchungs AG) Förderung durch den österr. Klima- und Energiefonds: wind2hydrogen (Projektleitung OMV) Research Studios Austria (Förderung des BMWFW): Optimierung der Energieträger- Gewinnung aus Biomasse unter Einbindung von Überschussstrom ( Optfuel ) und Entwicklung eines katalytischen Prozesses zur Methanisierung von CO 2 aus industriellen Quellen ( EE-Methan aus CO 2 ) 43

44 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Umwelt- und energiepolitische Zielsetzung einer verstärkten Integration erneuerbarer Energieträger generiert neue große Herausforderungen für die europäischen Volkswirtschaften Der Anteil erneuerbarer Energien zur Bereitstellung von Elektrizität wird in den nächsten Jahren und Jahrzehnten auch bei einer potentiellen Verbrauchszunahme stark steigen. Die Primärenergieträger Windkraft und Sonnenenergie unterliegen in ihrem Aufkommen starken zeitlichen Schwankungen, einer sehr volatilen Produktion. Nutzung dieser Energieformen zur Bedarfsdeckung in Perioden mit Unterversorgung; ABER: hohe Überschüsse in Zeiten mit einem hohen Aufkommen. 44

45 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Stromproduktion in Deutschland von 2005 bis Quelle: BMU; Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland Leitszenario 2009; Reihe Umweltpolitik

46 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Einspeisung erneuerbarer Energien im Jahr 2050, basierend auf dem Wetter-Jahr Dezember Quelle: "Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen" 46

47 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Grundlegende Intention Stromüberschüsse müssen bzw. sollten aus volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten (Ressourceneffizienz) gespeichert und somit gemäß den konventionellen Energiekonzepten auch zu den Speichern (Pumpspeicher) transportiert werden enorme Investitionen in den Ausbau der europäischen Stromnetze und - speicher erforderlich Ausbau der Stromnetze - etwa für den Transport von elektrischer Energie aus Nordafrika oder aus den Speichergebieten in Skandinavien - wird mit signifikanten Eingriffen in die Topografie verbunden sein, wodurch soziodemografische Probleme zu erwarten sind. In bestimmten Segmenten des Stromnetzes sind somit dezentrale Speicher notwendig, die auch eine Langzeitspeicherung ermöglichen bzw. Systeme, die den Energietransport verlagern 47

48 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Power to Gas = Produktion von Wasserstoff H 2 aus erneuerbarer elektrischer Energie = Produktion von synthetischem Methan CH 4 aus Wasserstoff und Kohlendioxid 48 Quelle: Energieinstitut an der JKU Linz

49 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Möglichkeit der Erweiterung von Power-to-Gas um Power-to-Liquids Anmerkung: die folgende Präsentation integriert keine Power-to-Liquids Power-to-Liquids höhere Kohlenwasserstoffe: Methanol, Ethanol, DME, 49 Quelle: Energieinstitut an der JKU Linz

50 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Wirkungsgrade im System Power-to-Gas Technischer Wirkungsgrad der Produktion von Wasserstoff: 60-70% Technischer Wirkungsgrad inkl. der Produktion von Methan: 50-60% Technischer Wirkungsgrad elektrische Energie: 20-30% (Rückverstromung von synthetischem Methan) Verbesserung durch Abwärmenutzung und Nutzung von O 2 aus der Elektrolyse Systemischer Wirkungsgrad: +100%??? Ist für die Frage der Weiterentwicklung des Energiesystems der technische oder der systemische Wirkungsgrad anzusetzen? 50

51 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Die Elektrolyse stellt in einem Power to Gas System die Koppelung zwischen elektrischer und chemischer Energie dar. PEM (Proton Exchange Membrane)-Elektrolyse: von den drei im Detail betrachteten Elektrolysetechnologien (PEMEC, AEC und SOEC) die derzeit am stärksten entwickelnde Technologie (größten Potentiale, meisten F&E- Aktivitäten) PEM-Elektrolyse weist wichtige Vorteile auf: höhere Kompaktheit / höhere Dynamik / hohe Flexibilität des Gesamtsystems In bestimmten Anwendungsfällen kann aber auch die AEC (alkalische Elektrolyse) für Power to Gas Anwendungen vorteilhaft sein. Effizienz- und kostenmäßig werden sich diese beiden Technologien mittelfristig auf ähnlichem Niveau finden. Die Hochtemperaturelektrolyse (SOEC - Solid Oxide Electrolysis) befindet sich generell noch im Entwicklungsstadium, in dem v.a. materialwissenschaftliche Probleme gelöst werden müssen. 51

52 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Forschungsbedarf Elektrolyse Kostenreduktion, Lebenszeiterhöhung und optimierte Betriebsführung als materialwissenschaftliche sowie regel- und steuerungstechnische Entwicklungen Elektrolyseentwicklung und Verkauf konzentrieren sich vor allem auf den europäischen (Deutschland, Frankreich) und auf den nordamerikanischen (Kanada, USA) Raum. In Österreich können v.a. kurzfristige Entwicklungsziele betreffend der Steuerung und Anlagenauslegung mit Pilotanlagen basierend auf momentan verfügbarer Technologie umgesetzt werden In Österreich wird derzeit keine direkte Elektrolyse-Stack-Forschung (Materialforschung) der beiden kommerziell eingesetzten Elektrolysetechnologien betrieben. Im Gegensatz dazu wird die SOEC-Entwicklung in Österreich aktiv vorangetrieben. 52

53 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Kosten der kommerziell verfügbaren Elektrolysetechnologien in Abhängigkeit der Anlagengröße Quelle: Koppe (2014) in Steinmüller, Tichler, Reiter et al. (2014) 53

54 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Technologien zur Methanisierung Technische Daten CO 2 Methanisierung CO Methanisierung Biologische Methanisierung Chemische Reaktion CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Katalysatoren Ni (Ru, Ir, Rh, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag) Mikroorganismen Betriebsdruck 6-8 bar bar 1-3 bar Temperatur C C C Effizienz % % % Entwicklungsstand Demonstration Kommerziell Labormaßstab CO Methanisierung seit Jahrzehnten industriell z.b. zur Herstellung von synthetischem Erdgas aus Kohle eingesetzt Adaption der CO Methanisierung für die Nutzung von CO 2 im System Power-to-Gas notwendig Biologische Methanisierung derzeit im Pilotmaßstab realisiert Vorteil hoher Flexibilität und Robustheit gegenüber Verunreinigungen Methanisierung ist ein weiterer wesentlicher, jedoch optionaler Verfahrensschritt innerhalb des PtG-Konzeptes 54

55 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Power-to-Gas Pilotanlagen in Deutschland 55

56 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Einsatz im Energiesystem: 1. Bereitstellung eines Langzeitspeichers für elektrische Energie verbessertes Management der stark volatilen Stromproduktion (wie Windkraft oder Photovoltaik) 2. Verlagerung des Energietransportes vom Stromnetz zum Gasnetz - Nutzung der großen Transport- und Speicherkapazitäten des vorhandenen Gasnetzes und damit verbundene geringere Intensität des Stromnetzausbaus 3. Anhebung des Anteils erneuerbarer Energieträger in den Sektoren Verkehr und Industrie durch Nutzung von Wasserstoff oder synthetischem Methan aus erneuerbaren Quellen ( Greening ) 4. Schaffung von autarken Energielösungen in topografisch schwierigen und abgelegenen Regionen für alle relevanten Energiesegmente: Strom, Wärme und Verkehr 5. Verwertung des Rohstoffes Kohlendioxid durch Bindung von CO 2 im synthetischen Methan CCU (Carbon Capture and Utilization) 56

57 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas Vielzahl an Anwendungsfeldern für Power-to-Gas Anlagen: (zufällige Reihung) a) Speicherung elektrischer Energie b) Substitution von Stromleitungen c) Entlastung des Lastmanagements von Stromnetzen d) Substitution von alternativen Speichersystemen mit hohen topografischen Eingriffen e) Erhöhte Energieproduktion volatiler erneuerbarer Energieträger f) Herstellung eines zusätzlichen erneuerbaren Produktes g) CCU: Verwertung des Rohstoffes /des Nebenproduktes Kohlendioxid g) Erhöhte Auslastung der Gasinfrastruktur h) Reduktion von CO 2 -Zertifikaten i) Optimierung des Strombezugs j) Erschließung neuer entlegener Gebiete mit hohem Stromerzeugungspotential k) Bereitstellung eines autarken Energiesystems l) Aufreinigung anderer Gase (Biogas, Kohlegase) 57

58 Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas H 2 -Toleranz der unterschiedlichen Komponenten in der Erdgasinfrastruktur 58 Quelle: Eigene Darstellung nach Müller-Syring, G., Henel, M., Köppel, W., Mlaker, H., Sterner, M., Höcher, T. (2013) Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan in das Erdgasnetz. DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, Bonn.

59 Mag. Dr. Robert Tichler Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz Altenberger Straße 69, 4040 Linz