Wasserstoff als zukünftiger Energieträger

Transkript

1 Wasserstoff als zukünftiger Energieträger Dr. Jürgen Lenz, DVGW Hannover, 29.August 2013

2 Ambitionierte Ausbaupläne bis 2020: - Ca 40 bis 50% des Stromes soll regenerativ erzeugt werden - d.h. bei den bekannten Verfügbarkeiten wird die installierte Leistung für Windenergie und PV auf über MW ansteigen

3 Energiewende: Nur eine Stromwende? Energiewende beinhaltet bisher starken Ausbau der Fotovoltaik und der Windkraft Kapazitäten höher als Leistungsbedarf Strom (ca.70 GW) Bisher kein zusammenhängendes Konzept zur Integration der erneuerbaren Energien im Sinne einer nachhaltigen und stabilen Energieversorgung

4 Aktuelle politische EE-Ausbauziele der Bundesländer (I): In 2020 soll doppelt soviel Leistung wie notwendig installiert sein Quelle: DENA

5 Design der Stromversorgungsnetze Ursprüngliches Design der Stromnetze: - nicht für große Transitstrecken geeignet durch relativ hohe Verluste bei Wechselstrom - Design für Kapazitätsausgleich, da in der Vergangenheit statistisch alle 50 Km eine Einspeisung/Kraftwerk bereitstand - klare hierarchische Orientierung von Höchst- zur Niederspannung Integration regenerativer Energien(i.w. PV u. Wind): - große Transportstrecken - Einspeisung auch auf der untersten Spannungsebenen

6 Weder Strom noch H2 noch Erdgas können alleine die Energiewende leisten Der Verbund dieser Energieträger wird erhebliche Beiträge zur Flexibilisierung, Stabilisierung und Bezahlbarkeit beitragen müssen

7 Die Rolle des Gases in einem zukünftigen Energieversorgungssystem - Power to Gas. Kernenergie Strom Gas Erdgas CO2-Abtrennung Kohle Erneuerbare Energien, Wind Wasserstoff GuD-Kraftwerke Biogas -Gülle, NAWARO -Biomasse, Holz Synthetisches Gas (z.b. aus Kohle mit CO2-Abtrennung Kraft- Wärme- Kopplung Nutzung von elektrischer Energie und Wärme

8 Ausbau der Stromnetze als Lösung? -nur wenn die Kapazität der regenerativen Energien kleiner als Gesamtbedarf besteht eine Chance Leistungen im In- und Ausland zu verschieben -bei Leistungen oberhalb des Gesamtbedarfs ist Speicherung unumgänglich

9 Erst durch das Gasnetz kann der gesamte regenerative Strom genutzt werden. Installierte ( ) und verfügbare Leistung der Erneuerbaren (Wind & PV) Netzausbau Loadmanagement 4 3 Verteilungsfunktion der Erzeugungsleistung 2 5 Netzkapazität Absatzkurve Rechteck = Jahresarbeit 1. Strombedarf 2. Loadmanagement kommt an Grenzen 3. Grenzen des Netzausbaus 4. Überproduktion: Abschaltung von EE- Anlagen 1 5. Glättung der Spitzen = vollständige Nutzung des regenerativen Stroms Verfügbarkeit in Stunden pro Jahr 8760

10 Entscheidend ist der Aufbau von Energiespeichern. Die Speicherung von chemischer Energie weist die größten Potenziale auf. Discharge time [h] Quelle: Forschungszentrum Jülich CAES: PHS: H 2, SNG: Compressed Air Energy Storage (Druckluftspeicherkraftwerk) Pumped Hydro Storage (Pumpspeicherwerk) Wasserstoff, Synthetic Natural Gas (Die Untertage-Ausspeicherung beinhaltet die Rückverstromung in Gas- und Dampfkraftwerken)

11 Nutzung des regenerativen Stromüberschusses nach dem Exergie-Gebot Nutzung solange wie möglich im Stromnetz Wasserstoff-Elektrolyse und - Direktnutzung wo möglich(eta ca.80%) - Einspeisung in Gasnetz Bei Limitationen Methanisierung (20 % Konversionsverlust) Die Methanisierung ist eine wichtig Stufe zur Erzeugung für Methan als Rohstoff, z.b. für die chemische Industrie

12 Die Integration der erneuerbaren Energien in die Energiesysteme erfordert Parallelstrukturen. Zentrale Kraftwerke Dezentrale KWK-Systeme Speicher Stromkonversionssysteme, z.b. Elektrolyse

13 Power to Gas Demonstrationsprojekte

14 Schnittpunkte Transportnetz Erdgas und Strom. Erdgasspeicher Erdgastransportnetz > 60 bar Stromnetz 220 kv Stromnetz 380 kv

15 Für das Thema Wasserstoff bringt der DVGW beste Voraussetzungen mit: Weiterentwicklung der Regelwerke o heute 5% Zumischung o Verdoppelung bei den meisten Netzkonstellationen unkritisch o Forschungsinstitute untersuchen weitere Verschiebungen nach oben Netzkenntnisse o wieviel Wasserstoff kann eingebracht werden o an welchen Stellen, insbesodere Transitleitungen Systemkenntnisse o wieviel Wasserstoff kann in Speichern zwischengelagert werden zur Ausspeisung in der windarmen Phase

16 H2- technische Hinweise Heizwert Brennwert MJ/m3 H2 10,783 12,745 Methan 35,863 39,819 H2 : flüssig bei -252 C - : hoher Kompressionsaufwand - : hohe Diffusion, geringe Viskosität - : Wobbe-Index vergleichbar Erdgas - : Hydrierung C des Stahles(T+)> Gasturbinen

17 Elektrolyse als Kerntechnologie zur Wasserstoffproduktion aus Windstromspitzen bekannte Technologie, wirtschaftlich auf Flexibilität zu optimieren an wenigen strategischen Netzpositionen zu bauen sehr viel günstiger als Stromnetzausbau für Spitzenlast bei Nutzung einer vorhandenen Infrastruktur sehr große Speicherkapazität sehr hoher Wirkungsgrad bei Rückverstromung über stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung mit Abwärmenutzung beseitigt Limitationen für den Ausbau regenerativer Stromquellen

18 Wasserstoff-Konzentration im Gasnetz Zusammenstellung Erfahrungswerte Ost-D, Koksgas, Chemie-Industrie 2 % Grenze für alte CNG-Tanks in Bearbeitung, auch mit externen Instituten Testgebiet Versorgungsgebiet in Nord-D mit systematischer Variation der H2-Konzentration Messtechnik, inbes. Gaschromatografen weitere Materialtests Test Porenspeicher für H2 Verhalten Gasturbinen aber auch: Aufbau speziellen Know-hows für die Methanisierung an den DVGW-Instituten

19 H2 ist der erste Schritt zur Nutzung von P2G H2 kann mit exergetischem Vorteil direkt genutzt werden -regionale Versorgungssysteme für die Chemieindustrie/ Raffinerien, etc Für H2 sind lokale Anwendungen ohne Leitungsinfrastruktur,z.B. H2 für Tankstellen direkt aus dem Stromnetz.

20 H2 wird aufgrund seiner Reaktivität für die Nutzung von CO2-Strömen(Industrie,Kraftwerke,Biogasanlagen,etc) bedeutsam. Methanisierungreaktion über 80% Wirk.grad Beispiele: - Anlage Audi für A3:Methan aus H2 u.co2 - Pilotanlage für (Braun)Kohle Kraftwerk - etc.

21 Weitere Optionen bieten sich an: Über die Wasserstoff-Technologie werden Kohlekraftwerke sauber - CCS wird überflüssig! Nutzung des CO2 aus diskreten Quellen (Biogasanlagen, Zement, Braunkohleverstromung, ) zur Methanisierung von Wasserstoff zu einem synthetischen Methan (synth. Erdgas) Einspeisung in die Gasnetze CCU: Macht CCS überflüssig

22 Was kostet P2G? -Investition für Elektrolyse bzw Methanisierung ist der kleinere Teil -Fahrweise-für Spitze oder für Band -Bepreisung Strom -Bewertung der Speicherfunktion P2G und Rückverstromung müssen gemeinsam betrachtet werden

23 -H2 kann in Kavernenspeichern zu 100% gespeichert werden.dies eröffnet weitere Möglichkeiten des Verbundes -Allerdings ist eine eigene H2-Infrastruktur flächendeckend wirtschaftlich schwierig. -Daher Öffnung der Gasnetze für die Aufnahme von H2 (Konzentrationsgrenzen)

24 Energienetze Jürgen Lenz Folie 24

25 Energiewende: Preisdifferenz der Energieträger 50 ct/kwh Photovoltaik: ct/kwh Wind: 9 17 ct/kwh Biogas: 8 ct/kwh Öl: 2,5 ct/kwh Gas: 2 ct/kwh Frack-Gas: < 1 ct/kwh Regenerativ Fossil

26 Erdgas als Stromspeicher -flexible Rückverstromung ist Bestandteil der Integration der regenerativen Energiequellen -Speicherkapazitäten erforderlich, unabhängig von der Form der Bereitstellung des regenerativen Brennstoffes(CH4 oder H2) -entscheidend ist die Effizienz der Rückverstromung (elektrischer Wirkungsgrad,Abwärmenutzung)

27 Weitere Projekte, I Smart Grids - eine Lösung in der Region? Kann PV-Energie über die Trafos auf die höhere Spannungsebene transformiert werden und damit regional abgeglichen werden? Kann der regionale Abgleich über das Gasnetz erreicht werden? Gemeinschaftsprojekt DVGW VDE / ETG Projektpartner: RWTH Aachen, Bergische Universität Wuppertal DVGW

28 Die Entwicklung der Energieträger und damit des H2 wird weniger in ihren angestammten Anwendungsgebieten stattfinden. Die großen Entwicklungspotentiale ergeben sich aus dem Systemverbund

29 Back up

30 Energieversorgungsstrukturen verändern sich. Vielzahl regenerierbarer Quellen Vielzahl neuer Applikationen politische Vorbehalte, Subventionstatbestände Volatilität nimmt deutlich zu Rückgang Wärmemarkt Bei fossilen Energienträgern, insbesondere bei Gas, durch unkonventionelle Gase (USA), kein Engpass Technologieschübe

31 Weitere Optionen bieten sich an: Über die Wasserstoff- Technologie werden Kohlekraftwerke sauber - CCS wird überflüssig! Nutzung des CO2 aus Kohleverstromung zur Methanisierung von Wasserstoff zu einem synthetischen Methan (synth. Erdgas) Einspeisung in die Gasnetze Macht CCS überflüssig

32 Rückverstromung über -GuD s -Gasturbinen KW -Dezentrale KWK-Systeme mit intelligenter Abwärmenutzung

33 Die politische Zielrichtung aus den Meseberg- Beschlüssen ist weiterhin die Leitlinie: Gaszentralheizung Strom + Wärme Strom Einfamilienhaus Wärmeversorgung zentralisieren BHKW Stromversorgung dezentralisieren Kraftwerk Je dezentraler die Stromerzeugung, umso höher die Chance der Abwärmenutzung

34 Die Gebäudedämmung ist ein zentraler Bestandteil der Energieeinsparstrategie mit erheblichen Kosten. Die gleichen CO2-Ziele können über Technologien erreicht werden. Bei geringeren Kosten. Programme zur Isolation des Gebäudebestandes werden weiter entwickelt Aufwand bis zu 60 Mrd. Euro pro Jahr bis 2050 aber: o Mit Gaskraftwerken wird Abwärme nicht genutzt o Bei dezentraler KWK wird Abwärme genutzt o Direkte Korrelation zum Aufwand für Dämmung

35 Die Struktur des Energiebedarfs in Haushalten ist (noch) stark vom Wärmebedarf geprägt. 2% 5% Raumwärme 2% 1%1% Beleuchtung 9% 2% Elektrogeräte IuK-Geräte Kraft Sonstige Warmwasser Kochen 78% Quelle: Prognos AG 2007 Quelle: Prognos 2007

36 Das Fortschreiben gesetzlicher Vorgaben indiziert eine weitere Senkung des Energiebedarfs in den Gebäuden. Quelle: BEE 2009

37 Heizwärmebedarf in Gebäuden: Eine Hebelwirkung stellt sich nur über den Gebäudebestand ein Heizwärmebedarf von EFH in kwh/m 2 a bis % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Anteil der Wohnfläche Quelle: BMVBS 2007

38 Der Wettbewerb der Systeme nimmt zu. Gas muss darin seine neue Position finden. Strom- Wärmepumpen werden mit immer höheren regenerativen Anteilen im Strom bzw. besseren elektrischen Wirkungsgraden der Stromerzeugung interessanter Die Lösung heißt: Kraft-Wärme-Kopplung mit hohen el. Wirkungsgraden PLUS intelligente Nuztung der Abwärme PLUS regenerative Anteile im Feedstock

39 Daraus ergeben sich die Anforderungen an die zukünftige Kraft-Wärme-Kopplung: stromgeführte Fahrweise zur Ausregelung der regenerativen Stromquellen, Integration in Smart grid- Systeme intelligente Abwärmenutzung mit Substitution heutiger Stromanwendungen Stromerzeugung mit vergleichbarem elektrischen Wirkungsgraden wie Gaskraftwerke

40 Potenziale der Wärmenutzung aus der KWK Erdgas Motor, Generator Strom Export Biogas, H2 400 C Speicher Eigenbedarf Kälte/Eisschrank Stromgut- schrift Kühlung <100 C Höchste Primärenergieeffizienz, Bedarfsgerechte Stromproduktion. Speicher Waschmaschine Spülmaschine Brauchwasser Heizung

41 Elektr. Wirkungsgrade von BHKW-Anlagen Heutige Situation 50 Eta el. in % Eta el. in % Dieselmotor Pel. in kw Pel. in kw Erdgas, Magermotor Erdgas, 3 Wege-Kat Potenzial: Zukünftige Erdgas-BHKW werden etwa die elektr. Wirkungsgrade heutiger Diesel-Anlagen erreichen! (Quelle: Herstellerangaben)

42 Brennstoffzellen stehen für einen Systemwechsel bei Prozessen der Energiewandlung. Im Gegensatz zu anderen Prozessen mit physikalischen Limitationen (Carnot-Prozess) nutzen Sie einen elektrochemischen Prozess ohne diese Limitationen. Deswegen erreichen Sie sehr hohe Wirkungsgrade.

43 Brennstoffzelle: Hohe Wirkungsgrade bei SOFC-Technologie Quelle: CFCL Heinsberg 43

44 Beispiel: SOFC-Technologie im 2kW-Bereich. Fortschritte durch Vereinfachung. Power Management System Flue Incl waste heat recovery Fuel Cell Module Gas cleaning Airblower Water treatment Quelle: CFCL Heinsberg 44

45 Optimierung Isolationsaufwand vs Systemtechnik Forschungszentrum Jülich hat ein Szenario bis 2050 entwickelt mit verstärktem Einsatz der KWK aber ohne optimierte Abwärmenuzung Mit Modelika wurden für verschiedene Gebäudetypen die aus der KWK-Abwärmenutzung korrespondierenden Isolationsdicken ermittelt.

46 Das wirtschaftliche Potenzial von Gastechnologien, II Kumuliert für den Zeitraum ( gegenüber Trend) Energiekonzept ES 0 Innovationsoffensive Gas IS 0 Innovationsoffensive Gas IS 3 Mehrinvestitionen 187,9 Mrd. 72,7 Mrd. 99,7 Mrd. -> Heizungen im Bestand -/- 69,3 Mrd. 69,3 Mrd. -> Heizungen im Neubau -/- 3,4 Mrd. 3,4 Mrd. -> Wärmedämmungen im Bestand 185,3 Mrd. -/- 27,0 Mrd. -> Wärmedämmungen im Neubau 2,6 Mrd. -/- -/- Energiekosten -113,8 Mrd. - 44,1 Mrd. - 54,9 Mrd. Erlöse KWK-Gutschrift - 1,4 Mrd. 25,4 Mrd. 25,4 Mrd. Nettomehrkosten 75,5 Mrd. 3,2 Mrd. 19,4 Mrd. CO 2 -Emissionen (KWK-Gutschrift*) Mio. tco Mio. tco Mio. tco 2 Spezifische Vermeidungskosten 120 /tco 2 Quelle: Institut für Energie- und Klimaforschung - Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE), Prof. Hake 6 /tco 2 *) Kraftwerk-Mix nach EWI/GWS/Prognos /tco 2

47 Die Integration erneuerbarer Energien in unsere Energieversorgung gelingt nur über einen systemischen Ansatz! Makroebene: Primärenergie, Nutzungspfade Netzebene: Smart Grids Wärmemarkt, HuK: Wärme- und Systemintegration

48 Über Smart Grid Systeme wird die Vernetzung der verschiedenen Teilbereiche der Energieversorgung realisiert. aktiver Teil zur Ausbalancierung der Energieversorgung einer Region (Dispatching-Center) Vielzahl vermaschter Regelkreise KWK mit Stromführung und guter Modulierbarkeit ersetzt einen Teil der sonst notwendigen Stromspeicher virtuelle Kraftwerke

49 Der Energieträger Gas ist der Problemlöser. Gas... entlasted die Stromnetze verfügt über die notwendigen Speicherkapazitäten ermöglicht den weiteren Ausbau regenerativer Energien ermöglicht über die Kraft-Wärme-Kopplung ein Maximum an Energieeffizienz ermöglicht eine drastische Reduktion des Aufwandes zur Gebäudesanierung (bei gleichen CO2-Minderungszielen) ist Träger einer stabilen Energieversorgung

50 Ausblick: -P2G: -Pilotprojekte,Flex-Fahrweise,Kostendegression -Grenzwerte H2 -Optimierung Methan-Synthese(Sabatier) -Dezentrale KWK -optimale KWK für Gebäudetyp -Klimatisierung,weitere Subst. Stromapplikationen -Architektur smart grid zur Integration KWK u. regenerative Energien

51 Ausblick: -Masterplan auf Basis dynamischer Simulation Wind u. PV für optimale Planung der - Strom-u. Gasnetze,Elektrolysestandorte,etc - erforderlichen Rückverstomungskapazität - Abschätzung Anteil KWK - Abschätzung Abwärme für HuK-Markt - Abschätzung Ersatz heutiger Stromapplikat. - Frage:Grenzen des Ausbaus Wind u. PV

52 Back up

53 Struktur in Österreich nicht vergleichbar: -bereits über 60 % regenerative Stromerzeugung mit hoher Verfügbarkeit und Regelbarkeit aber -Ausbau Windenenergie Ost-West-Kapazitäten -Volatilität der deutschen Stromversorgung wird nicht an der Grenze enden = Chance und Risiko

54 Power-to-Gas: Die Elemente. Erdgasspeicher sind aufgrund ihrer Dimension in der Lage das enorme Speicherproblem der regenerativen E-Quellen zu bewältigen Elektrolyse mit Wirkungsgrad von +80% Rückverstromung mit hocheffizienten KWK-Systemen mit elektrischem Wirkungsgrad von bis zu 60% Bei Nutzung der Abwärme ist die Gesamtenergie-Effizienz kaum zu übertreffen. Gleichzeitig können Isolationsaufwendungen für Gebäude bestand erheblich reduziert werden.

55 Modell eines Einspeiseprofils 201? aus Erneuerbaren Energien in das Stromnetz. MW Erneuerbare Energien führen zu einer Verlagerung von einer nachfrage- zu einer anbietergesteuerten Versorgungsstruktur. Mit den vorhandenen Netzstrukturen ist dies nicht möglich. Daher ist der Aufbau von Energiespeichern zwingend notwendig 70'000 60'000 50'000 40'000 30'000 20'000 10'000 0 PV Wind-Onshore Wind-Offshore h Quelle: Prognos AG

56 Elektrolyse als Kerntechnologie zur Wasserstoffproduktion aus Windstromspitzen bekannte Technologie, wirtschaftlich auf Flexibilität zu optimieren an wenigen strategischen Netzpositionen zu bauen sehr viel günstiger als Stromnetzausbau für Spitzenlast bei Nutzung einer vorhandenen Infrastruktur sehr große Speicherkapazität sehr hoher Wirkungsgrad bei Rückverstromung über stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung mit Abwärmenutzung beseitigt Limitationen für den Ausbau regenerativer Stromquellen

57 Die Konsequenzen liegen auf der Hand: Schnelle Effizienzgewinne durch Ersatz der ältesten Kessel im Gebäudebestand mit dem höchsten spezifischen Wärmebedarf Bedarfsrückgang für Gas in diesem Sektor Überlegungen des Rückbaus der Gasversorgung

58 Aufnahmekapazitäten des Erdgasnetzes für Wasserstoff - einige Abschätzungen wurden durch das Erdgasleitungsnetz ca TWh Energie verteilt (im Stromnetz ca. 580 TWh) Aufnahmekapazität des Erdgasnetzes für verschiedene Szenarien 100% des Windenergieertrages (ca. 27 TWh/a) des Jahres 2009 würden einen mittl. Wasserstoffanteil von 7,8 Vol.-% im Erdgasleitungsnetz ergeben 20 % des Windenergieertrages (ca. 15 TWh/a) aus dem IEKP Ziel 2020 als angenommener Überschussstrom würden einen mittl. Wasserstoffanteil von 4 Vol.-% im Erdgasleitungsnetz ergeben

59 Konvergenz der Netze auf der Verteilerebene Energieverbund, insbesondere über Kraftwärmekopplung verstärkter Einsatz von Gas für Stromproduktion Gas als Flexibilitätselement zum Ausgleich fluktuierender Stromquellen Überschussproduktion Strom wird in die nächste Spannungsebene gespeist Spielregeln müssen definiert werden!

60 KWK-Anlagen-auch kleinere-erreichen Wirkungsgrade der Stromkonversion wie Großanlagen Die Abwärme kann bei dezentraler Strom- Produktion insbesondere im Gebäudebestand zur Verringerung des Isolationsaufwandes beitragen. Ergebnisse für verschiedene Gebäudetypen Liegen vor

61 Elektr. Wirkungsgrade von BHKW-Anlagen Heutige Situation 50 Eta el. in % Eta el. in % Dieselmotor Pel. in kw Pel. in kw Erdgas, Magermotor Erdgas, 3 Wege-Kat Potenzial: Zukünftige Erdgas-BHKW werden etwa die elektr. Wirkungsgrade heutiger Diesel-Anlagen erreichen! (Quelle: Herstellerangaben)

62 Gas (Erdgas, Biogas, Wasserstoff, synthetisches Methan) ist ein wesentlicher Bestandteil eines zukünftigen Energiesystems. Die 4 Kernelemente sind: 1. Biogas als grundlastfähige regenerative Energie 2. Aufnahme und Speicherung von Wasserstoff / syn. Methan im Gasnetz zur Stabilisierung der Stromnetze 3. Stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit hoher Effizienz zur Ausregelung von Windenergie und Photovoltaik 4. Intelligente Nutzung der Abwärme aus dezentraler KWK zur Reduzierung des Isolationsaufwandes von Gebäuden und zur Substitution von Stromapplikationen zur Wärmeproduktion

63 Die Einspeisung fluktuierender Strommengen nimmt erheblich zu. Dies wird sich weiter fortsetzen. Quelle: DENA Vortrag auf dem EVU Gipfel 2010 in Heiligendamm

64 Ausblick: -Masterplan auf Basis dynamischer Simulation Wind u. PV für optimale Planung der - Strom-u. Gasnetze,Elektrolysestandorte,etc - erforderlichen Rückverstomungskapazität - Abschätzung Anteil KWK - Abschätzung Abwärme für HuK-Markt - Abschätzung Ersatz heutiger Stromapplikat. - Frage:Grenzen des Ausbaus Wind u. PV

65 Wettbewerb der Systeme: -Strom-WP mit immer höheren regenerativen Anteilen bzw elektr. Wirkungsgraden der GuD s +Wärme aus Umwelt -KWK-Anlagen mit hohem elektrischer Konversion +intelligenter Abwärmenutzung + regenerative Anteile im Feedstock

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67 Aktuelle politische EE-Ausbauziele der Bundesländer (I): In 2020 soll doppelt soviel Leistung wie notwendig installiert sein Quelle: DENA

68 Weiterentwicklung bei der Elektrolyse Transfer einer Technologie von der Anwendung in der chemischen Industrie in die Energiewirtschaft Steigerung von Wirkungsgrad und Flexibilität verschiedene Systeme (Alkali, PEM,etc) Kostendegression 2000 <500 Euro/KW Reversierbarkeit