Gasspeicher- Technologie und Herausforderungen

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1 Gasspeicher- Technologie und Herausforderungen Lüneburg, Leuphana Energieforum 2012 Andreas Acht DEEP. Underground Engineering Bad Zwischenahn Underground Engineering Gliederung 1 Vorstellung Unternehmen DEEP./ KBB UT 2 Motivation 3 Gründe für die Energiespeicherung 4 Untertägige Speicheroptionen für Gas 5 Kavernenspeicherung 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen 7 Pilotprojekte 8 Zusammenfassung 2

2 1 Vorstellung Unternehmen DEEP./ KBB UT Aufteilung der Kompetenzen DEEP. Bad Zwischenahn KBB UT Hannover Bohrtechnik Anlagenbau Labore Geologie Soltechnik Komplettierung Reservoir Eng. Gebirgsmechanik Thermodynamik Neue Technologien/F&E Kernkompetenz: Engineering/Planung/Bauaufsicht für Erdgas- bzw. Erdölkavernen 3 1 Vorstellung Unternehmen DEEP./ KBB UT Firmenstruktur DEEP. Underground Engineering GmbH KBB Underground Technologies GmbH Büro: Betrieb: Projekte: 81 Mitarbeiter 44 Mitarbeiter Büro: 37 Mitarbeiter Betrieb: 15 Mitarbeiter Projekte: Deutschland Frankreich Großbritannien Indien Niederlande Österreich Türkei Deutschland Dänemark Georgien Großbritannien Portugal Thailand Türkei 4

3 2 Motivation Fragen, die geklärt werden: Warum brauchen wir zukünftig große Energiespeicher? Wie lässt sich Gas im großen Maßstab speichern? Was sind Salzkavernen? Warum eignen sich Salzkavernen besonders zur Speicherung von erneuerbaren Energien? 5 3 Gründe für die Energiespeicherung Prognostizierte Versorgung mit Primärenergie heute 6

4 3 Gründe für die Energiespeicherung Umbau der Energiewandlung Primärenergiequellen Energieträger Elektrizität Primär- Energie- Quelle Leistung vs. Zeit heute: Speicher Umwandlung in el. Leistung Leistung vs. Zeit Speicher Speicherung primärer Energieträger vor Umwandlung in Nutzenergie (el. Strom) Netzlast 7 3 Gründe für die Energiespeicherung Umbau der Energiewandlung Primärenergiequellen Energieträger Elektrizität Primär- Energie- Quelle Leistung vs. Zeit Speicher Umwandlung in el. Leistung Leistung vs. Zeit Speicher Netzlast heute: Speicherung primärer Energieträger vor Umwandlung in Nutzenergie (el. Strom)? Speicherung der primären Energieträger nicht möglich zukünftig? Speicherung nach der Umwandlung! zukünftig? Umwandlung in gasförmige Energieträger Methan oder Wasserstoff ( Windgas ) 8

5 3 Gründe für die Energiespeicherung Vergleich heutiger Speicherkapazitäten Erdgasspeicher in Deutschland ca GWh in deutschen Erdgasspeichern Beginn der Kavernenspeicherung in den 1960er heute 17 Standorte mit insgesamt 196 Kavernen Kapazität: >20% des Jahresverbrauchs geplanter Ausbau 132 Kavernen ca. 40 GWh in Pumpspeicherkraftwerken Ausbaupotential in Deutschland: weitere 40 GWh Tagesverbrauch an elektrischer Energie in Deutschland: ca GWh 9 4 Untertägige Speicheroptionen für Gas Salzkavernen Aquifere ausgeförderte Lagerstätten Gas Wasser 10

6 4 Untertägige Speicheroptionen für Gas Vorteile der Speicherung untertage Obertagespeicherung Sicherheit - großer Abstand zur Bio- und Hydrosphäre - extrem geringe Verluste - unempfindlich gegen Fremdeinwirkung extrem große Speichervolumina bei hohen Drücken extrem große Speicherkapazität geringer Flächenverbrauch geringe Kosten ( / m³) großes Potential in Deutschland 11 4 Untertägige Speicheroptionen für Gas Untertagespeicher für Energieträger Salzkavernen Porenspeicher: Aquifere und ausgeförderte Lagerstätten H 2 Öl Salz-/ Solegewinnung Gas 12

7 4 Untertägige Speicheroptionen für Gas Vergleich zwischen Porenspeicher und Kavernenspeicher Speichertyp Vorteile Nachteile Ausgeförderte KW Lagerstätte Aquifer Formation Geologische Parameter bekannt Dichtheit bereits nachgewiesen Bohrungen bereits vorhanden Geringe Umschlagsfrequenz Hoher Kissengasanteil Kavernenspeicher am geeignetsten für Speicherung Erneuerbarer Energien: Keine Reaktionen mit Hoher Explorationsaufwand um eventuellen KW Dichtheit nachzuweisen höhere Restbestandteilen Injektions- und Entnahmeraten Geringe Umschlagsfrequenz keine Oft sehr Verunreinigungen große Kapazitäten durch Hoher Kissengasanteil Schwefelwasserstoff Verfügbarkeit in Deutschland in Regionen, in denen keine oder Restgase möglich geeigneten Salzformationen vorhanden sind Kavernenspeicher Hohe Entnahme und Injektionsraten Hohe Umschlagsfrequenz Gute geologische Voraussetzungen im windreichen Norden Deutschlands Notwendigkeit, große Solevolumina zu entsorgen Mittlerer Explorationsaufwand Großer Zeitraum für Planung und Erstellung 13 5 Kavernenspeicherung Dimension und Kapazität einer Salzkaverne ca. 0,3 Mio Nm³ ca. 70 Mio. Nm³ Faktor

8 5 Kavernenspeicherung Kavernenbau: Bohren und Solen Erbohren der Salzschichten Aussohlen der Kaverne Deckgebirge Salz 15 5 Kavernenspeicherung Kavernenbau: Solen ca. 3 Jahre für m³ 16

9 5 Kavernenspeicherung Kavernenbau: Komplettierung der Bohrung 17 5 Kavernenspeicherung Kavernenbau: Zeitplan für die Erstellung von Gaskavernen 18

10 5 Kavernenspeicherung Bestimmung der Betriebsparameter einer Gaskaverne Druck [bar] Bestimmung der einspeicherbaren Gasmenge durch das ideale Gasgestz: p V = m R T 19 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Beispielhaftes Speicherkonzept eines zukünftigen Energiesystems Stromnetz Brennstoffzelle Verstromung Kraftwerk Gasturbine regenerative Energien H 2 Mobilität H 2 O O 2 Elektrolyseur Industrie Kavernenspeicher Erdgasnetz CH 4 (regeneratives) CO 2 Methanisierung Windgas 20

11 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Wasserstoff vs. Methanisierung direkte H 2 - Nutzung H 2 -Einspeisung ins Gasnetz Methanisierung von H 2 Windgas Vorteile Nutzung in Industrie Nutzung in Brennstoffzellen Nutzung der Gasinfrastruktur uneingeschränkte Nutzung der Gasinfrastruktur 3-fache volumetrische Speicherdichte keine Anpassung bei Verbrauchern nötig Nachteile benötigt separate Infrastruktur inkl. Speicher Limitierung des H 2 -Anteils durch Erdgasverbraucher Risiken bei Porenspeicher nicht in Brennstoffzellen verwertbar hohe Umwandlungsverluste bei Methanisierung CO 2 -Quelle ungeklärt direkte Speicherung von H 2 in Kavernen zur Abpufferung der fluktuierenden Windenergie 21 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Wasserstoffkavernen in den USA und in UK Anpassungsbedarf der Auslegung an deutsche Standards 22

12 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Beispielhafte Auslegung einer H 2 - Kaverne speicherbare Energiemenge größer als bei allen PSKW zusammen (40 GWh)! Qualitativ gleiche Auslegung wie bei Erdgaskavernen mit punktuellem Anpassungsbedarf 23 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Anpassungsbedarf einer H 2 - Kaverne Dichtheitsnachweise gegenüber H 2 : Kunststoffdichtungen Grenzschicht Zementation-Stahl Salz Anpassung der Stahlkomponenten: Nachweis der Beständigkeit des Stahls gegenüber Wasserstoffversprödung Verwendung von H 2 - beständigem Stahl 24

13 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Ausbaupotential- Netzintegrationspunkte der Offshore-Windenergie 25 6 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Energiemengenvergleich I 2-Kavernen-Anlage V = 1 Mio. m³ W = 280 GWh Alpha-Ventus 12 Windenergie-Anlagen 12 * 5 MW = 60 MW 220 GWh / Jahr Wasserstoff Füllstand nach 1 Jahr 26

14 5 Speicherung erneuerbarer Energien in Kavernen Energiemengenvergleich I Kavernenfeld mit einem Speichervolumen von 8 Mio. m³ (16 Modellkavernen) Windleistung / MW Energiespeicherung für saisonalen Ausgleich nur durch chemische Großspeicher möglich! 27 6 Pilotprojekte InSpEE InSpEE Informationssystem Salzstrukturen: Planungsgrundlagen, Auswahlkriterien und Potentialabschätzung für die Errichtung von Salzkavernen zur Speicherung von Erneuerbaren Energien (Wasserstoff und Druckluft) Verbundprojekt im Rahmen der Förderinitiative Energiespeicher 2011 Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) In Zusammenarbeit mit der BGR und dem IUB Projektstart Mai 2012 Laufzeit 3 Jahre 28

15 6 Pilotprojekte HyUnder HyUnder Assessment of the potential, the actors and relevant business cases for large scale and seasonal storage of renewable electricity by hydrogen underground storage in Europe Verbundvorhaben für das FCH JU (EU) (Förderprogramm) In Zusammenarbeit mit Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón (FHa), Ludwig Bölkow Systemtechnik GmbH (LBST), Hinicio s.p.r.l. (Hinicio), National Research and Development Institute for Cryogenics and Isotopic Technologies ICSI Rm Valcea (NHFCC), EGS, Energy Research Centre of the Netherlands (ECN), Shell, Centre of Excellence for Low Carbon and Fuel Cell Technologies (Cenex), Solvay, Commissariat à l Energie Atomique et aux energies alternatives (CEA) Projektstart Juni 2012 Laufzeit2 Jahre 29 7 Zusammenfassung I Kavernen zur Erdgasspeicherung sind - schon seit 1960er Jahren als Energiespeicher installiert - Stand der Technik Kavernen haben größtes Potential für chemische Großspeicherung von Erneuerbare Energien (erforderliche Speicherkapazitäten für saisonalen Ausgleich nur untertage darstellbar) H 2 -Speicherung vor Weiternutzung am sinnvollsten - energetisch - technisch Punktueller Entwicklungsbedarf für H2-Kavernen: - Dichtheit - Material Realisierung von Pilotprojekten in Arbeit 30

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Andreas Acht DEEP. Underground Engineering GmbH Eyhauser Allee 2a, Bad Zwischenahn, Germany Fon: Fax: