Power-to-Gas von der Grundidee zu Pilot- und Demonstrationsanlagen Neue und alte Chancen in Land- und Forstwirtschaft

Transkript

1 Power-to-Gas von der Grundidee zu Pilot- und Demonstrationsanlagen Neue und alte Chancen in Land- und Forstwirtschaft Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner ForNeBiK TFZ Straubing WZ Straubing

2 Inhalt 1) Ausgangslage: Von der Windprognose bis zum Kombikraftwerk 2) Wind & Solar mit Biomasseeigenschaften: Die Technologie Power-to-Gas 3) Entwicklungspfade mit Power-to-Gas: Mobilität, Wärme, dann Strom 4) Chancen in der Land- und Forstwirtschaft Neue Wertschöpfungsmöglichkeiten 5) Zusammenfassung

3 Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas Online Forecast D+1 Forecast 4H Forecast 2H 8000 Power [MW] Numerisches Wettermodell Day Windleistungsprognose für eine Regelzone Wind Power Cluster Management Quelle: Lange / Rohrig, 2008 Kombikraftwerk

4 WBGU 2008: Integration von Biomasse: in das Gasnetz ideal Vorstellung auf int. Biomassekonferenz in Valencia Juni 2008 Quelle: Schmid, Sterner für WBGU, 2008

5 Inhalt 1) Ausgangslage: Von der Windprognose bis zum Kombikraftwerk 2) Wind & Solar mit Biomasseeigenschaften: Die Technologie Power-to-Gas 3) Entwicklungspfade mit Power-to-Gas: Mobilität, Wärme, dann Strom 4) Chancen in der Land- und Forstwirtschaft Neue Wertschöpfungsmöglichkeiten 5) Zusammenfassung

6 Quelle: Sterner, 2009 Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2

7 Erneuerbares Gas Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz! Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, Specht Specht et al, 2010 et al, 2010 Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation.

8 Langzeitspeicherung: Wasserstoff vs. Methan (H 2 vs. CH 4 ) Wirkungsgrad - der Herstellung - der Verstromung Infrastruktur - Strom - Wärme - Verkehr Energiedichte = Platzbedarf für Speicher H 2 CH % gleich Zusatzgas - limitiert - limitiert - nicht kompatibel Transformations-Kosten Einspeicherung Strom-H 2 Speicherung Ausspeicherung H 2 -Strom Transport / Pipelines 49-65% gleich Austauschgas - kompatibel - kompatibel - kompatibel 10 MJ / Nm³ 33 MJ / Nm³ H 2 -Einspeisegrenzen derzeit: 2% Fahrzeuge 1% Gaskraftwerke 0,5% Messinstrumente Speicher unbekannt Quelle: Nitsch, Sterner, et al, BMU Langfristszenarien 2010 Nur Einspeicherung

9 Quelle: Sterner, Jentsch, 2011 Wirkungsgrade von Power-to-Gas 2/3 1/3 1/2 vs. Norwegische Pumpspeicher mit 65-68% (75% vor Ort % Verlust durch Stromtransport) vs. 0% durch Abregelung oder vs. effizientere aber kapazitätslimitierte Speicheralternativen

10 Quelle: Sterner, Jentsch, 2011 Gestehungskosten für EE-Gas in Relation zu Volllaststunden Jahr 2020 Invest 1200 / kw η = 55% Gestehungskosten SNG Windgas: Break Even 220 US-$ / Barrel

11 Quelle: Köppel, DVGW 2012 Gestehungskosten für EE-Gas Ergebnisse DVGW Projekt Energiespeicherkonzepte H2#aus#Erdgas CH4#Grenzübergabe CH4#Tankstelle Biogas Benzin Diesel 100 Gestehungskosten in Cent/kWh bezogen auf Brennwert (1200 h H2) 0 (7000 h H2) 0 (1200 h CH4) 0 (7000 h CH4) 5 (1200 h H2) 5 (7000 h H2) 5 (1200 h CH4) 5 (7000 h CH4) 9 (1200 h H2) 9 (7000 h H2) 9 (1200 h CH4) 9 (7000 h CH4) Biogas Benzin Diesel CH 4 Tankstelle H 2 aus Erdgas CH 4 Grenzübergabe jeweils ohne Steuern Stromgestehungskosten in Cent/kWh

12 Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10% bis " Die letzte Steigerung des EE-Anteils von 80% auf 100% ist teurer als die Steigerung des EE-Anteils von 17% auf 80%. 120 /MWh Variable3Stromgestehungskosten Investitionskosten3Speicher Investitionskosten3Kraftwerke 78 /MWh 79 /MWh 84 /MWh 1003 /MWh %(A 80%(E 100%(D Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen Quelle: VDE, 2012

13 Inhalt 1) Ausgangslage: Von der Windprognose bis zum Kombikraftwerk 2) Wind & Solar mit Biomasseeigenschaften: Die Technologie Power-to-Gas 3) Entwicklungspfade mit Power-to-Gas: Mobilität, Wärme, dann Strom 4) Chancen in der Land- und Forstwirtschaft Neue Wertschöpfungsmöglichkeiten 5) Zusammenfassung

14 Quelle: Sterner, 2009 Sept. 2009: Dissertation Sterner 100% EE-Strukturen: Power-to-Gas einzige nationale Speichermöglichkeit im erforderlichen Umfang carbon sink energy system

15 Quelle: Sterner, 2009 Sept. 2009: Dissertation Sterner: Simulation 100% EE-Strom Szenario BMU Leitstudie 2008 für 2050 x 1.2 für Deutschland Überschuss Stromverbrauch (Last) in GW

16 Nov. 2009: Erste Pilotanlage gebaut von ZSW für SolarFuel GmbH : Testbetrieb 25 kw Aufbau 250 kw 25 kw-pilot-anlage: läuft : Einsatz in Stuttgart : Einsatz bei Juwi Einsatz bei Audi / Wertle Experimente mit Biogas 250 kw-forschungs-anlage: Im Aufbau Projekt: Power-to-Gas ZSW: Verfahrenstechnik IWES: Elektrotechnik, VWL SolarFuel: BWL 2012: Bau auf EnBW Gelände Förderung: Quellen: SolarFuel 2009, Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009

17 Quelle und : Greenpeace Energy, 2012 Feb. 2011: Windgas gibt es bei Greenpeace Energy Erster Standort zwischen Braunschweig und Hamburg Am Windpark Suderburg (Niedersachsen) Baujahr MW Leistung Direktvermarktung Strom-Direktleitung Elektrolyseur 1 bis 1,2 MW Genehmigungsverfahren läuft Kooperation mit Gasunie

18 Quelle: E-ON Ruhrgas, : E-ON Pilotanlage Power to Gas Falkenhagen, Brandenburg Eckdaten # Elektrische Leistung: 2 MW el # Wasserstofferzeugung: 360 m³/h # Einspeisung in das Erdgasnetz der ONTRAS # Inbetriebnahme voraussichtlich Q3/2013 # Projekt der E.ON Gas Storage Pipelineanbindung Niederspannungsversorgung Automation Stromübergabe Ziele # Demonstration der Prozesskette # Optimierung des Betriebskonzepts (variierende Windenergie und Einspeisung) # Nutzung von Windstrom zur Erzeugung # Erfahrungsgewinn bei: Technik, Kosten, Genehmigung Messtechnik Elektrolysen

19 Stabile Stromversorgung auf Basis EE braucht neue Netze, Kraftwerke und Speicher Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: % EE-Anteil

20 Wann kommt Power-to-Gas im großen Maßstab? Eine Frage der Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen $ Erzeugungs- und Lastmanagement $ Flexible Kraftwerke (Gas, Biogas) $ Flexibler Verbrauch $ Transport $ Netzausbau $ Europäisches Netz für Strom und Gas 1 2 $ Speicher $ Kurzzeit (Tage): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien $ Langzeit (Saisonal): 1. (Pump)Speicher in Skandinavien, 2. Wind / Solarstrom im Gasnetz als erneuerbares Gas (Methan, Wasserstoff) 3

21 Technische Versorgungssicherheit durch neue Gaskraftwerke Potentielle Standorte durch Verschneidung Strom-Gasnetze Quelle: Gorshkov, Müller-Kirchenbauer, (ITE Clausthal-Zellerfeld) 2012

22 Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2012, Stand 08/12, eigene Ergänzungen Netzausbau elementar, aber nicht die finale Lösung - was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Windenergie Photovoltaik- / Bioenergieanlagen Ballungszentrum Engpass Übertragungsnetz mind km (ca. 5% dazu), umgesetzt ca. 214 km Verteilnetz PV: NetzUMbau; Wind: Netzplanung Invest: Mrd.

23 UBA Umweltbundesamt 100% regeneratives Szenario Quelle: UBA, 2010

24 Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE Eine rein regenerative Energieversorgung hat einen sehr großen Speicherbedarf trotz idealem Netzausbau Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007) Defizite: 62 TWh Überschüsse: TWh 20 Residuallast (GW) Pumpspeicher Norwegen (Theorie) 42 Mio. E-KFZ (Theorie) Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute -100 Überschüsse: TWh Defizite: 62.1 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 54.1 GW Kapazität und Leistung Gasspeicher heute -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat Fraunhofer IWES 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last)! Gasspeicher haben die 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei η GT,GuD = 28-55%)

25 Quelle: DUH, E-ON Ruhrgas angepasst, 2012 Gastransport vs. Stromtransport Transportleistung von 1 GW im Vergleich (1 GW = Großkraftwerk oder 200 große Windkraftanlagen oder Photovoltaik-Aufdachanlagen) Überlandleitung Gasleitung (0,6 m Durchmesser)

26 Quelle: Bauer, Wingas Transport 2011 Netzausbau Strom vs. Gas Pipeline nach Belgien/UK (WEDAL Bau) Frühjahr

27 Netzausbau Strom vs. Gas Pipeline nach Belgien/UK (WEDAL Bau) Energietransport Gaspipeline Faktor 10 größer als Energietransport Stromtrasse Herbst Quelle: Bauer, Wingas Transport 2011

28 Vergleich der Optionen zur techn. Versorgungssicherheit Technisch Wirtschaftlich Gesellschaftlich Netze Kraftwerke Speicher Masterplan?! regional leichter als national / europäisch

29 Inhalt 1) Ausgangslage: Von der Windprognose bis zum Kombikraftwerk 2) Wind & Solar mit Biomasseeigenschaften: Die Technologie Power-to-Gas 3) Entwicklungspfade mit Power-to-Gas: Mobilität, Wärme, dann Strom 4) Chancen in der Land- und Forstwirtschaft Neue Wertschöpfungsmöglichkeiten 5) Zusammenfassung

30 Was heißt Versorgungssicherheit? Versorgungssicherheit ENERGIE LEISTUNG Volkswirtschaft, Strategie Technisch Potential Gesicherte Leistung

31 Global! Europa! Deutschland Versorgungssicherheit am Beispiel Gas! Biogas als heimische Quelle

32 Bayerns Strombedarf bilanziell rein aus Windkraft deckbar $ Auf 22% der Fläche (plus Wald und Schutzgebiete) Potential für 316 GW $ Auf 2% der Fläche (Vorgabe BWE) Potential für 41 GW (ca Anlagen) heute ausgeschöpft: 0,5 GW (1,2 %) Windstrom-Ertrag ca. 80 TWh Bayern s Strombedarf (2009): 74 TWh! 1% unserer Landesfläche für Wind nutzen! 50% unseres Strombedarfs decken

33 Energiespeicher Wald Zuwachs übersteigt den bay. Heizölverbrauch Fläche: Zuwachs: Energie: 2,56 Mio. Hektar 23,2 Mio. m 3 / a etwa 1 m³ Festmeter Holz pro Sekunde ca GWh entspricht ca Mio. l Heizöl bei rein energet. Nutzung (max. 50% realistisch) bay. Heizölverbrauch ca Mio. l Gegenwert ca Mio. EUR Holz als Energie (bei 95 EUR / 100 l Heizöl) Speicherleistung ca MW! der Wald ist Bayerns größter Speicher

34 Neue Technologieentwicklungen erschließen größeres Potential (z.b. hohe Windkraftanlagen im Wald) Energie kommt je Anlage in 3-9 Monaten zurück Lärmemissionen minimal

35 2010: Hybridkraftwerk Prenzlau: Kombination Wind & Biogas Zufeuerung von H 2 zu Biogas bei Enertrag Quelle: Enertrag, 2012

36 Einbindung von Biogasanlagen als CO 2 -Quelle: Verdopplung des Outputs CO 2 der 60 Biogasaufbereitungsanlagen reichen für 6 8 TWh Überschüsse Quelle: Specht et al, 2010 Sterner, 2009

37 2011/13: Erste industrielle Anlage in Werlte von Audi, SolarFuel Partner: EWE, ZSW, Fraunhofer IWES 4 WKA à 3.6 MW el Quelle: Audi 2011 Elektromobilität 6,3 MW-Industrie-Anlage - Input: 26 GWh Windstrom 2800 t / a CO 2 - Output: 1000 t / a SNG - Wirkungsgrad: 54%, 4300 VLh - Nutzen: 1500 T-CNG Fahrzeuge und Integration von Wind - Baubeginn: Lead: Audi, SolarFuel - Partner: EWE, (ZSW, IWES)

38 2011 Biologische Methanisierung Erste Pilotanlage der Krajete GmbH Kernprozess: Methanogenese (Stoffwechsel von Archaea Mikroorganismen) mild (1 bar, 65 o C), selektiv (unempfindlich ggü. Verunreinigungen, kompatibel mit verschiedenen CO 2 Quellen), robust, schnell (> 15 m 3 Methan in 1 m 3 Reaktionsvolumen) CO 2 Kraftstoff Langsam Komplex Bypass Schnell Direkte Kraftstoff-Synthese Quelle: Krajete, 2011

39 Quelle: Krajete GmbH, : Entwicklungsstand Power-to-Gas biologisch - Methan - Erste Pilotanlage von Krajete GmbH - Ergebnisse 86 % Methanausbeute Vol. % Kontinuierlicher Prozess Einfacher Durchgang

40 Quelle: MicrobEnergy, /12: Anwendungsbeispiele im technischen Maßstab Viessmann (MicrobEnergy Schwandorf ehem. Schmack Biogas) 5-40L-Maßstab 100m³-Maßstab

41 Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Biokraftstoffe und Wind- und Solarkraftstoffe Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft

42 Quelle: Trost, Sterner, Jentsch, 2011 Wind- und Solarkraftstoffe vs. Elektromobilität vs. Verbrennungsantriebe Treibhausgasbilanzen für 2030 Wind- und Solarkraftstoffe in gleicher Größenordnung wie Elektromobilität bei vollständiger Bilanzierung der Emissionen

43 Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Kopplung der Energienetze Quelle: Sterner, 2011

44 Inhalt 1) Ausgangslage: Von der Windprognose bis zum Kombikraftwerk 2) Wind & Solar mit Biomasseeigenschaften: Die Technologie Power-to-Gas 3) Entwicklungspfade mit Power-to-Gas: Mobilität, Wärme, dann Strom 4) Chancen in der Land- und Forstwirtschaft Neue Wertschöpfungsmöglichkeiten 5) Zusammenfassung

45 Chancen von Power-to-Gas $ Nutzung der vorhandenen Infrastruktur $ Pipelines, Speicher, Kraftwerke, BHKW, Herde, Heizungen, Fahrzeuge $ Austauschgas (Methan) statt Zusatzgas (Wasserstoff) $ Erschließt enorme Speicherkapazitäten $ Langzeitspeicherung von EE im Erdgasnetz ohne Begrenzung $ CH 4 (Erdgas) Langzeitspeicherung technisch erprobt und vorhanden $ CO 2 -neutraler Energieträger auch für Verkehr und Wärme $ hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite $ weniger Konkurrenz zu Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen $ Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas und Transportstaus $ Übertragungskapazität von Gas vs. Strom: eine Größenordnung höher $ Vermeidung von Übertragungsnetzengpässen (Redispatch) und deren Kosten $ Gas aus der Sahara Pipeline zw. Algerien und Spanien vorhanden

46 Risiken von Power-to-Gas $ Überzogene Erwartungen! Enttäuschung! Verzögerung $ Technologie generell sehr alt aber gleichzeitig sehr jung in der Energietechnik $ Technologieentwicklung & Kostensenkung vorantreiben Vermeiden v. Growian $ Roadmap Power-to-Gas & Einbindung Fahrplan Energiewende angebracht $ Atomgas, Kohlegas, Erdgas-to-Gas $ Energetischer Kurzschluss im Energiesystem durch E chem! E el! E chem $ Wirtschaftlichkeit nur gegeben bei hohen Vollaststunden! Verstetigung fossiler / nuklearer Einspeisung möglich (Chance? / Risiko?) $ Benchmark von Graugas = fossiles Gas! keine Wirtschaftlichkeit zu erwarten $ Wärmemarkt: Alternative Heizstab! setzt Erdgas ca. doppelt so effizient & für einen Bruchteil der Kosten frei für Mobilität / Strom $ Greenwashing fossiler Energie $ CO 2 Quelle für Klimabilanz von Power-to-Gas irrelevant, da klimaneutral $ Kann jedoch keine CO 2 Senke für fossile Kraftwerke sein! Emissionshandel: fossile Emissionen bleiben beim fossilen Brennstoffnutzer

47 Zusammenfassung 1) Entwicklung: Bedarf an Ausgleich für Schwankungen aus EE! Prognose, Cluster, Kombikraftwerk, Speicher Parallel dazu! Nutzerfreundl. Kraftstoff mit hoher Energiedichte? 2) Power-to-Gas: Wind & Solar mit Biomasseeigenschaften! Herausforderung flexibler Betrieb! Herausforderung Auslastung und Wirtschaftlichkeit 3) Entwicklungspfade: Vorerst kein Bedarf aus der Stromwirtschaft, Wärmemarkt / KWK: 50% aller Haushalte erreichbar Bedarf kommt aus dem Kraftstoffmarkt & chem. Industrie 4) Chance Land- u. Forstwirtschaft: Alternative zu Importabhängigkeit, Peak-Oil, Ideale Integration und Kostenersparnis in Kombination mit Biogasanlagen! Wind statt / und Mais (und Dauerkulturen)

48 Quelle: Sterner, 2009 Eine Ernährungspyramide für eine emissionsarme Energieversorgung oder das deutsche / bay. Energie-Reinheitsgebot : Wind, Sonne, Wasser, Biomasse sonst nicht s!

49 Informationen und Quellen (1) $ Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. $ Sterner, M., Jentsch, M. (2011): Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. Gutachten für Greenpeace Energy. Fraunhofer IWES, Kassel. $ Jentsch, M.; Sterner, M. (2010): Betriebskonzepte von SolarFuel Anlagen und deren Wirtschaftlichkeit. Fraunhofer IWES, Kassel. $ Nitsch (DLR), Sterner (IWES), Wenzel (IfnE) et al (2011): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global Leitstudie 2010 BMU - FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. $ Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) Basisdaten Bioenergie 2011, Gülzow $ Linke, G. (2012): Smart Gas Grids Anforderungen und Möglichkeiten zur EE-Integration ; ETP-Konferenz - Energy Innovation Days, Berlin $ Krajete, A. (2011): Green Thitan. Linz. $ Audi (2011): Ingolstadt

50 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Hochschule Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik + 49 (0) hs-regensburg.de Vielen&Dank&