Dr.-Ing. Michael Sterner; M.Sc. Mareike Jentsch, Dipl.-Ing. Tobias Trost (IWES) Dr. Michael Specht (ZSW)

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1 Ökostrom als Erdgas speichern Power-to to-gas Umwandlung von überschüssigen Strom aus Wind- und Solaranlagen in Erdgas, Erdgasnetz als Speicher für erneuerbare Energien Dr.-Ing. Michael Sterner; M.Sc. Mareike Jentsch, Dipl.-Ing. Tobias Trost (IWES) Dr. Michael Specht (ZSW) Fachtagung ABGnova Stadt Frankfurt Frankfurt Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Standorte Bremerhaven und Kassel Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für alle Formen der erneuerbaren Energien

2 Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Strom - Welche Kraftwerke kommen mit Wind & Co. klar? - Welche anderen Ausgleichsoptionen haben wir? 2) Die Technologie Power-to-Gas - Wie funktioniert das Grundprinzip? - Woher kommt der Strom und das CO 2? 3) Herausforderung Energiewende Mobilität und Wärme 4) Zusammenfassung Energiewirtschaftliche Ausgangslage Klimawandel und Ressourcenknappheit drängen uns zur Energiewende Atomkatastrophe als Katalysator Energiewende = Energieeffizienz & erneuerbare Energien Die Energiewende ist - ökologisch und volkswirtschaftlich notwendig

3 Erneuerbare Energien haben sich rasant entwickelt und werden weiter stark ausgebaut Prinzipielle Entwicklung des Energiebedarfs Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie Heute 2050 Bedarf und Verbindungen H 2 / CH 4 Wärmepumpen, Elektromobilität, H 2 / CH 4

4 Die Situation heute Ökostrom im Jahresmittel bei 17% Weihnachten 2009 und generell: Herausforderung Fluktuationen Wind Konventionelle Kraftwerke Steile EE-Gradienten erfordern flexiblen Kraftwerkspark und weitgehende Ausgleichsmaßnahmen BMU Leitstudien Szenario PV-Ausbau: 60 GW Wind Onshore: 40 GW Wind Offshore: 25 GW Simulation

5 Zwischenfazit: Nur flexible Kraftwerke werden überleben Gas als Dauerbrücke Erneuerbare Energien brauchen einen Ausgleich für Ihre Fluktuationen Tagesausgleich für Photovoltaik Wochenausgleich für Wind Konventionelle Kraftwerke müssen flexibler werden Anforderungen: hochflexibel, robust, gut regelbar Nur Kraftwerke mit niedrigen Investkosten noch lohnend Gaskraftwerke erfüllen die Eigenschaften am Besten und können über erneuerbares Gas als Dauerbrücke etabliert werden Gaskraftwerke und BHKW ohnehin notwendig Ersatz stillzulegender (Kern)Kraftwerkskapazitäten Ausgleich für Wind und Solar Stabilität der Stromversorgung (Regelenergie, Back-Up) In zunehmenden Maße kann Gas durch erneuerbares Gas (Windgas, Biogas, Solargas) ersetzt und die Gasnutzung CO 2 -neutral gestaltet werden Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Strom - Welche Kraftwerke kommen mit Wind & Co. klar? - Welche anderen Ausgleichsoptionen haben wir? 2) Die Technologie Power-to-Gas - Wie funktioniert das Grundprinzip? - Woher kommt der Strom und das CO 2? 3) Herausforderung Energiewende Mobilität und Wärme 4) Zusammenfassung

6 Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen, neben flexiblen Kraftwerken EErzeugungs- und Lastmanagement Flexible Kraftwerke (Gas, Biogas) Flexibler Verbrauch TTransport Netzausbau Europäisches Netz für Strom und Gas SSpeicher Kurzzeit (Tage): Langzeit (Saisonal): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien 1. (Pump)Speicher in Skandinavien, 2. Wind / Solarstrom im Gasnetz als erneuerbares Gas (Methan, Wasserstoff) Netzausbau elementar, aber nicht die finale Lösung - Power-to to-gas Anlagen vermeiden Netzengpässe und Netzüberlastung

7 Eine regenerative Energieversorgung braucht sehr große Speicher Gasnetz hat die größten deutschen Speicherkapazitäten Beispiel 78% EE Kapazität und Ausspeiseleistung Gasspeicher heute mit ideal. GuD: 120 TWh el / 60 GW el ca. 3 Monate Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute: 0,04 TWh el Quelle: Nitsch, Sterner, et al (BMU Leitszenarien Zwischenbericht) IfnE Ingenieurbüro für neue Energien Speicherung als Kernproblem der tragenden Säulen Wind und Solar Abschätzung des Speicherbedarfs bis 2050 Quelle: Sterner, Jentsch 2011 (Windgas Gutachten Greenpeace Energy)

8 BMU Leitstudie: Residuale Last für 2050 EE-Anteil: 78% bei idealem (!) Netzausbau Ausgleich notwendig Speicher: ideal täglich einspeichern und saisonal ausspeichern Quelle: Sterner et al, 2010 Kurzzeitspeicher Pumpspeicher für Ausgleich der Fotovoltaik Etabilert, kostengünstig, aber Potential begrenzt 1,4 GW über 9 Stunden

9 Elektromobilität mehr für Lastmanagement als für Speicher Effizient, aber teuer und Potential begrenzt 45 GW über 10 Stunden Gesucht: Gefunden: Dicke Leitungen und große Speicher Im Gasnetz Überbrückung von Monaten 24 GW über 2,5 Monate

10 Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Strom - Welche Kraftwerke kommen mit Wind & Co. klar? - Welche anderen Ausgleichsoptionen haben wir? 2) Die Technologie Power-to-Gas - Wie funktioniert das Grundprinzip? - Woher kommt der Strom und das CO 2? 3) Herausforderung Energiewende Mobilität und Wärme 4) Zusammenfassung Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2

11 Erneuerbares Methan Strom-zu zu-gas Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2010 Sterner, 2009 Erneuerbares Gas Strom-zu zu-gas Wirkungsgradkette Wirkungsgrade: 60-65% Methan 35-40% Strom 50-60% KWK Vs. 0% durch Abregelung Vs. effizientere aber kapazitätslimitierte Speicheralternativen IWES, ZSW, 2009 EE-Strom wird zur Primärenergie Quelle: Sterner, 2009; Specht et al, 2010

12 Wirkungsgrade von Power-to to-gas Vs. Norwegische Pumpspeicher mit 65% (75% vor Ort % Verlust durch Stromtransport) Entwicklungsstand der Technologie - Erste Pilotanlage am ZSW Stuttgart von Solar Fuel Technology GmbH 25 kw-pilot-anlage: läuft 250 kw-forschungs- Anlage: wird gebaut Quellen: SolarFuel 2009, Specht, Waldstein, Sterner et al., MW-Industrie -Anlage: in Planung

13 Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Strom - Welche Kraftwerke kommen mit Wind & Co. klar? - Welche anderen Ausgleichsoptionen haben wir? 2) Die Technologie Power-to-Gas - Wie funktioniert das Grundprinzip? - Woher kommt der Strom und das CO 2? 3) Herausforderung Energiewende Mobilität und Wärme 4) Zusammenfassung Woher kommt der Strom für die Elektrolyse? - Grundgedanke Verwertung regenerativer Überschüsse Erneuerbarer Strom da ein erneuerbarer chemischer Energieträger erzeugt, und dieser CO 2 -neutral sein soll (Beispiel Verkehr) Stromüberschüsse da direkte Verwendung von EE- Strom höheren Klimanutzen erzielt In der Übergangszeit bzw. im Hinblick auf Systemstabilität Ausnahmen möglich: negative Regelleistung Vermeidung von Dispatch Werte relativ zu Diesel in [%] Global Warming Potential 100 Years Strommix 2007 Windstrom Diesel SNG (PSA) H2-Otto H2-BZ Elektro

14 Leistungen und VLS bei Betrieb aus Überschussstrom? - Leitstudie 100% Szenario (ideales Netz, zusätzl. Nachfrage nach erneuerbarem Gas aus dem Verkehr) 140 Elektrolyseleistung [GW] GW installierte Elektrolyseleistung genutzte Überschüsse 98% ca VLS für Power to-gas möglich Volllaststunden [h] 2020/2030: bei idealem Netz < 1000 VLS; bei realem Netz deutlich mehr Woher kommt das CO 2 für die Methanisierung? Erneuerbares Gas stellt Zwischenpuffer für CO 2 da Aufgenommenes CO 2 wird i.d.r. wieder freigesetzt Klimaneutrales CO 2 erforderlich Mögliche CO 2 Quellen Biogen (z.b. aus Biogas-Anlagen, Vergasung, Brauerei ) Industrie (z.b. Zement, Stahl, Chemie) Energiewirtschaft (z.b. Kohlekraftwerke) Recycling (CCU) (z.b. Gaskraftwerke) Luft + ~ Biogenes CO 2 um eindeutig CO 2 neutral zu sein fossiles CO 2 nicht angestrebt, da Emissionshandel mögl. verzerrt wird Zukunftsoptionen Recycling oder Luft CO 2

15 Woher kommt das CO 2 für die Methanisierung? - Konzept zur Einbindung von Biogasanlagen als CO 2 -Quelle Quelle: Specht et al, 2010 Sterner, 2009 Woher kommt das CO 2 für die Methanisierung? - Potenzial an Biogenem CO 2 Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz: 260 Mio. m³/a Biomethan aus über 50 Biogasanlagen (heute) ca. 170 Mio. m³ CO 2 fallen bei Aufbereitung an CO 2 zur Methanisierung von 2,9 TWh Überschussstrom oder für 50 x 5 MW Power-to-Gas Anlagen Bis 2030: Erhöhung der Einspeisung um das 30- bis 40-Fache CO 2 zur Methanisierung von ca. 80 TWh Überschussstrom Ergänzung des biogene CO 2 Potentials durch: Klärgas, Bio-Syngas, Bioethanol Herstellung, Brauereien CO 2 ist nicht der Flaschenhals Strom schon eher

16 Langzeitspeicherung: Wasserstoff vs. Methan (H 2 vs. CH 4 ) Wirkungsgrad - der Herstellung - der Verstromung H 2 CH % gleich H 2 *0,85 ~ 60-70% gleich Infrastruktur (Zusatzgas) (Austauschgas) - Strom - Wärme - Verkehr Energiedichte = weniger Platzbedarf für Speicher - limitiert - limitiert - nicht kompatibel - kompatibel - kompatibel - kompatibel 10 MJ / Nm³ 33 MJ / Nm³ CO 2 -Neutralität Gegeben Gegeben mit CO 2 aus Biomasse, Atmosphäre und nicht-energet. CO 2 Sicherheit Im TWh Maßstab nicht erprobt Transformations-Kosten Einspeicherung Strom-H 2 Speicherung Ausspeicherung H 2 -Strom Transport / Pipelines Quelle: Nitsch, Sterner, et al, BMU Leitszenarien 2010 Im TWh Maßstab erprobt Nur Einspeicherung Alternative / Ergänzende Speichertechnologien - Speicherkapazität und Reichweite Quelle: Specht et al, 2010

17 Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Strom - Welche Kraftwerke kommen mit Wind & Co. klar? - Welche anderen Ausgleichsoptionen haben wir? 2) Die Technologie Power-to-Gas - Wie funktioniert das Grundprinzip? - Woher kommt der Strom und das CO 2? 3) Herausforderung Energiewende Mobilität und Wärme 4) Zusammenfassung Ressourcenknappheit: Das Maximum der konventionellen Ölförderung ist erreicht Quelle: LBST, 2009 WEO: IEA World Energy Outlook

18 BTL 2. Gen. Biokraftstoffe: Holz als Erdölersatz Beste Verwendung in Heizung und Kraftwerken Windgas kann über Wärmemarkt 50% der Haushalte erreichen Stromsystem braucht Gaskraftwerke und BHKW als Back-up für Wind und Solar Anreize für Speicher zu klein bzw. werden erst später (2020/2030/2040) gebraucht Nutzungskaskade für Wind: Strom vor Gas Gas für Wärme, Verkehr, Speicher Prinzipiell: Energieeinsparung first Dämmung Ideal: KWK-Anlagen im Wärmemarkt Realität: hohe Investitionen als Hemmschuh Power-to-Gas ermöglicht regenerative, saubere Wärme - in bestehenden Gasheizungen - und effizienter KWK und Gaswärmepumpen Beispiele: Altbauten, Mietwohnungen, Prozesswärme Langfristig kann Power-to-Gas bzw. die Strom-Gasnetz-Kopplung konventionelle Kraftwerke und fossile Heizungen & Kraftstoffe ersetzen

19 Erdöl geht aus; Biokraftstoffe können es nicht ersetzen Potential durch Konkurrenz zu Nahrung stark begrenzt Getreide Teller Tank Ernährung einer Person für 1 Jahr Eine Fahrt von Hamburg nach Hannover Globales nachhaltiges Biomassepotential: ca. 150 EJ nicht ausreichend, um den Bedarf an Mobilität zu decken Quelle: AGEE Stat, BMU, 2011 Elektromobilität Effizienzsprung Faktor 3-4 aber nur mit erneuerbaren Energien Herausforderung:en Batterieherstellung / Kosten / Reichweite / Infrastruktur

20 Was haben wir für weitere Optionen? schauen wir mal vor die Haustür Biokraftstoffe und Wind- und Solarkraftstoffe Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES, LBST & ISI, EWI, DBFZ und Sterner, 2010 (FVEE Jahrestagung)

21 Zwischenfazit CO 2 -neutrale Mobilität - ist die größte Herausforderung - Potential von Biokraftstoffen nicht ausreichend - Elektromobilität deckt nicht den Verkehr in der Fläche - Bedarf an Wind- und Solarkraftstoffen - Power-to-Gas ermöglicht CO 2 -neutrale Mobilität in der Fläche / im Langstreckenverkehr Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Strom - Welche Kraftwerke kommen mit Wind & Co. klar? - Welche anderen Ausgleichsoptionen haben wir? 2) Die Technologie Power-to-Gas - Wie funktioniert das Grundprinzip? - Woher kommt der Strom und das CO 2? 3) Herausforderung Energiewende Mobilität und Wärme 4) Zusammenfassung

22 Eine rein regenerative Versorungsstruktur für Strom, Wärme, Verkehr Energiesystem, das Emissionen mindert Quelle: Sterner, 2009 Wärmemarkt und Mobilität bereiten den Weg für eine Kerntechnologie der Energiewende 1. Klimawandel & Ressourcenknappheit erfordern Energiewende Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie 2. Power-to-Gas ist Lösung des Speicherproblems & Versorgungssicherheit Netzausbau & Lastmanagement nur Teillösung für Fluktuationen Speicher unabkömmlich für Stabilität der Stromversorgung Wasserstoff nur begrenzt umsetzbar Power-to-Gas Kopplung der Energienetze & Nutzung vorhand. Speicher 3. Wegbereiter Wärmemarkt und Mobilität Power-to-Gas heute als Speicher für Stromwirtschaft unrentabel Wärme: 50% aller Haushalte sind über das Gasnetz angeschlossen Mobilität: Bedarf an CO 2 -neutraler Mobilität besteht

23 Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz - Fazit zu Power-to-Gas Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Pipelines, Speicher, Kraftwerke, BHKW, Herde, Heizungen, Fahrzeuge Immense Kostenersparnis 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 Gas aus der Sahara Pipeline zw. Algerien und Spanien vorhanden Schlussfazit Die Strom-Gasnetz-Kopplung ist ergänzend zu Netzausbau, Lastmanagement, Erzeugungsmanagement und Kurzzeitspeichern ein Eckpfeiler der Energiewende Power-to-Gas löst 2 Kernprobleme der Energiewende: - Stabile Stromversorgung auch mit Wind & Solar (Ausgleich und Speicherung von erneuerbaren Energien) - CO 2 -neutrale Mobilität in der Fläche wird möglich! Demnächst neue Website: Vielen Dank

24 Quellen und weiterführende Informationen 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. Specht, M.; Baumgart, F.; Feigl, B.; Frick, V.; Stürmer, B.; Zuberbühler, U.; Sterner, M.; Waldstein, G. (2010): Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz. FVEE Jahrestagung Forschen für globale Märkte erneuerbarer Energien. FVEE, Berlin. 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. Sterner, M.; Specht, M.; Ebert, G. (2010): Technologievergleich einer regenerativen Energieversorgung des Verkehrs. FVEE Jahreskonferenz 2010, Berlin. WBGU (2011): Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation. Hauptgutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. Kontakt Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse Dr.-Ing. Michael Sterner michael.sterner_at_iwes.fraunhofer.de Neue Website: