Die Rolle von regenerativ erzeugten chemischen Energieträgern in einem auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystem

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1 Die Rolle von regenerativ erzeugten chemischen Energieträgern in einem auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystem Umweltbundesamt Fachgebiet I Energiestrategien und szenarien Dr.-Ing. Katja Purr

2 Gliederung Hintergrund / Motivation Entwicklung der erneuerbaren Energien Einsatzmöglichkeiten regenerativ erzeugter chemischer Energieträger Forschungs- und Entwicklungsbedarf Zusammenfassung 2

3 Motivation Für die Erfüllung der langfristigen Klimaschutzziele ist eine Reduzierung der Emissionen bis 2050 um 80 95% gegenüber 1990 notwendig Gesamtemissionen (mit Intnat.Verkehr & LULUCF): 920 Mio. t CO 2 -äquivalente ENERGIE THG-Emissionen nach Quellgruppen* im Jahr 2009 Verbrennung fossiler Brennstoffe Verarbeitendes Gewerbe INDUSTRIE LANDWIRTSCHAFT Abfall Übrige Feuerungsanlagen Energiewirtschaft Haushalte G H D Chemie Böden Internat. Verkehr LULUCF Mineral. Produkte Verkehr Metall Fermentation LUFT Sonstige Düngewirt. Abfallwirtschaft SEE LULUCF 81,33% 7,97 % 7,90 % 1,28 % Emissionen aus dem internationalen Verkehr (Anteil Deutschlands) 34 Mio. t CO 2 - äquivalent Emissionen aus Landnutzung, -sänderungund Forstwirtschaft 17,5 Mio. t CO 2 -äquivalent * hier Quellgruppen mit einem Anteil > 1 % an den Gesamtemissionen Quelle: Berichterstattung 2011 unter der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (UN FCCC) Eine drastische Steigerung der Energieeffizienz und der nahe zu vollständige 3 Übergang zu erneuerbaren Energien ist langfristig notwendig

4 Entwicklung der erneuerbaren Energien installierte Lei istung in GW Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Biomasse Geothermie 4 Quelle: BMU: Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, 07/12

5 UBA-Studie: 100% Strom aus erneuerbaren Energien Technisch-ökologisches Potential nach Installierte Leistung Ertrag (TWh el ) konservativer Schätzung (GW) Photovoltaik Windenergie an Land Windenergie auf See Wasserkraft 5,2 24 Geothermie 6,4 50 Abfallbiomasse Nach Bedarf 23 (nur Biogas) Insgesamt 687 5

6 Langfristige Notwendigkeit eines Speichersystems I Residuale Gesamtlast (unter Berücksichtigung von Lastmanagement und Pumpspeichern) für das Jahr 2050, basierend auf dem Wetter-Jahr 2009 Maximum des Speichers (bei Methan als ET) beträgt unter den getroffenen Annahmen 75 TWh 6

7 Überblick - Speichertechnologien Ent tladezeit Speicherkapazität Quelle: DVGW: Mit Gas-Innovationen in die Zukunft, 2011 chemische Speicher sind prädestiniert für die Überbrückung saisonaller Schwankungen 7

8 Langfristige Notwendigkeit eines Speichersystems II Rückverstromung von ee-methan in GuD-Kraftwerken Mittelwert bei vier modellierten Jahren ( ) 32 GW 8

9 Anteil Strom im Energiesystem- Endenergieverbrauch 2010: 2516 TWh Strom 20% Kraftstoffe 29% Wärme 51% 9

10 mögliche Substitutionspfade EE -Strom Elektrolyse H 2 Methanisierung H 2 -Netz / H 2 -Speicher CH 4 Gasnetz/ Gasspeicher Strom η ca. 42% Wärme ηca. 69% Kraftstoff ηca. 34% Strom η ca. 35% Wärme ηca. 55% Kraftstoff ηca. 20% stoffliche Nutzung 10

11 Vergleich Wasserstoff vs. Methan Wirkungsgrad Erzeugung * Wirkungsgrad regenerativ erzeugter Wasserstoff regenerativ erzeugtes Methan % (60 85%) * η Wasserstoff ca. 70% ca. 56% Erzeugung, Transport und Speicherung Quelle: DBI Energiedichte 10 MJ/Nm³ 33 MJ/Nm³ 120 MJ/kg 50 MJ/kg Notwendige Einsatzstoffe Wasser zusätzlich Kohlendioxid Nutzung des Erdgasnetzes Stand der Technik *EE-Leitstudie 2011: ηh 2 =72 %, ηch 4 = ηh 2 *0,79 Wasserstoff kann bis zu 5 Vol-%** dem heutigen Erdgasnetz problemlos zugemischt werden Komponenten zur Erzeugung vorhanden, Komponenten zur energetischen Nutzung noch in Entwicklungs- und Erprobungsphase ** CNG-Fahrzeugtank auf 2 Vol.% H2 begrenzt fossiles Erdgas kann durch regenerativ erzeugtes Methan vollwertig substituiert werden Komponenten zur Erzeugung noch in Entwicklungs- und Erprobungsphase, Komponenten zur energetischen Nutzung vorhanden 11

12 Möglichkeiten von regenerativ erzeugten chemischen Energieträgern im Verkehr Langfristige Entwicklung stark abhängig von der Energieeffizienz und der Kostenentwicklung (weltweiter Bedarf, CO 2 -Bereitstellung, Infrastruktur etc.) PKW Luftverkehr flüssige ekraftstoffe* in Plug-in-Hybrid Fahrzeugen / Elektrofahrzeug mit Range Extender Einsatz von CH 4 /H 2 z.b. in Brennstoffzellen-Fahrzeugen (kleinere Marktsegmenten) LKW vorranging Einsatz von flüssigen ekraftstoffen* ggf. CH 4 /H 2 für Kurzstrecken im eingeschränkten Maße Schifffahrt Einsatz von flüssigen ekraftstoffen* in Plug-in-Hybrid Fahrzeugen / Oberleitung-LKW Einsatz von CH 4 /H 2 z.b. in Brennstoffzellen-Fahrzeugen * PtL Power to Liquid Einsatz von CH 4 /H 2 und flüssigen ekraftstoffen* 12

13 Rolle im zukünftigen Energiesystem Industrie Netze & Strom Power to Gas Kraftstoffe Wärme 13

14 Forschungs-& Entwicklungsbedarf - Ausschnitt Die Power to Gas-Technik befindet sich am Anfang der Lernkurve. Bevor sie großtechnisch implementiert werden kann, ist noch viel Forschung und Entwicklungsbedarf erforderlich. Elektrolyse energetischen Effizienz ist zu verbessern Anpassung an den intermittierenden Betrieb der Stromerzeuger anzupassen im Teillastverhalten zu optimieren Entwicklung für größere Leistungen (deutlich über 1 MW) Methanisierungsanlagen Betriebserfahrungen sammeln und entsprechende verfahrenstechnologische Entwicklung Eignung von CO 2 aus industriellen Prozessen ist noch nachzuweisen Insgesamt Zusammenspiel von Elektrolyse und Methanisierung Zusammenwirken der Aggregate inklusive Nebenaggregate (Stromrichter, Sicherheitstechnik, Verfahrenstechnik) Wasserstoffverträglichkeit (Gasnetz, verschiedene Anwendungstechnologien etc.) Ausbaupotential der Untertagespeicherkapazitäten ist wissenschaftlich zu analysieren 14

15 Zusammenfassung Verschiedene Substitutionswege durch die Nutzung von regenerativ erzeugten chemischen Energieträgern zur Minderung von Treibhausgasemissionen möglich: stofflich und energetisch (Strom, Kraftstoff, Wärme) Zur zukünftigen Stromversorgung werden Speicher in großem Umfang benötigt Entsprechend der Ausbauprognosen für erneuerbare Energien wird 2020/2030 die Power to Gas-Technologie für das Stromsystem notwendig sein Kurzfristig ist die Forschung und Entwicklung dieser Techniken notwendig, um zu gewährleisten, dass diese zum richtigen Zeitpunkt auch verfügbar ist (regionale Überschüsse schon jetzt nutzen) Power to Gas ist langfristig für den gesamten Energiemarkt von großer Bedeutung. Nicht nur für den Strommarkt sondern vor allem für den Kraftstoffmarkt (Power to Liquid) Wasserstoffnutzung sollte auf Grund der energetischen Vorteile und da kein weiterer C-Träger benötigt wird vorangetrieben und die Anwendungstechnologien entsprechend weiterentwickelt werden 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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