Power-to-Gas Perspektiven einer technologischen Innovation
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- Cornelia Möller
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1 Power-to-Gas Perspektiven einer technologischen Innovation Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg Arbeitskreises Energie (AKE) Deutsche Physikalischen Gesellschaft Bonn,
2 Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende 2) Speicherbedarf Ergebnisse VDE Studie 3) Speichertechnologien Fokus Power-to-Gas 4) Ausblick Verkehr Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie 5) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2
3 Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende Jahrtausende vor Heute Quelle: nach Petit et al Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3
4 Energiebedingte Emissionen zw und 2010 Quelle: Sterner, 2014 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4
5 Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende Jahrtausende vor Heute Quelle: nach Petit et al Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5
6 CO 2 ist ein Treibhausgas Arrhenius 1896 (4-6 ºC) Effekt der CO 2 -Verdoppelung: Klimasensitivität 3 ± 1 ºC Es folgt: Störung durch den Menschen sollte bisher 0,7 0,9 ºC Erwärmung verursacht haben Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6
7 Temperaturmessungen Klimawandel in den letzten 500 Jahren eindeutig korreliert mit anthropogenen CO 2 Emissionen Hitzewellen in Europa in den letzten 500 Jahren Verteilung der Jahresmittel-Temperaturen in Europa Quelle: Barriopedro et al Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7
8 Klimawandel kostet Lebensraum auch in Deutschland Energiewende ist notwendig zum Schutz des Lebens PNP Juli 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8
9 Langfristiges Handeln zum Wohl der Menschen notwendig Industriepolitik vs. Klimapolitik Kurzfristiger Profit vor langfristigem Wohlstand Grundproblem in Politik & Wirtschaft: Kurzfristiges Handeln Klimaschutz: Regional eher machbar als national / global Bilderquelle. SZ & AP Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9
10 Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte Vereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen Energieeffizienz Wind Solar Verbrauch Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10
11 Das globale technische Potential erneuerbarer Energien Beispiel Strom Größte Herausforderung von Wind und Solar: Meteorologische Abhängigkeit Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11
12 Installierte EE-Leistung übersteigt bald Lastbänder System rotierender Massen à Inverterbasiertes System Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung bis 2050 Quelle: Trost, 2013 nach BMU Langfristszenarien A, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12
13 Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe à Technologie und Markt danach ausrichten Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: % EE-Anteil Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13
14 Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine Wir brauchen Flexibilitäten 1. Hoch flexible Kraftwerke 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher) Wind Solar à Power-to-Gas à Gasspeicher Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14
15 EE Fluktuationen erfordern flexible Kraftwerke Mit Kernkraft nur schwer technisch umsetzbar Quelle: Gerhardt, Speckmann, Sterner 2011 (Addendum Energiewirt. Bewertung von Speicher) Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15
16 Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien à Wind fördern, nicht bremsen (Mythen: Umzingelung, Rentabilität, Lärm) à Gaskraftwerke / Gasturbinen vorausschauend planen à Kein n-1 Versorgungssicherheitsproblem, wenn Thüringer Brücke nicht kommt Quelle: ITE, 2012 (Gorshkov, Müller-Kirchenbauer) Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16
17 Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende 2) Speicherbedarf Ergebnisse VDE Studie 3) Speichertechnologien Fokus Power-to-Gas 4) Ausblick Verkehr Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie 5) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17
18 VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende (2012) Fragestellung Bilanzierung von Verbrauch & Erzeugung Kurzzeitspeicher Langzeitspeicher Flexible Kraftwerke & KWK Flexible EE-Erzeugung (Abregeln, Biogas) Quelle: VDE ETG, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18
19 40% EE Speichernutzung Auslastung h Zyklen 150 Kurzzeitspeicher Kurzzeitspeicher - Zyklen Entladen Laden Langzeitspeicher Langzeitspeicher - Zyklen Entladen Laden EE-Abregelung ohne Speicher: 0,11% mit Speicher: 0,01% Quelle: VDE ETG, 2012 Auslastung h Zyklen 1 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19
20 Veränderung der Stromerzeugung durch Speicherzubau 9 TWh EE-Anteil: 40 % EE-Anteil: 80 % nicht abgeregelte EE Biomasse 45 TWh nicht abgeregelte EE Biomasse KWK D-A E-A KWK Erdgas, Erdöl D-A E-A Erdgas, Erdöl Steinkohle Speicher erhöhen Braunkohleanteil Speicher verdrängen Gas-KW Minimaler Nutzen für EE Speicher vorwiegend für EE Speicher ersetzen Gas-KW Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 20
21 Energiewende: Stromgestehungskosten steigen selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10%. 120 /MWh Variable Stromgestehungskosten Investitionskosten Speicher Investitionskosten Kraftwerke 78 /MWh 79 /MWh 84 /MWh 100 /MWh %- A 80%- E 100%- D Quelle: VDE, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21
22 Korrelation Wind & Last & EEX Negative Strompreise auch bei Windflaute Stündliche Daten für 2007 und 2008 Negative Strompreise zu Schwachlastzeiten bei wenig / viel Wind Wind senkt den Spotmarktpreis Quelle: IWES, 2010 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22
23 Gestehungskosten Strom Wind & Sonne gleichauf / am Günstigsten Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, etc.) Wind PV Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft Gestehungskosten für neue Kraftwerke in -ct. / kwh 2013 Source: Agora 2013, EWI Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23
24 Preiswerte und kostenstabile Energieversorgung nur mit Energiewende - Volkswirtschaftliche Kosten und Erlöse Kumulierte Differenzkosten, Mrd.EUR (2009) Basisszenario 2010 A, Preispfad A Volkswirtschaftliche Vorleistungen *) Summenwert : Mrd. bis Volkswirtschaftliche Rendite Fotovoltaik (PV) Strom ohne PV Wärme Kraftstoffe BASIS10/DIFKUMG *) gegenüber heutiger betriebswirtschaftlicher Kalkulationsbasis wären externe Kosten (insbes. Klimawandel) voll berücksichtigt, fielen diese Vorleistungen nicht an! Quelle: BMU Langfristszenarien, Nitsch, Pregger, Sterner et al Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24
25 Externe Kosten des Energieverbrauchs Subventionen n EEG direkte Subvention; Mehrkosten werden auf alle Stromkunden umgelegt à EEG-Umlage zukünftig konstant Preistreiber nicht EE n Dt. Steinkohle: von 1975 bis 1995 Kohlepfennig n 1995: direkte Abgabe von 8,5% der Stromrechnung: 3,1 Mrd. EUR n Verfassungsgericht kippt Kohlepfennig n seitdem indirekte Subventionierung über Steuern n Bisher ca. 90 Mrd. EUR Subventionen (Auslaufend 2018) à reicht für 90 GW Wind (ca. 180 TWh = 1/3 unseres Nettostrombedarfs) n Förderung von Nachtspeicherheizungen bis 2006, um für Grundlast (Atom, Braunkohle) zu sorgen n Indir. Subvention: Steuervergünstigung für Flugtreibstoffe, für Bahn nicht Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25
26 Beiträge einzelner Faktoren zur Steigerung der EEG - Umlage Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26
27 Ausgaben für Energieforschung: 50% Kernenergie, 50% andere Energie markt war immer planwirtschaftlich getrieben Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27
28 Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende 2) Speicherbedarf Ergebnisse VDE Studie 3) Speichertechnologien Fokus Power-to-Gas 4) Ausblick Verkehr Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie 5) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28
29 Definitionen Speicher & Energiespeicher Ein Speicher ist eine Einrichtung zur Bevorratung, Lagerung und Aufbewahrung von Gütern. Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet: Laden, Speichern und Entladen Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29
30 Speichertechnologien im Vergleich: Kapazität und Reichweite Quelle: TH Regensburg FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30
31 Speicher je nach Einsatz sinnvoll oder nicht 2030 Varianten für Szenario NEP B 2012 für NS-, MS- und HS-Ebene Hausspeicher Bewährt bei USV Unverzichtbar für die Elektromobilität Hausspeicher für PV nur im netzkonformen Betrieb sinnvoll Als Systemspeicher für Netzstabilität sinnvoll Netzstabilität Quelle: A123; NGK Insulators, 2013; TU Dortmund Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31
32 Netzstützung durch Primärregelleistung Berlin: Erstmals kommerzieller Einsatz eines BKW in PRL Quelle: Younicos Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32
33 Pumpspeicher Riedl u. a. Etablierte Technologie Akzeptanz durch Verbindung mit EE PSW können gute Speicher für erneuerbaren Strom aus der Region für die Region sein Voraussetzung: Betrieb im Takt von Wind und Sonne Quelle: RegioWiki Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33
![Power [MW] 6000 4000 2000 Numerisches Wettermodell 0 14.](/docs-images/93/113143265/images/34-1.jpg "1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.")
34 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 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34
35 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 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35
36 Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz à 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. Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36
37 Einspeisung von 10-Vol% Wasserstoff an 3 Hauptleitungen Gasnetzentwicklungsplan der Gasnetzbetreiber à Austausch aller Kompressorstationen Kosten: 3.7 Mrd. EUR à Aufbau neuer H 2 Infrastruktur einfacher à Austauschgas (z.b. Biogas) hat Vorfahrt vor Zusatzgas (Wasserstoff) à 2% H 2 realistisch! Source: Fernleitungsbetreiber, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 37
38 Methanisierung: Chemie vs. Biologie Thermo-chemisch Biologisch Reaktion 4 H 2 + CO 2 à CH H 2 O Druck Bis zu 100 bar 1 bar Temperatur C C Kern Katalysator Mikro-Organismen Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 38
39 Pilot- & Demoanlagen: Entwicklung in Stuttgart & Kassel kw kw Quelle: Solarfuel, ZSW, IWES Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 39
40 E-ON Power-to-Gas Falkenhagen MW Quelle: E-On, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40
41 Methangas: Audi g-tron Projekt ,3 MW Source: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41
42 100% erneuerbares Energiesystem möglich Energiesystem mit CO 2 Senke Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 42
43 Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende 2) Speicherbedarf Ergebnisse VDE Studie 3) Speichertechnologien Fokus Power-to-Gas 4) Ausblick Verkehr Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie 5) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43
44 Herausforderungen Energiewende Stromwende Wärmewende Verkehrswende? Erneuerbare Anteile 2011 Quelle: BMU, BMWi Statistiken, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 44
45 Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit (Tank-Teller) Elektromobilität - Reichweite - Kosten Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 45
46 Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 46
47 Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit (Tank-Teller) Elektromobilität - Reichweite - Kosten Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids Gesamtpotential Stromüberschüsse bei 100%: ca. 50 TWh 25 TWh Kraftstoff von heute ca. 700 TWh Bedarf Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 47
48 Weiterer Ausbau von Wind & Solar: Kernprobleme Fluktuationen & Akzeptanz Landnutzung begrenzt - Flächenpotential - Akzeptanz - Nachhaltigkeit Meer: größtes Flächenpotential für Erneuerbare - Offshore-Windkraft } Fluktuationen, Anbindung, Potential - Meeresströmungsturbinen Grundidee des neuen Konzepts: Follow the wind Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 48
49 Wie können wir dem Wind folgen? Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 49
50 Wind + Wasserkraft + Speicher = Segelenergie Zweck: Dem Wind folgen und Energie ernten Quelle: Sterner, Raith, 2013, Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 50
51 Segelenergie: Energieschiff mit Flettner-Rotoren Quelle: Sterner, Raith, 2013, Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 51
52 Segelenergie: Energieschiff der 2 5 MW Klasse Konstante Ernte von Windenergie Hohe Auslastung der Anlagen Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 52
53 Segelenergie: Potentiale vorhanden Routenoptimierung: Gestehungskosten H 2 : 80% Auslastung (Wind Grundlast) ab 16 Cent/kWh - derzeitiger Marktpreis: 33 ct./kwh Quelle: auf Basis von Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 53
54 Segelenergie: Routen optimieren Beispiel 3 Monate-Fahrt insg h (80%) Auslastung Quelle: Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 54
55 Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende 2) Speicherbedarf Ergebnisse VDE Studie 3) Speichertechnologien Fokus Power-to-Gas 4) Ausblick Verkehr Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie 5) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 55
56 Take home Stromwende PtG einziger nationaler Langzeitspeicher Verkehrswende PtG wichtiger für Mobilität und chem. Industrie Segelenergie Wind-Wasser-Speicher-System Konstant Wind als Grundlast ernten Erschließt großes ungenutztes Potential Kein Einfluss auf das Landschaftsbild Keine Konkurrenz zu Nahrung / Futter Impuls für nachhaltige Mobilität & Schiffbau n Speicher Ohne Rahmenbedingungen keine Entwicklung CO 2 vernünftig bepreisen / besteuern (Kauf: 100 / t CO 2 vs. Entsorgung in der Atmosphäre: 4 / t CO 2 ) n Energiewende Wind & PV gleichauf mit fossil / nuklear Subventionen für fossil / nuklear beseitigen (EU: 100 Mrd. /a für fossil & nuklear vs. 30 Bio. /a für Erneuerbare global: 544 Mrd. /a fossil & nuklear vs. 101 Mrd. ) Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 56
57 Weiterlesen Ab Anfang 2014 im Springer-Verlag Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 57
58 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) hs-regensburg.de Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 58
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