Forum Windgas Wo kommt es her? Wo geht es hin?

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1 Forum Windgas Wo kommt es her? Wo geht es hin? Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Greenpeace Energy Kongress 2012 Forum Windgas Bonn

2 Inhalt 1) Windgas Wie kamen wir auf die Idee? 2) Chancen und Risiken Was ist revolutionär? Was darf nicht damit passieren? 3) Gesetze Was hat sich getan? 4) Speicherbedarf Jetzt, sofort? Später? Wann kommt Windgas? 5) Pilotanlagen Was wird momentan ausprobiert? 6) Perspektiven Wo geht die Reise hin?

3 Klimawandel kann neue Völkerwanderungen verursachen Kostet Geld Kostet Lebensraum

4 Anfang und Ende des fossilen Zeitalters vereinfachte Darstellung Einzelne Quellen Energieeffizienz Alle fossilen Quellen Verbrauch Wind Solar Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch

5 Optionen für eine emissionsarme Energieversorgung Reinheitsgebot der Energieversorgung Quelle: Sterner, 2009

6 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

7 WBGU 2008: Integration von Biomasse: in das Gasnetz ideal Quelle: Schmid, Sterner für WBGU, 2008

8 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

9 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.

10 Quelle: Sterner, : Simulation erster 100% regenerativen Stromsysteme Szenario BMU Leitstudie für 2050 x 1.2 für Deutschland Überschuss Stromverbrauch (Last) in GW

11 Quelle: Sterner, % regenerative Energieversorgungsstruktur Sicher, stabil, technisch machbar, umfänglich vernetzt carbon sink energy system

12 Inhalt 1) Windgas Wie kamen wir auf die Idee? 2) Chancen und Risiken Was ist revolutionär? Was darf nicht damit passieren? 3) Gesetze Was hat sich getan? 4) Speicherbedarf Jetzt, sofort? Später? Wann kommt Windgas? 5) Pilotanlagen Was wird momentan ausprobiert? 6) Perspektiven Wo geht die Reise hin?

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

14 Global! Europa! Deutschland Versorgungssicherheit am Beispiel Gas

15 Quelle: E-ON Ruhrgas angepasst, 2012 Energieinhalt von Speichern im Vergleich Schiff, t Steinkohle, 540 GWh el Zeit, über die ein 800 MW Kraftwerk versorgt werden kann 35 Tage Erdgasspeicher: 260 GWh Erdgasspeicher gesamt: ca GWh th (1/4 dt. Stromverbrauch) 17 Tage Pumpspeicher Waldeck: total 4,3 GWh 6 h Druckluft Huntorf 0,9 GWh 1,4 h Annahmen: - für Wasserstoff- bzw. Erdgasspeicher kleines Kavernenvolumen von m 3 (=Huntorf), - Wirkungsgrad Erzeugung: 0,6

16 Quelle: DUH, E-ON Ruhrgas angepasst, 2012 Neue Netze braucht das Land!? Transportleistung von 1 GW im Vergleich Überlandleitung Gasleitung (0,6 m Durchmesser)

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

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

19 In Deutschland gibt es ausreichend biogenes CO 2 Nachhaltiges CO 2 nicht der Bottleneck, sondern die Stromquelle

20 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

21 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 " Push aus dem Stromsektor nicht abzusehen! Pull aus Mobilität / Wärme? " 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? / Risikio?) " 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

22 Inhalt 1) Windgas Wie kamen wir auf die Idee? 2) Chancen und Risiken Was ist revolutionär? Was darf nicht damit passieren? 3) Gesetze Was hat sich getan? 4) Speicherbedarf Jetzt, sofort? Später? Wann kommt Windgas? 5) Pilotanlagen Was wird momentan ausprobiert? 6) Perspektiven Wo geht die Reise hin?

23 Rechtlicher Rahmen für Speichergas Windgas aus regenerativem Strom im EnWG 2011 und EEG 2012 in Ansätzen berücksichtigt: Wasserstoff und Methan, bei deren Gewinnung weit überwiegend Strom aus erneuerbaren Energiequellen im Sinne der EE-RL eingesetzt wird, gelten als Biogas, 3 Nr. 10c EnWG Rechtsfolge: Privilegierende Regelungen der GasNZV/GasNEV für die Einspeisung von Biogas sind im Grundsatz anwendbar " Vorrangige Netzanschlusspflicht nach 33 GasNZV " Vorrangiger Netzzugang " Pauschales Entgelt für vermiedene Netzkosten, 20a GasNEV Im EEG 2012 wird der Begriff des Speichergases eingeführt, 3 Nr. 9a EEG

24 Inhalt 1) Windgas Wie kamen wir auf die Idee? 2) Chancen und Risiken Was ist revolutionär? Was darf nicht damit passieren? 3) Gesetze Was hat sich getan? 4) Speicherbedarf Jetzt, sofort? Später? Wann kommt Windgas? 5) Pilotanlagen Was wird momentan ausprobiert? 6) Perspektiven Wo geht die Reise hin?

25 Quelle: Sterner, Jentsch 2011 (Windgas Gutachten Greenpeace Energy) Erste Abschätzung der Stromüberschüsse bis 2050 Speicher bei idealem Netz erst in Jahren relevant! Jetzt F&E notwendig! Mehr Antworten: unser BMU Projekt Roadmap Speicher

26 Speicher werden bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt. VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende # Bei EE-Anteil von 40% nur wenige Stunden mit Erzeugungsüberschuss; Ausgleich durch flexible Kraftwerke & homöopathischer EE-Abregelung # Speicher dienen dann überwiegend der Einsatzoptimierung der Kraftwerke (klassische Speicherfunktion). 10 TWh !2!4 nicht1abgeregelte1ee Biomasse1KWK KWK Erdgas,1Erdöl Steinkohle Braunkohle!6 B C D E Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40% Quelle: VDE ETG, 2012

27 Kurz- und Langzeitspeicher dienen bei einem EE-Anteil von 80% dem Klimaschutz. VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende # Bei EE-Anteil von 40% dienen Speicher nicht dem Klimaschutz (Flexibilität steigert Braunkohle-Grundlast). # Bei EE-Anteil von 80% substituiert eingespeicherte EE-Erzeugung Stromerzeugung aus fossilem Gas. 40 TWh !10 nicht0abgeregelte0ee Biomasse0KWK KWK Erdgas,0Erdöl Steinkohle!20!30 B C D E Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 80% Quelle: VDE, 2012

28 Speicher sollen nach Energiemengen und nicht nach Leistungsspitzen ausgelegt werden. VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende # Eine Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung und Abregelung von EE-Anlagen ist empfehlenswert (bei EE-Anteilen über 40%). # Im 80%-Szenario Zubau von 14 GW bzw. 70 GWh (5 Stunden) an Kurzzeitspeichern und ca. 18 GW bzw. 7,5 TWh (17 Tage) sowie EE-Abregelung weniger als 1 % sinnvoll (Variante E) # Ohne Speicher im 80%-Szenario EE-Abregelung von 7% erforderlich, dann aber 80%-Ziel nicht erreicht # Annuitätische Investitionskosten des Speicherparks im 80%-Szenario ca. 3 Mrd. /a (Variante E) Dauerlinien der Ein- und Ausspeicherung; Variante D, 80%-Szenario Quelle: VDE, 2012

29 Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10% bis VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende 120 /MWh Variable3Stromgestehungskosten Investitionskosten3Speicher Investitionskosten3Kraftwerke 78 /MWh 79 /MWh 84 /MWh %(A 80%(E Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen Quelle: VDE, 2012

30 Bei einer Steigerung des EE-Anteils von 80% auf 100% verdreifacht sich der Speicherbedarf. VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende # 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

31 Kraftwerke und Langzeitspeicher sorgen auch zukünftig für Versorgungssicherheit. VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende # Bis EE-Anteil von 80% ist die installierte Leistung der Erzeugungsanlagen (Kraftwerke, KWK (stromgeführt mit Wärmespeicher!)) stets in der Größenordnung der Spitzenlast. 140 GW ,7 GW< 95,7 GW< 95,4 GW< 110,9 GW< 107,8 GW< 99,7 GW< 95,7 GW< 93,5 GW< 100,7 GW< 99,2 GW< 93,1 GW< 77,8 GW< Wasserkraft Geothermie Biomasse(KWK KWK Gas<(Langzeitspeicher) Gas<(Fossil) Steinkohle Braunkohle Kernenergie 0 Notwendige Kraftwerkskapazitäten mit hoher Verfügbarkeit bei verschiedenen Speicherzubauvarianten und verschiedenen EE-Anteilen Quelle: VDE, %(A 40%(B 40%(C 40%(D 40%(E 80%(A 80%(B 80%(C 80%(D 80%(E 100%

32 UBA Umweltbundesamt 100% regeneratives Szenario Technisches Potential H 2 -Kavernen (Power-to-Gas) 110 TWh th = 66 TWh el bei η= 60% EE-Methan (Power-to-Gas) 514 TWh th = 308 TWh el bei η = 60% Pumpspeicher ca. 0,06 TWh el

33 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%)

34 Inhalt 1) Windgas Wie kamen wir auf die Idee? 2) Chancen und Risiken Was ist revolutionär? Was darf nicht damit passieren? 3) Gesetze Was hat sich getan? 4) Speicherbedarf Jetzt, sofort? Später? Wann kommt Windgas? 5) Pilotanlagen Was wird momentan ausprobiert? 6) Perspektiven Wo geht die Reise hin?

35 Entwicklungsstand Power-to-Gas Quelle: Linke (E-ON), 2012

36 WINDGAS ALS GESCHÄFTSFELD Greenpeace Energy, 2012

37 WINDGAS ALS GESCHÄFTSFELD Standort Elektrolyseur Greenpeace Energy Am Windpark Suderburg (Niedersachsen) Baujahr MW Leistung Direktvermarktung Strom-Direktleitung Elektrolyseur 1 bis 1,2 MW Genehmigungsverfahren läuft Kooperation mit Gasunie Greenpeace Energy, 2012

38 Quelle: E-ON, 2012 Technische Grenzen Wasserstoffeinspeisung Bisherige Untersuchungen: Wasserstoffgehalt im einstelligen Prozentbereich in vielen Fällen unkritisch ist, wenn DVGW-Arbeitsblatt G 260 eingehalten.allerdings sind derzeit im Wesentlichen Restriktionen zu beachten für u.a.: -Gasturbinen: 1 bis 5-Mol% -Fahrzeugtanks: 2- Mol% -Untertagespeiche <1- Mol%

39 Quelle: E-ON, 2012 Beispiel: Pilotanlage Power to Gas Falkenhagen 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

40 Hybridkraftwerk Prenzlau Quelle: Enertrag, 2012

41 Hybridkraftwerk - Elektrolyseur Quelle: Enertrag, 2012

42 Quelle: ZSW, 2012

43 Quelle: MicrobEnergy, 2012 Anwendungsbeispiele im technischen Maßstab (2/2) 5-40L-Maßstab 100m³-Maßstab

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45 Erste EE-Gas-Projekte in Deutschland befinden sich in Betrieb, Bau und Planung "Strom zu Gas -Projekte in Deutschland Nr. Unternehmen Projektstatus Leistung 1 Audi AG In Bau 6,3 MW 3 2 (1) Vattenfall AG In Betrieb k. A (2) E.ON AG In Planung k. A. 3 FH Lübeck Forschungs-GmbH Laufend k. A. 4 WIND-Projekt Gruppe Laufendes Projekt 1 MW 5 E.ON AG In Planung 2 MW 6 E.ON AG Laufendes Projekt k. A ENERTRAG AG In Betrieb 500 kw 8 Thüga-Gruppe In Planung 320 kw 9 (1) EnBW AG In Planung k. A. 8 9 (2) Solar Fuel GmbH In Betrieb 25 kw 9 (3) Solar Fuel GmbH In Bau 250 kw 10 DVGW-EBI In Planung k. A Bayer Laufendes Projekt k. A. 12 DEW 21 In Planung k. A. 13 Stadt Herten / Evonik Industries AG Laufendes Projekt k. A. Quelle: dena, DVGW, eigene Darstellung Forum Power-to-Gas, Regensburg,

46 Inhalt 1) Windgas Wie kamen wir auf die Idee? 2) Chancen und Risiken Was ist revolutionär? Was darf nicht damit passieren? 3) Gesetze Was hat sich getan? 4) Speicherbedarf Jetzt, sofort? Später? Wann kommt Windgas? 5) Pilotanlagen Was wird momentan ausprobiert? 6) Perspektiven Wo geht die Reise hin?

47 Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft

48 Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Koppelung der Energienetze Quelle: Sterner, 2011

49 Szenarien Europa Greenpeace-Szenario Europa energy (r)evolution: Primärenergieverbrauch Strom Quelle: WBGU, 2011

50 Szenarien Europa Greenpeace-Szenario Europa energy (r)evolution: Endenergie Strom Quelle: WBGU, 2011

51 Szenarien Europa Greenpeace-Szenario Europa energy (r)evolution: Endenergie Wärme (mit mehr Biomasse) Quelle: WBGU, 2011

52 Szenarien Europa Greenpeace-Szenario Europa energy (r)evolution: Endenergie Verkehr (mit auslaufender Biomasse) Quelle: WBGU, 2011

53 Transformation der Energiesysteme globale Betrachtung globale Herausforderung Quelle: Sterner, 2009

54 Transformation der Energiesysteme globale Vision: 100% regenerativ in allen Energiesektoren Quelle: WBGU, 2011

55 Quelle: WBGU, 2011 Transformation der Energiesysteme globale Vision: energiebedingte Emissionen 2 C Klimaziel erreicht, dafür ist aber ein massiver Umbau des Energiesystems notwendig

56 Windgas eine Schlüsseltechnologie der Energiewende " Lösung des Speicherproblems über Power-to-Gas " Regenerativer Ersatz fossiler Energie Nutzung der Gasinfrastruktur " Biomasse begrenzt! Wind und Solar " Ressource in unmittelbarer Form nicht lagerbar! Windgas / Solargas " Minderung Importabhängigkeit, Stabile Stromversorgung auch mit Wind & Solar " Lösung des Kraftstoffproblems über Power-to-Gas " CO 2 -neutrale Mobilität in der Fläche mit vorhandener Gastechnologie " ohne Einschränkung bei Reichweiten (Elektro) oder Potential (Biomasse) " Interaktion aller Energiesektoren! Schmelztiegel Elektrizität " Strom Gas Gas aus der Sahara vs. Strom " Strom Mobilität Strom, el. Kraftstoffe " Strom chem. Rohstoffe strombasierte Rohstoffe " Energiewende technisch möglich, ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht! Klimaschutz bleibt Frage des politischen Willen & öffentl. Akzeptanz

57 Quellen und weiterführende Literatur " 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. " 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. " Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. " WBGU verschiedene Gutachten, Berlin.

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

59 Wind & Solar können eine stabile Stromversorgung alleine nicht gewährleisten 4 Ausgleichsmaßnahmen werden notwendig: 1. Flexible Kraftwerke (v.a. Erdgas) 2. Stromnetze (Netzausbau) 3. Lastmanagement (smart grid) 4. Speicher Kurzzeitspeicher (Pumpspeicher, Batterien) Langzeitspeicher (Norwegen, Gasnetz) Wind & Solar in das Gasnetz über Power-to-Gas

60 Gesucht: Gefunden: Dicke Leitungen und große Speicher Im Gasnetz Überbrückung von Monaten 24 GW th über 2,5 Monate