Power-to-Gas Ein Langzeitspeicher für die Energiewende oder wie Wind- und Solarenergie zur Primärenergie wird

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1 Power-to-Gas Ein Langzeitspeicher für die Energiewende oder wie Wind- und Solarenergie zur Primärenergie wird Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. DPG Tagung Deutsche Physikalische Gesellschaft Uni Regensburg

2 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Klima, Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2

3 Klimawandel kann neue Völkerwanderungen verursachen Kostet Geld Kostet Lebensraum Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3

4 Energiebedingte Emissionen zwischen 1750 und 2006 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4

5 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. 5

6 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. 6

7 Neue Technologieentwicklungen erschließen größeres Potential (z.b. hohe Windkraftanlagen im Wald) Energie kommt je Anlage in 3-9 Monaten zurück Lärmemissionen minimal Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7

8 Windenergie in Deutschland Bayern trotz Landesgröße nach wie vor bei den Schlusslichtern Quelle: DEWI, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8

9 1% bay. Landesfläche kann 50% unseres Stroms decken Technisches Potential " 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 " Bay. Windatlas für individuelle Standortbestimmung nicht geeignet (! WindPro)! 1% unserer Landesfläche für Wind nutzen! 50% unseres Strombedarfs decken Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9

10 Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe! Technologie und Markt danach ausrichten Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: % EE-Anteil Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10

11 Wind & Solar alleine schaffen eine stabile Wende nicht Wir brauchen Ausgleichsmaßnahmen: 1. Flexible Kraftwerke (v.a. Erdgas, Biogas, KWK) 2. Flexible Verbraucher (Lastmanagement) 3. Stromnetze (Netzaus- und -umbau) 4. Speicher Kurzzeitspeicher (Pumpspeicher, Batterien) Langzeitspeicher (Norwegen, Gasnetz) Wind & Solar in das Gasnetz über Power-to-Gas Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11

12 Was heißt Versorgungssicherheit? Versorgungssicherheit ENERGIE LEISTUNG Volkswirtschaft, Strategie Technisch Potential Gesicherte Leistung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12

13 Vergleich der Optionen zur techn. Versorgungssicherheit Technisch Wirtschaftlich Gesellschaftlich Netze Kraftwerke Speicher Masterplan?! regional leichter als national / europäisch Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13

14 UBA Umweltbundesamt 100% regeneratives Szenario Quelle: UBA, 2010 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14

15 Ab 70% erneuerbaren Energien entsteht ein großer 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%) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15

16 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 Quelle: Sterner, Jentsch 2011 (Windgas Gutachten Greenpeace Energy) Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16

17 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. 17

18 WBGU 2008: Integration von Biomasse: in das Gasnetz ideal Vorstellung auf int. Biomassekonferenz in Valencia Juni 2008 Quelle: Schmid, Sterner für WBGU, 2008 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18

19 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Klima, Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19

20 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. 20

21 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. Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21

22 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 Quelle: Sterner, Jentsch, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22

23 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 Quelle: Nitsch, Sterner, et al, BMU Langfristszenarien % gleich Austauschgas - kompatibel - kompatibel - kompatibel 10 MJ / Nm³ 33 MJ / Nm³ H 2 -Einspeisegrenzen derzeit: 2% Fahrzeuge 1% Gaskraftwerke 0,5% Messinstrumente Speicher unbekannt Nur Einspeicherung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23

24 Einspeisung von Wasserstoff in das Gasnetz: Grenzen schnell erreicht Verbrauch/Einspeisevolumenstrom in 10 3 m 3 /h H 2 -Einspeisegrenzen derzeit: 2% Fahrzeuge 1% Gaskraftwerke 0,5% Messinstrumente Speicher unbekannt saisonale Speicherkapazität - vor Ort oder - überregional in Untergrundspeicher wird benötigt Quelle: Berechnungen DBI, Energiespeicherkonzepte 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24

25 Netzausbau Strom vs. Gas Pipeline nach Belgien/UK Frühjahr Quelle: Bauer, Wingas Transport 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25

26 Netzausbau Strom vs. Gas Pipeline nach Belgien/UK Energietransport Gaspipeline Faktor 10 größer als Energietransport Stromtrasse Herbst Quelle: Bauer, Wingas Transport 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26

27 Hybridkraftwerk Prenzlau Quelle: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27

28 Windgas bei Greenpeace Energy Power-to-Gas bei E-ON Ruhrgas Über 6000 neue Gaskunden Direktvermarktung des Gases Pipelineanbindung Niederspannungsversorgung Automation Stromübergabe Messtechnik Elektrolysen Quelle und : Greenpeace Energy, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28

29 Vergleich der katalytischen mit der biologischen Methanisierung Katalytische Methanisierung Mikrobiologische Methanisierung Reaktionsgleichung 4H 2 + CO 2! CH 4 + 2H 2 O Druck Bis zu 100 bar Umgebungsdruck Temperatur 200 bis 600 C 20 bis 80 C Funktionsprinzip Verwendung eines Katalysators Umsatz erfolgt durch spezielle Mikroorganismen Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29

30 2011: Entwicklungsstand Power-to-Gas biologisch Methan Pilotanlagen in Schwandorf (MicroBEnergy) und Linz (Krajete) 86 % Methanausbeute Vol. % Kontinuierlicher Prozess Einfacher Durchgang Quelle: Krajete GmbH, Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30

31 Gestehungskosten für EE-Gas Ergebnisse DVGW Projekt Energiespeicherkonzepte Quelle: Köppel, DVGW 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31

32 Energiespeicher Wald Zuwachs übersteigt den bay. Heizölverbrauch Fläche: Zuwachs: CO 2 -Speicherung Energie: 2,56 Mio. Hektar ca. 30 Mio. m 3 / a etwa gut 1 m³ Festmeter Holz pro Sekunde Mittelwert 12 m 3 /ha*a Mittelwert 18 t CO 2 /ha*a ca GWh entspricht ca Mio. l Heizöl bei rein energet. Nutzung (max % realistisch) bay. Heizölverbrauch ca Mio. l Gegenwert ca Mio. EUR Holz als Energie (bei 90 EUR / 100 l Heizöl) Speicherleistung ca MW! der Wald ist Bayerns größter Speicher Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32

33 Wald und Wild aus dem Gleichgewicht Nur vollständige Einzäunung hilft Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33

34 Wald und Wild im dem Gleichgewicht Beispiel Untergriesbach Wald kommt von selbst hoch ohne menschliche Hilfe Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34

35 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Klima, Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35

36 Welche Leistung liegt ständig an den deutschen Tankstellen an? 170 Mio l Benzin / Tag = 64 GW! Irene kontrolliert gerade einen Leistungsfluss von 16 MW: Energieinhalt Benzin: 9 kwh/l = 32 MJ/l Durchflussmenge: 0,5 l/s) Elektrisches Äquivalent von Haushalten (a 500 W Mittelwert)! Quelle: C. Hoffmann - Siemens, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36

37 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. 37

38 Audi e-gas Projekt in Werlte / Emsland Richtfest am WKA à 3.6 MW el Elektromobilität Quelle: Audi 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 38

39 Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Koppelung der Energienetze Quelle: Sterner, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 39

40 Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10% bis /MWh Variable3Stromgestehungskosten Investitionskosten3Speicher Investitionskosten3Kraftwerke 78 /MWh 79 /MWh 84 /MWh 1003 /MWh Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen Quelle: VDE, %(A 80%(E 100%(D Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40

41 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41

42 Handlungsfeld Stromerzeugung: Wind / PV leitende Größen Anteil EE 20% 35% 50% 65% 80% Netze Netze umbauen, Netze ausbauen, Energienetze koppeln Erzeugung Kraftwerke flexibilisieren Verbrauch Nachfrage flexibilisieren, Lastmanagement ausbauen Speicher Power-to-Heat für Überschüsse einsetzen Pumpspeicher Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring der Energiewende Quelle: Sterner, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 42

43 Inhalt 1) Ausgangslage: Wind und Solar brauchen Stützen Klima, Fossile Energie, Potentiale, Flexibilitäten 2) Windgas / Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 3) Power-to-Gas / Power-to-Liquid als Kraftstoff Wind- und Solarkraftstoffe überwinden Tank/Teller- und Reichweitenproblem 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43

44 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 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 44

45 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 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 45

46 Ausgewählte Informationen und Quellen " 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 (2012): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global; Leitstudie 2011 BMU - FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. leitstudie2011_bf.pdf " Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. " WBGU verschiedene Gutachten, Berlin. Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 46

47 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Hochschule Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik + 49 (0) hs-regensburg.de Abschlussarbeiten (Bachelor, Master) Kooperative Promotionen! einfach an mich wenden! Vielen&Dank& Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 47