Power-to-Gas AG 2: Beitrag der Speichertechnologien
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- Kathrin Frei
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1 Power-to-Gas AG 2: Beitrag der Speichertechnologien Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al., Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES), OTH Regensburg Energiedialog Bayerisches Ministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie München, 5. Dezember 2014 Unsere Arbeit: Alle Antworten gebündelt Sterner, Stadler (et al) Energiespeicher Springer, S., 510 Abb. 1. Buch mit allen Speichertechnologien 1. Buch zu Speichern im Kontext der Energiewende Quelle: Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2
2 Leitfragen 1) Ab wann werden Speicher relevant? Atomlücke, Versorgungssicherheit, Flexibilitätsoptionen 2) Welche Speicherkapazitäten sind vorhanden? 3) Welche Projekte gibt es und ab wann ist Power-to-Gas großtechnisch einsetzbar / marktreif? 4) Wo liegen Gesamtwirkungsgrade und Kosten? 5) Welche regulatorischen Maßnahmen sind notwendig? Wie kann die Marktreife unterstützt werden? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3 Energiewende = Stromwende + Wärmewende + Mobilitätswende Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4
3 Wir nutzen schon immer gespeicherte Energie Energiewende bringt Energieversorgung wieder an die Oberfläche 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, OTHR, S. 5 Wann entsteht ein Speicherbedarf? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6
4 Bis Atomlücke geschlossen ist, wenig Speicherbedarf Strommix in Bayern Bruttostromerzeugung 2012 Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7 Technisches Potenzial Photovoltaik Windkraft Bisher ausgeschöpft: ca. 20 % ca. 3 % Quelle: Fraunhofer IWES für BSW, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8
5 Erneuerbarer Anteil an der bay. Stromversorgung Grundlage: Energiekonzept, 85,4 TWh Bruttostromverbrauch (2009) Technisches Potenzial in Bayern vielfach ausreichend, um die Atomlücke zu schließen und die Stromwende in Bayern zu vollziehen Quelle: vorhergehende Folien Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9 Flächenverbrauch für den Ersatz aller 4 bay. AKW Bruttostromerzeugung: 42,9 TWh (2013)! Fläche Bayern: 7,1 Mio. ha! Biogas! Ertrag: 20 MWh / ha (Biomethan-Mais)! Bedarf: 2,15 Mio. ha " 30,4 % der Landesfläche! Photovoltaik! Ertrag: 3 ha / MW 1000 Volllaststunden 333 MWh / ha (PV-Freifläche 15 % Wirkungsgrad)! Bedarf: 0,13 Mio. ha " 1,8 % der Landesfläche! Windenergie! Ertrag: 3,44 ha / MW 1950 Volllaststunden 567 MWh / ha (Windparks)! Bedarf: 0,076 Mio. ha " 1,1 % der Landesfläche Wind Biogas(mais) Flächenbedarf exemplarisch, Nicht maßstabsgetreu PV Quelle: Sterner, eigene Berechnungen auf Basis der Potenziale, 2014 & DBFZ, 2008, Fraunhofer IWES, Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10
6 Überschüsse & Defizite " Flexibilitätsbedarf " Speicherbedarf Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11 Warum der Strom vom Norden in den Süden soll Wind und Solar sind die günstigsten Stromquellen Windgeschwindigkeit Windenergieeinspeisung Leitungsauslastung !" % Quelle: IAEW, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12
7 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 " Power-to-Gas " Gasspeicher Quelle: Sterner, IWES, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13 Fehlende Stromtrassen! Netzengpässe! Handel beschränkt Was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Netzausbau mit Atomausstieg getaktet: Südlink ersetzt AKW Grafenrheinfeld Süd-Ost-Passage ersetzt AKW Gundremm. Ballungszentrum Ungeplante Stromflüsse 2011 & 12: Ringfluss von Ostdeutschland " Polen " CZ " Bayern Netzausbau techn. & wirtschaftl. notwendig Umsetzung: Opt. entlang Infrastr. Autobahn Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2014, Stand 11/14, eigene Ergänzungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14
8 Entwicklung der Stromüberschüsse bis 100 % EE 2013 nur 96 Std. Überschüsse / neg. Preise aus Must-run, nicht EE Räumlicher Ausgleich (Netzausbau) Zeitlicher Ausgleich Nur über PtG machbar " 5 15 GW kostensenkend bei % EE ca. 50 GW PtG bei 100 % Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15 Backup Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Wind + PV + Gastechnologien " Wind fördern, nicht bremsen (Mythen: Umzingelung, Rentabilität, Lärm) " PV v. a. auf Dächern unterstützten (Mythen: Energie kommt nicht zurück, strahlt, brennt) " Gaskraftwerke / Gasturbinen / KWK / Speicher vorausschauend planen " Stromtrassen notwendig: Wind Import, PV Export & Strompreiszonen vermeiden Quelle: ITE, 2012 (Gorshkov, Müller-Kirchenbauer) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16
9 Welche Speicherkapazitäten und Projekte sind vorhanden? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17 Speicherdefinitionen Energiespeicher ist nicht gleich Stromspeicher 1 Stromsektor Wärmesektor Stromspeicher Gasspeicher Wärmespeicher Power-to-Heat, Flexible KWK Power-to-Gas als Stromspeicher Power-to-Gas als Wärmespeicher Power-to-Gas als Stromkraftstoff Kraftstoffspeicher Verkehrssektor 5 Elektromobilität 6 Power-to-Liquid als Stromkraftstoff Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18
10 Power-to-Gas einziger nationaler Langzeitspeicher Speicherkapazitäten vs. Ausspeicherdauern Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19 Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls Speicherkapazität: ca. 230 TWh = 230 Mrd. kwh = ca. 50 Mrd. Hausbatteriespeicher (vereinfacht) 60 GW Gaskraftwerke " 3 Monate Versorgung sichern (gesicherte Leistung, zusammen mit Netzausbau " Ablösung AKW & Kohlekraft) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20
11 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, OTHR, S. 21 Power-to-Gas Das Original 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, OTHR, S. 22
12 Einspeisung von 10-Vol% Wasserstoff an 3 Hauptleitungen Gasnetzentwicklungsplan der Gasnetzbetreiber " Austausch aller Kompressorstationen Kosten: 3.7 Mrd. EUR " Aufbau neuer H 2 Infrastruktur einfacher " Austauschgas (z.b. Biogas) hat Vorfahrt vor Zusatzgas (Wasserstoff) " 2% H 2 realistisch! Source: Fernleitungsbetreiber, 2012 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23 Nur 2 % Wasserstoff in Gasinfrastruktur problemlos nutzbar! Methanisierung: Chemie vs. Biologie Thermo-chemisch Biologisch Reaktion 4 H 2 + CO 2 " CH H 2 O Druck Bis zu 100 bar 1-3 bar Temperatur C C Kern Katalysator Mikroorganismen Biologie im Vorteil: - Milder - Geringere Anforderg. an Inputstoffe - Höhere Gasqualität Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24
13 Aktuelle Entwicklung von Power-to-Gas Anlagen VWL sinnvoll, aber BWL derzeit kein Spielraum Quelle: Sterner, Thema, Greenpeace Energy Windgas Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25 Ca. 20 Demoanlagen ca. 200 Mio investiert Technologie ist reif für die Markteinführung Quelle: DVGW, Thüga, E-On, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26
14 Wo liegen Gesamtwirkungsgrade und Kosten? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27 Wirkungsgrade von Power-to-Gas Nur Einspeichern Quelle: Sterner, Thema, Greenpeace Energy Windgas Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28
15 Wirkungsgrade von Power-to-Gas Gesamtwirkungsgrade Strom, Wärme, Mobilität Alternativen sind effizienter, aber haben nicht die geforderte Kapazität Quelle: Sterner, Thema, Greenpeace Energy Windgas Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29 BWL Kosten von Power-to-Gas Kosten liegen noch ein Mehrfaches über Erdgas, Benzin und Diesel Quelle: Köppel, DVGW 2012 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30
16 Kann PtG die Stromtrassen ersetzen? " technisch ja, wirtschaftlich nein " PtG ergänzt Netzausbau Stromtrassen Gasnetz & PtG Ausgangspunkt: Windkraft 100 % 100 % Einspeicherung (PtG) % Übertragung / Speicherung Ausspeicherung (Gaskraftwerk / BHKW) Wie viel kommt in Bayern an? % 99,9 % (nahezu 100 %) % ca % ca %! nur ca. 1/3 " 1/3 kommt an " 3 x so viele Windkraftanlagen notwendig + Speichertechnik " Stromkosten Wind + PtG Speicher + Gasnetz = 3,5 x Wind + Stromtrassen Quelle: Sterner, Stadler, 2014; DENA, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31 Zeitlicher und räumlicher Ausgleich möglich (v. a. Redispatch) Netzausbau nicht ersetzen durch PtG, sondern ergänzen Norden / Nord-West Deutschland Quelle: Jentsch, Dissertation 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32
17 Power-to-Gas / X = mehr als Stromspeicher " Stromkraftstoffe "Chemische Grundstoffe Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33 Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe Biomasse - Flächenpotenzial - Akzeptanz - Pflanzenkraftstoff für die Landwirtschaft (Haferprinzip) Elektromobilität - Reichweite - Kosten Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34
18 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, OTHR, S. 35 Dekarbonisierung von Verkehr & Chemie erfordert Power-to-X (Gas, Liquid, Heat, Chemicals) Abschätzung zukünftiger Märkte für Power-to-Gas in GW Durchschn. Stromnachfrage (Leistung) heute min max min max min max Chemie Verkehr Strom Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36
19 Wie kann die Marktreife unterstützt werden? Welche regulatorischen Maßnahmen sind notwendig? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37 Kostendegression nur über Markteinführung möglich Nicht über reine Forschung & Entwicklung heute Invest in /kw ,01 0, Installierte Leistung in GW Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38
20 Unterstützung und Maßnahmen " Förderung der Forschung und Entwicklung von Power-to-Gas äquivalent zu anderen Speichertechnologien in Bayern " Beseitigung von Hemmnissen umsetzen sektorenübergreifende Speicherung rechtlich nicht abgebildet Letztverbraucherstatus zeitlich & mengenmäßig begrenzt aufheben " Märkte öffnen für Energiespeicher (regulatorisch) A) Regelleistungsmarkt: Kleinere Zeitscheiben & Mindestgrößen B) Flexib.markt / Kap.markt / Strat. Res.: Speicher berücksichtigen Ideal: A) & B) zusammenführen - Kriterien: - technologieneutral, wettbewerblich - Beitrag gesicherte Leistung, hohe Flexibilität - Zugang für EE, DSM und Speicher Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39 Antworten 1) Ab wann werden Speicher relevant? Speicherbedarf = Abhängig von Annahmen & Flexibilitäten PtG ist einzige existierende nationale Langzeitspeicheroption, ohne PtG keine 100 % Stromwende, ergänzt Netzausbau 2) Welche Speicherkapazitäten sind vorhanden? 230 Milliarden kwh, Verdoppelung leicht möglich 3) Welche Projekte gibt es / marktreif? Ca. 20 Projekte, 2 in Bayern, ca. 200 Mio. investiert, marktreif 4) Wo liegen Gesamtwirkungsgrade und Kosten? Stromspeicher: ca. 30 %, Kosten ca ct/kwh, erster Markt: Mobilität, großes Plus: vorhandene Infrastruktur 5) Welche regulatorischen Maßnahmen sind notwendig? Hemmnisse beseitigen, Märkte öffnen, gleichwertige F&E Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40
21 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) michael.sterner a oth-regensburg.de Vielen&Dank& Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41 Überblick über mögliche Funktionen und Anwendungen sowie den Nutzen der betrachteten Speicher im Stromsektor Backup Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42
22 Backup Technologische Reife unterschiedlicher Speicher Quelle: Sterner, Stadler, 2014 auf Basis von zahlreichen Studien Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43 Mythos: Ökostrom ist teuer Wind und Solar am Günstigsten Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO 2 ) Backup 0 Wind PV Biogas (EEG) Geothermie (EEG) Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft Gestehungskosten für neue Kraftwerke in cent / kwh 2013 Einspeisevergütung England neues AKW: 11,5 ct / kwh für 35 Jahre, inflationsbereinigt Quelle: Agora 2013, mit Daten vom Energiewirtschaftlichen Institut zu Köln EWI , EEG Nov Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44
23 Backup Energiewende lohnt sich Rendite 4 7 % bis 2050 Studie Geschäftsmodell Energiewende Quelle: Gerhardt et al., 2013 ( Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 45
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