Innovation als Voraussetzung für die Entwicklung des zukünftigen Gasmarktes. Dr. Jürgen Lenz, Vizepräsident des DVGW

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1 Innovation als Voraussetzung für die Entwicklung des zukünftigen Gasmarktes Dr. Jürgen Lenz, Vizepräsident des DVGW

2 Energieversorgungsstrukturen verändern sich: Vielzahl insbes. regenerierbarer Quellen Vielzahl neuer Applikationen politische Vorbehalte,Subventionen Volatilität nimmt deutlich zu Rückgang Wärmemarkt Fossile Energien, insbes. Gas, durch Unconventionals für Jahrzehnte kein Engpass Technologieschübe

4 Politische Zielrichtung Meseberg : Gaszentralheizung Strom + Wärme Strom Einfamilienhaus Wärmeversorgung zentralisieren BHKW Stromversorgung dezentralisieren Kraftwerk Je dezentraler die Stromerzeugung, umso höher die Chance der Abwärmenutzung

6 Probleme der Grundlasttauglichkeit von Windstrom Quelle: DENA Vortrag auf dem EVU Gipfel 2010 in Heiligendamm

7 Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien im Jahr 2010 in MW 70'000 60'000 50'000 40'000 30'000 20'000 10'000 0 PV Wind-Onshore Wind-Offshore Wind-Onshore 25 GW Wind-Offshore 0 GW PV-Leistung 10 GW Einspeiseprofile Erneuerbare Energien

8 Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien im Jahr 2030 in MW (Modelldaten Prognos zu Wind & PV) 70'000 60'000 50'000 40'000 30'000 20'000 10'000 0 PV Wind-Onshore Wind-Offshore Wind-Onshore Wind-Offshore PV-Leistung GW 20 GW 40 GW Einspeiseprofile Erneuerbare Energien

9 Netzstabilität erfordert eine Parallelstruktur zentralen Kraftwerke dezentralen KWK-Systeme Speicher Stromkonversionssystemen z.b. Elektrolyse

11 Energiebedarf in Haushalten 2% 5% Raumwärme 2% 1% Beleuchtung 1% Elektrogeräte 9% 2% IuK-Geräte Kraft Sonstige Warmwasser Kochen 78% Quelle: Prognos 2007 AG 2007

12 Veränderung des Primäreneriebedarfs durch gesetzliche Vorgaben Quelle: BEE 2009 Dezentrale Energieversorgung Potenzial zur Deckung des Eigenstrombedarfs

13 Baugenehmigungen neue Wohnungen Marktanteile der Energieträger in Deutschland 2. Qu. 1. Qu ,0 61,6 65,6 66,9 11,2 11,7 10,2 8,9 5,9 6,3 5,4 7,7 18,8 16,8 14,3 11,2 2,8 2,7 3,2 4, ,0 75,0 8,6 7,3 4,4 3,1 5,4 6,4 10,6 74,3 7,0 12, ,8 7,2 11,0 75,9 7,5 11, ,7 7,0 13,4 75,0 7,1 15, ,3 8,5 16,3 71,1 11,8 15, ,1 9,9 16, ,2 70,7 9,4 6,6 17,9 21,1 68,9 6,3 22, ,7 6,3 23,7 66,1 6,8 24, ,7 5,7 26,5 0% 20% 40% 60% 80% 100% Erdgas Fernheizung Strom Sonstige Wärmepumpen Heizöl

14 Heizwärmebedarf Status nach Wohnflächenverteilung - EFH Heizwärmebedarf von EFH in kwh/m 2 a bis % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Anteil der Wohnfläche Quelle: BMVBS 2007

15 Energieversorgungsstrukturen verändern sich: Vielzahl insbes. regenerierbarer Quellen Vielzahl neuer Applikationen politische Vorbehalte,Subventionen Volatilität nimmt deutlich zu Rückgang Wärmemarkt Fossile Energien, insbesondere Gas: durch sogenannte unkonventionelle Gase für Jahrzehnte kein Engpass Technologieschübe

16 Unkonventionelle Gase 150 bcm/a Zusatzkapazität in USA shaletight-und cbm-gas führt zur Umlenkung kontrahierter LNG-Mengen nach Europa und Asien Produktion bei Gazprom bisher nur in Cenoman-Horizonten Vermutete non-conventional-reserven in Europa: bcm Diversifizierung der Beschaffung verringert gefühlte Abhängigkeit von Liefer- und Transitländern Positiv für Image des Gases und Stabilisierung des Preisniveaus

18 Rolle des Gases in einem zukünftigen Energieversorgungssystem Kernenergie Strom Gas Erdgas CO2-Abtrennung Kohle Erneuerbare Energien, Wind Wasserstoff GuD-Kraftwerke Biogas -Gülle, NAWARO -Biomasse, Holz Synthetisches Gas (z.b. aus Kohle mit CO2-Abtrennung Kraft- Wärme- Kopplung Nutzung von elektrischer Energie und Wärme

19 - Strom- und Gasnetz werden Sammelsysteme für konventionelle und regenerative Energien - 30 % Windenergie ist eine große Herausforderung für Stromnetz - Gasnetz kann mit Biogas (kein Limit) und H2 aufgespeist werden - Gasnetz hat eine hohe Flexibilität durch Kompressibilität und Speicheranbindung und hat Kapazitätsreserven durch Bedarfsrückgang im Wärmemarkt - Verbindung des empfindlichen Stromnetzes mit dem flexiblen Gasnetz bietet hohes Potential zur Ausregelung fluktuierender Energien und zur Minimierung des Investitionsbedarfs - Effizienz der Übergänge abhängig von Abwärmenutzung und elektrischem Wirkungsgrad der Stromerzeugung

20 Gas muss sich stärker ökologisch positionieren (Biogas, Aufnahme regenerativ erzeugtem H2,etc) durch innovative Techniken im Wärmemarkt eine neue Basis finden (Solar+Brennwert, Gas-WP, etc.) aber: jede Effizienzsteigerung reduziert nochmals den Gaseinsatz

21 Stromerzeugung aus Gas aber mit Wärmenutzung! Nur der Weg in die Stromerzeugung verstärkt zukünftig den Gaseinsatz. Deshalb kommt der Entwicklung hocheffizienter dezentraler KWK-Anlagen eine entscheidende Bedeutung zu. mit: stromgeführter Einbindung in smart grids-steuerungen und intelligenter und optimierter Wärmeintegration bzw. Abwärmenutzung

22 Konvergenz der Netze auf der Verteilerebene Energieverbund, insbesondere über Kraftwärmekopplung verstärkter Einsatz von Gas für Stromproduktion Gas als Flexibilitätselement zum Ausgleich fluktuierender Stromquellen Überschussproduktion Strom wird in die nächste Spannungsebene gespeist Spielregeln müssen definiert werden!

23 Innovationsoffensive DVGW Gas(Erdgas,Biogas,H2) ist wesentlicher Bestandteil eines integrierten Energie-Versorgungskonzeptes mit -Aufnahme von H2 zur Stabilisierung der Stromnetze -Reduktion des Ausbaus der Strom-Transit-Netze -Stromgeführte KWK zur Ausregelung von PV und Windenergie -Einbindung in smart grid-steuerungen -Intelligente Abwärme-Nutzung zur Reduktion des -geplanten Isolationsaufwandes für den Gebäudebestand -der heutigen Stromapplikationen zur Erwärmung von Wasser

24 Innovationsoffensive Gastechnologiet Systemanalyse EBI/DBI/GWI Gaserzeugung Aufbereitung Netzmanagement Anwendungs- Technologien Kooperation und Kommunikation Prozessanalyse Fermentative Gaserzeugung Netz- und Anlagenmanagement Brennwert und Solar, Systemintegration Energetische Bewertungen Thermische Gaserzeugung Speicher, Verdichter Gaswärmepumpen Smart grids IT-Prozesse, Verbundsysteme KWK Mobilität Brennstoffzellenn Innovationsoffensive Gas Themenabdeckung: Stand 05/2010 Industrieanlagen Komponenten

26 3-Ebenen Modell Makroebene: Primärenergie, Nutzungspfade Netzebene: Smart Grids Wärmemarkt, HuK: Wärme- und Systemintegration

27 Schnittpunkte Transportnetz Erdgas und Strom Erdgasspeicher Erdgastransportnetz > 60 bar Stromnetz 220 kv Stromnetz 380 kv

28 Aufnahmekapazitäten des Erdgasnetzes für Wasserstoff - eine Abschätzung wurden durch das Erdgasleitungsnetz ca TWh Energie verteilt (im Stromnetz ca. 540 TWh) Aufnahmekapazität des Erdgasnetzes für verschiedene Szenarien 100% des Windenergieertrages (ca. 27 TWh/a) des Jahres 2009 würden einen mittl. Wasserstoffanteil von 7,8 Vol.-% im Erdgasleitungsnetz ergeben 20 % des Windenergieertrages (ca. 15 TWh/a) aus dem IEKP Ziel 2020 als angenommener Überschussstrom würden einen mittl. Wasserstoffanteil von 4 Vol.-% im Erdgasleitungsnetz ergeben

29 Smart grid Systeme : -aktiver Teil zur Ausbalanzierung der Energieversorgung einer Region(Dispatching-Center) -Vielzahl vermaschter Regelkreise KWK mit Stromführung und guter Modulierbarkeit ersetzt einen Teil der sonst notwendigen Stromspeicher

30 Weiterentwicklung KWK Erdgas Motor, Generator Strom Export Biogas, H2 400 C Speicher Eigenbedarf Kälte/Eisschrank Stromgut- schrift Kühlung <100 C Höchste Primärenergieeffizienz, Bedarfsgerechte Stromproduktion, Ersetzt Batteriesystem Speicher Waschmaschine Spülmaschine Brauchwasser Heizung

31 Mikro-KWK: Stand der Technik Bsp.: Gasmotorisch betriebene BHKW s (Verbrennungsmotoren) Quelle: Gaswärme-Institut e. V.

32 Technologievielfalt bei KWK, Beispiel: Wankelmotor KKM 351 (mit integriertem PMG) Ø 1-Läufer-Motor mit 350 cm 3 Kam.vol. Ø ideal für Gasbetrieb bei (5) kw el. Kompakt Hohe Energiedichte Robuste Technologie

33 Wankelmotor: Maße und Leistungen KKM 150 (mit integriertem PMG) Ø 1-Läufer-Motor mit 150 cm 3 Kammervol. Ø ideal für Gasbetrieb bis ca. 5 kw el.

34 Brennstoffzellen stehen für einen Systemwechsel bei Prozessen der Energiewandlung. Im Gegensatz zu anderen Prozessen mit physikalischen Limitationen (Carnot-Prozess) nutzen Sie einen elektrochemischen Prozess ohne diese Limitationen. Deswegen erreichen Sie sehr hohe Wirkungsgrade.

35 Mikro-KWK: Stand der Technik Bsp: Brennstoffzellen Quelle: Gaswärme-Institut e. V.

36 Brennstoffzelle: Beispiel SOFC-Technologie Power Management System Flue Incl waste heat recovery Fuel Cell Module Gas cleaning Airblower Water treatment Quelle: CFCL Heinsberg 36

37 Brennstoffzelle: Hohe Wirkungsgrade bei SOFC-Technologie Quelle: CFCL Heinsberg 37

38 Brennstoffzelle: Kerndaten Beispiel SOFC System Summary specifications: Voltage / frequency 230V / 50 Hz (60Hz planned) Electrical power: Up to 2 kw Peak electrical efficiency: 60% at 1.5kW Overall efficiency: Up to 85% System design life: 80,000 hrs Compliance: CE & European codes Grid connection: Parallel Gas desulphurisation: Integrated Water treatment system: Internal Waste heat recovery: Integrated (connection optional) Quelle: CFCL Heinsberg 38

39 KWK-Anlagen-auch kleinere-erreichen Wirkungsgrade der Stromkonversion wie Großanlagen Die Abwärme kann bei dezentraler Strom- Produktion insbesondere im Gebäudebestand zur Verringerung des Isolationsaufwandes beitragen. Ergebnisse für verschiedene Gebäudetypen in ca 2 Monaten

40 Randbedingungen und Thesen Laufzeitverlängerung Kernenergie + Braunkohle + Wasserkraft = 51% der Stromerzeugung 30 % Windenergie bis 2020 wird politisch unterstützt Delta wird dargestellt durch KWK, GuD s und Steinkohle Entscheidend dabei sind: - Primärenergieeffizienz - Flexibilität zur Ausregelung der Fluktuation (Wind, Verbraucher) - Spezifische Investitionen (gesamtwirtschaftlich) und Kosten - Regenerativer bzw. CO2 reduzierter Anteil im Feedstock 18 Mio Heizungen (ca. 85% älter als 10 Jahre) zu 50 % umgestellt bei ca. 2 KW / Wohneinheit entsprechen ca MW

41 Anteile der Energieträger an der installierten Kraftwerksleistung und der Stromerzeugung in Deutschland % 2% 18% 14% 3% 12% 1% 30 % bis % KWK GuD Steinkohle 3% 23% 20% Windkraft Erneuerbare 4 bis 8 % 17% 25% Übrige Erdgas Mineralöl 25% 16% 22% Steinkohle Braunkohle Kernkraft 22% Anteil an installierter Kraftwerksleistung 2007 [Gesamt 136 GW] Anteil an Stromerzeugung 2007 [Gesamt 630 TWh] Zukünftige Verteilung der Stromproduktion

42 IGCC-Prozess : aus Kohle produziertes Gas (H2,CH4) kann über bestehende Pipelines transportiert und als Feed für dezentrale KWK verwendet werden Kohle O2 aus ASU Dampf Kohlevergasung Shift CO+H2O=CO2 +H2 H2,CH4 CO2-Abtrennung CO2 zur Verbringung Strom GuD-Kraftwerk Wärmenutzung Dezentr. KWK Pipeline Strom

43 Merkmale der dezentralen KWK hoher elektrischer Wirkungsgrad Wärmespeicherung entkoppelt Stromproduktion von Wärmenutzung Stromgeführte Fahrweise zur Ausregelung der volatilen Windenergie geeignet Ersatz heutiger Stromapplikationen durch Abwärmenutzung reduziert den Strombedarf insgesamt glättet heutige Strombedarfsspitzen vereinfacht Einbindung in smart grids-steuerungen Abwärmebilanz ermöglicht auch Einsatz in reinen Passivhäusern durchgängiger Betrieb auch im Sommer (baseload), Brauchwarmwasser CCS-Weg auch für dezentrale KWK möglich

44 Aus Gas-Technologie wird Gas-Plus-Technologie Gas plus Biogas = Bioerdgas Gas-Brennwert plus Solareinbindung Die Gaswärmepumpe nutzt Gas plus Umweltwärme Kraft-Wärme-Kopplung: Aus Gas wird Wärme plus Strom Weitere Lösungen: z.b. Wärme plus Kälte

45 Back up

46 Die Anforderungen an die Energieversorgung werden zunehmend komplexer Quelle: KIC Sustainable Energy Research, Vortrag von Prof. De Doncker, Juli 2009

48 Probleme der Grundlasttauglichkeit von Strom aus Photovoltaik Quelle: DENA Vortrag auf dem EVU Gipfel 2010 in Heiligendamm

49 Energieträgerstruktur für Raumwärme Veränderungen 3000 Energieträger Fernwärme Erdgas Öl Kohle Strom Biomasse Umweltwärme Solar Energieverbrauch in PJ Quelle: Prognos AG 2009

50 Zielstellung der DVGW-Innovationsoffensive Darstellung des Potenzials von Gas im zukünftigen System der Energieversorgung und in der Wärmebereitstellung Stärkung der Rolle regenerativer gasförmiger Energieträger in den bestehenden Gasinfrastrukturen: Greening of Gas Ausbau der technologischen Basis für den Energieträger Gas im Hinblick auf Klimaschutz, Energieeffizienz und Innovationen Auf- und Ausbau von Verfahren und Technologien zur Optimierung von Verteilnetzen, Smart Grids Unterstützung bei der Einführung innovativer Gas-Anwendungen: Gas-Plus-Technologien Aufbau von Kooperationen zur Umsetzung der Innovationsoffensive in das Gasfach Stärkung bestehender und Entwicklung neuer Kompetenzen an den DVGW-Forschungsstellen

51 Entwicklung des häuslichen Energiebedarfs Stromverbrauch am Gesamtenergiebedarf [kwh el /kwh th ] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Mikro-KWK morgen: kleine therm. Leistung, hohes el z.b. Brennstoffzelle Stromkennzahl Anteil Stromverbrauch Mikro-KWK heute: stromerzeugende Heizung z.b. Stirling Gesamtwärmebedarf (Raumheizung + Warmwasser) Passivhaus derzeitiger Baustandard Altbau [kwh/(a m²)] Raumheizung 50 kwh/(a m²) 220 kwh/(a m²) Warmwasser 12,5 kwh/(a m²) Strombedarf 29,5 kwh/(a m²)

52 Mikro-KWK: Stand der Technik Bsp.: Mikro-Gasturbine Quelle: Gaswärme-Institut e. V.

53 Betriebsdauer SOFC Quelle: CFCL Heinsberg 53

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56 Baugenehmigungen neue Wohnungen Marktanteile der Energieträger in Deutschland 2. Qu Qu ,0 61,6 65,6 66,9 11,2 11,7 10,2 8,9 5,9 6,3 5,4 7,7 18,8 16,8 14,3 11,2 2,8 2,7 3,2 4, ,0 75,0 74,3 8,6 7,3 7,0 4,4 5,4 6,4 3,1 10,6 12, ,8 75,9 76,7 75,0 73,3 71,1 72,1 71,2 70,7 68,9 67,7 66,1 64,7 7,2 7,5 7,0 7,1 8,5 11,8 9,9 9,4 6,6 6,3 6,3 6,8 5,7 11,0 11,3 13,4 15,7 16,3 15,5 16,5 17,9 21,1 22,9 23,7 24,0 26,5 0% 20% 40% 60% 80% 100% Erdgas Fernheizung Strom Sonstige Wärmepumpen Heizöl

57 Heizwärmebedarf Status nach gesetzlichen Rahmenbedingungen Quelle:IWU 2007

58 Innovationsoffensive Gastechnologie Ltr.: Steuerungsgruppe Forschungsbeirat Systemanalyse EBI/DBI/GWI Ltr.: Dr. Lenz Gaserzeugung Aufbereitung EBI Ltr.: Dr. Lenz Netzmanagement DBI Ltr.: Hr. Busch Anwendungs- Technologien GWI Ltr.: Dr. Klocke Kommunikation und Kooperation Ltr.: Hr. Witschen, Hr. Klaas Prozessanalyse Fermentative Gaserzeugung DBI Netz- und Anlagenmanagement DBI Brennwert und Solar, Systemintegration GWI Energetische Bewertungen Thermische Gaserzeugung EBI Speicher, Verdichter DBI Gaswärmepumpen GWI, EBI Smart grids IT-Prozesse, Verbundsysteme DBI KWK GWI Mobilität Brennstoffzellen DBI Industrieanlagen DBI, EBI, GWI Überblick zu den vorgeschlagenen Themenclustern Komponenten EBI

59 Neue Technologien für die Wärmeproduktion Diffusions-WP Zeolith-Adsorptions-WP Wärmequelle: Erdwärme (Erdspieß) Gerätebaumaß: 2,20 m (H) 0,60 m (B) 0,60 m (T) Gewicht: 250 kg Einsatzort: Neubau / Bestand Wärmequelle: Solarwärme (Luftkollektor) Gerätebaumaß: 1,65 m (H) 0,80 m (B) 0,70 m (T) Gewicht: 215 kg Einsatzort: Neubau Robur-WP seit 2008 für MFH verfügbar

60 Mikro-KWK: Stand der Technik Bsp.: Gasmotorisch betriebene BHKW-Anlagen (Verbrennungs-Motoren)

61 Motoren / Baureihen KKM 501 (mit integriertem PMG) Ø 1-Läufer-Motor mit 500 cm 3 Kammervol. Ø > 50 kw bei /min (Diesel TurboDI) Ø ideal für Gasbetrieb bei kw el.

62 Motoren / Baureihen KKM 351 (mit integriertem PMG) Ø 1-Läufer-Motor mit 350 cm 3 Kam.vol. Ø ideal für Gasbetrieb bei (5) kw el.

63 Zielwerte im Verbrauch, Lebensdauer und Emission Einen spezifischen Kraftstoffverbrauch von 210g/KWh (η e 40%) Emissionswerte vergleichbarer Hubkolbendieselmotoren Verbrauch des Verlustöls (Gasdichteileschmierung) minimieren Maßgebend für Wartungsintervalle Lebensdauer von über 50000h

64 Wege zur Erreichung der Ziele Emissionswerte vergleichbarer Hubkolbendieselmotoren Optimierung des Wirkungsgrades, wie oben beschrieben Geringere NO x durch höherer Brennraumwandanteil Geringe HC-Werte durch Schichtladeverfahren keine Überschneidung von zündfähigem Gemisch durch den Einlass und heißem Abgas Nur mageres Gemisch in den schlecht brennenden Brennraumecken

65 Fuel Cells to Complete Systems Individual fuel cells Metal interconnect & seals Layer set Fuel cell stack Fuel cell module CFC Heinsberg Fully integrated micro-chp appliance 65

66 Co-Generation Product Concept Power Management System Flue Incl waste heat recovery Fuel Cell Module Gas cleaning Airblower Water treatment 66

67 Performance Energy input (LHV of gas) Stack current (A) Stack Volts Gross Stack Power (W) Net (export) Stack Power (W) System electrical losses (W) 67

68 Kosten und Lebensdauer? Den Teufelskreis der Brennstoffzellenentwicklung durchbrechen ohne Serienfertigung keine Markteinführung möglich! Designed für low-cost - Massenproduktion Brennstoffzellen Eigenentwickelt, Massenherstellung lizensiert an deutsche Grossfabrikanten (HC Stark, Ceramtec) Brennstoffzellensystem Eigenentwickelt, Prozesse und Toleranzen im Industriestandard Keine exotischen und/oder teure Materialien Stückkosten damit mengenabhängig Lebensdauer Stunden Feldtesterfahrung in 7 Ländern mit dieser Technologieplattform 2-jaehrige werksseitige Garantie auf Stack in der Produktdemonstrationsphase (2010/2011) Entwicklung geht weiter, 4-5 Jahre realistisch erreichbar in nächsten 2 Jahren Bei niedrigen Kosten ist der Stack ein Austauschteil Der wirtschaftliche Nutzen bestimmt, wann Austausch notwendig ist 68

69 Stromnetz: veränderte Aufgabe Ursprünglich designed für Kapazitätsausgleich mit Vielzahl von steuerbaren Quellen (Abstand der Kraftwerke ca. 50 km) Sammelsystem mit teils fluktuierenden Einspeisungen echte zusätzliche Transportaufgaben durch Verschiebung der Quellen (CCS, Wind offshore) Rückwärtseinspeisung dezentraler Systeme hoher Bedarf an Ausgleichsenergie

70 Ein Ausblick: Modell eines Energieversorgungssystems Konv. Stromerzeugung, Kohle CCS Wind Wasserkraft Biomasse, Stromnetz, HGÜ H2 GuD-Kraftwerke Gasnetz Konv. Gasimport Biogas Kohlevergasung CO2-Abtrennung Industrie BHKW Brennstoffzelle Konv. Stromverbrauch Konv. Heizungstechnik