Innovationen in der Gaswirtschaft: das Forschungscluster Power-to-Gas

Transkript

1 Ausbau erneuerbarer Energien Innovationen in der Gaswirtschaft: das Forschungscluster Power-to-Gas Dr. Jürgen Lenz, Vizepräsident des DVGW Berlin, 13. Juni 2012

2 Energieversorgungsstrukturen verändern sich. Vielzahl regenerierbarer Quellen Vielzahl neuer Applikationen politische Vorbehalte, Subventionstatbestände Volatilität nimmt deutlich zu Rückgang Wärmemarkt Bei fossilen Energienträgern, insbesondere bei Gas, durch unkonventionelle Gase (USA), kein Engpass Technologieschübe

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

4 Aktuelle politische EE-Ausbauziele der Bundesländer: In 2020 soll doppelt soviel Leistung wie notwendig installiert sein Quelle: DENA

5 Modell eines Einspeiseprofils aus Erneuerbaren Energien in das Stromnetz, Situation ca Erneuerbare Energien führen zu einer Verlagerung von einer bedarfs- zu einer angebotsgesteuerten Versorgungsstruktur. MW 70'000 60'000 50'000 PV Wind-Onshore Wind-Offshore Entkoppelung der Stromnachfrage von der Produktion. 40'000 30'000 Mit den vorhandenen Netzstrukturen ist dies nicht möglich. 20'000 10' h Daher ist der Aufbau von Energiespeichern zwingend notwendig Quelle: Prognos AG, aus 2009 für das Jahr 2030

6 Ausbau der Stromnetze als Lösung? Ja, aber nur, wenn die Kapazität der regenerativen Energien kleiner ist als der Gesamtbedarf Bei Leistungen oberhalb des Gesamtbedarf ist Speicherung unumgänglich

7 Der Stand beim Stromnetzausbau. DENA Netzstudie II: Ausbau der Transportnetze bis 3600 km. Kosten? Dazu kommt die Ertüchtigung der Regionalnetze. Kosten? Anschluss Off-Shore Windkraftanlagen Akzeptanz Netzausbaubeschleunigungsgesetz Stärkung zentraler Strukturen: Bundesnetzagentur in Bonn Vereinfachung der Raumplanungsund Genehmigungsverfahren Bahnnetz als Option? ABER: Speicherung?

8 Die Integration der erneuerbaren Energien in die Energiesysteme erfordert Parallelstrukturen - Zentrale Kraftwerke - Dezentrale KWK-Strukturen - Speicher - Stromkonversionsysteme, z.b. Elektrolyse

9 Erst durch das Gasnetz kann der gesamte regenerative Strom genutzt werden. Installierte ( ) und verfügbare Leistung der Erneuerbaren (Wind & PV) Netzausbau Loadmanagement 4 3 Verteilungsfunktion der Erzeugungsleistung 2 5 Netzkapazität Absatzkurve Rechteck = Jahresarbeit 1. Strombedarf 2. Loadmanagement kommt an Grenzen 3. Grenzen des Netzausbaus 4. Überproduktion: Abschaltung von EE- Anlagen 1 5. Glättung der Spitzen = vollständige Nutzung des regenerativen Stroms Verfügbarkeit in Stunden pro Jahr 8760

10 Entscheidend ist der Aufbau von Energiespeichern. Die Speicherung von chemischer Energie weist die größten Potenziale auf. Discharge time [h] CAES: PHS: H 2, SNG: Compressed Air Energy Storage (Druckluftspeicherkraftwerk) Pumped Hydro Storage (Pumpspeicherwerk) Wasserstoff, Synthetic Natural Gas (Die Untertage-Ausspeicherung beinhaltet die Rückverstromung in Gas- und Dampfkraftwerken) Quelle: Forschungszentrum Jülich

11 In dem Konzept Power to Gas ist die Gasinfrastruktur der Stromspeicher. Wind, PV Elektrolyse Wasserstoff bzw. Methanisierung Speicherung/Logistik in bzw. über Gasinfrastruktur Wärmeerzeugung, Stromerzeugung, KWK, GuD,

12 Die Nutzung des regenerativen Stromüberschusses erfolgt nach Exergie-Gebot. Nutzung solange wie möglich im Stromnetz Wasserstoff-Elektrolyse und Einspeisung in das Gasnetz (Wirkungsgrad: ca. 80 %) Bei Limitationen Methanisierung (20 % Konversionsverlust) Zusätzlich ist die Methanisierung eine wichtig Stufe zur Erzeugung für Methan als Rohstoff, z.b. für die chemische Industrie

13 Für das Thema Wasserstoff bzw. Methanisierung bringt der DVGW beste Vorausetzungen mit. Weiterentwicklung der Regelwerke o Zumischung H2 im einstelligen Bereich in vielen Fällen unbedenklich o Weitere Forschungen notwendig o Synthetisches Methan kann praktisch unbegrenzt zugemischt werden, da es dem Erdgas größtenteils entspricht Netzkenntnisse o Wo kann was und wieviel eingebracht werden Systemkenntnisse o wieviel Wasserstoff / synthetisches Methan kann zwischengelagert werden zur Ausspeisung in der windarmen Phase o Rückverstromung erfolgt mit Abwärmenutzung durch KWK

14 Schnittpunkte Strom- und Gasnetze. Erdgasspeicher Erdgastransportnetz > 60 bar Stromnetz 220 kv Stromnetz 380 kv

15 Power-to-Gas: Die Elemente. Erdgasspeicher sind aufgrund ihrer Dimension in der Lage das enorme Speicherproblem der regenerativen E-Quellen zu bewältigen Elektrolyse mit Wirkungsgrad von +80% Rückverstromung mit hocheffizienten KWK-Systemen mit elektrischem Wirkungsgrad von bis zu 60% Bei Nutzung der Abwärme ist die Gesamtenergie- Effizienz kaum zu übertreffen. Gleichzeitig können Isolationsaufwendungen für Gebäude bestand erheblich reduziert werden.

16 Power-to-Gas: Die Kosten. Was kostet P2G? Investition für Elektrolyse bzw. Methanisierung ist der kleinere Teil Fahrweise: Spitze oder Band Bepreisung Strom Bewertung der Speicherfunktion P2G und Rückverstromung müssen gemeinsam betrachtet werden

17 Die Rückverstromung erfolgt über Gas- und Dampfkraftwerke Gasturbinen KW Dezentrale KWK-Systeme mit intelligenter Abwärmenutzung

18 Die neuen Anforderungen an die Kraft-Wärme-Kopplung. 1. stromgeführte (bzw. stromoptimierte) Fahrweise zur Ausregelung der regenerativen Stromquellen, Integration in Smart Grid Systeme 2. intelligente Abwärmenutzung mit Substitution heutiger Stromanwendungen 3. Stromerzeugung mit vergleichbarem elektrischen Wirkungsgraden wie Gaskraftwerke

19 Die politische Zielrichtung seit Meseberg 2008: Stärkung der Kraft-Wärme-Kopplung. Gas-Zentralheizung Strom + Wärme Strom Einfamilienhaus Wärmeversorgung zentralisieren BHKW Stromversorgung dezentralisieren Kraftwerk Je dezentraler die Stromerzeugung, umso höher die Chance der Abwärmenutzung

20 Heizwärmebedarf von EFH in kwh/m 2 a bis Heizwärmebedarf in Gebäuden: Eine Hebelwirkung stellt sich nur über den Gebäudebestand ein % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Anteil der Wohnfläche

21 Die KWK muss sich im Wettbewerb der Systeme behaupten. - Strom-Wärmepumpe mit immer höheren regenerativen Anteilen bzw. elektr. Wirkungsgraden der GuD s - Wärme aus Umwelt - KWK-Anlagen mit hoher elektrischer Konversion - intelligente Abwärmenutzung - regenerative Anteile im Feedstock

22 Abwärme nutzen! Für die Isolation des Gebäudebestandes werden bis 60 Mrd. Euro Aufwand pro Jahr bis 2050 geschätzt. Gleichzeitig wird die Abwärme in der Stromproduktion zum großen Teil nicht genutzt. Kann ein Zusammenhang zwischen Abwärmenutzung und Dämmung hergestellt werden? Bei KWK wird die Abwärme genutzt, so dass der Dämmaufwand optimiert werden kann. Es kann ein volkswirtschaftliches Optimum erreicht werden.

23 Der Zusammenhang von Gebäudedämmung und Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung. Mit zunehmender Senkung der Transmissionsverluste gewinnen die Lüftungswärmeverluste an Bedeutung. Eine zusätzliche Dämmung erzielt kaum noch Wirkung. Zusätzlich Primäreinsparungen werden durch die KWK erreicht. Forschungen laufen weiter. Quelle: RWTH Aachen

24 Weiterentwicklung KWK Konzepte für optimierte Abwärmenutzung Erdgas Motor, Generator Strom Export Biogas, H2 400 C Speicher Eigenbedarf Kälte/Eisschrank Strom -gut- schrift Kühlung <100 C Speicher Waschmaschine Spülmaschine Brauchwasser Heizung

25 Eta el. in % Eta el. in % Elektr. Wirkungsgrade von BHKW-Anlagen Pel. in kw Erdgas, Magermotor Erdgas, 3 Wege-Kat Dieselmotor Pel. in kw (Quelle: Herstellerangaben)

26 Brennstoffzelle: Hohe Wirkungsgrade bei OFC-Technologie (Quelle: CFCL)

27 Das wirtschaftliche Potenzial: Ermittlung der spezifischen CO 2 - Vermeidungskosten. Die Integration erneuerbarer Gase und die verstärkte Nutzung der KWK erreichen die CO 2 -Ziele des Energiekonzeptes bei deutlich geringeren Kosten 27

28 Gas (Erdgas, Biogas, Wasserstoff, synthetisches Methan) ist ein wesentlicher Bestandteil eines zukünftigen Energiesystems. 1. Biogas als grundlastfähige regenerative Energie 2. Aufnahme und Speicherung von Wasserstoff / syn. Methan im Gasnetz zur Stabilisierung der Stromnetze 3. Stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit hoher Effizienz zur Ausregelung von Windenergie und Photovoltaik 4. Intelligente Nutzung der Abwärme aus dezentraler KWK zur Reduzierung des Isolationsaufwandes von Gebäuden und zur Substitution von Stromapplikationen zur Wärmeproduktion

29 Ausblick I: Power to Gas Pilotprojekte, flexible Fahrweise, Kostendegression Grenzwerte der Wasserstoffzumischung Optimierung der Methan-Synthese (Sabatier-Prozess) Dezentrale KWK optimale KWK für die unterschiedlichen Gebäudetypen optimierte Abwärmenutzung bis hin zur Klimatisierung, weitere Substitutionsmöglichkeiten von Stromapplikationen Architektur von smart grids zur Integration der KWK und der regenerativen Energien

30 Ausblick II: Schaffung eines Masterplans für ein konvergentes Strom-/Gas- Energiesystem auf Basis dynamischer Simulationen Ausbau Strom- und Gasnetze Elektrolysestandorte Erforderliche Rückverstromungskapazitäten Abschätzung Anteil KWK Abschätzung Anteil Abwärme für HuK-Markt Abschätzung Ersatz heutiger Stromapplikationen Frage: Grenzen des Ausbaus Wind und PV?