Power-to-Gas zwischen Mythos und Wahrheit Teil 1: Weit mehr als ein Stromspeicher
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- Klemens Schreiber
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1 Power-to-Gas zwischen Mythos und Wahrheit Teil 1: Weit mehr als ein Stromspeicher Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner, Fabian Eckert, Martin Thema, et al. Power to Gas mehr als ein Energiespeicher DENA Jahreskonferenz Power-to-Gas 2014 Berlin 02. Juli 2014
2 Thesen 1) Power-to-Gas ist notwendig für den Erfolg der Stromwende 2) Power-to-Gas ist notwendig für den Klimaschutz und v. a. eine Alternative in der Dekarbonisierung von Verkehrs- und Chemiesektor 3) Power-to-Gas entwickelt sich weiter, wird effizienter und günstiger kreative Ideen aus Dresden 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 2
3 Überschüsse & Defizite à Flexibilitätsbedarf à Speicherbedarf Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 3
4 4 Steigender Bedarf von Flexibilität Vergleich Einspeisesituation Deutschland 2010 und exemplarische Woche Einspeisung / Nachfrage 80 GW m Wind & PV Einspeisung übersteigt Last m Verschärfung der Situation durch w Weitere Must-Run-Erzeugung (z.b. Biomasse, KWK) w Restriktionen aus Netztopologie und Netzbetrieb è Flexibilität des Energiesystems entscheidend è 2013 nur 96 Std. Überschüsse / neg. Preise aus Must-run, nicht EE GW Windenergie Photovoltaik Nachfrage 0 Quelle: Rotering, IAEW 2014, Agora Energy Brainpool 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 4
5 Entwicklung der Stromüberschüsse bis 100 % EE - ohne Power-to-Gas keine 100 % Stromwende in Dtl. Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 5
6 Power-to-Gas einziger nationaler Langzeitspeicher Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 6
7 Definition Energiespeicher Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet: Einspeichern (Laden), Speichern und Ausspeichern (Entladen), wobei ein Energiespeicher auch nur aus der Speichereinheit oder einem Energieträger bestehen kann. Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 7
8 Power-to-Gas ist weit mehr als ein Stromspeicher Mobilität und chemische Industrie erste Märkte Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 8
9 Thesen 1) Power-to-Gas ist notwendig für den Erfolg der Stromwende 2) Power-to-Gas ist notwendig für den Klimaschutz und v. a. eine Alternative in der Dekarbonisierung von Verkehrs- und Chemiesektor 3) Power-to-Gas entwickelt sich weiter, wird effizienter und günstiger kreative Ideen aus Dresden 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 9
10 Übersicht Märkte für chemische Energiespeicher 1 Märkte für Power-to-Gas im Stromsektor 1 Erzeugungsausgleich (Arbitrage) Regelleistungsmärkte 22 Märkte für Stromkraftstoffe (Power-to-Gas, Power-to-Liquid) Personen- & Güterverkehr: Ergänzg. zu E-mobilität & Biokraftstoffen Arbeitsmaschinen, Schiffs- und Flugverkehr 3 Märkte für chemische Grundstoffe (Power-to-Chemicals) Wasserstoff & Methanol in der chemischen Industrie Stromgenerierte Rohstoffe Marktpotential über alle Sektoren Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 10
11 1 Power-to-Gas als Stromspeicher Marktgröße & Chancen Bestehende Infrastruktur Einziger nationaler Langzeitspeicher (220 TWh, erweiterbar auf 500 TWh) Abschätzung aus BK3: 8 GW in D bei 90% EE wirtschaftlich darstellbar Mögliche Sekundärnutzung Blindleistungsbereitstellung Kombination Erzeugungsausgleich und Regelleistung Hindernisse Fehlender Markt, der für die Kostenreduktion essentiell ist Finanzielle Anreize, Anschubmechanismen Markt für Flexibilität & gesicherte Leistung (Aufbau neue Gas-KW) Konkurrenz Kurzzeitspeicher (Langzeit)speicherkapazitäten im Ausland Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 11
12 2 Stromkraftstoffe im Verkehrssektor Chancen Mobilität extrem erdölabhängig E-Mobilität nur beschränkt nutzbar Alternative Biokraftstoffe beschränkt durch Potential, Akzeptanz, Ökologie Bestehende Infrastruktur (bis auf H 2 ) Nötige Energiedichte vorhanden Marktgröße inkl. Chemie: zw. 0 und 3 Mrd. / a Hindernisse Fehlende Bekanntheit der technologischen Option Fehlender finanzieller Anreiz Gleichstellung zu Biokraftstoffen / Fehlende Bevorzugung trotz Vorteilen Mögliche Sekundärnutzung Regelleistung durch Stromkraftstoffanlagen Abwärmenutzung Konkurrenz Fossile Kraftstoffe Biokraftstoffe Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 12
13 3 Stromgenerierte Rohstoffe für die chemische Industrie Chancen Chemie extrem Erdöl- und Erdgasabhängig Alternative Biokraftstoffen beschränkt Integration in Prozesse technisch einfach möglich Hohe Wirkungsgrade bei direkter Nutzung Mögliche Sekundärnutzung Regelleistung durch Stromkraftstoffanlagen Abwärmenutzung Hindernisse Fehlende Bekanntheit der technologischen Option Fehlender finanzieller Anreiz Gleichstellung zu Biokraftstoffen Konkurrenz Fossile Kraftstoffe Pflanzenöl, 2. Gen. Biokraftstoffe Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 13
14 Beispiel: Stromkraftstoffe & PtG Chemie in neuer UBA-Studie Treibhausgasneutrales Deutschland 2050 Fundierte Studie über alle THG-Sektoren inkl. Landnutzung auf 350 Seiten, aufbauend auf 3 Studien zu 100 % erneuerbaren Stromversorgung in Dtl. Vollständiger Ersatz der Bio- durch Stromkraftstoffe bis 2050 n 20 % Fahrstrom (E-mobilität) n 80 % Strom für Stromkraftstoffe n Umwandlungsverluste sektorenübergreifend genutzt Ersatz v. 96 % chemischer Rohstoffe durch chemische Energiespeicher (PtX) n 293 TWh Rohstoffbedarf der Chemie (Energie & Stoffliche Nutzung) Basis für die folgende, exemplarische Marktbetrachtung à 360 TWh für nicht elektrisierbaren Verkehr Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse, UBA, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 14
15 Bandbreite einer möglichen Marktentwicklung von Power-to-Gas/Liquid in der Mobilität 70 Installierte Leistung für Mobilität in GW Annahmen / Bandbreiten: 2023: 3 50 % der Biokraftstoffe aus UBA-Studie 2033: % der Stromkraftstoffe aus UBA-Studie 2050: % der Stromkraftstoffe aus UBA-Studie Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 15
16 Bandbreite einer möglichen Marktentwicklung von Power-to-Gas/Liquid in der Chemie 70 Installierte Leistung für Chemie in GW Annahmen / Bandbreiten: 2023: 0,5 5 % aller chemischen Rohstoffe 2033: 5 30 % aller chemischen Rohstoffe 2050: % aller chemischen Rohstoffe (UBA-Studie) Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 16
17 Möglicher Gesamtmarkt für Power-to-Gas/Liquid Strom 1, Mobilität, Chemie Inst. Leistung obere Abschätzung Power-to-Gas/Liquid Leistung in GW Chemie Mobilität Strom ) Strom: Übernommene Werte aus Marktsimulation des 90 % Szenarios, nur in ) Strombedarf 2050 vgl. FhG ISE Energiesystem Dtl. & BMU Leitstudie (85 % EE-Anteil): ca. 150 TWh (Mobilität), vs. UBA THGND (100 % klimaneutral, alle Sektoren): 360 TWh (Mobilität), 293 TWh (Chemie) Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 17
18 Lernkurve für Power-to-Gas Investitionskosten für PtG in / kw % Kostenreduktion Lernrate 2014 Agora 2023 Annahme 2023 Agora 2033 Annahme Bandbreite Untere Obere ,01 0, Installierte PtG Leistung in GW Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 18
19 Wie viel darf der Strom für Power-to-X kosten? Bandbreite Strombezugskosten mit und ohne Berücksichtigung von CO 2 -Kosten im Vergleich zum Break-Even mit Kraftstoff ab Raffinerie pro kwh (Ölpreis nach Raff. 0,74 / l in 2050) Klimawirkung stark vom Strombezug abhängig! à Kohlegas: 750 g CO 2 / km à Strommix-gas: 350 g CO 2 / km (Strombörse, Regelleistung) à Windgas: 20 g CO 2 / km Quelle: Sterner et al, Agora Speicherstudie Zwischenergebnisse Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 19
20 Thesen 1) Power-to-Gas ist notwendig für den Erfolg der Stromwende 2) Power-to-Gas ist notwendig für den Klimaschutz und v. a. eine Alternative in der Dekarbonisierung von Verkehrs- und Chemiesektor 3) Power-to-Gas entwickelt sich weiter, wird effizienter und günstiger kreative Ideen aus Dresden 4) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 20
21 Idee 1: Kombiniere Elektrolyse & Synthese geringere Verluste, höherer Wirkungsgrad CO 2 Syngas Abwärme Wasserstoff Kohlen- Wasserstoffe Niedertemp.-Elektrolyse (PEM, Alkalisch) HT Steam-Elektrolysis (SOEC) Strom (100%) Dampf Strom (84%) Abwärmenutzung (16%) Dampf und CO 2 Wasser Quelle: sunfire GmbH, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 21
22 Idee 2: Kombiniere PtG und GtP in einem Gerät höhere Auslastung, geringere Kosten Brennstoffzelle: Chem. Energie à Strom (und Wärme) Elektrolysezelle: Strom (und Wärme) à Chem. Energie SOFC Brennstoff (-CH 2 -) Sauerstoff (O 2 ) SOEC Wärme Strom CO 2 & Wasser (CO 2 & H 2 O) Wasserdampf (H 2 O) Wärme Strom Wasserstoff (H 2 ) Sauerstoff (O 2 ) SOFC + SOEC in einem Gerät reversible Festoxid-Zelle (rsoc) Quelle: sunfire GmbH, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 22
23 rsoc Business Case Teil Zertifizierter EE-Strom rsoc (SOEC mode) Hochwertiger erneuerbarer H 2 Quelle: sunfire GmbH, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 23
24 rsoc Business Case Teil Günstiger Brennstoff (z. B. Erdgas) rsoc (SOFC mode) Strom (+ Wärme & Kälte) Quelle: sunfire GmbH, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 24
25 Idee 3: Suche hochpreisige (Nischen)märkte Kostendegression, bis großer Markt kommt Zertifizierter EE-Strom Power-to-X Natural gas grid Liquid fuel infrastr. EE-Wasserstoff EE-Wasserstoff, EE-Methan EE-Flüssigkraftstoff & Grundstoff Stromkraftstoff, Wärme Stromkraftstoff, Wärme Stromkraftstoff Raffinerien Kombination mit Biogas- / Klärgasanlage EE-Grundstoffe (Chemie) und Kosmetika Quelle: sunfire GmbH, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 25
26 Zusammenfassung 1/2 Stromsektor nicht Fokus & Treiber für Power-to-X, sondern Mobilität und Chemie PtG hat Alleinstellungsmerkmal im Stromsektor: einzige existierende nationale Langzeitspeicheroption, ohne PtG keine 100 % Energiewende möglich Reale Alternative in der Mobilität: Stromkraftstoffe haben ein größeres Potential an Energie und CO 2 -Minderung als Biokraftstoffe; Sie ergänzen die Elektromobilität in kaum elektrifizierbaren Bereichen: Arbeitsmaschinen, Schiffs- und Flugverkehr Breite Integration in vorhandene Infrastruktur ist möglich (Gas, Kraftstoff, Chemie) Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 26
27 Zusammenfassung 2/2 Mobilität & Chemie: PtX notwendig zum Erreichen der Klimaziele, à deutlich höherer Strombedarf, nicht rein aus Überschüssen gedeckt; Primärenergieverb. d. Gesamtsys. jedoch geringer als auf fossiler Basis Falls diese Märkte kommen, stehen dem Stromsektor deutlich mehr Flexibilitäten zur Verfügung (à netzdienlicher Betrieb) Mythen Wirkungsgrad, Kosten, CO 2 durch neue Ideen zu beseitigen: Beispiel sunfire: 1. Prozessintegration, 2. Doppelnutzung PtG GtP, 3. Nischenmärkte suchen & Zertifikate Technologie- und Marktentwicklung bereits jetzt notwendig & sinnvoll à Beseitigung von Hemmnissen wichtig Anreiz in der Mobilität (Novelle BImSchG PtG = EE-Kraftstoff) Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 27
28 Weiterlesen Sterner, Stadler Energiespeicher 825 S., 400 Abb. Aug im Springer-Verlag Quelle: Prof. Dr. Sterner, OTH Regensburg, S. 28
29 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, OTH Regensburg, S. 29
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