Power-to-Gas für eine Nutzung im Strom-, Wärme- und Verkehrssektor

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1 Power-to-Gas für eine Nutzung im Strom-, Wärme- und Verkehrssektor Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. TH Regensburg Energiemarktdesign im Zusammenhang Klimaschutzministerium NRW

2 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2 Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Definition, natürliche Energiespeicherung, Ersatz fossiler Solarenergie 2) Power-to-Gas im Stromsektor Langzeitspeicher im Kontext der Flexibilitäten 3) Power-to-X im Wärmesektor Power-to-Heat, Power-to-Gas 4) Power-to-Mobility Strombasierte Kraftstoffe 5) Zusammenfassung & Ausblick

3 Definitionen Speicher & Energiespeicher Ein Speicher ist eine Einrichtung zur Bevorratung, Lagerung und Aufbewahrung von Gütern. Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet: Laden, Speichern und Entladen Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3

4 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4 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

5 Basis des alten, fossilen Systems: gespeicherte Solarenergie Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5

6 Vernetzung der Energiesektoren absehbar Strombasierte Energieversorgung Primärenergie Strom Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6

7 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7 Herausforderung Energiewende = Stromwende, Wärmewende, Mobilitätswende Strom Wärme Verkehr EE-Anteile 2011

8 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8 Inhalt 1) Herausforderung Energiewende Natürliche Energiespeicherung, Ersatz gespeicherter fossiler Solarenergie 2) Power-to-Gas im Stromsektor Langzeitspeicher im Kontext der Flexibilitäten 3) Power-to-X im Wärmesektor Power-to-Heat, Power-to-Gas 4) Power-to-Mobility Strombasierte Kraftstoffe 5) Zusammenfassung & Ausblick

9 Installierte EE-Leistung übersteigt bald die Lastbänder System rotierender Massen Inverterbasiertes System (Schutztechnik!) Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung bis 2050 Quelle: Trost, 2013 nach BMU Langfristszenarien A, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9

10 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10 Wind & Solar alleine schaffen eine stabile Wende nicht Wir brauchen Flexibilitäten 1. Hoch flexible Kraftwerke (auch Biogas, flex. KWK) 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher) Wind Solar Power-to-Gas Gasspeicher

11 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, HS.R, S. 11

12 Residuallast (GW) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12 Ab 70-80% erneuerbaren Energien entsteht große Überschüsse trotz idealem Netzausbau Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007) Defizite: 62 TWh Überschüsse: TWh 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 GT,GuD = 28-55%)

13 Entwicklung von Power-to-Gas Anlagen in Deutschland Quelle: DVGW, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13

14 Quelle: TH Regensburg FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14 Alle Speicher sektorenübergreifend in das Marktdesign einbinden

15 Stromspeicher Sektorenintegriert Strom Wärme Stromspeicher z.b. Pumpspeicher, Batteriekraftwerke, Supercaps (Kondensatoren) Laden: Strom-zu-X Speicher: X Entladen: X-zu-Strom Energiespeicher Verkehr Keine Letztverbraucher aus Sicht Stromsektor Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15

16 Power-to-Gas Sektorenübergreifend Power-to-Gas = Ladetechnik Elektrolyse & ggf. Synthesen Strom Wärme Energiespeicher Laden: Power-to-Gas Speicher: Gasnetz, Gasspeicher Entladen: Offen Verkehr Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16

17 Power-to-Gas mit Rückverstromung: Stromspeicher Strom Wärme Energiespeicher Laden: Power-to-Gas Speicher: Gasnetz, Gasspeicher Entladen: Gasturbine, BHKW Kein Letztverbraucher Verkehr Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17

18 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18 Strategische Reserve als Sicherheitsnetz für die Stromversorgung Strategische Reserve als Vorschlag zur Absicherung der Stromversorgung bezüglich mangelnder Erzeugungskapazitäten Begrenzte Menge Reservekraftwerke außerhalb des Marktes vorhalten Einsatz nur dann, falls marktbasierte Deckung der Stromnachfrage nicht erfolgreich möglich Reversible und flexible Weiterentwicklung des Marktdesigns möglich Vorzüge Gute Vereinbarkeit mit bestehendem Strommarkt & Förderung EE-Integration Einfache Umsetzung und schnelle Wirksamkeit Geringe Mehrkosten für Absicherung der Stromversorgung gegenüber reinem Energy-Only-Markt Einfaches Modell mit geringer Fehleranfälligkeit leicht anpassungsfähig Kompatibilität mit EU-Binnenmarkt & Marktbasierter Ansatz

19 Speicher Netze Erzeugung Verbrauch Quelle: Sterner, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19 Flexibilitäten bei unterschiedlichen EE-Anteilen gefordert Anteil EE 20% 35% 50% 65% 80% Netze umbauen, Netze ausbauen, Energienetze koppeln Kraftwerke flexibilisieren Nachfrage flexibilisieren, Lastmanagement ausbauen Power-to-Heat für Überschüsse einsetzen Pumpspeicher Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring der Energiewende

20 Komplexe Zusammenhänge wir brauchen einen Plan Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 20

22 Power-to-Gas für Wärme (Power-to-Heat) Sektorenübergreifende Speicherung Strom Wärme Energiespeicher Laden: Power-to-Gas Speicher: Gasnetz, Gasspeicher Entladen: Gastherme Letztverbraucher aus Sicht des Stromsektors Verkehr Zugang zu 50% der Haushalte Stromüberschüsse Erneuerbare Wärmeoption Einfache Integration Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22

23 Elektrisch Heizen (Wärmepumpe, Heizstab, Power-to-Heat) Sektorenübergreifende Speicherung & Stromnutzung Strom Wärme Energiespeicher Laden: Heizstab, Wärmepumpe Speicher: Tank, Wasser, Fernwärme Entladen: Wärmetauscher Letztverbraucher aus Sicht des Stromsektors Für Überschüsse: Nicht gelöst: günstigster Speicher heute & technisch einfach umsetzbar Rückverstromung & Mobilität Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23

25 Power-to-Gas für Mobilität (Power-to-Fuel / Mobility) Sektorenübergreifende Speicherung & Stromnutzung Strom Wärme Energiespeicher Laden: Power-to-Gas Speicher: Gasnetz, Gasspeicher Entladen: KFZ Letztverbraucher aus Sicht des Stromsektors Verkehr Wind- und Solarkraftstoff: Größere Flächenerträge als bei Biokraftstoffen Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25

26 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26 Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit (Tank-Teller) Elektromobilität - Reichweite - Kosten Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids

27 Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27 Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft

28 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28 Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit (Tank-Teller) Elektromobilität - Reichweite - Kosten Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids Gesamtpotential Stromüberschüsse bei 100%: ca. 50 TWh 25 TWh Kraftstoff von heute ca. 700 TWh Bedarf

29 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29 Weiterer Ausbau von Wind & Solar: Kernprobleme Fluktuationen & Akzeptanz Landnutzung begrenzt - Flächenpotential - Akzeptanz - Nachhaltigkeit Meer: größtes Flächenpotential für Erneuerbare - Offshore-Windkraft } Fluktuationen, Anbindung, Potential - Meeresströmungsturbinen Grundidee des neuen Konzepts: Follow the wind

30 Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30 Wie können wir dem Wind folgen?

31 Bildquelle: Fa. Wessels, u.a. Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31 Segeltechnik Drachen bei Frachtschiffen feste Route

32 Quelle: Sterner, Raith, 2013, Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32 Prinzip: Wind + Wasserkraft + Speicher = Segelenergie

33 Quelle: Sterner, Raith, 2013, Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33 Segelenergie: Segeltechnik Flettner-Rotoren - Energieschiff

34 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34 Segelenergie: Energieschiff der 2 5 MW Klasse Konstante Ernte von Windenergie Hohe Auslastung der Anlagen

35 Quelle: auf Basis von Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35 Segelenergie: Potentiale vorhanden

36 Quelle: Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36 Segelenergie: Routen optimieren Routenoptimierung: Gestehungskosten H 2 : 80% Auslastung (Wind Grundlast) ab 16 Cent/kWh - derzeitiger Marktpreis: 33 ct./kwh

38 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 38 Versorgungsstruktur nach der Energiewende

39 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 39 Take home Stromwende Power-to-Gas einziger nationaler Langzeitspeicher Kohle-to-Gas, Atom-to-Gas vermeiden Wärmewende Power-to-Heat hat Vorzug, ist aber one-way Power-to-Gas Brücke in Haushalte Mobilitätswende Power-to-Gas wichtiger Baustein für die Langstreckenmobilität Segelenergie Konstant Wind als Grundlast ernten Kein Einfluss auf das Landschaftsbild Keine Konkurrenz zu Nahrung Impuls für nachhaltige Mobilität & Schiffbau Strommarkt + Wärmemarkt + Kraftstoffmarkt Energiemarkt

40 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40 Weiterlesen Ab Anfang 2014 im Springer-Verlag

41 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) hs-regensburg.de