Power-to-X und Sektorkopplung Einordnung, Technologien, Potenziale
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- Christa Blau
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1 Power-to-X und Sektorkopplung Einordnung, Technologien, Potenziale Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. Forschungsstelle netze und speicher FENES, OTH Regensburg Faktencheck Speicher in der wende Bürgerforum land Hessen Gießen 29. November 2016 Inhalt 1) Überblick wende und Sektorkopplung 2) Optionen zur Flexibilisierung 3) Strom-Wärme 4) Strom-Mobilität 5) Strom-Gas 6) Strom-Chemie 7) Sektorkopplung eröffnet große industriepol. Chancen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2
2 Definition Power-to-X / Sektorkopplung Power-to-X beschreibt die Wandlung von Strom als Primärenergie in einen träger, Wärme, Kälte, Produkt, Kraft- oder Rohstoff. Es ist ein Sammelbegriff für Power-to-Gas, Power-to-Liquid, Power-to- Fuel, Power-to-Chemicals, Power-to-Product und auch Power-to-Heat. Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3 Sektor(en)kopplung = Strom-Wärme + Strom-Verkehr + Strom-Gas + Strom-Chemie (NEV) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4
3 Sektorkopplung à Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie Quelle: Sterner, Stadler, Auflage Speicherbuch Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5 Definition Sektorkopplung & speicher Keine Sektorkopplung ohne speicher Quelle: Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6
4 Sektorkopplung ist Schlüsseltechnologie zukünftiger systeme Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7 Inhalt 1) Überblick wende und Sektorkopplung 2) Optionen zur Flexibilisierung 3) Strom-Wärme 4) Strom-Mobilität 5) Strom-Gas 6) Strom-Chemie 7) Sektorkopplung eröffnet große industriepol. Chancen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8
5 Gesamtbild: Wir brauchen alle Optionen Flex. Kraftwerke, Netze und Speicher und DSM Erzeugung Verteilung Speicherung zentral vs. dezentral Verbrauch Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9 Wir brauchen keine Speicher Wir brauchen keine Stromspeicher Wir brauchen vorerst keine Stromspeicher, weil wir vollen Netzausbau annehmen und verfügbare alternative Flexibilitäten Gültiger Grundsatz: Netze = räumlicher Ausgleich Speicher = zeitlicher Ausgleich Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10
6 Gegenüberstellung des geplanten Netzausbaus und der bis dato umgesetzten Trassenkilometer Quelle: Sterner et al FENES Working Paper, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11 Stark ansteigende Netzengpasskosten (Redispatch, EinsMan) à Sektorkopplung als Redundanz angehen à PtX-Umlagenbefreiung in EinsMan Gebieten + zzgl. Kosten für negative Strompreise / Import und Export etc. Quelle: Sterner et al FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12
7 Aufteilung der forschung (Bund, 2015) à Sektorkopplung nur geringfügig erforscht Quelle: Sterner, Bauer, Eckert, Hofrichter, 2016 Metastudie für dena Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13 Inhalt 1) Überblick wende und Sektorkopplung 2) Optionen zur Flexibilisierung 3) Strom-Wärme 4) Strom-Mobilität 5) Strom-Gas 6) Strom-Chemie 7) Sektorkopplung eröffnet große industriepol. Chancen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14
8 Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom à Wärme) Flexibilisierung der KWK - Betrieb Fernwärmenetz über Speicher ohne HKW an Sommerwochenenden Flexibilisierung Stromnachfrage - Einsatz von 2 x 25 MW PtH Elektro-Heizkesseln - Direkte Anbindung Generator à keine Netzdurchleitungsgeb. - SDL über Pooling Invest - 17 Mio., 3 4 Mio. gefördert Zeitliche und räumliche Begrenzung: Saisonale Verfügbarkeit / Wärmesenken Quelle: N-Ergie 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15 Sektorkopplung Home EEWärmeG nicht technologieneutral, da PV-Wärme nicht zugelassen Nutzung von Solarstrahlung = Solarthermie Sektorkopplung Solarstrom Wärme nicht möglich Quelle: Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16
9 Vergleich Photothermie (PV-Wärme) vs. Solarthermie à Solarthermie technisch effizienter, PV(-Wärme) ökonomisch und ökologisch effizienter Ausgangsbasis: ca. 65 % des Warmwasserbedarfs sollen solar gedeckt werden Datenbasis PV ST Strombedarf Vierpersonenhaushalt Warmwasserbedarf Vierpersonenhaushalt 3500 kwh/a 2966 kwh/a Speichervolumen Warmwasserpuffer Flächenbedarf am Dach 33 m ² (5 kw p ) (5,5 m² anteilig für PV-Wärme) Solaranteil an Warmwasserbereitstellung 68 % 65 % 300 l Wärmepumpenleistung 550 W (COP=2,98) - Verdrängung von Strom (Strommix)... Wärme (Gastherme h 70 %)... Benzin (Ottomotor h 25 %) Strom: 550 g CO 2-eq. /kwh Wärme: 371 g CO 2-eq. /kwh Verkehr: 832 g CO 2-eq. /kwh 6 m² g CO 2-eq. /kwh - Ergebnisse Flächenertrag für Solarstrahlung (Nutzungsgrad über 1 Jahr) Investitionskosten Interner Zinsfuß (inkl. Betriebskosten und Wechselrichtertausch nach 10 Jahren) Jährliche CO 2 -Einsparungen (Strom 20 % Eigenverbrauch, 80 % Einspeisung; Verkehr 20 % Eigenverbrauch für E-Mob.) Quelle: eigene Berechnungen. 15 % (inkl. Wärmepumpe 20 %) 39 % PV-Anlage Wärmepumpe ,9 % -0,32 % Strom: 740 kg CO 2-eq. + Wärme: 900 kg CO 2-eq. + Verkehr: 490 kg CO 2-eq kg CO 2-eq - Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17 PV kann 3 Sektoren dekarbonisieren à mehr CO 2 -Vermeidung als rein über Solarthermie 1000 Eigenverbrauch Strom Wärmemenge Einspeisung 560 menge PV pro Monat in kwh Verdrängung Strommix Eigenverbrauch Verdrängung Erdgas durch Wärmepumpe Verdrängung Benzin Verdrängung Strommix Einspeisung -Emissionen in kg pro Monat Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober NovemberDezember Monat Quelle: eigene Berechnungen. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18
10 Solarthermie technisch effizienter, aber große Verluste - allein durch Stagnation: 61 % p. a. menge bei 6 m² pro Monat 900 kwh 800 kwh 700 kwh 600 kwh 500 kwh 400 kwh 300 kwh 200 kwh Ertrag Solarthermie Verluste Effizienz Verluste Aufwärmen Verluste Stagnation 100 kwh 0 kwh Monat Puffer- oder Zirkulationsverluste nicht enthalten, da reine Modulbetrachtung Quelle: eigene Berechnungen. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19 Solarthermie: ertrag & CO 2 Einsparung à geringer als mit PV bei gleicher Ausgangsbasis Enerigemenge pro Monat in kwh Ertrag Solarthermie Einsparung Emissionen in kg pro Monat 0 0 Monat Quelle: eigene Berechnungen. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20
11 PV vs. Solarthermie Efficiency first! Technische vs. Kosten- vs. CO 2 -Effizienz - Solarthermie ist über das Jahr gesehen effizienter als PV, aber nicht so effizient wie weitläufig angenommen: PV 15 % (mit WP 20 %) vs. Solarthermie 39 % - Überdimensionierung von PV schadet der Effizienz nicht, eine Überdimensionierung von Solarthermie schon -> ST hat stark limitiertes Potenzial - PV könnte größeren Beitrag zur Dekarbonisierung aller Sektoren leisten, wenn regulatorische Rahmenbedingungen geändert werden (EEG-Umlage ab 10 kw p bzw. USt auf eigenverbrauchten PV-Strom in WP entfällt und im EEWärmeG wird PV-Wärme als solare Strahlungsenergie nutzbar) à PV ohne Wärmepumpe derzeit wirtschaftlicher als mit Wärmepumpe - PV ist aber wirtschaftlicher als Solarthermie durch multiplere Nutzung à PV trägt sich selbst, Solarthermie zahlt sich meist nicht innerhalb der Lebensdauer von 20 Jahren ab. à technologieneutrale Nutzung von Solarstrahlung anstreben Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21 Kraft-Wärme-Kopplung mit Windkraft + Pumpspeicher + Wärmespeicher Innovatives PSW Wind-KWK Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22
12 Kommunale Strom- und Wärmeversorgung über Wind-KWK Naturspeicher = Pump und Wärmespeicher läuft allein mit Wind Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23 Kommunale Strom- und Wärmeversorgung über Wind-KWK Naturspeicher = Pump und Wärmespeicher läuft allein mit Wind Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24
13 Kommunale Strom- und Wärmeversorgung über Wind-KWK Naturspeicher = Pump und Wärmespeicher läuft allein mit Wind Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25 Naturwärmespeicher besser als Luft-WP (Lärm) und Erd-WP (Kosten) Innovation aus der Oberpfalz Ökologische und effiziente Wärmequelle für Solewärmepumpen Kleines offenes Gewässer als Wärmequelle (mit Flüsterlüfter zum schmelzen des Eises) Geschlossenes genehmigungsfreies System Attraktives Gestaltungselement in der Außenanlage Quelle: Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26
14 Speicherausbau Status Quo: neue Speicher in Deutschland à bisher nur Sektorkopplung Strom-Wärme gut etabliert FENES, 2016 Quelle: Sterner et al FENES Working Paper, 2016; Datenbasis: FENES-Datenbank Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27 Hemmnisse Strom-Wärme Abgaben Eigenverbrauch, EEWärmeG verhindert PV-PtH à PV-WP/Emob. unwirtschaftlicher als PV alleine EEWärmeG nicht technologieneutral 27a EEG-Förderung nur, wenn kein Eigenverbrauch à KWK mit Wind nicht möglich EEG unterbindet weitgehend Sektorkopplung à 1 Endverbraucherabgabe für alles Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28
15 Inhalt 1) Überblick wende und Sektorkopplung 2) Optionen zur Flexibilisierung 3) Strom-Wärme 4) Strom-Mobilität 5) Strom-Gas 6) Strom-Chemie 7) Sektorkopplung eröffnet große industriepol. Chancen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29 Biokraftstoffe limitiert - E-mobilität kommt Zentrale Fragestellung für Zukunft der dt. Automobilbranche Elektrifizierung - LKW à Dejavu Netzausbau - Bahn etc. Quelle: Tesla, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30
16 Dekarbonisierung Verkehr rein über Batteriemobilität nicht möglich à Stromkraftstoffe für Flug-, Schiff-, Langstrecke, Arbeitsmaschinen Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte - und Landwirtschaft Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31 Inhalt 1) Überblick wende und Sektorkopplung 2) Optionen zur Flexibilisierung 3) Strom-Wärme 4) Strom-Mobilität 5) Strom-Gas 6) Strom-Chemie 7) Sektorkopplung eröffnet große industriepol. Chancen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32
17 Power-to-Gas trotz Wirkungsgradverluste kostengünstigster Langzeitspeicher Vergleich der Speicherkosten (für 1 kwh nach Zyklendauer) Quelle: Thema, Sterner, Greenpeace Energy, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33 Power-to-Gas = Stromspeicher = Dekarbonisierung Mobilität & Chemie Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34
18 Power-to-X als Ausgangsstoff für einen Großteil industriell genutzter Rohstoffe à Startpunkt: PtX in Raffinerien Quelle: Sterner, Bauer et al, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35 Dekarbonisierung v. a. von Mobilität & Chemie erfordert Power-to-X (Gas, Liquid, Heat, Chemicals) Abschätzung zukünftiger Märkte für PtG in GW Bedarf an Stromspeichern vorerst gering à Bedarf an PtX-speichern sehr hoch 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 Hemmnisse Strom-Gas/Chemie Netzentgeltbefreiung nur bei Netzeinspeisung Stromsteuerbefreiung nur im produz. Gewerbe EEG-Umlage fällig, teilweise doppelt (Ausn. Stromspeicher) Keine Anrechnung auf EE-Wärme, -Kraftstoff möglich à PtG / PtX derzeit nicht wirtschaftlich 27a EEG-Förderung nur, wenn kein Eigenverbrauch à Kombination Windstrom & Windgas nicht möglich EEG & System auf Stromspeicher zugeschnitten à unterbindet Sektorkopplung à Barrieren zwischen den Sektoren beseitigen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37 Inhalt 1) Überblick wende und Sektorkopplung 2) Optionen zur Flexibilisierung 3) Strom-Wärme 4) Strom-Mobilität 5) Strom-Gas 6) Strom-Chemie 7) Sektorkopplung eröffnet große industriepol. Chancen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38
20 COP21 global umsetzen à Sektorkopplung Weltmarkt Neg. Emissionen (Biomass & CCS) vs. Speicher & PtX PtL Electricity 157 PtG Heat PtH 141 PtG E- Mob Transport Source: Bauer, Sterner, 2016, WBGU Dekarbonisierungsszenario 2050 ohne Biomasse & CCS PtX Chemical Ind. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39 Paris fulfilled à global role of PtX / Sektorkopplung From CO 2 -intensive to CO 2 -neutral energy supply Source: Bauer, Sterner, 2016, WBGU Dekarbonisierungsszenario 2050 ohne Biomasse & CCS Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40
21 Inhalt 1) Keine Sektorkopplung ohne speicher 2) Keine 100 % Dekarbonisierung ohne Power-to-Gas/X 3) Einfache Betrachtungen zur EEG-Umlagen-Befreiung 4) Pro & Contra: Netzausbau vs. Speicher 5) Schlussfolgerungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41 Vom Ende her denken + Wege öffnen n Power-to-X ist eine Schlüsseltechnologie für den Klimaschutz n... ermöglicht einen höheren EE-Anteil im Stromsystem n... PtG einzige Speichertechnologie in Deutschland, die räumlich und zeitlich ausgleichen kann und genügend Speicherkapazitäten aufweist n... ermöglicht Dekarbonisierung von Verkehr und Chemie n... senkt die Kosten Technik bereit zum Markteintritt à Exportschlager! n Netze und Speicher statt erst Netze, dann Speicher n Explodierende Kosten im Redispatch -> Markt funktioniert nicht n Redundanz schaffen & Lösungsraum erweitern: Netze und Speicher n Gemeinsamer Ausbau und Planung Netze und Speicher n Nötige Rahmenbedingungen setzen n Schlüsseltechnologie entwickeln à Industriepolitik! n CO 2 adäquat bepreisen n PtX trägt nur mit EE-Strom zur Dekarbonisierung bei à Übergang gestalten n langfristig eine Gesetzgebung für Strom Wärme-Gas n Barrieren zwischen den Sektoren abbauen (eine Endverbraucherabgabe) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42
22 und Lösungsraum erweitern Technologieneutralität leben Industriepol. Chancen nutzen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle netze und speicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) michael.sterner a oth-regensburg.de Auflage 800 S. Inkl. Sektorkopplung Anfang 2017 Vielen Dank Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44
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