Sektorenkopplung Die Rolle von Wasserstoff als Begleiter des Stromsystems

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1 bölow Setorenopplung Die Rolle von Wasserstoff als Begleiter des Stromsystems Dr.-Ing. Ulrich Bünger Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH, Ottobrunn Seminar Erneuerbare Energien, Hochschule Karlsruhe Techni und Wirtschaft Faultät für Eletro- und Informationstechni, Gebäude LI / Hörsaal Eletrotechni (he) Mittwoch, , 15:40 Uhr 16:40 Uhr 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

2 Inhalt Ludwig-Bölow-Systemtechni 1 Begriffsdefinitionen 2 Herausforderungen einer ünftigen deutschen 3 Energieversorgung 4 Setorale Maßnahmen zur Erzielung politischer THG-Ziele Eletrizitätserzeugung Mobilität (Chemie-)Industrie Haushalte 4 Synergien durch Setorenopplung d Zusammenfassung a 4 b 4c bölow Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

3 bölow Ludwig-Bölow-Systemtechni 1 Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

4 1 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH (LBST) bölow Dr. Ludwig Bölow Unabhängige Experten für nachhaltige Energieversorgung und Mobilität seit 30 Jahren Erneuerbare Energien, Kraftstoffe, Infrastrutur Machbareitsstudien, Nachhaltigeitsanalysen, technologiebasierte Strategieberatung, Energieonzepte Konsequenter Systemansatz: Denen über Bereichsgrenzen hinweg 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

5 bölow 2 Begiffsdefinitionen Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

6 2 Begriffsdefinitionen bölow Setorenopplung LBST: Nutzung von Synergien aus gemeinsamer Verwendung gleicher Energieinfrastruturen zur gleichzeitigen Versorgung mehrerer Energiebedarfssetoren (Mobilität, Industrie, Haushalte), mit Nutzung von PtG oder PtX zur beschleunigten Einführung zusätzlichen EE-Stroms. Dr. Ingo Luge (Vors. GF E.ON Deutschland): Zweite Phase Energiewende, d.h. Erweiterung der Stromnutzung um Wärme- und Verehrswende, zur Erfüllung von CO2-Emissionsredutionszielen und als Stabilitätsgarantie für das Energiesystem, um mehr EE-Strom aufzunehmen. Besser Setorenopplung als Setoropplung. Power-to-Gas (PtG) LBST: Ein Element von Power-to-X (PtX), das die Umwandlung von EE-Strom in einfache transportier- bzw. speicherbare Energieträger meint, zur Unterstützung des Stromnetzes bei Aufnahme von flutuierendem EE-Strom. Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

7 2 Begriffsdefinitionen bölow Und das ist, was in öffentlichen Disussionen unter PtG, P2G oder Power-to-Gas gewöhnlich verstanden wird. Bild: MS Office Quelle: U. Bünger, J. Michalsi, P. Schmidt, W. Weindorf, Ludwig-Bölow-Systemtechni (LBST): Kapitel 16: Wasserstoff Schlüsselelement von Power-to-X, Buchbeitrag Springer Wasserstoff, im Druc, Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

8 bölow 3 Herausforderungen einer ünftigen deutschen Energieversorgung Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

9 3 Energieversorgung Deutschland heute Endenergieverbrauch (nach Setoren, 2012) ARGE Energiebilanzen Auswertungstabellen Energiebilanz1990 bis 2012 Stand 07/2013 Verehr 29% bölow Industrie 29% 08./09. November Übrige Emissionen Industrie Verehr Haushalte Energiewirtschaft Landwirtschaft Gewerbe, Handel & Dienstleistungen 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH CO2-Emissionen (nach Setoren, 2012) Umweltbundesamt, Gewerbe 15% Versorgungssicherheit: Verehr, Haushalte und Industrie machen jeweils ca. 30% des Endenergieverbrauchs aus Klimawandel: Energiewirtschaft dominiert CO2- Emissionen Haushalte 27% Übrige Emissionen 1,6% Landwirtschaft 8,1% Industrie 19,7% G, H & D 4,5% Verehr 16,1% Energiewirtschaft 40,1% Haushalte 10%

10 3 Setorale CO2-Emissionsredutionsziele Deutschland bölow Energiewirtschaft (Ziel: -92,5%) Industrie (Ziel: -81%) Haushalte / GHD (Ziel: - 92,5%) Verehr (Ziel: -92,5%) Landwirtschaft (Ziel: - 60%) Quelle: Agora Energiewende, /09. November 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

11 bölow 4 Setorale Maßnahmen zur Erzielung politischer THG-Ziele Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

12 bölow 4 Eletrizitätserzeugung a 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

13 4 a Herausforderungen/Opportunitäten Stromerzeugung Herausforderungen Ausphasen Kernenergie bis 2022 und Kohle bis 2030 (in Disussion) Internationales Energiepreisniveau verhindert Erdgas- statt Kohleeinsatz zur Stromerzeugung Für Kohle- als Grundlastraftwere werden EE-Anlagen abgeschaltet bölow Kurzfristiges Einphasen flutuierender EE-Stromerzeugung (Wind on- und offshore, PV, Biomasse) Regionale Konzentration der EE-Stromerzeugung (Wind im Norden, PV im Süden erfordert Stromnetz als Kupferplatte ) ABER einstellen optimaler EE-Mix (60-70% Wind % PV) Mangelnde öffentlich Azeptanz verhindert Stromnetzausbau bzw. macht ihn durch unterirdische Verlegung um Fator 5-10 teurer Opportunitäten Maßnahmen leicht umzusetzen, da Stromerzeugung fern vom Endverbraucher Hohe aber dennoch langfristig begrenzte Ausbaupotenziale (eher öffentliche Azeptanz als technische Begrenzungen) 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

14 4 a EinsMan*: Ausfallarbeit / Entschädigungszahlungen Abschaltung von EE-Anlagen in Deutschland hat bis 2016 deutlich zugenommen bölow Quelle: LBST Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH * Einspeisemanagement

15 4 a Techn. REG Potenziale (Strom, Wärme) Deutschland bölow Quelle: LBST Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

16 4 a REG Potenziale und EE-Verbrauch für Deutschland EE-Verbrauch heute ca. 500 TWh/yr, EE-Potenzial Deutschland ca TWh/yr Other Demand 2500 TWh/yr Households Demand Transport Demand Industry Demand Surplus Renewable Electricity (For Transport?) Electricity Demand 2015 Biomass, Biogas and Waste (almost exhausted) Hydro Power Wind Onshore Wind Offshore PV Geothermal Renewable Electricity 1990*) *) AGEE 2016: Energie in Zahlen 2015 **) BMWI 2016: Energiedaten 2015 Renewable Electricity 2015*) Renewable Electricity (Technical Potential) Conservative Estimate Other use (e.g. transport) Electricity use 2015 Renewable Electricity Use Final Energy Demand 2015**) bölow Quelle: Potenziale: wie gezeigt; Potenzialschätzungen: LBST, (vorhergehende Grafi: Rauten); Verbrauchsdaten: [BMWI 2015], [AGEE 2015] 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

17 bölow 4 b Mobilität 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

18 4b Herausforderungen/Opportunitäten Mobilität Herausforderungen Bisher ein Beitrag zur CO2-Emissionsminderung Güter- und Luftverehr mit weiterhin hohen Wachstumsraten Beharrungsvermögen von Automobil- und Luftfahrtindustrie Strategische deutsche Diesel-Allianz von Automobilindustrie und Politi erfolgreich bölow (omplex, teuer) im Angesicht ambitionierter E-Mobil-Strategien in China, Japan und Südorea? Wenig beeinflussbarer internationaler Wettbewerb im Bereich Güter-, Schiffs- und Luftverehr Politisch unbequeme öffentliche Bewusstseinsänderung erforderlich (z.b. Trend zu schweren Pw) Globaler Mobilitätsbedarf zu reduzieren, individuelle durch öffentliche Mobilität zu ersetzen E-Mobilität bedarf flächendecend neuer Energieinfrastruturen, Langfristosten noch unlar Alternative Antriebe setoral aufwändiger umsetzbar (Luft-, Straßengüter- und Schiffsverehr) Opportunitäten E-Mobilität als Effizienztechnologie intersetoral verfügbar (Pw, Lw, Schienenverehr, ) 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

19 4b Herausforderungen/Opportunitäten Mobilität Statt THG-Emissionsredution (2020: -10%; 2050: -40%) anzustreben, hat Verehrssetor in Deutschland diese bis 2013 um 1% (Basis 2005) erhöht Was Transportsetor nicht beiträgt, müssen andere Setoren ompensieren bölow Quelle: FhG-ISE, Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

20 4b Vorausschau für Brennstoffzellen-Pw-Flotte weltweit* Vorhersagen für FCEV-Flottenaufbau ggb. früheren Studien höher ABER: genug für Erreichen der THG-Minderungsziele? bölow rt ca. 10 Mio. BZ-PW-Neuzulassungen weltweit in 2050, gleichbedeutend mit ca. 1/10 aller Pw-Neuzulassungen Quelle: SHELL WASSERSTOFF-STUDIE ENERGIE DER ZUKUNFT?, Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2, Shell Deutschland mit Wuppertal-Institut, 2017, S Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

21 4b Frischer Wettbewerb aus dem Ausland (CHN, JP, KO) Die Vorhersagen für den Flottenaufbau von FCEV hat sich ggb. früheren Studien erhöht, aber genügt das zur Erzielung der THG- Minderungsziele? bölow Atuelles Joint Venture für BZ-Prodution Fertigungsfläche: m² (L*B: 120*100 m) Jährliche Brennstoffzellenprodution: ,000 (1-3 Schichten) Jährliche BZ-Modulprodution: (je 15 W) Produtionsbeginn: 1 Juli 2017 Aber auch Batteriebusse in Stüczahlen von Quelle: Prof. Dr. Zhixiang Liu, Southwest University, IPHE-Forum, Gwangju, Südorea, Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

22 LBST, b Potenzieller Strombedarf für E-Mobilität Deutschland* In Deutschland alleine önnte Strombedarf für Transportsetor heutigen Bedarf um Fator 2 4 übertreffen mit möglicher Konsequenz von EE-Importen TWh/a 2500 bölow TWhe/a technical renewable electricity potential (this study) 521 TWhe net electricity consumption 2014 non-transport PtX (heat, chemicals) non-transport efficiency targets PTL + HIGH PTL + LOW FVV + HIGH FVV + LOW emob + LOW * Straßen-, Luft- und Schienenverehr, ohne internationalen Schiffsverehr Quelle: Renewables in Transport 2050 Focus Germany, Studie LBST für Forschungsvereinigung Verbrennungsraftmaschinen e.v. (FVV), Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

23 bölow 4c (Chemie-)Industrie 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

24 4c Herausforderungen/Opportunitäten (Chemie- )Industrie Herausforderungen bölow Besonders energieintensive Industrien sind Chemie-, Raffinerie- und Stahlindustrie Erste Visionen entwicelt; es mangeln Strategien zur Erfüllung der THG- Emissionsziele 2050 Starer internationaler Wettbewerbs- und Kostendruc Raffinerien mit politischem Erdölausstiegsziel onfrontiert, Chemieraffinerien ausgenommen Chemieindustrie benötigt Kohlenstoff als wichtigen Grundstoff Effizienzsteigerungsziele weitgehend erschöpft; nun struturelle Veränderungen erforderlich Opportunitäten Deutsche Industrie innovationsstar, gerade bei Effizienzsteigerungsmaßnahmen Einzelne Industrien erfordern Martnähe, was Standortwechsel weg von Deutschland erschwert Chemie- und Raffinerieindustrie im täglichen sicheren Umgang mit Wasserstoff geübt; stehen daher vermehrtem Einsatz nicht mehr grundsätzlich negativ gegenüber Alle drei Industriesetoren zentral verortet; Konsequenz ist einfache Energietransportinfrastrutur 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

25 4c Carbon2Chem CO2-Vermeidungsstrategie Chemieind. Carbon2Chem ist ein Programm zur grundsätzlichen CO2- Vermeidung, sondern zur Steigerung der CO2-Effizienz bei Einsatz von EE-Strom bölow Direte CO2-Emissionen CO2-Emissionen nach zweiter Nutzung Quelle: St. Jaobs: Wasserstoff in der Stahlindustrie Erzeugungs- und Einsatzmöglicheiten in der Zuunft, thyssenrupp, H2- Congress Berlin, Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

26 4c Vision zur CO2-Emissionsredution der Stahlindustrie Prinzpiell ann deutsche Stahlindustrie Hochofenprozess heute durch Diretredutionsverfahren (DRI) ünftig substituieren; Expertise noch zu erarbeiten Wasserstoffnachfrage in Deutschland dann 2,4 Mton/Jahr bzw. ca. 130 TWh/Jahr Strom, um Kohle-/Kosbedarf vollständig zu substituieren bölow Entspricht dem 2-3 fachen der gesamten H2-Prodution Deutschland heute bzw. einer Einsparung von ca. 66 MtonCO2-äquiv./Jahr Stoffliche C-Nutzung im Hochofenprozess Wasserstoffbetrieb MIDREX-Anlagenschema im Quelle: LBST auf Basis von St. Jaobs: Wasserstoff in der Stahlindustrie Erzeugungs- und Einsatzmöglicheiten in der Zuunft, thyssenrupp, H2-Congress Berlin, 2016 sowie M. Höller, vormals ArcelorMittal, Hamburg, Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

27 bölow 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

28 CO2 Emissionsredution 4c Langfristige Roadmap für Raffineriestandorte Tradition Übergang Zuunft bölow Direte Prodution von EE-H2 Heute Fossile Kraftstoffprodution Netto-H2- Bedarfs Prodution via Eletrolyse mit EE-Strom Frühe Geschäftsfelder (jedoch fehlende Regulatori) Prodution von PtX-Kraftstoffen Steigender EE-Anteil durch Nutzung bestehender Kraftstoffinfrastruturen (MeOH, FT-KS) Neue / angepasste Kraftstoffinfrastruturen Zeit Quelle: LBST, Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

29 4c Industrie erfordert zentrale Wasserstoff- Infrastruturen H2-Erzeugung: bölow Kohlenwasserstoffe > 90% H2-Rohrleitung H2-Erzeugungsschwerpunte = Industrie-Standorte (z.b. Raffinerien, Chemie-/Stahlindustrie) H2-Rohrleitung H2-Rohrleitung Raffinerien Chemiestandorte >99% Industrie-H2 Chlor-Eletrolyse < 10% Wasser- Eletrolyse < 1% Quellen: [DoE 2015], [MWV 2015], [ChemCoast 2013], [R2H 2007], [Zittel 1998], [Schlag, 2009] öffentlich verfügbare Informationen der Unternehmen (z.b. Anlagenbetreiber/Gaserhersteller), ergänzende Interviews mit Anlagenbetreibern, eigene Auswertungen Quelle: LBST, 2016 H2-Rohrleitung 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH Weitere: PtG-Projete H2-Tanstellen <1% Energie-H2

30 bölow 5 Synergien durch Setorenopplung Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

31 5 Öonomische Synergien bölow Synergiegewinn Synergiegewinn Quelle: J. Michalsi: The Role of Energy Storage Technologies for the Integration of Renewable Electricity into the German Energy System. Dissertation, Technische Universität München, Dezember Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH Synergien durch Ko-Nutzung für bessere Kapazitätsauslastung (alle Anlagen, z.b. Ely) Bessere Nutzung intermittierenden Stroms Vorteile schrumpfen aber mit der Zeit Keine Synergien für grauen Wasserstoff

32 5 Neben Strom bleibt Gas wichtiges Setorenbindeglied Mermal gasförmiger Energieträger sind hohe Transport- & Speicherapazitäten bölow Quelle: U. Bünger: Mögliche Beiträge des Gasnetzes zur Flexibilisierung im Stromnetz Kurz- und Langfristoptionen, 30. Oldenburger Rohrleitungsforum, 10. Februar Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

33 5 Gasnetzauf(s)bau strategisch intersetoral planen NO DK RUS bölow NL PL Farbcodierung ROT = Erdgas BLAU = H2 LILA = Strom Quelle: U. Bünger: Aufbau Wasserstoffinfrastrutur in Norddeutschland - Strategische Herausforderungen und Martentwiclungsoptionen, Die Westüste Europas Energieregion 2017 der Zuunft, Ludwig-Bölow-Systemtechni Entwiclungsagentur Heide, GmbH Heide/Holstein, 24. April 2017.

34 5 Mengengerüst für ünftigen setoralen Strombedarf Setor Endenergieverbrau ch heute* [TWh/Jahr] REG- Anteil [%] Künftiger Strombedarf [TWh/Jahr] Kommentar bölow Verehr Aus Studien: Σ Verehr mit PtL für Luft/Wasser (ohne int. Schiffsverehr), 370 TWhH2/Jahr (BEV, FCEV) Stromerzeugu ng Verluste Stromerzeugung heute: 958 TWh/a, Umstellung auf EE spart diese Verluste weitgehend ein (aber ünftig Speicherung auch verlustbehaftet) Industrie Chemieindustrie (C aus Luft-CO2+Diretstrom zus.) Stahlindustrie (DRI-Verfahren mit H2 aus Ely) Haushaltswär me ca. 700? Kann durch Wärmedämmung halbiert werden, teilweise durch E-WP bereitzustellen Wärme ? Raum&Prozeßwärme, Warmwasser ergieverbrauch Summe 2015: TWh/a, 2.366** ** 1990: TWh/Jahr, *** alternativ Mit muss ambitionierten Differenz Maßnahmen importiert werden zu verringern*** Quelle: Zusammenstellung LBST, 2017 Davon fossil Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

35 bölow 6 Zusammenfassung Bild: MS Office 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

36 6 Zusammenfassung Setorenopplung als neuer Begriff für intersetorale Energieinfrastruturnutzung Setorenopplung als zweite Maßnahmenstufe, um Energiewende vom Strom- bölow auf alle Energiesetoren auszuweiten, um politische THG-Ziele zu erreichen Drastischer Wandel für alle Setoren in 33 Jahren muss heute begonnen werden E-Mobilität als Strategie für Straßen- und Schienenverehr, für Luft- und Schiffsverehr existiert noch nicht einmal Vision Carbon2Chem als erster Ansatz für (Chemie-)industrie, jedoch ohne Strategie für 2050 Strom wird dominante heimische Energiequelle (Wind, PV), ergänzt durch Biomassen, ABER all electric world nur teuer umsetzbar (Ressourcen- und Azeptanzgrenzen) Energieversorgung Deutschlands ausschließlich mit heimischen erneuerbaren Energien nur mit sehr ambitionierten struturellen Maßnahmen sowie Energieeffizienz denbar Alternativen sind REG-Importe aus Osteuropa, MENA-Ländern sowie Sandinavien 2017 Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH

37 Kontat bölow Dr. Ulrich Bünger, MSc. +49/89/ Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH Daimlerstr München/Ottobrunn/Germany Web: Ludwig-Bölow-Systemtechni GmbH