Sektorkopplung Strom/Gas Ein Baustein der Energiewende 2.0
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- Mathilde Winkler
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1 Sektorkopplung Strom/Gas Ein Baustein der Energiewende Energiegespräch der Stadtwerke Haltern am See Haltern am See, den 9. März 2017 S1 Wichtige energiepolitische Rahmenbedingungen 20/20/20-Agenda der Europäischen Union (bis 2020) Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 20% Steigerung der Energieeffizienz um 20% Deckung des Energiebedarfs zu 20% aus regenerativen Energien Energiekonzept 2050 der Bundesregierung 80% Stromerzeugung aus regenerativen Quellen Erneuerbare-Energien-Gesetz (seit 1998) Förderung regenerativer Stromerzeugung (Wind, Sonne, Biomasse etc.) Aufgabe der regionalen Verteilungsnetze/Stadtwerke: Anschluss erheblicher Mengen regenerativer Einspeiser unter Beibehaltung der bestehenden (hohen) Versorgungsqualität bei möglichst geringen Netzausbaukosten S2 1
2 Energiewende 1.0 Veränderte Einspeisung Windkraft Photovoltaik Kernenergie-Ausstieg Blockheizkraftwerke Biomasse Neue elektr. Verbraucher Elektrofahrzeuge Wärmepumpen Elektr. Speicher S3 S4 2
3 Energiewende 2.0 Digitalisierung schafft neue Möglichkeiten (Smart Meter Roll Out) Flexibilitäten im Stromsystem heben auf Verbraucherseite (Happy Hour Strom) auf Erzeugerseite (reg. Einspeiser übernehmen Systemverantwortung Sektorkopplung Strom / Gas / Wärme / Mobilität: Das System größer denken! Energiequartiere / zellulare, dezentrale Strukturen S5 Forschungsprojekt: Nutzen von Smart-Grid-Konzepten unter Berücksichtigung der Power-to-Gas-Technologie Herausforderungen der Stromnetze: Integration von enormen Mengen dezentraler Erzeugungsanlagen (Wind, PV, KWK) mit zusätzlichen 75 GW installierter Leistung bis 2023 sehr hoher Netzausbaubedarf Bereitstellung von Speichern Zentrale Fragestellung: In welchem Umfang kann Nutzen durch den intelligenten gekoppelten Betrieb von Stromverteil-und Gasnetzen entstehen? Lösungsansatz: Gekoppelter Betrieb von Stromverteil- und Gasnetzen durch Power-to-Gas-Anlagen und Lastverschiebungselemente Anwendung von Smart-Grid-Konzepten Nutzung des Gasnetzes als Speicher S6 Projektpartner: GEFÖRDERT VOM 3
4 Funktionsweise einer Power-to-Gas-Anlage Power-to-Gas-Anlagen zerlegen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse Physikalischer Vorgang: Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie Chemische Reaktion Anode: Kathode: Spannungsquelle ermöglicht Ladungstransport Hydroxid-Anionen ) wandern zur Kathode Anode Kathode Quelle: Fraunhofer ISE S7 Systemnutzen von Power-to-Gas Speicherbedarf für EE-Überschüsse bei hohen EE-Anteilen in DE und EU Langzeitspeicher Power-to-Gas Beitrag zur Systemstabilität (Stellung Regelreserve, Ausgleich kurzfristiger Prognoseunsicherheiten) Bereitstellung von grüner Energie für Mobilität, Wärmesektor und Industrie Vermeidung von Stromnetzausbau durch Weiternutzung vorhandener Gasnetzinfrastruktur S8 4
5 Kopplungsmöglichkeiten Strom/Gas HD Power-to-Gas HS Große Windparks BHKW Erzeugt auch Netzausbau in der HS-Ebene Biogas anlagen MD Power-to-Gas Bivalente Gasvorwärmanlagen MS WEA BHKW (Biogas) Erzeugt auch Netzausbau in der MS-Ebene ND Thermische Last (Mikro-KWK, Wärmepumpen, Brennwertkessel, E-Heizer) NS PVA HD: Hochdruck MD: Mitteldruck ND: Niederdruck HS: Hochspannung (110 kv) MS: Mittelspannung (20 kv) NS: Niederspannung (0,4 kv) KWK: Kraftwärmekopplung BHKW: Blockheizkraftwerk WEA: Windenergieanlage PVA: Photovoltaikanlage S9 Vermeidung von Stromnetzausbau - Methodik Aufstellen eines energiewirtschaftlichen Rahmens für die Stützjahre 2023, 2033 und 2050 Simulation des Anlageneinsatzes in Strom- und Gasnetzen Zielnetzplanung für Strom- und Gasnetze Identifikation der Kopplungselemente Getrennte Planung Anlageneinsatzsimulation Gekoppelte Planung Anlageneinsatzsimulation Frei am Markt Netzdienlich Gaszielnetzplanung Stromzielnetzplanung Konventionell Innovativ Gaszielnetzplanung Stromzielnetzplanung Innovativ Kostenbewertung Bewertung durch Kostenvergleich von getrennter und gekoppelter Planung von Strom- und Gasnetzen S10 5
6 Untersuchte Netzgebiete ländliches MS-Netz/ regionales Gasverteilungsnetz: Esterwegen (vor)städtisches NS-Netz / Gasverteilungsnetz: Sögel ländliches NS-Netz / Gasverteilungsnetz: Werlte Quellen: Große Karte: Emsland Touristik GmbH Kleine Karte: Wikimedia Foundation Inc. S11 Ländliches Ortsnetz; Ausbaubedarf bis 2023 PtG 150 kw el Nichtgekoppelter Ausbau Innovativ - Smart-Grid-System - Regelbarer Transformator (ront) - ca m Kabel - Gasnetzausbau nicht erforderlich Gekoppelter Ausbau (PtG + GVWA) Szenario: Netzdienlich - Smart-Grid-System: steuert auch PtG-Anlage - Regelbarer Transformator (ront) - ca. 230 m Kabel - Gasnetzausbau nicht erforderlich S12 6
7 Gesamtergebnis für das ländliche NS-Netz inkl. Einsparungen im überlagerten MS-Netz und HS-Netz Netzdienlicher Anlageneinsatz verringert die maximal rückgespeiste Leistung Reduzierter Ausbaubedarf auch in überlagerten Netzebenen Gekoppelte Ausbauvariante Netzdienlich erreicht Kostenniveau des konventionellen Ausbaus S13 Schlussfolgerungen und Ausblick Die Kopplung von Strom- und Gasverteilungsnetze erreicht die Wirtschaftlichkeit nur durch Deckungsbeiträge aus Markt und Netz Kopplung der Netze auf möglichst niedriger Netzebene Investitionskosten für kleine PtG-Anlagen (H 2 ) von unter EUR/kW el (inkl. Einspeisung) Ausreichendes Zumischungspotenzial für Wasserstoff in den Gasnetzen (bis 10 Vol.-%) Weiterer Forschungsbedarf: Beitrag zur Systemstabilität Speicherfunktion der PtG-Anlagen als systemischer Mehrwert Erschließung von neuen Sektoren für CO2-neutrales Gas (z.b. Mobilität) Der Abschlussbericht der MS/NS-Studie ist als PDF verfügbar unter: S14 7
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