Competence Center Energy & Mobility

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1 Competence Center Energy & Mobility Gasmobilität und Energiewende Urs Elber Geschäftsführer CCEM Symposium Thun, 4. November 2014 Urs Elber 1 CCEM - Forschungsnetzwerk des ETH Bereichs Fachhochschulen Industrie (Auswahl) Politik, Verwaltung, Verbände 2 1

2 CCEM Forschungsbereiche und Aktivitäten Mobilität / Transport Treibstoffe Nachhaltigkeit Wärme und Gebäude, Smart Cities Elektrizität 3 4 2

3 Installierte Leistung am in Deutschland Wind und Solar > 72 GW Betrifft auch Stromsystem in CH! 5 Geplante und tatsächliche Produktion Solar + Wind D Hohe Leistungsspitzen - Prognosen oft ungenau Bisher: Nur Verbrauchsprognosen, Stromproduktion wird dem Verbrauch angepasst Neu mit Wind- Solarstrom: Produktion aus Wind- und Solar kann nicht gesteuert werden. Verbrauch und Produktion sind im Prinzip nicht verknüpft 6 3

4 Herausforderung Integration Wind /Solar ins Netz Zeitweises Überangebot Strom -> Produktionserlös sinkt Leistung Bandproduktion Netzbelastung steigt -> Netzkosten steigen Bandproduktion wird kleiner -> Netzstabilität sinkt -> höhere System DL Zeit 7 Stromproduktion D Februar 2014 Kohle als «Regelenergie» 8 4

5 Last im Hochspannungsnetz Bild: Swissgrid Trotz durchschnittlicher Belastung des HS - Netzes von ca. 25% wird im Sommer während annähernd 70 % der Zeit das n-1 Kriterium nicht erfüllt d.h. der Ausfall einer Leitung kann durch die anderen nicht voll übernommen werden. Deshalb steigt das Risiko für grosse Netzausfälle. Falls in CH die Solarenergie massiv ausgebaut wird, steigt das Risiko zusätzlich. Es muss sehr viel mehr teure Regelenergie eingekauft resp. bereitgestellt werden Kosten für Systemdienstleistungen könnten massiv steigen. Source: Swissgrid 9 Erzeugung > Verbrauch: Optionen Verbrauch kleiner als Erzeugung 4. Energie kappen - Kosten ohne Ertrag - oft die billigste Methode Leistung 1. Energie speichern und später verwenden - dezentral auf Quartierebene: Stunden - zentral: Tage, saisonal 2. Energie in andere Formen umwandeln 0h Tageszeit 24h - dezentral auf Quartierebene für unmittelbaren Verbrauch - zentral: für (saisonale) Speicherung 3. Verbrauchs - Verlagerung/ - Steuerung - Effizienz - Produkte, Pricing 10 5

6 Energiespeicherung - Grössenordnungen 11 Optionen Energieumwandlung Elektromobilität Wärme-/Kälte Batterie- Speicher Strom zu Wasserstoff (Elektrolyse) Wasserstoff- Speicherung Leistung Wasserstoff- Fahrzeug Erdgas 0h Tageszeit 24h Erdgas/Biogas-Fahrzeug Wasserstoff- Erdgas/Biogas-Fahrzeug 12 6

7 13 Power to Gas Abgasstrom z.b. Zementwerk CO 2 Abtrennung CO 2 Elektrolyse Wärmenutzung Überschussstrom Wasser- Stoff H 2 Biogas Methanisierung Gasreinigung Biomasse Synthetisches Erdgas 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Speichern Elektromobilität Brennstoffzellen / Wasserstoff- Fahrzeuge Beimischung zu Erdgasfahrzeugen CO H 2 CH H 2 O Speichern Speichern Erdgasfahrzeuge Wirkungsrad Strom - Wasserstoff bis ca. 70% Wirkungsrad Strom - Erdgas ca. 54% 14 7

8 CO2-Grenzwerte für Personenwagen Innovation gefragt Richtlinie 443/2009/EG bzw. CO2-Gesetz CO2 emission in g/km '000 1'500 2'000 2'500 3'000 3'500 Quelle: Auto-Schweiz Gasoline Diesel Natural Gas Linear (Diesel) Linear (Gasoline) CH g/km, kg Vehicle mass in kg Busse bei Überschreitung: (pro Emissionsgemeinschaft) 1. Gramm >130 g/km: 7.50 CHF 2. Gramm >130 g/km: CHF 3. Gramm >130 g/km: CHF weitere g>130 g/km: CHF Fall 1 (LG = kg) 151 g/km (6.5 l Benzin /100 km) 19 g/km zu hohe CO 2 -Emissionen Busse von /Fz Fall 2 (LG = kg) 182 g/km (7.9 l Benzin /100 km) 39 g/km zu hohe CO 2 -Emissionen Busse von /Fz 15 Global Warming Potential für Fahrzeuge (GWP 100 Jahre) Dieselmotor Euro 5 1) (Referenz) Li-Ion Batterie Elektro 1) EU- Strommix Li-Ion Batterie Elektro 1) CH-Strommix Brenstoffzellen Elektro 1) EU-Strommix Brennstoffzellen Elektro 1) CH- Strommix Brennstoffzellen Elektro 1) H 2 aus NG, EU- Strommix Erdgasfahrzeug 2) Erdgasfahrzeug mit 25% H 2 aus Solarstrom 3) Erdgasfahrzeug mit Biogas (z.b. aus Holz) 2) 1) CCEM Projekt THELMA 2) Ableitung aus «Harmonisation and extension of the bioenergy inventories and assessment, End Report 2012, Abb.3» 3) Schätzung 0% 50% 100% 16 8

9 Vom grünen Strom zum sauberen Treibstoff Technologietransfer-Plattform Überschusselektrizität dezentral nutzen für eine nachhaltige Mobilität der Zukunft Tankkapazität Wasserstoff-Autos Gasautos (10 vol-% H 2 ) Gasautos (25 vol-% H 2 ) ca. 5 pro Tag ca. 70 pro Tag ca. 30 pro Tag 17 Beispiel: Projekt CLEVER (Erdgas Elektrohybridantrieb) Quelle: EMPA (Bach) 18 9

10 Beispiel: Beimischung von Wasserstoff als Treibstoff Effizienz- und Abgasminderungspotentiale: Verbrauchsveränderung zu Edgas in % NOx - Veränderung zu Edgas in % Quelle: EMPA (Bach) 19 Beispiel: Gas / Diesel Motor (ETH Zürich) Prinzip: Erdgasfahrzeug mit den Vorteilen eines Dieselfahrzeuges - Klopffestes Erdgas - CO 2 Emissionen - Diesel für Zündung (ca. 10%) Quelle: Dr. Christopher Onder et. al. ETHZ 20 10

11 Fazit (1) Solar- und Windstrom in grossen Mengen schaffen ein zeitweises Überangebot. Die Integration der Leistung in das Stromnetz birgt Risiken und zieht hohe Kosten für den Netzausbau und Systemdienstleistungen nach sich Es entsteht ein Stromspeicherbedarf, je «solarlastiger» die erneuerbare Energie desto «saisonaler» der Speicherbedarf Zukünftige CO 2 Vorschriften für Fahrzeuge können nur mittels höheren Anteilen an erneuerbarem Treibstoff eingehalten werden, solange sich die Ansprüche an ein Fahrzeug nicht massiv ändern. Die solare Überschussenergie kann relativ effizient in Wasserstoff umgewandelt werden, der einerseits direkt als Treibstoff, als Beimischung zum Erdgas verwendet oder mit CO2 in synthetisches Erdgas gewandelt werden kann 21 Fazit (2) Mit der Umwandlung von solarer Überschussenergie zu Treibstoff gibt es nie zu viel Solarstrom und es kann direkt fossile Energie ersetzt werden Die Kosten für die für die Energieumwandlung (zu Wasserstoff, synthetischem Erdgas resp. einem Gemisch davon) werden nicht nur durch den Energiepreis bestimmt, sondern wesentlich auch durch die Kosteneinsparungen beim Netzausbau und den Systemdienstleistungen im Stromnetz Voraussetzungen (neben Forschung auf allen Stufen): Anteil an Gasmobilität erhöhen (FZ-Palette, Verkaufspositionierung, FZ- Preis, Betankungsmöglichkeiten, etc.) Treibstoffzollbefreiung für Gas aus (Überschuss-)Solarstrom EU-kompatible Vorschriften für FZ, Tankstelle, Speicher, etc

12 Besten Dank! Urs Elber Dipl. Ing. FH / MBA HSG Competence Center Energy and Mobility (CCEM) PSI Forschungsschwerpunkt Energie Empa Mailto: [email protected] / [email protected]