Power-to-Gas - Speicherinnovation für erneuerbare Energien: Ergebnisse

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1 Strategieplattform Power to Gas Power to Gas innovative Systemlösungen für ein zukunftsfähiges Energiesystem entwickeln , Humboldt-Carre, Berlin Power-to-Gas - Speicherinnovation für erneuerbare Energien: Ergebnisse Michael Specht ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Stuttgart Power-to-Gas Entwicklung in Kooperation mit den Partnern

2 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) - Speicherinnovation für Erneuerbare Energien (EE) Ziel / FAQ Status / Lösungswege Ergebnisse (Elektrolyse / Power-to-Fuel / 25kW-Anlage / Aufbau 250kW-Anlage) Verfügbarkeit CO 2 / Verfügbarkeit P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher

3 Power-to-Gas Ziel Verstetigung des fluktuierenden Angebots erneuerbarer Energien (EE) Speicherdauer: > 1 Woche / saisonale Speicherung Kraftstoff für Rückverstromung nachhaltige Mobilität KWK / Raumwärme / Prozesswärme Reduktion des Agrarflächenbedarfs für Energiepflanzen Adressierung von Handlungsempfehlungen

4 Power-to-Gas FAQ Wie erfolgt Langzeitspeicherung von Energie heute? Welche Speicherkapazitäten sind in Deutschland zur Langzeitspeicherung von EE notwendig? Welche existierende Infrastruktur ist für die Integration ins existierende Energiesystem nutzbar? Woher kommt das CO 2 für die Methanisierung? Welche technischen Herausforderungen gibt es derzeit? Welche Maßnahmen sind für deren Lösungen notwendig? Unter welchen Bedingungen wird Power-to-Gas ein wirtschaftliches Verfahren sein? Wann wird Power-to-Gas am Markt verfügbar sein? Was erwarten die Akteure von der Politik?

6 Energieverbrauch und -speicherkapazitäten in Deutschland Strom Erdgas Flüssigkraftstoffe 1) Verbrauch [TWh/a] durchschnittliche Leistung [GW] ) 81 Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0, Zahlen für ) Benzin, Diesel, Kerosin 2) jahreszeitlich stark schwankend 3) Pumpspeicherkraftwerke 4) 47 Untertage Gasspeicher / für weitere 79 TWh Rahmenbetriebsplan eingereicht / weitere Speicher in Planung [LBEG, Hannover] 5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung Im Erdgasnetz ist die notwendige Kapazität zur Speicherung von EE verfügbar.

7 Langzeitspeicherung von erneuerbarer Energie: Status / zukünftige Lösungswege Status: Die Bevorratung (Speicherung) von Energie wird heute durch die Lagerung fossiler, C-basierter Brennstoffe gelöst (Kohle, Erdöl, Erdgas). Zukunft: Wie im heutigen Energiesystem wird auch zukünftig die saisonale Bevorratung von Energie über chemische Energieträger erfolgen. Aus heutiger Sicht existiert hierzu keine Alternative! Status: "Stromspeicherkapazität" in DE beträgt heute 0,04 TWh (Pumpspeicherkraftwerke). Zukunft: Im zukünftigen, auf EE basierendem Energiesystem ist eine "Stromspeicherkapazität" im 2-stelligen TWh-Bereich in DE erforderlich. Umstritten ist, wann welche Speicherkapazität erforderlich sein wird. Zukünftige Speichermedien sind chemische Energieträger (H 2, Erdgassubstitut), die nicht in Konkurrenz zueinander stehen.

9 HYSOLAR (HYdrogen from SOLAR Energy, ): 10 kw e - Photovoltaic/Electrolysis System in Stuttgart Hydrogen Storage System Electrolysis Equipment Operation Control Data Acquisition and Evaluation PV-field 14,3 kw p / 10 kw N Utilisation of existing known how!!!!

10 HYSOLAR Results: Photovoltaic/Electrolyser-Coupling at 10 kw e Facility in Stuttgart Results: Intermittent/ dynamic electrolysis operation Energy demand of advanced electrolysis (current densities > 0.5 A/cm 2 ): < 3.8 kwh/m 3 H2 η LHV max = 79 % High product gas quality under dynamic operation Source: DLR

11 Power-to-Fuel Results: Methanol Synthesis from H 2 /CO 2 Renewable Methanol for road transport produced from H 2 and (atmospheric) CO 2 at ZSW in 1996 Energetic efficiency calculated from experimental results (LHV MeOH /Electricity Input ): Atmospheric CO 2 : < 46 % Flue Gas CO 2 : < 48 % / free CO 2 : < 61 %

12 Status P2G-α-System (25 kw e ): Process Flow Sheet (Principle)

13 Status P2G-α-Anlage: Betrieb Container mit Biogas und CO 2 -Off-Gas aus Biogasanlage Beta-Anlage 2011-Anlage an Biogasanlage Werlte 2011 Morbach 2009 Alpha-Anlage Stuttgart

14 Power-to-Gas - Concept: Option 1- Interconnection with Biogas Plant (via Biogas) Grid Gas distribution system Wind Solar Biomass CCPP / µ-chp POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas storage Biogas plant Biogas CH 4 /CO 2 Electrolysis / H 2 buffer CH 4 /CO 2 buffer H 2 Biogas CH 4 /CO 2 Methanation H 2 CH 4 Heat CCPP: Combined Cycle Power Plant; µ-chp: micro Combined Heat and Power Plant

15 Power-to-Gas - Container (25 kw e ): Operation with Biogas at juwi Biogas Plant 100 CH4 H2 CO2 O y_ch 4 [Vol-%] y_co 2, y_h 2, y_o 2 [Vol-%] :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 Dauer [hh:mm]

16 Power-to-Gas - Concept: Option 2- Interconnection with Biogas Plant (via Off-gas) Grid Gas distribution system Wind Solar Biomass CCPP / µ-chp POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas storage Biogas plant with Bio-CH 4 production Off-gas (CO 2 ) Electrolysis / H 2 buffer CO 2 buffer Heat H 2 CO 2 Methanation H 2 CH 4 CH 4 CCPP: Combined Cycle Power Plant; µ-chp: micro Combined Heat and Power Plant

17 Power-to-Gas Container (25 kw e ): Operation with Off-Gas at Werlte Biogas Plant CH4 H2 CO2 O2 Measurement of Gas Composition: Source ZSW y_ch 4 [Vol-%] y_co 2, y_h 2, y_o 2 [Vol-%] :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 0 Dauer [hh:mm] Gasanalysis: Source EWE AG

18 Aufbau der P2G kw e - Anlage in Stuttgart-Vaihingen

19 Aufbau der P2G kw e - Anlage in Stuttgart-Vaihingen

20 Entwicklung des ZSW-Tools P 2 IONEER zur Berechnung kostenoptimierter virtueller EE-Kraftwerke Beispiel: 100% EE Region, Einwohner (10 kew), Deutschland P2G mit H 2 Speicher User

21 P 2 IONEER Berechnung: 100% EE Szenario für Einwohner Gemeinde (DE) 9 Tage im August Wind 41,8% PV 22,6% 20 Monate Füllstand Methangas Speicher Batterie 3,9% Biogas 23,9% P2G-Gas 7,7% Überschuss 23 ct/kwh (Erzeugungskosten ohne Steuern) Notwendige installierte Leistungen/Kapazitäten aufgrund der Kostenoptimierung 6,1 MW Wind, 3,7 MW PV, 0,75 MW chem Biogas, 1,5 MWh Batterie, 1,1 MW el PtG, P2G Volllaststunden: 2697

23 CO 2 / Carbon Potential in Germany for the Production of C-based Fuels Carbon Resource CO 2 C Biogas Plants SNG Production Potential [t/a] [t/a ] [TWh gas /a] CH 4 Gas Share 7.3 * * CO 2 Gas Share 5.1 * * Energetic Biomass Utilisation in DE today (without Biogas) 73 * * Non-renewable Trash 25 * * Cement / Limestone Production 17 * * CCPP/CCU 1) (or SOFC/CCU) 27 * * Fossile Power Plants 309 * * CO 2 from Air unlimited 1) Direct CO 2 recycling: CCPP/CCU: Combined Cycle Power Plant / Carbon Capture and Utilisation 25 GW, 3000 h/a, η = 50 %, CO 2 retention: 90 % SNG: Substitute Natural Gas

24 Power-to-Gas combined with Biomass-Gasification: Producer Gas Methanation and CO 2 /H 2 Methanation Holzkohle, CaCO 3 Produktgasreinigung Methanisierung SNG CO 2, H 2 O Rauchgasreinigung CO 2 Biogene Reststoffe: z.b. aus Vergärung, aus Landschaftspflege, H 2 -reiches Produktgas CaO AER- Vergaser <800 C Feuerung + Kalzinierung >800 C Flugkoks, Teere, Flugasche H 2 O + H 2 SNG CO 2 : Option für Power-to-Gas Dampf Air/O 2, CO 2, H 2 O AER: Absorption Enhanced Reforming

25 Verfügbarkeit der P2G-Technologie Alpha-Anlage (25 KW el ): 2009 Alpha-plus-Anlage (250 kw el ): 2012 Beta-Anlage (6 MW el ): 2013 Gamma-Anlage (> 1 MW el, kommerzielles Produkt): 2015 Beta-Anlage (e-gas-projekt/audi) - Kooperations-Partner:

26 6MW e-gas - Anlage der AUDI AG in Werlte Vertragsunterzeichnung AUDI / SolarFuel im November 2011 Inbetriebnahme Mitte 2013 Vorstellung Audi balanced mobility / e-gas project am in Hamburg

28 Fazit Handlungsempfehlungen: Mögliche Märkte für P2G Stromspeicher (zentral, Übertragungsnetzebene) Speicheranwendungen auf regionaler Ebene (dezentral, Stromnetzstabilisierung auf Verteilnetzebene) Regelenergiemarkt Kraftstoff für Mobilität (mit Anrechnung auf EE-Kraftstoffquote) Kraftstoff für KWK/Raumwärme Prozesswärme Versorgungssicherheit Alle P2G-Märkte sollten adressiert werden (nicht nur Stromspeicher).

29 Fazit Handlungsempfehlungen: Gesetzgeberische Rahmenbedingungen Schaffung von gesetzgeberischen Rahmenbedingungen für die Speicherung von EE Anreiz für bedarfsgerechte (nachfrageabhängige) Einspeisung Gleichstellung Biomethan / e-gas (in EnWG bereits erfolgt) konsistente Anwendung in relevanten Gesetzen (EEG, EnWG, EEWärmeG) Verlängerung Steuervergünstigung Erdgas als Kraftstoff (CNG) über 2018 hinaus ggf. Besserstellung von e-gas gegenüber CNG Ohne verlässliche Rahmenbedingungen, die einen ökonomischen Betrieb ermöglichen, wird es keine Möglichkeit des Technologietransfers in die Anwendung geben!

30 Fazit Handlungsempfehlungen: Mögliche Anreizmechanismen Strategische Stromreserve mit EE-Quote (Modell STRATEQ, vgl. ErdölBevG) Speicherprogramm ähnlich NIP (Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie); vergleichbar mit Einführung von 800 Brennstoffzellenheizgeräten (Callux); z.b MW-Speicherprogramm (für wetter- und saisonbedingte Fluktuationen) Befreiung von Letztverbraucherabgaben (EEG-Umlage, ) sofern Energie im Energiesystem (Stromnetz und Gasnetz) verbleibt. Gaseinspeisegesetz. Definition des Weges bis zum Jahr 2025/2030, ab dem saisonale Speicher wegen der hohen Durchdringung von EE spätestens erforderlich werden. Technologieentwicklung durch zeitnahe Realisierung von Demonstrationsvorhaben, um für die Zukunft gerüstet zu sein.

31 Fazit Botschaften wenn EE im TWh-Maßstab saisonal gespeichert werden soll Erfordernis chemischer Energieträger! wenn Mobilität nachhaltig gestaltet wird (PKW-Langstrecke, Gütertransport) Erfordernis chemischer Energieträger! Agrarflächenbedarf für 100%-Biokraftstoffquote nicht ausreichend Flächenlimitierung gilt nicht für P2G! Biomasseressourcen sollten sinnvoll, d.h. in Kombination mit P2G eingesetzt werden! Experimentelle Ergebnisse für P2G liegen vor notwendig sind Demoanlagen jetzt, nicht in 10 Jahren und gesicherte politische Rahmenbedingungen (neue Energiemarktmechanismen)!

32 Was ist ein stabiles Stromnetz wert? Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit.