Power-2-Gas: Zukünftige Nutzung von Gaskavernen und Umwandlung gasförmiger Medien in elektrische Energie Fritz Crotogino + Sabine Donadei, KBB UT
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
Ziele der deutschen Bundesregierung Reduzierungen bis 2050
Prognose zu installierten Leistungen erneuerbarer Energiequellen in Deutschl. durchschnittliche Netzlast 2012 2050 4
Prognose-Abweichung Wind MW 4 000 MW excess power 4 000 MW missing power
Windenergie längere Flauten 6
Fokus neu: Ausgleich langfristiger, saison. Abweichungen 15% Produktion % der % jährl. of annual Produktion prod. 10% 5% Wind PV Winter actual trend Sommer max = 12% min = 5% 0% 0 2 4 6 8 10 12 time Zeit / months Monate 7 Quelle: LBST
Kapazität der Untergrund-Gasspeicher in Deutschland 200 TWh Erdgas 40 GWh elektrische Energie Kapazität der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland 8 Untertage Gasspeicherung in Deutschland, ERDÖL ERDGAS KOHLE 127, Jg. 2011, Heft 11
Zukünftiger Speicherbedarf? Prognosen sehr widersprüchlich Größenordnung langfristig 20..40 TWh (28 TWh = 200 H2-Kavernen) Stromversorgung in Übergangszeit - Mangel an EE-Energie: Kompensation durch Gaskraftwerke - Überschuss an EE-Energie: Speicherung im Untergrund und stoffliche Nutzung des gespeicherten H2 Interessenten an EE-Speichern - Küstenländer mit großem Windüberschuss - Auto- und Kraftstoff-Industrie (BZ-Fahrzeuge) - DVGW - Speicherindustrie 9
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
Pumpspeicher Glockner Kaprun ( <80%)
Druckluft-Speicher-GT-Kraftwerk 12
Adiabatic CAES ADELE ( < 70%)
Wasserstoff-Speicher-System ( > 40%) Windstrom > Wasserstoff > Speicher > Strom Verbraucher Strom Wasserstoff Elektrolyseur GuD-KW Speicher Brennst. Zelle 14
Vergleich der volumetrischen Energiedichten Methan 1.100 kwh/m³ Volumetrische Energiedichte in kwh/m³ Heizwert 280 kwh/m³ Energiedichte nach Umwandlung in Leistung 170 kwh/m³ 2,4 kwh/m³ H 2 (100%) H 2 (60%) AA CAES Annahmen: H2 / CH4 p = 120 bar adiab. CAES p = 20 bar Pumpspeicher h = 300 m 0,7 kwh/m³ Pumpspeicher 15
Pumpspeicher - Kaverne Vergleich von Leistung und Kapazität Pumpspeicher Goldisthal V = 12 Mio. m³ P = 1 060 MW W = 8 480 MWh 2-Kavernen-Anlage V = 1 Mio. m³ (ges.) P = 1 400 MW W = 280 000 MWh Kapazität Goldisthal
Heute bereits betriebene H2-Speicher Sabic Petrochemicals H2 Kavernen in Teesside, UK 3 Kavernen à 70,000 m p = 45 bar konstant Teufe ca. 370 m
Texas / USA H2-Kavernen für petro-chemische Industrie Moss Bluff Praxair Spindletop Air Liquide Clemens Dome ConocoPhillips
H2 in Porenspeicher (ausgeförderte Lagerstätte & Aquifer) Gesteinsmatrix Porenspeicher Gas Wasser
H2 in Salzkavernen BLANKET SUMPF
Bevorzugte Teufe von Speicherkavernen CAES H2
Speicherkapazitäten der versch. Optionen
Aufteilung der Investkosten für eine Wasserstoff-Speicheranlage inkl. Elektrolyse Annahme: 1 000 MW Elektrolyse
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas (Power-2-Gas) 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung 24
Basis-Anwendungen von Power-to-Gas
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas Zusamm enfassung
Nutzung von Wasserstoff in der (petro) - chemischen Industrie
Nutzung von Wasserstoff für Brennstoffzellenautos 28
Nutzung von Wasserstoff zur Stromerzeugung
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
Übertragungsleistung für Stromleitung vs. Erdgas-Pipeline Strom Erdgas
Europäisches Gasnetz inkl. Untergrundspeicher 32
Kapazität der Untergrund-Gasspeicher in Deutschland 200 TWh Erdgas 50 TWh Wasserstoff 40 GWh Quelle: Untertage-Gasspeicherung in Deutschland ERDÖL ERDGAS KOHLE 127, Jg. 2011, Heft 11
DVGW: Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz
Zulässige H2-Konzentration (grobe Schätzung) 35
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
Methanisierung 4 H2 + CO2 > CH4 + 2 H2O Wasserstoff+ Kohlendioxid > Methan Quelle: R.Otten, PtG-Nutzungspfad Mobilität erneuerbare Energien für zukunftsfähige Verkehrssysteme nutzbar machen dena Strategieplattform Power to Gas. Berlin, 13. Juni 2012
Audi balanced mobility project / CNG-Erzeugung aus grüner Energie Quelle:: R.Otten, PtG-Nutzungspfad Mobilität erneuerbare Energien für zukunftsfähige Verkehrssysteme nutzbar machen dena Strategieplattform Power to Gas. Berlin, 13. Juni 2012 38
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas Direkte Nutzung von Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung Vergleich 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
1 kwh Windenergie ersetzt elektr. Leistung Erdgas für GuD-KW Erdgas Erdgas Erdgas Diesel
Vergleich der Power 2 Gas Optionen Direkte Nutzung von grünem Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Methanisierung pro Verwendung in der chemischen Industrie Verwendung für Brennstoffzellen Autos Verwendung für H2 Gasturbinen Höchste Effizienz bei Umwandlung in elektr. Leistung (begrenzte) Verwendung der Erdgasinfrastruktur unbegrenzte Verwendung der Erdgasinfrastruktur 3 fache Energiedichte bei Speicherung Keine Anpassung der technischen Einrichtung in der Industrie nötig contra separate Pipeline Systeme und Speicher benötigt Einschränkungen durch Nutzungsbeschränkungen Risiken bei der Speicherung Kein Wasserstoff für Brennstoffzellen Autos Energieverluste durch die zusätzliche Umwandlung CO2 Quellen benötigt Niedrigste Effizienz bei Umwandlung zu Leistung Kein Wasserstoff für Brennstoffzellen Autos
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
Potentielle H2-Nutzer 43
alle haben das gleiche Problem: H2-Erzeugung: unstetig Bedarf: stetig Wasserstoffproduktion t/h] Produktion Bedarf Zeit [h] EUROPÄISCHES INSTITUT FÜR ENERGIEFORSCHUNG INSTITUT EUROPEEN DE RECHERCHE SUR L ENERGIE EUROPEAN INSTITUTE 44 FOR ENERGY RESEARCH
Füllhöhe des Wasserstoffspeichers während eines Jahres Kavernendruck [bar] Zeit [h] EUROPÄISCHES INSTITUT FÜR ENERGIEFORSCHUNG INSTITUT EUROPEEN DE RECHERCHE SUR L ENERGIE 45 EUROPEAN INSTITUTE FOR ENERGY RESEARCH
DVGW-Konzept: Wo bleibt der H2-Speicher? H2
Ergebnis der H2-Einspeisung ins Erdgasnetz Quelle: www.netzentwicklungsplan-gas.de
1. Übergang auf Erneuerbare Energien + resultierender Speicherbedarf 2. Speicheroptionen im Netzmaßstab 3. Power-to-Gas 4. Zukünftige Rolle der Kavernenspeicher bei Power-2-Gas 5. Zusammenfassung
Zusammenfassung zukünftige Energiequellen Wind + PV fluktuierend Speicherbedarf für Ausgleich von Produktion und Bedarf Speicheroptionen: Druckluft und Wasserstoff vornehmlich in Salzkavernen aktuelles Thema Power-2-Gas - Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur alle P2G-Verfahren erfordern zusätzliche H2-Speicher