Zukünftiges Energiesystem benötigt neue Lösungsansätze besnders bei der Speicherung DI Dr. Hrst Steinmüller Geschäftsführer und Leiter der Abteilung Energietechnik
Agenda 1. Das Energieinstitut an der JKU Linz 2. Rahmenbedingungen für ein nachhaltiges Energiesystem in Eurpa 3. Energy Radmap 2050 der EU 4. Transfrmatin des Energiesystems 5. Energiespeicher 6. Strmspeichertechnlgien 7. Das Energiesystem als Smart Grid 8. Pwer-t-Gas 9. Energie 2050 Perspektiven nachhaltiger Energiesysteme 2
Das Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz (I) Entstehung Hintergrund Österreich sah sich nach dem Beitritt zur EU (1995) mit der Herausfrderung der Liberalisierung des Elektrizitäts- und Gasmarktes knfrntiert Oberösterreich erkannte, dass dieses Prjekt nur durch die fundierte, wissenschaftliche Begleitung eines spezialisierten Frschungspartners gelingen kann 2001: Gründung des Energieinstituts als Verein 2004: Erweiterung durch Gründung einer GmbH 3
Das Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz (II) Zentrale Aufgaben Frschung und Lehre Wissenschaftliche Analysen Knkrete wirtschaftsplitische Empfehlungen Weiterbildung Universitätslehrgang Energiemanagement Knferenzen, Wrkshps, Rund Tables Internatinale Vernetzung Partnerschaften zu Frschungsinstituten im Energiebereich Beratungstätigkeiten in eurpäischen Gremien (z.b. Eurpean Envirnmental Advisry Cuncils, EU-SET-Plan) 4
Das Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz (III) Die Vielfalt unserer Mitglieder 5
Das Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz (IV) Frschungsschwerpunkte Smart Metering, Smart Grids, Energieeffizienz Pwer-t-Gas Energieversrgungssicherheit Bewertung vn Bitreibstffen (z.b. LCA) Verfahrensentwicklung (z.b. Grüne Biraffinerie) Emissinszertifikatehandel Reginalöknmische Analysen Energiearmut 6
Rahmenbedingungen für ein nachhaltiges Energiesystem in Eurpa Gegraphische Vielfalt unterschiedliche Vraussetzungen hinsichtlich Technlgien Wirtschaftliche und sziale Entwicklungsunterschiede Landwirtschaft Industrie Gesellschaft: Whlstand und sziale Sicherheit Erfrdernis der Mdernisierung der Infrastruktur für Infrmatins- und Kmmunikatinstechnlgien Persnen- und Gütertransprt (Straße, Schiene, Wasser) Energietransprt (Strm und Gas) Wie gehen wir mit den vrhandenen Ressurcen um? Wher nehmen wir die Energie für unser Gesellschaftsmdell? Wie entwickeln wir ein intelligentes Energiesystem? 7
Energy Radmap 2050 der EU (I) Mitteilung der EU-Kmmissin: Energiefahrplan 2050 (KOM (2011) 885 endg.) vm 15. Dezember 2011 Handlungsansätze, um bis 2050 das Energiesystem erflgreich umzubauen und die Energiemärkte neu zu denken Energieeinsparungen und Steuerung der Energienachfrage Umstieg auf erneuerbare Energien Schlüsselrlle vn Gas Wandel bei Khle und Öl Ft: Eurpäische Kmmissin Bedeutung der Kernenergie Intelligente Technlgien, Speicherung und alternative Brennstffe flexibles Strmmanagement Integratin lkaler Ressurcen und zentralisierter Systeme 8
Energy Radmap 2050 der EU (II) Ziele der Energy Radmap Ein sicheres, wettbewerbsfähiges und dekarbnisiertes Energiesystem bis zum Jahr 2050 Reduktin der CO 2 -Emissinen um 80-95% 9 Abbildung: Eurpäisches Parlament
Transfrmatin des Energiesystems (I) 100 Verluste Index: 100 = Verbrauch 2012 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 15 21 28 5 5 10 17 15 10 10 9 5 Verbrauch 2012 Verbrauch 2050 Nieder-Temperatur Mbilität Hch-Temperatur Beleuchtung, Elektrnik, elektrische Mtren Nicht-Energetisch Quelle: Eigene Darstellung auf Basis vn Köppl, A., Kettner, C., Kletzan-Slamanig, D., Schleicher, S., Schnitzer, H., Titz, M., Damm, A., Steininger, K., Wlkinger, B., Lang, R., Wallner, G., Artner, H., Karner, A. (2011) "EnergyTransitin 2012/2020/2050 Strategies fr the Transitin t Lw Energy and Lw Emissin Structures" Reduktinen in den Bereichen: Nieder-Temperatur Mbilität Verluste Keine signifikanten Reduktinen des Energieverbrauchs in industriellen Przessen ntwendig, da der Anteil der Erneuerbaren heute bereits 34% ausmacht 2050 können Erneuerbare smit den Energieverbrauch leichter decken, es ist kein grßer Ausbau ntwendig 10
Transfrmatin des Energiesystems (II) Die Snne als Grundlage eines nachhaltigen Energiesystems Gethermie Abbildung: Eigene Darstellung Wärme therm. KW Phtvltaik Bimasse Wasserkraft Wind aktiv passiv Speicher fl. Treibstffe Strm H 2 Speicher 11 Niedertemp. Hchtemp. Mbilität Licht Inf Chemie Kraft
Energiespeicher Energiespeicher werden dabei nach der gespeicherten Energiefrm klassifiziert: Thermische Energie: Wärmespeicher Chemische Energie: Akkumulatr, Batterie, Redx-Flw-Zelle, Wasserstff Mechanische Energie: Kinetische Energie: Schwungrad Ptenzielle Energie: Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Gewicht (z.b. an einer Uhr) Elektrische Energie: Kndensatr (Elektrtechnik), supraleitender magnetischer Energiespeicher 12
Strmspeichertechnlgien (I) Energiefrm Wandler Laden Entladen Speicher Gesamtwirkungsgrad [%] spez. Speicherfähigkeit* [kwh/m³] elektrisch elektrisch - - - - Kndensatr supraleitender Magnet >90 80-90 0,3 15 ptentiell Pumpe Wasserturbine Wasserturbine mit Umkehrbetrieb Hydraulischer Pumpspeicher 70-80 0,5-0,8** (300 bar) pneumatisch Druckluftspeicher 65-70 5-8** (60 bar) kinetisch chemisch gebunden Schwundradspeiche r Batterie-speicher Wasserstffspeicher 70 50-100 65-80 30-50 30-100 100-120** (40 bar) * abhängig vn Knstruktin und Auslegung ** druckabhängig Quelle: VDI Lexikn Energietechnik 13
Strmspeichertechnlgien (II) Ragne-Diagramm für die wichtigsten Energiespeicher Herausfrderungen: Maximierung der Ladeund Entladungsdichte Teilweise Knkurrenz zu etablierten Khlenwasserstffen Systemintegratin 14 Quelle: Ahmed F. Ghniem (2011) Prgress in Energy and Cmbusti Science, Vl. 37
Strmspeichertechnlgien (III) Speicherkapazität Maximale Ladeleistung / Entladeleistung Wirkungsgrad / Nutzungsgrad Zeitliche Speicherverluste Gradient der Lastveränderung (An- / Abfahrtscharakteristik) Zeitverfügbarkeit, gesicherte Leistung (tageszeitliche, saisnale Abhängigkeit) Investitinsksten Betriebsksten (Betriebsmittel, Emissinen) ptimise nw! 15
Strmspeichertechnlgien (IV) Lernkurve Ntwendigkeit für alle Speichertechnlgien Skaleneffekte technlgisches Lernen Abbildung: Lernkurve betreffend PV-Mdulen* und Li-Inen-Batterien 1998-2010 bzw. 2008 2020 * PV-Lernkurve: Verdpplung der Prduktin = 20 % Kstensenkung Quelle: Institut für Autmatin und Kmmunikatin e.v. Magdeburg (2011) Begleitfrschung zum kabellsen Laden vn Elektrfahrzeugen 16
Das Energiesystem als Smart Grid (I) Dezentrale + regenerative Energieerzeugung erfrdert Flexibilität der Netze und Energiespeicher (Smart Grids) Ein intelligentes Energiesystem besteht aus energieträgerübergreifenden Hybridnetzen Diese beinhalten Energieknten unterschiedlicher Ordnungen: Energieknten 1. Ordnung Aus einem Energieträger wird Energie gewnnen, z.b. aus Methan (CH 4 ) wird Strm und Wärme Energieknten 2. Ordnung Ein Verbundnetz umfasst die zentrale Erzeugung und Speicherung vn Energie Energieknten 3. Ordnung Die dezentrale Energieerzeugung und -speicherung wird ins Energienetz integriert Energieknten 4. Ordnung Das Smart Grid berücksichtigt die Anfrderungen der zentralen und dezentralen Energieerzeugung und -speicherung 17
Das Energiesystem als Smart Grid (II) zentrale elektrische Speicher: Pumpspeicher dezentrale elektrische Speicher: Blei, Li In Akkus, ~ zentrale elektrische Erzeugung: Wasserkraft, Imprt, Übertragungsnetz Verteilungsnetz Elektrlyse Brennstffzelle GT, GuD Wasserstff EK 1 Methanisierung Refrmierung zentrale Gasspeicher dezentrale Erdgasspeicher EK 2 EK 4 Quelle: Prf. Wlfgang Gawlik, TU Wien (farblich bearbeitet) EK 3 elektrische Last: Haushalte, E Mbilität, ~ dezentrale erneuerbare Erzeuger: PV, Wind, Bimasse, H 2 Last: H 2 Fahrzeuge Wasserstffspeicher Mikr GT Erdgas Last: Haushalte, Gas Fahrzeuge, dezentrale erneuerbare Erzeuger: Bigasanlagen, Wärme 18 Strm dezentrale, thermische Speicher: Biler, Thermische Last: Haushalte, dezentrale erneuerbare Erzeuger: Bimasse HKW, Erdgas
Das Energiesystem als Smart Grid (III) Quelle: Sterner, 2011 19
Pwer-t-Gas (I) Pwer-t-Gas: = Prduktin vn Wasserstff aus Strm = Prduktin vn synthetischem Methan aus Strm/Wasserstff und Khlendixid 20 Quelle: Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz
Pwer-t-Gas (II) Elektrlyseur als Schlüsselkmpnente Alkalischer Elektrlyseur Flüssiger alkalischer Elektrlyt, kmmerziell Prbleme bei fluktuierendem Strminput mit Effizienz, Lebensdauer, Wasserstffqualität PEM Elektrlyseur Plymerelektrlytmembran, vrkmmerziell Einfacheres Design, besser für dynamischen Betrieb geeignet Geringe Lebensdauer, hhe Investitinsksten SOEC - Hchtemperaturelektrlyseur Festxidmembran, in Entwicklung Reduzierter Strmeinsatz, hhe Effizienz Materialprbleme aufgrund hher Temperaturen 21
Pwer-t-Gas (III) Elektrlyseur als Schlüsselkmpnente im Pwer-t- Gas System Alkalisch PEM mittelfristig langfristig mittelfristig langfristig Kapazität (Stack) < 760 Nm³/h < 1500 Nm³/h < 30 Nm³/h < 500 Nm³/h Betriebsdruck atmsphärisch bzw. 25-30 bar < 60 bar < 85 bar 60-100 bar Betriebstemperatur 65-100 C 60-90 C < 80 C 60-90 C Energiebedarf 4.3-7.5 kwh el /Nm³ H2 4.1-5.7 kwh el /Nm³ H2 5.4-7.4 kwh el /Nm³ H2 3.9-4.8 kwh el /Nm³ H2 Leistungsbereich (in % der Nennleistung) 20-100% 10-100% 0-100% 0-100% Lebensdauer 15-25 a 30 a 6-15 a 30 a Wasserstffqualität 99.90% - > 99.99% - Investitinsksten 800-1500 /kwel 500 /kwel 2.000-6.000 /kwel 1.000 /kwel Quelle: eigene Zusammenstellung nach Ursua A, et al. (2012), Smlinka T. et al. (2011), Maclay J.D. et al. (2011), Bajhr S. et al. (2011) 22
Pwer-t-Gas (IV) Möglichkeiten der Anwendung 23 Quelle: Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz
Pwer-t-Gas (V) Eigentliche Intentin vn Pwer-t-Gas Speicherung vn Überschussstrm aus der Strmprduktin vn vlatilen erneuerbaren Energiequellen (Windkraft, Phtvltaik) Die Umwandlung vn elektrischer Energie zu Wasserstff und/der zu synthetischem Methan und die dadurch mögliche Speicherung vn elektrischer Energie erfrdert allerdings keine Rückführung der gespeicherten Energie zu Strm. Generell ist es auch energieplitisch das zentrale Interesse, die Ressurcen- Effizienz des Gesamtsystems zu erhöhen. Als Knsequenz ist nach Ansicht des Energieinstituts an der JKU Linz bei Pwer-t-Gas nicht vn einer Strmspeicherung sndern vn einer Energiespeicherung zu sprechen. In der Flge kann eine Nutzung des gasförmigen Energieträgers in allen drei Segmenten (Wärme, Mbilität, Strm) - smit auch im Strmsegment durch Rückverstrmung erflgen. 24
Pwer-t-Gas (VI) Das Pwer-t-Gas-System als flexibles Instrument für zentrale Herausfrderungen Die Analysen des Energieinstituts an der JKU Linz zeigen, dass das Pwer-t- Gas-System ein sehr flexibles Instrument darstellt, das für verschiedene spez. Anwendungen innerhalb des Energiesystems eingesetzt werden kann. Generell können vier abgrenzbare Nutzen für das Energiesystem knstatiert werden: die Bereitstellung eines Langzeitspeichers für elektrische Energie und das damit verbundene verbesserte Management einer stark vlatilen Strmprduktin; die Verlagerung des Energietransprtes vm Strmnetz zum Gasnetz und die damit verbundene geringere Intensität des Ausbaus der Netz- Infrastruktur; die Möglichkeit zur Anhebung des Anteils erneuerbarer Energieträger im Verkehrssektr durch die Nutzung vn synthetischem Methan (aber auch vn Wasserstff) aus erneuerbaren Quellen ( Greening ); Schaffung vn autarken Energielösungen in tpgrafisch schwierigen und abgelegenen Reginen für alle relevanten Energiesegmente: Strm, Wärme und Verkehr; 25
Energie 2050 Perspektiven nachhaltiger Energiesysteme (I) Rahmenbedingungen für ein nachhaltiges Energiesystem Die Qualitäten eines zukünftigen Energiesystems werden danach gemessen, inwieweit damit Knflikte in Wirtschaft, Plitik und Gesellschaft gegenüber dem jetzigen Zustand reduziert werden können Bisher war das Energiesystem fkussiert auf die Frage Wher können wir mehr Energie bekmmen?, meist versehen mit Anfrderungen vn sicheren Lieferanten und billigen Preisen In Zukunft wird für ein neues Verständnis vn Energie eine völlig andere Fragestellung ntwendig sein: Welche Energiedienstleistungen werden wir in Zukunft benötigen? 26
Energie 2050 Perspektiven nachhaltiger Energiesysteme (II) 3 Fundierungen eines zukunftsfähigen Energiesystems: 1. Das Energiesystem ist in seiner kaskadischen Struktur zu verstehen, mit der zentralen Rlle vn Energiedienstleistungen 2. Ein besseres Verständnis, wfür und in welcher Qualität Energieträger zur Erfüllung dieser Energiedienstleistungen erfrderlich sind, ist nötig 3. Die Qualität des Energieträgers für die jeweilige Anwendung ist abzustimmen, wfür die Fkussierung auf Exergie die in Arbeit umwandelbare Energie eine Orientierung liefert Whlstandsrelevant in einem Energiesystem sind nur dessen Dienstleistungen und nicht das Vlumen der Energieflüsse 27
Energie 2050 Perspektiven nachhaltiger Energiesysteme (III) 3 Lw-Strategien für die langfristige Transfrmatin 1. Lw Energy Übergang zu hchprduktiven Anwendungs- und Transfrmatinstechnlgien 2. Lw Carbn Bedeckung des Restenergiebedarfs sweit wie möglich mit nicht-fssiler Primärenergie 3. Lw Distance Frcierung vn lkalen Strukturen, die sich aus der dezentralen Verfügbarkeit vn erneuerbaren Energieträgern ergibt E n e r g i e w e n d e Kmbinatin vn Energieeffizienz + Erneuerbare Energien => Integratin verschiedenster leitungsgebundener Energieträger 28
Energie 2050 Perspektiven nachhaltiger Energiesysteme (IV) Ntwendige Handlungsfelder in Österreich Frcierung vn Energieeffizienz und Erschließung vn Energieverbrauchsptentialen Integratin erneuerbarer Energieträger Weiterentwicklung der Energieinfrastruktur Praktive Entwicklung des Wirtschafts- und Innvatinsfeldes Energie- und Umwelttechnik Stärkung der Energiefrschung 29
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Energieinstitut an der Jhannes Kepler Universität Linz DI Dr. Hrst Steinmüller Altenberger Straße 69 4040 Linz Tel: +43 70 2468 5656 Fax: + 43 70 2468 5651 E-Mail: steinmueller@energieinstitut-linz.at www.energieinstitut-linz.at 30