Power-to-Gas Schlüsseltechnologie für Energiespeicher und nachhaltige Mobilität

Power-to-Gas Schlüsseltechnologie für Energiespeicher und nachhaltige Mobilität Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. TH Regensburg Konferenz Forschung und Innovationen für den Energieumstieg Bayern Innovativ Bay. Wirtsch.min. 18.04.2013 Meistersingerhalle Nürnberg

Inhalt 1) Herausforderung und Chancen der Energiewende Potentiale, Flexiblitäten 2) Geschichte von Power-to-Gas Wie wir auf das Konzept kamen 3) Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 4) Power-to-Fuels Strombasierte Kraftstoffe Überwindung des Tank/Teller- und Reichweitenproblems 5) Zusammenfassung & Ausblick Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2

Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte Vereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen Energieeffizienz Wind Solar Verbrauch Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse 0 1000 2000 3000 Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch! Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3

Bayern: Großes Ausbaupotential für Wind vorhanden Technisches Potential " Auf 2% der Fläche (BWE Studie) Potential 41 GW (ca. 13 500 Anlagen) Heute knapp 1 GW (2 %) Windstrom-Ertrag ca. 80 TWh Bayern s Strombedarf: ca. 80 TWh! 1% unserer Landesfläche für Wind nutzen! 50% unseres Strombedarfs decken Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4

Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe! Technologie und Markt danach ausrichten Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 39% EE-Anteil Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5

Wind & Solar alleine schaffen eine stabile Wende nicht Wir brauchen Flexibilitäten 1. Hoch flexible Kraftwerke 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher) Wind Solar! Power-to-Gas! Gasspeicher Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6

Inhalt 1) Herausforderung und Chancen der Energiewende Potentiale, Flexiblitäten 2) Geschichte von Power-to-Gas Wie wir auf das Konzept kamen 3) Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 4) Power-to-Fuels Strombasierte Kraftstoffe Überwindung des Tank/Teller- und Reichweitenproblems 5) Zusammenfassung & Ausblick Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7

Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas seit 1990 12000 10000 Online Forecast D+1 Forecast 4H Forecast 2H 8000 Power [MW] 6000 4000 2000 Numerisches Wettermodell 0 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 Day Windleistungsprognose für eine Regelzone Wind Power Cluster Management Quelle: Lange / Rohrig, 2008 Kombikraftwerk Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8

WBGU 2008: Integration von Biomasse: in das Gasnetz ideal Vorstellung auf int. Biomassekonferenz in Valencia Juni 2008 Quelle: Schmid, Sterner für WBGU, 2008 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9

Inhalt 1) Herausforderung und Chancen der Energiewende Potentiale, Flexiblitäten 2) Geschichte von Power-to-Gas Wie wir auf das Konzept kamen 3) Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 4) Power-to-Fuels Strombasierte Kraftstoffe Überwindung des Tank/Teller- und Reichweitenproblems 5) Zusammenfassung & Ausblick Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11

Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz! Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, 2009 2009 Specht Specht et al, 2010 et al, 2010 Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12

Power-to-Gas löst das Problem Langzeitspeicher Quelle: TH Regensburg FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13

Wirkungsgrade von Power-to-Gas 2/3 1/3 1/2 Alternativen sind effizienter, aber haben nicht die geforderte Kapazität Quelle: Sterner, Jentsch, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14

Einspeisung von 10-Vol% Wasserstoff an 3 Hauptleitungen Gasnetzentwicklungsplan der Gasnetzbetreiber! Austausch aller Kompressorstationen Kosten: 3.7 Mrd. EUR! Aufbau neuer H 2 Infrastruktur einfacher! Austauschgas (z.b. Biogas) hat Vorfahrt vor Zusatzgas (Wasserstoff)! 2% H 2 realistisch! Source: Fernleitungsbetreiber, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15

Pilot- & Demoanlagen: Entwicklung in Stuttgart & Kassel 2009 25 kw 2012 250 kw Quelle: Solarfuel, ZSW, IWES 2009 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16

Methangas: Audi g-tron Projekt 2013 6300 kw Source: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17

Wasserstoff: Hybrid-Kraftwerk Prenzlau 500 kw Source: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18

Wasserstoff: E-ON Pilotanlage in Falkenhagen 2000 kw Electrolysers H 2 -Compressor Pipeline connection N Power electronics Control Power connection Automation USV Source: E-ON, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19

Wasserstoff: Wind Projekt RH 2 -WKA 1000 kw Weitere: Source: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 20

Gestehungskosten für EE-Gas Ergebnisse DVGW Projekt Energiespeicherkonzepte Quelle: Köppel, DVGW 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21

Energiespeicher Wald Zuwachs übersteigt den bay. Heizölverbrauch Zuwachs: Energie: ca. 30 Mio. m 3 / a etwa 1 m³ Festmeter Holz pro Sekunde ca. 74 000 GWh entspricht ca. 7 400 Mio. l Heizöl bei rein energet. Nutzung (max. 30-50% realistisch) bay. Heizölverbrauch ca. 5 000 Mio. l Gegenwert ca. 6 600 Mio. EUR Holz als Energie (bei 90 EUR / 100 l Heizöl) Speicherleistung ca. 8 400 MW! der Wald ist Bayerns größter Speicher Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22

Inhalt 1) Herausforderung und Chancen der Energiewende Potentiale, Flexiblitäten 2) Geschichte von Power-to-Gas Wie wir auf das Konzept kamen 3) Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 4) Power-to-Fuels Strombasierte Kraftstoffe Überwindung des Tank/Teller- und Reichweitenproblems 5) Zusammenfassung & Ausblick Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23

Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24

Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Koppelung der Energienetze Quelle: Sterner, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25

Inhalt 1) Herausforderung und Chancen der Energiewende Potentiale, Flexiblitäten 2) Geschichte von Power-to-Gas Wie wir auf das Konzept kamen 3) Power-to-Gas als Speicher Technologie, Kosten, Pilot- und Demoanlagen 4) Power-to-Fuels Strombasierte Kraftstoffe Überwindung des Tank/Teller- und Reichweitenproblems 5) Zusammenfassung & Ausblick Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26

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Die Stromgestehungskosten steigen in der Energiewende selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10% bis 2050. 120 /MWh 100 80 Variable3Stromgestehungskosten Investitionskosten3Speicher Investitionskosten3Kraftwerke 78 /MWh 79 /MWh 84 /MWh 1003 /MWh 60 40 20 0 Stromgestehungskosten für ausgewählte Speicherzubauvarianten bei verschiedenen EE-Anteilen Quelle: VDE, 2012 2010 40%(A 80%(E 100%(D Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28

Zusammenwachsen der Energienetze ist zukunftsweisend Stärken - Bestehende Infrastruktur - Bestehende Speichertechnologie - Vielfältige Nutzung der Energie - 20 30 Firmen involviert in 4 J. - X00 Mio. investiert in 4 J. Schwächen - Kosten (10-20-fach fossil) - Wirkungsgrad (Power-to-Heat first!) - Frühes Stadium Chance - Lösung des Speicherproblems - Wind & Solarkraftstoffe (strombasierte Kraftstoffe) - CO 2 -neutrale Langstreckenmobilität - Geringere Importabhängigkeit Fallstricke - Hype - Wettbewerber! Fokus Mobilität - Atomgas, Kohlegas, Gas-to-Gas, Wasserkraft-Gas - Green Washing " Energiewende technisch möglich, ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht! Klimaschutz bleibt Frage des politischen Willen & öffentl. Akzeptanz Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29

Ausblick Power-to-Gas 2.0 " 4-5 Juni, VDI Energiespeicher, Mainz " 18. Juni, DENA Power-to-Gas Konferenz, Berlin " 19. Juni VDI COWEC, int. Windkonferenz, Berlin " 12. Sept, OTTI Forum Power-to-Gas, Regensburg " 18. 20. Nov., Eurosolar 8. IRES, Berlin Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30

Ausgewählte Informationen und Quellen " Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2 " Sterner, M., Jentsch, M. (2011): Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes. Gutachten für Greenpeace Energy. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.greenpeace-energy.de/windgas/windgas-idee-mit-zukunft.html " Sterner, M.; Specht, M.; Ebert, G. (2010): Technologievergleich einer regenerativen Energieversorgung des Verkehrs. FVEE Jahreskonferenz 2010, Berlin. " Nitsch (DLR), Sterner (IWES), Wenzel (IfnE) et al (2012): Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global; Leitstudie 2011 BMU - FKZ 03MAP146. Berlin, Stuttgart, Kassel. http://www.erneuerbare-energien.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/ leitstudie2011_bf.pdf " Klaus, T., Sterner, M., et al. (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Deutsches Umweltbundesamt, Dessau. http://www.uba.de " WBGU verschiedene Gutachten, Berlin. http://www.wbgu.de Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31

Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) 941 943 9888 michael.sterner @ hs-regensburg.de www.power-to-gas.de Live ab Juni Vielen&Dank& Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32