Die Bedeutung und Nutzung von Windgas fu r das Gelingen der Energiewende

Die Bedeutung und Nutzung von Windgas fu r das Gelingen der Energiewende Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher FENES, OTH Regensburg Energiewende - Windgas als Lösung? Jade Hochschule Wilhelmshafen 25. August 2016

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3 Inhalt 1) Globale Problemstellung 2) Energiespeicher als eine Lösung 3) Windgas als Knotenlöser 4) Pro & Contra: Netzausbau vs. Speicher 5) Globale Perspektive 6) Schlussfolgerungen

Flüchtlingskrise hat ihre Wurzeln auch in der Energieversorgung US Irak-Kriege um Öl, Katar Gas + Öl Geld für IS-Waffen Destabilisierung Klimawandel schwindender Lebensraum neue Völkerwanderungen Verhindern: CO 2 -Emissionen drastisch senken + heimischer Ressourcen nutzen Quelle: Klimawandel und Sicherheit Hauptgutachten - WBGU, 2007 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4

Quelle: Grundgesetz für die BRD vom 23. Mai 1949, zuletzt geändert 11.07.12 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5 Gesellschaftliche Strömungen Grundgesetz - Artikel 20a Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen. Papst Franziskus - Enzyklika Lauda tu si ein Verbrechen gegen die Natur zu begehen (Klimawandel), ist eine Sünde gegen uns selbst und gegen Gott Dalai Lama Ethik ist wichtiger als Religion Klimawandel ist nur global zu lösen. Egoismus, Nationalismus und Gewalt sind der falsche Weg. Wichtigste Frage: wie können wir einander dienen? The Guardian Divestment-Bewegung Fossile Energie De-investieren

Quelle: National Oceanic and Atmospheric Administration Washington D. C., 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6 Dekarbonisierung = Ausstieg aus Kohle, Öl und Gas Energiebedingte Emissionen zw. 1750 und 2010 Energiewende & Dekarbonisierung Nicht ob, sondern wann Strukturwandel jetzt gestalten!

Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel 2014 CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende 1959 290 190 400 300 200 100 0 Jahrtausende vor Heute Quelle: nach Petit et al. 1999 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7

Klimaziele nur durch Ausbau Erneuerbarer + Effizienz erreichbar Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9 Inhalt 1) 2) Globale Problemstellung Energiespeicher als eine Lösung 3) Windgas als Knotenlöser 4) 5) 6) Pro & Contra: Netzausbau vs. Speicher Globale Perspektive Schlussfolgerungen

Was sind Energiespeicher? Wärmespeicher Pumpspeicher Kohlehalden Gasspeicher... viel mehr als Batterien! Source: Sterner, Stadler, 2014, add. pictures Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10

Technologieklassen Energiespeicher Source: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11

Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12 Pumpspeicher: klassische Kraftwerksflexibilisierer Probleme: Standorte & Akzeptanz, Wirtschaftlichkeit Integriertes, innovatives PSW: z. B. www.naturstromspeicher.de

Batteriekraftwerke übernehmen Netzstabilisierung ca. 300 MW Primärregelleistung in Planung / im Bau / in Betrieb Quelle: Younicos AG, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13

Hausbatteriesysteme Im Verbund netzdienlich Preise fallen heute + in Zukunft Sonnenbatterie eco 4.5 mit 4,5 kwh Tesla Power Wall mit 7 kwh Quelle: Sonnenbatterie & Tesla, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14

E-mobilität kommt - nur eine Frage der Zeit Tesla Vorstellung Modell 3 Start: Klimawandel! Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15

Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige, aber limitierte Flexibilität Flexibilisierung KWK - Betrieb Fernwärmenetz über Speicher ohne HKW an Sommerwochenenden Flexibilisierung Stromnachfrage - Einsatz von Power-to-Heat Elektro- Heizkesseln Photothermie = PV + Warmwasser Zeitliche und räumliche Begrenzung: Saisonale Verfügbarkeit / Wärmesenken Quelle: N-Ergie 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16

Für die Energiewende sind alle nötigen Speichertechnologien in Marktreife vorhanden Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17

Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls Transportkapazität: 438.000 km Gasleitungen vorhanden! Speicherkapazität: ca. 337 TWh Gasspeicher = 337 Mrd. kwh = ca. 70 Mrd. Hausbatteriespeicher Pumpspeicher (vereinfacht) = ca. 5000 x alle deutschen Pumpspeicher Batterien (42 Mio. Kfz (Theorie) 66 GW Gaskraftwerke 3 Monate Versorgung sichern H 2 : 2 % möglich, perspekt. 10 %, verbrauchsabh. begrenzt Methan: 100 % bereits heute unbegrenzt möglich Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18

Quelle: Schmid, Sterner für WBGU, 2008 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20 WBGU 2008: Integration von Biomasse: in das Gasnetz ideal Vorstellung auf int. Biomassekonferenz in Valencia Juni 2008

Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21 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

Power-to-Gas = Windgas 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, OTHR, S. 22

Selbstenladung in % Gasspeicher halten die Energie viel länger als alle anderen Vorteil für Langzeitspeicher 100% 80% 60% 40% 20% 0% PSW (0,10 %/d) Druckluftspeicher (0,75 %/d) Wärmespeicher (0,80 %/d) Power-to-Gas (0,003 %/d) Batteriespeicher (0,15 %/d) 1 10 100 1000 10000 Verweilldauer der gespeicherten Energie im Speicher in h Quelle: Sterner, Eckert, BMBF, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23

Vergleich der Speicherkosten (für 1 kwh nach Zyklendauer): Pumpspeicher in Konkurrenz zu Batteriespeichern Power-to-Gas günstigster Langzeitspeicher Quelle: Thema, Sterner, Greenpeace Energy, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24

Stromsystem mit Power-to-Gas günstiger als ohne Erdgas vs. Windgas - Annahmen: voller Netzausbau D + EU, 100 /t CO 2 Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25

Effizienzsprünge und Kostensenkungen zu erwarten Technologische Innovationen + Marktentwicklung sind Treiber Nötig: Anschubfinanzierung, damit sich ein Markt etablieren kann Quelle: Sterner et al, 2015 - Windgas 2.0 Studie für Greenpeace Energy Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26

Quelle: DVGW, 2013, Bildquellen: Audi AG, E-ON AG, Viessmann Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27 Power-to-Gas volkswirtschaftlich sinnvoll, aber betriebswirtschaftlich derzeit nicht darstellbar

dena: 5 Stellschrauben für die Marktreife Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28

Windgas-Wasserstoff aus Ausgangsstoff für einen Großteil industriell genutzter Rohstoffe Quelle: Sterner, Bauer et al, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29

Dekarbonisierung v. a. von Mobilität & Chemie erfordert Power-to-X (Gas, Liquid, Heat, Chemicals) Abschätzung zukünftiger Märkte für Power-to-Gas in GW 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Durchschn. Stromnachfrage (Leistung) heute min max min max min max 2023 2033 2050 Chemie Verkehr Strom Quelle: Sterner et al, 2014 - Agora Speicherstudie Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30

Quelle: www.segelenergie.de auf Basis von www.windatlas.dk Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31 Große Windpotentiale für Stromkraftstoffe nutzen Hohe Auslastung, kein Tank-Teller & Akzeptanzproblem

Konzept Segelenergie 1,8 / l Methanol, 5 / kg Wasserstoff Bildquellen: maritime-connector.com, Voith Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32

Bedarf an Stromspeichern vorerst gering Bedarf an Energiespeichern sehr hoch Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34

Zeitlicher Ausgleich Netze = räumlicher Ausgleich / Speicher = zeitlicher Ausgleich Entwicklung der Stromüberschüsse bis 100 % EE Räumlicher Ausgleich (Netzausbau) Nur über Speicher machbar Mit Speicher günstiger als ohne! Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35

Gesamtbild: Wir brauchen Netze und Speicher Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36

Gesamtbild: Wir brauchen Netze und Speicher Erzeugung Verteilung Speicherung zentral vs. dezentral Verbrauch Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37

Fehlende Stromtrassen Netzengpässe Handel beschränkt Netzausbau mit Atomausstieg verbunden Verzögerte Planungen teure Gaskraftwerke Heimatenergie: Was vor Ort hergestellt wird, muss nicht transportiert werden Ballungszentrum Ungeplante Stromflüsse 2011 & 12: Ringfluss Ost-D. Polen CZ Bayern Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2014, Stand 11/14, eigene Ergänzungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39 Möglichkeiten für einen umwelt- und bürgerfreundlichen Netzausbau Gesellschaftlich-politisch 1. Bürgerbeteiligung: Beteiligung, Mitbestimmung, Information, Diskussion 2. Kohleausstieg: Stromtrassen technisch neutral entscheidend sind Stromquellen! CO 2 -Handel reformieren (70 statt 7 / t) Kohleausstieg Technisch 1. 2. Kleinere, schlankere Masten Umbau bestehender Trassen 3. Kombination mit vorhand. Infrastruktur 4. Verkabelung

Quelle: Werner, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40 Kombination mit Bahntrassen Schlankere Masten Bahnstrecke bei Lauf / Nürnberg 2x 15 kv Bahnstrom (links, rechts unten) und 2x 110 kv Stromtrasse (oben rechts) Vollwandmasten in den USA (Stahl, Beton)

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41 Paradigma Netzausbau günstigste Option noch gültig? Verkabelung 1. Technisch schwierig 2. Gesellsch. besser akzeptiert? 3. Mehrkosten: + 15 Mrd.

Gegenüberstellung des geplanten Netzausbaus und der bis dato umgesetzten Trassenkilometer Quelle: Sterner et al FENES Working Paper, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42

Kosten für Redispatch (Kraftwerke, Abregelung EEG-Strom) nehmen exponentiell zu + zzgl. Kosten für negative Strompreise / Import und Export etc. Zeit für das Öffnen eines zweiten Ventils: Energiespeicher Quelle: Sterner et al FENES Working Paper, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43

Polit. Antwort: Nein, wir brauchen keinen Speicher, sondern Netze (EEG 2016) Wenn Netze nicht kommen, weniger EE ausbauen! Erzeugung Verteilung Speicherung X zentral vs. dezentral X Verbrauch Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44

Umfrage: Welches sind aus Ihrer Sicht die wichtigsten Maßnahmen fu r den Erfolg der Energiewende in den kommenden 10 Jahren? Speicher ausbauen Stromnetze ausbauen C. Henseling, M. Evers-Wo lk, B. Oertel, M. Opielka, and C. Kahlisch, Ausbau der Stromnetze im Rahmen der Energiewende, Bṳro fṳr Technikfolgen-Abscha tzung beim Deutschen Bundestag (TAB), Berlin, 2016. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 45

Energiewirtschaftliches Viereck 4. Dimension: gesellschaftliche Akzeptanz fast nur auf regionaler Ebene erreichbar Dezentraler Ansatz mit Speicher zielführend Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 46

Quelle: Nordgröön GmbH, 2016 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 47 Regionale Stromvermarktung 1. Schritt in gute Richtung

1970er: Energiekrise Strategische fossile Reserven 20xx: Energiewende Strategische erneuerbare Reserven Reserven = Speicher = Versorgungssicherheit kwh Source: IGU, 2014, own additions Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 49

Quelle: Gerhardt et al., 2013 (www.herkulesprojekt.de) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 50 Deutschland importiert für 100 Milliarden Primärenergie jedes Jahr, v. a. Kohle, Öl und Gas. In 10 Jahren verbrennen wir 1000 Mrd. Investition in erneuerbare Energien & Infrastruktur (Netze + Speicher) ist eine attraktive Kapitalanlage

Quelle: Studie Geschäftsmodell Energiewende Norman Gerhardt et al., 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 51 Energiewende lohnt sich Rendite 4 7 % bis 2050 Kosten aller Sektoren inkl. Speicher enthalten

Pariser Klimaabkommen umgesetzt: Massiver Wandel notwendig! Globale CO 2 -Emissionen aus dem Energiesektor (Strom, Wärme), Verkehr (Transport) und nichtenergetischen Verbrauch fossiler Energieträger (v. a. Chemie) von 2010 bis 2050 Quelle: Bauer, Sterner, 2016, WBGU Narrativszenario 2050 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 52

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 53 Pariser Klimaabkommen umgesetzt: Windgas essentielle Schlüsseltechnologie! Globaler Primärenergiebedarf und dessen Deckung von 2005 bis 2050

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 55 Vom Ende her denken + Wege öffnen Windgas ist eine Schlüsseltechnologie für den Klimaschutz... ermöglicht einen höheren EE-Anteil im Stromsystem... einzige Speichertechnologie in Deutschland, die räumlich und zeitlich ausgleichen kann und genügend Speicherkapazitäten aufweist... ermöglicht Dekarbonisierung von Verkehr und Chemie... senkt die Kosten Technik bereit zum Markteintritt Exportschlager! Netze und Speicher statt erst Netze, dann Speicher Explodierende Kosten im Redispatch -> Markt funktioniert nicht Redundanz schaffen & Lösungsraum erweitern: Netze und Speicher Gemeinsamer Ausbau und Planung Netze und Speicher Nötige Rahmenbedingungen setzen CO2 adäquat bepreisen Heimische Nutzung über regionale Märkte zulassen Speicher und dezentrale Ansätze gleichwertig zulassen langfristig eine Gesetzgebung für Strom Wärme-Gas Barrieren zwischen den Sektoren abbauen (eine Endverbraucherabgabe)

Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 59 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) 941 943 9888 michael.sterner a oth-regensburg.de www.othr.de/michael.sterner www.power-to-gas.de Vielen Dank

Flexibilität skandinavische Wasserkraft begrenzt Wesentliche Langzeitausgleichsoption im Europäischen Kontext Begrenzungen 1. Speicherwasserkraft nicht gleich Pumpspeicher 2. Vermischung Salz- und Süßwasser 3. 4. Stromnetzausbau in den Ländern notwendig Europa braucht die Kapazitäten ebenfalls Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 60

Energiespeicher = Sektorkopplung Lösungsoption Power-to-X = Strom als Rohstoff Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 61

Einsatz Batterien im Verteilnetz in bestimmten Fällen kostengünstiger als konvent. Netzausbau 1. 10-kV-Netzverstärkung erforderlich für Spannungshaltung, Überlastungsprobleme (Trafo, UA) sind damit nicht behoben 1. UA Wettringen und Neuenkirchen werden aufgelöst und UA Maxhafen (110-kV) neu gebaut. 1. 10-kV-Zielnetzkabel werden erforderlich zur Neueinbindung 10-kV-Netzverstärkung (1) prinzipiell dann unnötig; stattdessen mobiler Speicher wirtschaftlicher. Quelle: Nykamp, Westnetz 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 62

Mythos: Ökostrom ist teuer Wind und Solar am Günstigsten auch global Schalter umgelegt 30 25 Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO 2 ) 20 15 10 5 0 Wind PV Biogas (EEG) Geothermie (EEG) Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft Gestehungskosten für neue Kraftwerke in cent / kwh 2013 Einspeisevergütung England neues AKW: 11,5 ct / kwh für 35 Jahre, inflationsbereinigt Quelle: Agora 2013, mit Daten vom Energiewirtschaftlichen Institut zu Köln EWI 2011 2013, EEG Nov. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 63

Quelle: Stadtwerke Rosenheim 2014, Basis: EEX Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 64 Mythos: Ökostrom ist teuer Industriestrompreis heute so günstig wie vor 10 Jahren Minderung des Strompreises an der Leipziger Strombörse Einsparung Jährl. 11 Mrd. Tatsache: Energieintensive Industrie profitiert von EEG, zahlt aber kaum dafür Quersubvent. Haushalte, GHD, normale Ind. energ.intens. Industrie

Quelle: Deutschland ohne erneuerbare Energien Studie FAU, Prof. Jürgen Karl, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 65 Deutschland ohne erneuerbare Energien? Erneuerbare Energien sparen jährlich über 11 Mrd. ein! 15 ct/kwh 10 ct/kwh 5 ct/kwh 3,530 Erzeugungskosten für nicht-privilegierte Letztverbraucher EEG- Umlage 3,592 5,277 5,16 8,39 Erzeugungskosten für privilegierte Letztverbraucher 4,26 8,22 3,78 rekonstruierter mittlerer Börsenpreis ohne Wind und PV 9,07 tatsächlicher mittlerer Börsenpreis 40 Mrd. 30 Mrd. 20 Mrd. 10 Mrd. Gesamtkosten der EEG- Umlage 13,5 19,6 14,1 25,5 rekonstruierte Mehrkosten der konventionellen Stromerzeugung ohne Wind und PV 20,4 31,6 Einsparung 11,2 Mrd. 2011 2012 2013 2011 2012 2013 2011 2012 2013

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 2 Märkte für Speicher Börsen-Spread Sommer 2014 / MWh 100 80 60 40 20 0 / MWh 15 /MWh Phelix Day-Ahead (Di., 15.07.2014) Strommarkt: Geschäft Erzeugungsausgleich durch PV-Ausbau vorerst zusammengebrochen Regelleistung [GW] Regelleistungsmarkt: Markt wächst mit EE-Ausbau Installierte EE-Leistung [GW] Quelle: Schluchseewerke, 2010, 50Hertz, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 66

Netzstrukturen der Zukunft? 1 Option: Zellularer Ansatz dezentral mit Speichern Vernetzte Energiezellen Weitgehende Autarkie Ziel: Ausgleich von Erzeugung und Last auf der niedrigsten möglichen Ebene Problem bei der Wurzel packen Speicher als eine Option zulassen! Quelle: VDE, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 67

Ausgaben (Barwert 2018) Windgas in bestimmten Fällen kostengünstiger als Netzausbau 240 ohne PtG mit PtG PtG-Anlage TEUR 180 120 168 168 Netzausbau Markterlöse Ersparnis im HS-Netz 60 0-60 -120 151 Getrennter Netzausbau Konventionell 81 Getrennter Netzausbau Innovativ -18-3 -14 61 61 Gekoppelter Netzausbau inkl. Einsparungen* in MS+HS-Ebene gegenüber Innovativ -36-51 -14 Gekoppelter Netzausbau inkl. Einsparungen* in MS+HS-Ebene gegenüber Kabelausbau Ersparnis im MS-Netz Summe Annahmen: Alle NS-Netze verfügen über PtG- Anlagen oder Speicher, die netzdienlich eingesetzt werden PtG-Anlage (H 2 ) mit P el = 150 kw für 1.000 EUR/kW Bivalente GVWA mit P el = 35 kw für 485 EUR/kW *) Einsparungen in MS+HS-Ebene sind anteilig auf alle NS- Netze aufgeteilt Quelle: DVGW Studie Nutzen PtG zur Entlastung 110 kv Stromverteilungsnetze, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 68

Speicherausbau Status Quo: neue Speicher in Deutschland Windgas ist vielmehr als ein Stromspeicher! FENES, 2016 Quelle: Sterner et al FENES Working Paper, 2016; Datenbasis: FENES-Datenbank Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 69