Energiespeicher als Schlüssel zur erfolgreichen Energiewende Key-Note

Energiespeicher als Schlüssel zur erfolgreichen Energiewende Key-Note Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. Smart-Grid Fachtagung Darmstadt, Centralstation 25. Februar 2016

OTH Regensburg seit 170 Jahren Lehrbetrieb Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg Über 11.000 Studierende Ca. 1.000 Professoren, Mitarbeiter, Lehrbeauftragte 6 Technische Fakultäten, BWL, Sozialwesen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2

Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende & Flexibilitätsoptionen 2) Sektorale Speicher 3) Sektorenkoppelnde Speicher 4) Gesamtbild und Fazit Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3

Was sind Energiespeicher? Wärmespeicher Pumpspeicher Kohlehalden Gasspeicher... viel mehr als Batterien! Quelle: Sterner, Stadler, 2014, add. pictures Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4

Dekarbonisierung = Ausstieg aus Kohle, Öl und Gas Energiebedingte Emissionen zw. 1750 und 2010 Energiewende & Dekarbonisierung Nicht ob, sondern wann Strukturwandel jetzt gestalten! Quelle: National Oceanic and Atmospheric Administration Washington D. C., 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5

Die Wirtschaft ist & bleibt eine 100% Tochterfirma der Umwelt G-7: Dekarbonisierung der größten Industrienationen bis 2050 Pariser Klimaabkommen: globale Dekarbonisierung bis 2100 Quelle: Getty Images, Autobahnkreuz Deggendorf 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6

Definition sektorale Energiespeicher Stromsektor Stromspeicher S z. B. Pumpspeicher, Batteriekraftwerke, Supercaps (Kondensatoren) Laden: Speichern: Entladen: Strom-zu-X X X-zu-Strom Gasspeicher P,S Gas-sektor Wärmespeicher S z. B. Solarthermische Warmwasserspeicher, PCM, Zeolithe Laden: Speichern: Entladen: Wärme-zu-X X X-zu-Wärme Wärmesektor Verkehrssektor P Primärer Energiespeicher S Sekundärer Energiespeicher Kraftstoffspeicher P,S z.b. Öltank, Kraftstofftank Laden: Rohöl/Biomasse-zu-X Speichern: Tank, X Entladen: X-zu-Antriebskraft Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7

Definition sektorenkoppelnde Energiespeicher 1 Stromsektor Wärmesektor 2 3 Stromspeicher Wärmespeicher 1 2 Power-to-Heat, Flexible KWK Power-to-Gas als Stromspeicher 6 5 4 Gasspeicher 3 4 Power-to-Gas als Wärmespeicher Power-to-Gas als Stromkraftstoff Kraftstoffspeicher Verkehrssektor 5 Elektromobilität 6 Power-to-Liquid als Stromkraftstoff Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8

Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie Sektorenkopplung Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9

Wind & PV günstigste Quellen, aber mit Ausgleichsbedarf Wir brauchen Flexibilitäten 1. Hoch flexible Kraftwerke, BHKW 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit Langzeit (Pumpspeicher + Batterien) (Gasnetz + Gasspeicher) Wind Solar Power-to-Gas Gasspeicher Quelle: Sterner, IWES, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10

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. 11

Fehlende Stromtrassen Netzengpässe Handel beschränkt Erdkabel: Mehrkosten 15 Mrd., Abfallstrom < 1 Mrd. /a Netzausbau mit Atomausstieg verbunden Verzögerte Planungen gefährden Ausstieg 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. 12

Möglichkeiten für einen umwelt- und bürgerfreundlichen Netzausbau Gesellschaftlich-politisch 1. Bürgerbeteiligung: Beteiligung, Mitbestimmung, Information, sachliche Diskussion 2. CO 2 -Abgabe für Kohlekraftwerke: Stromtrassen sind technisch neutral, entscheidend sind die Stromquellen! CO 2 -Handel reformieren (70 statt 7 / t) Braunkohlestrom verdrängen Technisch 1. Verkabelung 2. Deutlich kleinere Masthöhen 3. Umbau bestehender Trassen 4. Kombination mit bestehender Infrastruktur Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13

Paradigma Netzausbau günstigste Flex.opt. noch gültig? Verkabelung 1. Technisch schwierig 2. Gesellsch. besser akzeptiert? 3. Mehrkosten: + 15 Mrd. Weiter stockender Netzausbau: Mehrkosten Redispatch: 2015 ca. 0,5-1 Mrd. - dieses Jahr: 1-2 Mrd.? Speicher als Lösungsoption nicht aufschieben, sondern angehen! Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14

Netzstrukturen der Zukunft? 1 Option: Zellularer Ansatz 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. 15

Alle Speicher haben ihren Platz Speicherkapazitäten vs. Ausspeicherdauern Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16

Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende & Flexibilitätsoptionen 2) Sektorale Speicher 3) Sektorenkoppelnde Speicher 4) Gesamtbild und Fazit Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17

Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18 Pumpspeicher: effiziente Kurzzeitspeicher für Strom Probleme: Standorte & Akzeptanz, Wirtschaftlichkeit Klassisch PSW: z. B. Schluchseewerke Halden-PSW: z. B. Sundern Integriertes, innovatives PSW: z. B. Gaildorf

Quelle: eigene Darstellung / Universität Innsbruck Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19 Lageenergiespeicher: innovative Ideen zu genüge Herausforderung: Praxistauglichkeit

Flexibilität skandinavische Wasserkraft begrenzt Wesentliche Langzeitausgleichsoption im Europäischen Kontext Begrenzungen 1. Speicherwasserkraft nicht gleich Pumpspeicher 2. Vermischung Salz- und Süßwasser 3. Stromnetzausbau in den Ländern notwendig 4. Europa braucht die Kapazitäten ebenfalls Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20

Batteriekraftwerke + Wind + PV ersetzen konvent. Kraftwerke Größter EU Speicher der Stadtwerke WEMAG & Younicos AG Netzstabilisierung Quelle: Younicos AG, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21

Hausbatteriesysteme Im Verbund netzdienlich Sonnenbatterie eco 4.5 mit 4,5 kwh Tesla Power Wall mit 7 kwh Quelle: Sonnenbatterie & Tesla, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22

Hausbatteriesysteme: Anzahl steigt, Preise fallen Entwicklung - Preissenker Elektromobilität Zubau Hausspeicher heute Zubau Hausspeicher Preise fallen heute + in Zukunft Zubau E-mobilität Quelle: Sterner et al, 2015 - Batteriestudie für BEE / HMI Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23

Strombank Funktion Girokonto = Eigenverbrauch Solarstrom > Eigenverbrauch Kontostand nimmt zu Solarstrom < Eigenverbrauch Kontostand nimmt ab Einzige Installation: Messbox Neues Geschäftsmodell für regionale Energieversorger Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24

Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende & Flexibilitätsoptionen 2) Sektorale Speicher 3) Sektorenkoppelnde Speicher 4) Gesamtbild und Fazit Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25

Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom Wärme) Flexibilisierung der KWK - Betrieb Fernwärmenetz über Speicher ohne HKW an Sommerwochenenden Flexibilisierung Stromnachfrage - Einsatz von 2 x 25 MW PtH Elektro- Heizkesseln - Direkte Anbindung Generator keine Netzdurchleitungsgeb. - Neg. SRL und MR über Pooling Invest - 17 Mio., 3 4 Mio. gefördert Zeitliche und räumliche Begrenzung: Saisonale Verfügbarkeit / Wärmesenken Quelle: N-Ergie 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26

Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom Wärme) Photothermie: PV + Warmwasser Direkte indirekte Stromnutzung Quelle: N-Ergie / eigene Darstellung Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27

Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls Speicherkapazität: ca. 337 TWh = 337 Mrd. kwh Gasspeicher = ca. 70 Mrd. Hausbatteriespeicher (vereinfacht) Pumpspeicher = 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. 28

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, OTHR, S. 29

Power-to-Gas volkswirtschaftlich sinnvoll, aber betriebswirtschaftlich derzeit nicht darstellbar Quelle: DVGW, 2013, Bildquellen: Audi AG, E-ON AG, Viessmann Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30

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. 31

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. 32

Power-to-Gas: Bindeglied zwischen erneuerbarer und fossiler Welt Gas Fossile Infrastruktur De-karbonisierung Strom Wärme Mobilität Industrie Erhalt unserer Investitionen Vermeidung von neuem und Verwendung von vorhandenem CO 2 Strom Energiewende Gas Power-to-Gas Strom Wärme Mobilität Industrie Nutzung von Überschussstrom Quelle: Ostermeier, MAN, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33

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. 34

Inhalt 1) Speicher im Kontext Energiewende & Flexibilitätsoptionen 2) Sektorale Speicher 3) Sektorenkoppelnde Speicher 4) Gesamtbild und Fazit Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35

Das eine bedingt das andere... Zu hohe Kosten Zu kleiner Markt Abhilfe: Anschubfinanzierung Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36

Energiespeicher als zentrales Element der Energiewende Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37

1970er: Energiekrise Strategische fossile Reserven 20xx: Energiewende Strategische erneuerbare Reserven Reserven = Speicher = Versorgungssicherheit kwh Quelle: IGU, 2014, eigene Ergänzungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38

Die Energiewende erfordert auch eine Speicherwende Notwendig für Dekarbonisierung & Versorgungssicherheit Nicht nachhaltig, aber verfügbar Nutzen bestehender Transport- und Speicherinfrastruktur spart Kosten Laden: Ladegeräte gebraucht! Power-to-Heat, Power-to-Gas, PtX Speichern & Entladen: vorhanden und erweiterbar Passend für Gas, Wärme und Kraftstoffe Sektorenkopplung birgt großes Potenzial Energiemärkte entsprechend zusammenführen und neu gestalten Barrieren zwischen den Sektoren abbauen (z. B. Abgaben) Quelle: Eigene Zusammenstellung Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39

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 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40