Strategieplattform Power to Gas Positionspapier. Berlin, 1 Hintergrund Das deutsche Stromsystem wandelt sich grundlegend. Mit dem Energiekonzept von 2010 und den Beschlüssen für eine beschleunigte Energiewende in 2011 hat die Bundesregierung die Weichen für eine sichere und nachhaltige Energieversorgung gestellt. Dies zeigt sich bereits heute in einem starken Ausbau der erneuerbaren Energien. Innovative Systemlösungen sind nötig, um die durch Wind- und Sonnenenergie zunehmenden Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen. Gleichzeitig gilt es, den in Zeiten besonders hoher erneuerbarer Erzeugung nicht direkt in das Stromnetz integrierbaren Strom nutzbar zu machen. Stromspeicher werden dabei eine Schlüsselrolle spielen. Darüber hinaus gilt es, die Vermeidung von klimarelevanten CO 2 - Emissionen in allen Nutzungspfaden (Mobilität, Wärmeerzeugung, Industrie) zu erreichen. Ein innovativer Ansatz ist in diesem Zusammenhang die Systemlösung Power to Gas. Die Idee ist, erneuerbaren Strom über die Umwandlung in Wasserstoff und/oder Methan im bestehenden Erdgasnetz zu speichern und zu verteilen. Das erzeugte Gas kann dann bei Bedarf wieder verstromt oder in anderen Anwendungsbereichen genutzt werden, zum Beispiel in der Wärmeerzeugung, im Verkehr oder in der Industrie. Um den Einsatz und die Weiterentwicklung dieser Systemlösung zu unterstützen, hat die Deutsche Energie- Agentur GmbH (dena) die Strategieplattform Power to Gas initiiert. Zusammen mit Partnern aus Wirtschaft, Verbänden und Wissenschaft wird untersucht, welchen Beitrag Power to Gas zur Integration erneuerbarer Energien in das Energiesystem leisten kann und welche Rahmenbedingungen dafür nötig sind. Ziel ist es, die Nutzbarmachung der Systemlösung Power to Gas für den wirtschaftlichen und großtechnischen Einsatz zu unterstützen und gemeinsame Umsetzungsstrategien zu erarbeiteten. 2 Roadmap Power to Gas Die Roadmap identifiziert Handlungsfelder und Aufgaben, die bis 2020/2025 bearbeitet werden müssen, um die Systemlösung Power to Gas in großem Maßstab einsetzen zu können. Dazu zählen: Identifizierung der Rolle von Power to Gas für die Nutzung erneuerbaren Stroms in den Anwendungsbereichen Strom, Mobilität, Wärmeversorgung und Industrie. Ermittlung der nicht integrierbaren Strommengen aus erneuerbaren Energien differenziert nach zeitlichem Verlauf und räumlicher Verteilung im Stromnetz in Deutschland. Weiterentwicklung der benötigten Technologien, insbesondere der Elektrolyse, der Methanisierung und der Einspeisung in das Erdgasnetz, mit dem Ziel, den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen, die Kosten zu senken und den dynamischen intermittierenden Betrieb zu ermöglichen. Seite 1 von 7
Herausarbeitung der volkswirtschaftlichen Effekte von Power to Gas, insbesondere der Beiträge zur Versorgungssicherheit und zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung. Parallele und gleichberechtigte Weiterentwicklung der Technologien zur direkten Wasserstoffeinspeisung in das Erdgasnetz, der Speicherung von Wasserstoff z. B. in Untergrundspeichern und zur nachgeschalteten Methanisierung. Erforschung und Festlegung tolerierbarer und einheitlicher Grenzwerte von Wasserstoff in der Erdgasinfrastruktur unter Berücksichtigung der Wasserstofftoleranzen der Anlagen in allen weiteren Anwendungsfeldern. Weiterentwicklung und Harmonisierung der rechtlichen Rahmenbedingungen für die Systemlösung Power to Gas. Entwicklung und Optimierung von Pilot- und Demonstrationsprojekten, mit dem Ziel, wirtschaftlich tragfähige Geschäftsmodelle zu etablieren. Wissenschaftliche Begleitforschung zu den Pilotprojekten, um eine projektübergreifende Auswertung der einzelnen Projekte zu ermöglichen. Abb. 1: Handlungsfelder der Roadmap Power to Gas. 3 Mehrbereichsübergreifende Systemlösung Die zentralen energiepolitischen Zielsetzungen der Bundesregierung sind: Reduktion der Treibhausgasemissionen um mindestens 80% bis 2050 (gegenüber 1990) Seite 2 von 7
Senkung des Primärenergieverbrauchs um 50% bis 2050 (gegenüber 2008) Erschließung der nachfrageseitigen Energieeffizienzpotenziale Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch auf 60% bis 2050 Strom: Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 35% bis 2020 und auf 80% bis 2050 Wärmeversorgung: Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch Wärme auf 14% bis 2020 Kraftstoffe: Erhöhung der Biokraftstoffquote auf 8% bis 2015, danach THG-Minderungsquote (entspricht einem Mindestanteil Biokraftstoffe von 10%bis 2020) Für alle Verbrauchsbereiche (Strom, Wärmeversorgung, Kraftstoffe) bestehen ambitionierte energiepolitische Zielsetzungen zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien und zur Reduktion der Treibhausgasemissionen, wobei die Systemlösung Power to Gas für alle Nutzungspfade einen Beitrag zur Zielerreichung leisten kann. Die Systemlösung Power to Gas bietet die Möglichkeit, die bei weiter steigenden Anteilen erneuerbaren Stroms an der Stromerzeugung aufgrund der fluktuierenden Erzeugungscharakteristik nicht jederzeit integrierbaren Strommengen durch die Umwandlung in die universellen Energieträger Wasserstoff und/oder Methan in der vorhandenen Erdgasinfrastruktur zu speichern, zu verteilen und für die Nutzungspfade Strom (Rückverstromung), Wärmeversorgung und Kraftstoffe sowie für die stoffliche Nutzung in der Industrie zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit der Einspeisung von Wasserstoff in eine Wasserstoffinfrastruktur (Wasserstoffnetz, Wasserstoffspeicher) insbesondere für die anschließende Nutzung in der Industrie oder für die Bereitstellung von Kraftstoffen. 4 Zielsetzungen Power to Gas Für die Demonstration der Systemlösung Power to Gas sind bereits erste konkrete Projekte umgesetzt mit dem Ziel, einzelne Komponenten (bspw. die Elektrolyse) zu optimieren und weiter zu entwickeln, das Zusammenspiel der Komponenten und verschiedene Anlagenkonfigurationen zu verstehen und um insbesondere die Wechselwirkungen von Wasserstoff in der Erdgasinfrastruktur und in den nachgelagerten Anwendungstechnologien zu ermitteln. Eine kommerzielle Nutzung der Systemlösung Power to Gas ist in Vorbereitung. Im Kontext Power to Gas sind Systeme mit einer Gesamtelektrolyseleistung von ca. 2 MW aktuell in Betrieb: das Hybridkraftwerk der Enertrag in Prenzlau (500kW Elektrolyseleistung), die Anlage von RH2-WKA in Kessin (1 MW), das Projekt der MicrobEnergy/Viessmann in Schwandorf (108kW) sowie die Forschungsanlagen an der BTU Cottbus (140 kw), am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (250 kw) und am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (25 kw). Weitere Projekte befinden sich in der Planung, Projektierung und im Bau, so dass im Zeitraum 2013/2014 von ca. 20 Power to Gas- Systemen mit einer Gesamtelektrolyseleistung von 10 bis 20 MW ausgegangen werden kann. Seite 3 von 7
Marktentwicklung vorantreiben: Installation von 1.000 MW Anlagenleistung bis 2022 Um die großtechnische und vor allem auch wirtschaftliche Machbarkeit der Systemlösung Power to Gas unter Beweis zu stellen ist es aus Sicht der Partnerinstitutionen der Strategieplattform Power to Gas zielführend und notwendig, den verstärkten Zubau von Anlagen in den kommenden zehn Jahren anzustreben und mit einer konkreten Zielsetzung zu verknüpfen. Ziel ist es, bis zum Jahr 2022 Power to Gas-Systeme mit einer Elektrolyseleistung von insgesamt 1.000 MW zu installieren und zu betreiben 1 (vgl. Abb. 2). Dieser Anlagenpark wäre in der Lage, zwei bis vier TWh Strom 2 aufzunehmen und 400 bis 800 Mio. m³ Wasserstoff bzw. 100 bis 200 Mio. m³ Methan pro Jahr zu erzeugen. Ziel dieses Ausbaupfades ist es, weiteres technologisches Know-How zu generieren, die Anlagen bzw. die Komponenten zu standardisieren und ab 2017/2018 einen Übergang zur Serienfertigung zu erreichen. Damit verbunden ist ganz klar das Ziel, durch Skaleneffekte die Investitionskosten für Power to Gas-Systeme zu senken und einen kommerziellen Betrieb zu ermöglichen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine Kostenreduktion von derzeit ca. 3.600 Euro/kW el auf ca. 1.000 Euro/kW el im Jahr 2022 erreichbar ist. Unter den angegebenen Rahmenbedingungen ist für die Realisierung der ersten 1.000 MW Elektrolyseleistung ein Investitionsvolumen von ca. 1,7 Mrd. Euro notwendig. 1.200 [MW el ] 1.000 1.000 800 800 600 400 200 0 600 400 260 140 10 20 40 80 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 Abb.2 : Bestand an Kapazitäten von Power to Gas-Systemen bis 2022. 1 In Bezug zu 114.000 MW volatiler Leistung aus Wind und Solar im Jahr 2022 (Szenario B, NEP Strom 2012) entsprechen 1.000 MW ca. 1%. 2 Bei 2.000 bis 4.000 Volllaststunden. Diese Strommenge entspricht ca. 1-2% der erzeugten Strommenge aus Wind und Solar im Jahr 2022 (Szenario B, NEP Strom 2012). Seite 4 von 7
Die Partner der Strategieplattform Power to Gas verfolgen das Ziel, die Markteinführung für die Systemlösung Power to Gas voranzutreiben. In der Strategieplattform werden dazu auch mögliche Optionen für notwendige politische Maßnahmen geprüft. Ansätze hierzu sind beispielsweise die Einführung eines zeitlich und mengenmäßig begrenzten Markteinführungsprogramms oder die Befreiung von Letztverbraucherabgaben. Vorschläge für die Ausgestaltung werden derzeit in der Strategieplattform erarbeitet und im Sommer 2013 vorgelegt. Integration erneuerbarer Energien und Infrastruktur Die Systemlösung Power to Gas stellt keinen Ersatz für den vordringlichen und notwendigen Ausbau der Stromübertragungs- und verteilnetze zur Integration der zunehmenden Einspeisung aus erneuerbaren Energien dar. Jedoch wird es bei dem angestrebten Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 80% zu erhöhen auch notwendig sein, Technologien zur Stromspeicherung bzw. zur Integration erneuerbarer Stromerzeugung in anderen Nutzungsbereichen einzusetzen. Die Partner der Strategieplattform Power to Gas verfolgen daher das Ziel, bereits jetzt die Technologie zu entwickeln und auf den Weg zu bringen, um im Zeitraum 2020/2025 eine großtechnisch und wirtschaftlich nutzbare Technologie zur Integration von Strom aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung zu haben. Durch die Energiewende besteht Anpassungsbedarf auch auf dem Gebiet der Erdgasinfrastruktur. In diesem Zusammenhang bietet die Systemlösung Power to Gas die intelligente Möglichkeit, die vorhandene Erdgasinfrastruktur bei der Speicherung und Verteilung sowie in der Anwendungstechnik (Gasspeicher, Gasleitungen, Erdgastankstellen, Kraftwerke, Heizkessel usw.) weiter zu nutzen. Bestehende Speicherkapazitäten (Erdgasnetz, Erdgasspeicher) können genutzt und erschlossen werden. Vermeidung klimarelevanter CO 2 -Emissionen in der Mobilität Insbesondere im Kraftstoffsektor zeigt sich, dass die Erreichung der energiepolitischen Ziele sehr ambitioniert ist. Derzeit stellen Biokraftstoffe mit einem Anteil von 4,4% am gesamten Kraftstoffmarkt den größten erneuerbaren Anteil, sind jedoch gesellschaftlich und politisch teilweise umstritten und in ihren Potenzialen begrenzt. Die Integration von Wasserstoff und Methan aus Power to Gas als Kraftstoff für Erdgas- oder Brennstoffzellenfahrzeuge oder über die Einspeisung von Wasserstoff in den Raffinerieprozess in Flüssigkraftstoffe bietet hier ein großes Potenzial zur Erhöhung erneuerbarer Anteile und damit zur Senkung klimarelevanter CO 2 - Emissionen im Mobilitätssektor. Bisher ist in Deutschland gemäß BImSchG nur die Anrechnung von flüssigen Kraftstoffen auf Basis von Biomasse oder Abfällen vorgesehen. Die zugrunde liegende EU-Richtlinie 2009/28/EG erlaubt jedoch schon heute den Mitgliedsstaaten, alle Arten von Energie aus erneuerbaren Quellen, die im Verkehr verbraucht werden, für die Seite 5 von 7
Erreichung des 10%-Ziels (Biokraftstoffquote) in Anrechnung zu bringen. Im Entwurf 3 zur Neuregelung der EU- Richtlinie 2009/28/EG vom 17.10.2012 ist vorgesehen, bei der Berechnung der Biokraftstoffquote den Beitrag von erneuerbaren flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen nicht biologischer Herkunft mit dem Vierfachen ihres Energiegehalts anzusetzen. Die Partner der Strategieplattform Power to Gas sprechen sich dafür aus, Wasserstoff und Methan aus dem Power to Gas-Verfahren als vollwertige erneuerbare Kraftstoffe bei der Berechnung der Biokraftstoffquote bereits heute nach der derzeit gültigen Fassung der EU-RL 2009/28/EG anzuerkennen. Des Weiteren setzen sich die Partner der Strategieplattform Power to Gas dafür ein, erneuerbar erzeugten Wasserstoff und Methan mit dem Vierfachen ihres Energiegehaltes bei der Berechnung der Biokraftstoffquote in Anrechnung zu bringen. Hierzu wären jeweils Anpassungen des Bundesimmisionsschutzgesetzes notwendig. Stoffliche Nutzung in der Industrie Wasserstoff ist ein wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. Die stoffliche bzw. prozessuale Verwendung von grünem Wasserstoff in der Industrie stellt eine weitere Option zur Anwendung der Power to Gas- Technologie dar. Gleichberechtigte Einbeziehung aller Nutzungspfade Im Hinblick auf die Energiewende und das damit verbundene Ziel der Vermeidung klimarelevanter Emissionen im Energiesystem bietet die Technologie die Möglichkeit, erneuerbare Energien aus der Stromerzeugung in alle Nutzungsbereiche zu integrieren und zu den spezifischen energiepolitischen Zielen beizutragen. Die Partnerinstitutionen der Strategieplattform Power to Gas setzen sich für die gleichberechtigte Einbeziehung aller Nutzungspfade ein: Power to Gas ist eine Systemlösung für die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien (über die Umwandlung in Wasserstoff und Methan im bestehenden Erdgasnetz und Rückverstromung) sowie die Nutzung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff bzw. Methan im Mobilitätssektor, bei der Wärmeerzeugung oder in der Industrie. Verringerung der Importabhängigkeit Der Importanteil zur Deckung des gesamten Primärenergieverbrauchs von Deutschland beträgt rund 60%, bei Mineralöl ca. 97% und bei Erdgas ca. 86%. Die Systemlösung Power to Gas stellt einen inländisch erzeugten, CO 2 - neutralen Energieträger bereit, der für ein breites Einsatzgebiet zur Verfügung steht und hierbei zur Erreichung der energiepolitischen Ziele beiträgt. Die Importabhängigkeit Deutschlands bzgl. Erdgas und mit Blick auf den Mobilitätssektor auch von Mineralöl wird verringert. 3 KOM (2012) 595 Seite 6 von 7
5 Strategieplattform Power to Gas Die Strategieplattform Power to Gas wird von der dena gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft, Forschung und Verbänden umgesetzt, um die Weiterentwicklung der Systemlösung Power to Gas zu unterstützen. Detaillierte Informationen zu Power to Gas, zur Strategieplattform und zu den Projektpartnern stehen unter www.powertogas.info zur Verfügung. Projektpartner Seite 7 von 7