European Hydrogen Road Tour 2012 17. Sept. 2012 SOLVAY GmbH Hannover Fritz Crotogino Sabine Donadei Power 2 Gas Zukünftige Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur zur Speicherung erneuerbarer Energien www.kbbnet.de
Power 2 Gas Zukünftige Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur zur Speicherung erneuerbarer Energien Die vorliegende PowerPoint Präsentation beschäftigt sich mit der Speicherung regenerierbarer Energie aus Windkraft oder Photovoltaikanlagen. Während hydraulische Pumpspeicher ebenso wie Druckluftspeicherkraftwerke eher für kurzfristige Anwendungen und geringere Energiemengen geeignet sind, bedarf es für die längerfristige Speicherung größerer Energiemengen anderer Strategien. Hier bietet sich die Umwandlung von elektrischer (Überschuss ) Energie mittels Elektrolyse in Wasserstoff an, wobei die Speicherung des Wasserstoffs in Salzkavernen erfolgen sollte. Der gespeicherte Wasserstoff kann später zur Wiederverstromung, als Rohstoff für die chemische Industrie oder zur Nutzung in Brennstoffzellen verwendet werden. Voraussetzung für diese Anwendungen ist der mittelfristige Aufbau einer entsprechenden Transport und Verteilinfrastruktur. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit einer Zumischung des zwischengespeicherten Wasserstoffs zum Erdgas. Für Erdgas besteht bereits eine Pipeline und Speicherinfrastruktur mit erheblicher Kapazität. Erdgas kann jedoch nur einen begrenzten Prozentsatz von Wasserstoff aufnehmen. Diese Limitierung umgeht die sog. Methanisierung, die Erzeugung grünen Methans aus Wasserstoff und CO2. Dieses Methan kann dem üblicherweise verwendeten Erdgas unbegrenzt zugemischt werden. Hiermit könnte die vorhandene Erdgasinfrastruktur (Transport und Verteilnetz, Speicher) ohne Einschränkungen genutzt werden. Diese Vorteile werden z. T. durch zusätzlich Umwandlungsverluste und Kosten aufgehoben. Letztendlich verfügen alle genannten Strategien zur Nutzung grünen Wasserstoffs über gewisse Vor wie Nachteile. Allen ist jedoch gemein, dass große Wasserstoffspeicher benötigt werden, um die fluktuierende Erzeugung von Wasserstoff dem weitgehend stetigen Verbrauch anzupassen. 1 2
KBB Underground Technologies GmbH Hannover www.kbbnet.de 3 KBB UT plant und baut Untergrundspeicher für Erdgas Rohöl, Benzin, LPG elektrische Energie via Druckluft + Wasserstoff Erdgas Druckluft Wasserstoff Öl Erdgas Kavernen in Salzformationen 4
Inhalt 1. Zukünftiger Gasmarkt 2. Übergang zu erneuerbaren Energien 3. Energiespeicher im Netzmaßstab Übersicht 4. Power 2 Gas 4.1 Direkte Nutzung von grünem Wasserstoff 4.2 Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz 4.3 Erzeugung grünen Methans (Methanisierung) 4.4 Vergleich der Power 2 Gas Optionen 5. Zusammenfassung 5 1. Zukünftiger Gasmarkt Der CO2 Ausstoß soll bis 2050 um 80% sinken; der Stromverbrauch um 50% Das bedeutet weniger fossile, dafür mehr erneuerbare Energiequellen, vor allem Wind- und Solarenergie Der Erdgasverbrauch im häuslichen Verbrauch nimmt ab; dafür wird mehr Gas benötigt werden für den Einsatz in flexiblen Gaskraftwerken Die Gaswirtschaft sieht neue Geschäftsmodelle bei der zukünftigen Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur bei der Integration erneuerbarer Energien in Form von grünem Wasserstoff; Stichwort Power-2-Gas 6
Ziele der deutschen Bundesregierung Reduzierungen bis 2050 7 Reduzierungen wie? fluktuierende Energiequellen Wind und Solar mehr weniger Gas 8
2. Übergang zu erneuerbaren Energien Der Ausgleich zwischen wenig flexibler Lieferung fossiler Energieträger und der Nachfrage-orientierten Produktion elektrischer Energie erfolgt bisher vorrangig über die Speicherung fossiler Energieträger z.b. Speicherung von Gas in Kavernen Beim Übergang auf erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne kann auf diese Art der Speicherung nicht mehr zurück gegriffen werden; vielmehr sind dann Speicher für elektrische Energie erforderlich Bisher verfügt Deutschland bei fossilen Energieträger über Vorräte von mehreren Wochen, bei Strom aber nur über weniger als 1 Stunde Es besteht deshalb großer Bedarf an Stromspeichern 9 Energieversorgungskette bisher: basierend auf fossilen Quellen Primäre Energie Quelle Elektrischer Strom Primäre Energie Quelle Leistung vs. Zeit Speicher Umwandlung in Leistung Leistung vs. Zeit Speicher Netz 42 Tage 1 Stunde Speicherung vor Umwandlung in benötigte Energieform. 10
Energieversorgungskette zukünftig: basierend auf erneuerbaren Quellen Primäre Energie Quelle Elektrischer Strom Primäre Energie Quelle Leistung vs. Zeit Speicher Umwandlung in Leistung Leistung vs. Zeit Speicher Netz Speicherung der elektrischen Energie nach Umwandlung. 11 Untertage Gasspeicherung in Deutschland, ERDÖL ERDGAS KOHLE 127, Jg. 2011, Heft 11 200 TWh Erdgas Kapazität der Untergrund Gasspeicher in Deutschland 40 GWh elektrische Energie Kapazität der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland 12
3. Energiespeicher im Netzmaßstab Übersicht Für die Speicherung elektrischer Energie im Netzmaßstab kommen infrage hydraulische Pumpspeicher-Kraftwerke Druckluft-Speicherkraftwerke Wasserstoffspeicher Pumpspeicher und Druckluftspeicher eignen sich bevorzugt für kurzfristige Anwendungen (Minuten bis Tage); Wasserstoffspeicher dagegen für längerfristige Anwendungen (Tage bis Wochen und darüber) 13 Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal, Deutschland, P = 1.060 MW / W = 8 h * 1.060 MW / > 80% Oberbecken 12 Mio. m³ Unterbecken 1000m 14
Adiabate Druckluftspeicherung (AA CAES) Kompressor Wärmespeicher Energie Ausspeisung Energie Einspeisung Luftturbine E Motor Generator Druckluft Salzkaverne 15 Wasserstoff Speicher System Windstrom > Wasserstoff > Speicher > Strom Windstrom Netz Verbraucher Elektrizität Elektrolyseur GuD KW oder Wasserstoff H2 Tankstelle Speicher Brennstoff zelle 16
Existierende Wasserstoffspeicher Sabic Petrochemicals H2 Kavernen in Teesside, UK 3 Kavernen à 70.000 m³ p = 45 bar konstant Teufe ca. 370 m 17 Vergleich der volumetrischen Energiedichten Methan 1.100 kwh/m³ Volumetrische Energiedichte in kwh/m³ Heizwert 280 kwh/m³ Energiedichte nach Umwandlung in Leistung 170 kwh/m³ Annahmen: H2 / CH4 adiab. CAES Pumpspeicher 2,4 kwh/m³ p = 120 bar p = 20 bar h = 300 m 0,7 kwh/m³ H 2 (100%) H 2 (60%) AA CAES Pumpspeicher 18
4. Power 2 Gas Mit Power-2-Gas wird die Umwandlung von elektrischer (Überschuss-) Energie in Wasserstoff und nachfolgende Nutzung bezeichnet Die Optionen sind direkte Nutzung des H2 für die chemische Industrie, für Brennstoffzellen (z.b. Kfz), für die Wiederverstromung; Aufbau einer separaten Infrastruktur erforderlich Zumischung des H2 zum Erdgas und damit Nutzung der vorhandenen Infrastruktur; allerdings begrenzter Prozentsatz Produktion grünen Methans aus H2 und CO2;damit unbegrenzte Zumischung 19 4. Power 2 Gas 4.1 Direkte Nutzung von grünem Wasserstoff 20
Untergrundspeicherung in ausgeförderten Öl / Gaslagerstätten oder in Aquiferen Porenspeicher Gas Wasser 21 Untergrundspeicherung in Salzkavernen Kavernenprojekt Solprozess 22
4.2 Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Übertragungs Leistung Strom vs. Erdgas Erdgaspipeline DN/DW elektrische Energie Erdgas Gert Müller Syring: Wasserstoff als Speichermedium im Erdgasnetz, Workshop Regelenergie, Lösungsansätze mit Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie, Darmstadt, 16.08.2011 23 Untertage Gasspeicherung in Deutschland, ERDÖL ERDGAS KOHLE 127, Jg. 2011, Heft 11 200 TWh Erdgas Kapazität der Untergrund Gasspeicher in Deutschland 50 TWh Wasserstoff Effektive Kapazität der Untergrund Gasspeicher in Deutschland bei Ersatz des Erdgases durch H2 40 GWh elektrische Energie Kapazität der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland 24
DVGW: Einspeisung von H2 ins Erdgassystem Wie aus Wind und Sonnenenergie Gas wird DVGW: Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches 25 Wieviel Wasserstoff verträge das Erdgasnetz? Grenzwert für Verbraucher/Netzkomponenten (grobe Schätzungen!) Heizwert Stahl (Pipeline) Gasturbine Erdgas Auto Salzkaverne Natürliche Lagerstätte??? 26
4.3 Erzeugung grünen Methans (Methanisierung) 4 H2 + CO2 > CH4 + 2 H2O Wasserstoff + Kohlendioxid > Methan Methanisierung CO2 Kohlendioxid H2O Wasser H2 Wasserstoff CH4 Methan 27 Audi balanced mobility Projekt / Erdgas (CNG) Produktion aus grüner Energie Windenergie Stromnetz Gasnetz Elektrolyse Methanisierung CNG Tankstelle 28
Koppelung von Strom und Gasnetz via Methanisierung 29 4.4 Vergleich der Power 2 Gas Optionen pro contra Verwendung in der chemischen Industrie Direkte Nutzung von grünem Wasserstoff Einspeisung von H2 ins Erdgasnetz Verwendung für Brennstoffzellen Autos Verwendung für H2 Gasturbinen + Brennstoffzellen Höchste Effizienz bei Umwandlung in elektr. Leistung (Begrenzte) Verwendung der Erdgasinfrastruktur Separate Pipeline Systeme und Speicher benötigt Einschränkungen durch Nutzungsbeschränkungen Risiken bei der Speicherung Kein Wasserstoff für Brennstoffzellen Autos Methanisierung Unbegrenzte Verwendung der Erdgasinfrastruktur 3 fache EnergiedichtebeiH2 Speicherung Keine Anpassung der technischen Einrichtung in der Industrie nötig Energieverluste durch die zusätzliche Umwandlung CO2 Quellen benötigt Niedrigste Effizienz bei Umwandlung zu Leistung Kein Wasserstoff für Brennstoffzellen Autos 30
5. Zusammenfassung Große Mengen an überschüssiger Wind und Solarenergie werden zukünftig umgewandelt in grünen Wasserstoff (Power 2 Gas!) Salzkavernen stellen die optimale Speichermöglichkeit dar; weitere Optionen sind natürliche Lagerstätten (Aquiferformationen) Nutzungsoptionen für grünen Wasserstoff Direkte Verwendung in der chemischen Industrie, für Brennstoffzellen Autos + hohe Effizienz separate Infrastruktur benötigt Einspeisung in die Erdgasinfrastruktur + Nutzung der bereits vorhandenen Infrastruktur niedrige Effizienz verschiedene Einschränkungen bei höherem H2 Anteil Methanisierung ( grünes Methan) + unbegrenzte Nutzung der bereits vorhandenen Infrastruktur + keine Einschränkungen für die Verbraucher hohe Kosten, niedrige Effizienz CO2 Quellen benötigt 31 Prognose einer möglichen Gaszusammensetzung in der Zukunft Biogas H2 Synthesegas (Kohle) CH4 ( grünes Methan) Erdgas CH4 Dr. Hartmut Krause, Dr. Matthias Werschy DBI Fachforum Energiespeicherkonzepte und Wasserstoff, Berlin, 13. 14. September 2011 32
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