Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende 45. Woche der Erzeuger und Vermarkter Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien Bayerischer Bauernverband Dienstag, 17. November 2015, 13:00 Uhr Herrsching am Ammersee Martin Thema, M.Sc. B.Eng. Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Fakultät Elektro- und Informationstechnik Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg Bildquellen: Sterner/Stadler/Springer, Sustainx.com, Wikipedia.org, Iwb.ch, Poppware.de, Stadtwerke-herne.de,
Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl Derzeit ca. 40 Mitarbeiter und Studenten Lehre und Forschung im Bereich Integration erneuerbarer Energien (Energiespeicher, Power-to-Gas, Energieverteilung und Energiepolitik) Ingenieurbüro Thema Partnerschaftsgemeinschaft Solektrik Beratung, Planung, Umsetzung Technische Betriebsführung Photovoltaik, Gutachten Energetische Sanierung LED-Beleuchtung martin.thema(at)solektrik.de www.oth-regensburg.de Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 2
Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 3
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Energiespeicher Nachhaltig wirtschaftende Organismen brauchen Energiespeicher Vorratshaltung für schlechte Zeiten Anpassung an schwankendes Angebot (kurzzeitig/saisonal) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 5
Verkehr: Irene beim Tanken Welches el. Leistungsäquivalent liegt beim Tanken an? Irene kontrolliert gerade einen Leistungsfluss von 16 MW: Energieinhalt Benzin: Durchflussmenge: 9 kwh/l = 32 MJ/l 0,5 l/s Elektrisches Äquivalent von 5 großen Windkraftanlagen 3x Elektrisches Äquivalent von 32.000 Haushalten (á 500 W Mittelwert)! ~ 3 x Herrsching am Ammersee Quelle: nach C. Hoffmann - Siemens, 2011 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 6
Overpopulation & Overconsumption Oil spill fire, Deepwater Horizon, 2010 (thegueardian.com) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 7
Overpopulation & Overconsumption (theguardian.com) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 8
Klimawandel natürlich vs. menschengemacht CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende 290 2015 2011 1959 Energiesysteme 1/3 Strom 1/3 Wärme 1/3 Verkehr 190 Landnutzung (Land- und Forstwirtschaft, Abfall) 400 300 200 100 0 Jahrtausende vor Heute Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 9
Lebensraum in Gefahr auch in Bayern Notwendigkeit der Energiewende Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 10
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Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 12
Ende des fossilen Zeitalters Energieversorgung back to the roots? Energieeffizienz Wind Solar Verbrauch Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse 0 1000 2000 3000 Zeit oberirdisch regenerativ unterirdisch fossil oberirdisch regenerativ vereinfachte Darstellung aller fossilen Quellen Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 13
Wind & PV werden zu Leitgrößen Technologie und Markt müssen danach ausgerichtet werden Einspeisung im Mai: Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 39% EE-Anteil Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 14
Residuallast EE-Ausbau allein reicht nicht aus Szenario: 80 % erneuerbare Energien zu viel EE zu wenig EE Quelle: VDE ETG (2012) Energiespeicher für die Energiewende;, Energietechnische Gesellschaft im VDE. Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie Frankfurt und am Main Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 15
Gesicherte Leistung installierte Leistung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 16
Optionen zur techn. Versorgungssicherheit Ende des Strom-Schlaraffenlandes? Versorgungssicherheit im sich wandelnden Energieversorgungssystemen technisch Versorgungssicherheit ökonomischstrategisch Auch im 100 % erneuerbaren System weiterhin gegeben Netze (räumlicher Ausgleich) Flexible Erzeugung Lastmanagement (flexible Nachfrage) Bildquellen: Schnellmotor.de vdi.de Otto.de Pro-smartmetering.de wikipedia.org Energiespeicher (zeitlicher Ausgleich) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 17
Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 18
Vergleich Energiespeicher Einordnung in die Speicherlandschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 19
Vorsicht vor Äpfeln und Birnen! Beim Vergleich verschiedener Energiespeicher Energie = Energie aber mechanische Energie chem. E. el. E. thermische Energie ~ 111 ml Benzin ~ 100 l Erdgas (Normvolumen) ~ 500 g Rohbraunkohle ~ 100 g Steinkohle ~ 31 kg Blei-Säure Batterie ~ 6,6 kg Li-Ionen Batterie Bildquellen: pixabay.de, putzlowitsch.de Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 20
Das Power-to-Gas-Konzept Analogie zum natürlichen Kohlenstoffkreislauf Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1 % Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 21
Das Power-to-Gas-Konzept In Analogie zum natürlichen Kohlenstoffkreislauf Wirkungsgrade Wasserstoff-Pfad: 33-84 % Methan-Pfad: 30-79 % Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 22
Potentiale von Power-to-Gas/chem. Speicherung Mit ca. 230 TWh ausreichend Gasspeicherkapazität sind vorhanden Deutsches Gas-Fernleitungsnetz Gasspeicher in Deutschland 60 GW Gaskraftwerke: 3 Monate Versorgung sichern (gesicherte Leistung, Ablösung AKW & Kohlekraft) Quelle: Fernleitungsnetzbetreiber Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 23
Bildquelle: Sterner/Stadler Energiespeicher, Das Konzept Power-to-Gas: Vorhandene Technik Einspeichern Speichern Ausspeichern Alkalische Elektrolyse (AEL) Membran-Elektrolyse (PEMEL) Hochtemperatur- Elektrolyse (HTES) Methanisierung (chem./biolog.) Gasnetz Ehem. Gas-/Öl-Lagerstätten (Poren- und Kavernenspeicher) Oberirdische Gasspeicher Brennstoffzelle Gasturbine, GuD, BHKW Gasheizung, Gaswärmepumpe, Kältemaschinen Verbrennungsmotor (Mobilität, Luft-/Schifffahrt) Stoffliche Nutzung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 24
Technischer Fortschritt bei Power-to-Gas Wirkungsgrad, Kosten, Einsatzbereich Erwartete Wirkungsgradsteigerung (H 2 /CH 4 ) von heute ca. 66/59 % auf 80/78 % im Jahr 2050 Für wirtschaftlichen Betrieb notwendige Strombezugskosten zunächst negativ, ab 2025 Einpendeln um ca. 5 ct/kwh Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 25
Potentiale von Power-to-Gas Kostenentwicklung, Kostenvergleich mit anderen Speichern Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 26
Potentiale von Power-to-Gas PtG von der Idee zur Umsetzung: Projekte, Akteure, Entwicklung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 27
Power-to-Gas Archaea-Bakterien oder Sabatier-Prozess MicrobEnergy, Schwandorf (275 kw) ZAE, Stuttgart (400 kw) Audi E-Gas, Werlte (6 MW) Bildquelle: Viessmann/MicrobEnergy, Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 28
Agenda Klimawandel und Energieversorgung Kein Leben ohne Energiespeicher Die Energiewende und ihre Herausforderungen Energiespeicherung Schlüsselfunktion Power-to-Gas (Windgas) Ausblick und Chancen für die Landwirtschaft Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 29
Strom-, Wärme- und Verkehrswende+Effizienz Deutschlands Ziele bis 2050 Beginn des erneuerbaren Zeitalters Darstellung auf Basis der BMU Langfristszenarien (Nitsch et al., 2012) und BMU Erneuerbare Energien 2010 Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 30
Fazit: Speicherproblem gelöst? Power-to-Gas Technologie-Reifegrad P Technik vorhanden. Und jetzt? Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 32
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Martin Thema, M.Sc. B.Eng. Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik Postfach 12 03 27 Raum S-107 93053 Regensburg Telefon: +49 (0) 941 943-9200 Mobil: +49 (0) 163 73 43 692 martin.thema(at)oth-regensburg.de martin.thema(at)solektrik.de ISBN: 978-3-642-37379-4, 750 S. Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 33
Wir brauchen PtG für die Energiewende Vergleich der Stromsystemkosten mit und ohne Elektrolyseuren/PtG Quelle: FENES, Energy Brainpool: Greenpeace Energy, Windgas-Studie (2015) Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 34
Stromüberschüsse in Deutschland Speicherbedarf Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 35
Erneuerbare drängen auf den Markt Merit-Order der Kraftwerkseinsatzplanung Power-to-Gas als Energiespeicher Technologie und Chancen für die Energiewende, Martin Thema Seite 36