Power-to-What? André Bardow Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, RWTH Aachen University Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-10), Forschungszentrum Jülich Niedersächsische Energietage net, Hannover, 07.11.2017
Danksagung Mitarbeiter & Kooperationspartner Projektpartner André Sternberg Christian Jens Arne Kätelhön Sarah Deutz Förderung Richard Hanke-Rauschenbach Boris Bensmann 2
Überschussstrom Sonntag, 08.05.2016 20 Strompreis [Euro/MWh] 0-20 -40-60 -80-100 -120-140 -130 / MWh 5 10 15 20 Uhrzeit [1] Agora Energiewende, https://www.agora-energiewende.de, 2016. 3
Goldgräberstimmung: Power-to-X Chemicals Pumped hydro Electricity CO 2 Mobility Fuels Batteries Heat 4
Überschussstrom 08.05.2016 20 Strompreis [Euro/MWh] 0-20 -40-60 -80-100 Zeitlich begrenzt -120-140 -130 / MWh 5 10 15 20 Uhrzeit [1] Agora Energiewende, https://www.agora-energiewende.de, 2016. 5
Verfügbarkeit von Überschuss-Stromes Stunden mit negativen Preisen Überschuss ist zeitlich begrenzt Überschuss bleibt zeitlich begrenzt [1] Graichen, Kleiner, Podewils, Agora Energiewende - Die Energiewende im Stromsektor: Stand der Dinge 2016 [2] Krzikalla, Achner, Brühl, BET Studie, 2013.. 6
Status Überschuss-Strom Überschuss ist zeitlich begrenzt Überschuss bleibt zeitlich begrenzt Welche Power-to-X-Route nutzt Überschuss-Strom am besten? 7
Effizienzmaß der Nutzung von Überschuss-Strom Welche Power-to-X-Route nutzt Überschuss-Strom am besten? P2X-Effizienz = Ü 1 MWh Überschussstrom Power-to-X (P2X) Prozess Produkt Konventioneller Prozess THG P2X THG konv THG Reduktion = THG konv THG P2X Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. 8
Bestimmung THG-Emissionen: Life Cycle Assessment (LCA) CO 2 source CO 2 transport CO 2 conversion Disposal Recycling Use Use phase phase von der Assen, Jung, Bardow, Energy Environ. Sci.,2013, 6, 2721 von der Assen, Voll, Peters, Bardow, Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7982 9
Goldgräberstimmung: Power-to-X Chemicals Pumped hydro Electricity CO 2 Mobility Fuels Batteries Heat 10 Über die Nutzung von Überschuss-Strom
Power-to-C1-Chemikalien Energy H 2 Methane Methanol Formaldehyde Carbon monoxide O=C=O Formic acid H 2 O Klankermayer, Leitner, Phil. Trans. R. Soc. A., 2016, 374. 11
CO 2 -Hydrierung zu C1-Chemikalien???? 0 Methane Methanol Formaldehyde Formic acid Carbon monoxide 12 O=C=O 1 1 1 1 Sternberg, Jens, Bardow, Green Chem., 2017,19, 2244-2259
Fossile Produktion von Ameisensäure (Formic Acid) 0 1 2 3 + H 2 O + CH 3 OH HCOOCH + H 2 O CH 4 CO + 3 H 3 2 + 3 H 2 -CH 3 OH HCOOH + 3 H 2 Methane Carbon monoxide Formic acid 13
CO 2 -Hydrierung zu C1-Chemikalien 3 1 0 Methane Methanol Formaldehyde Formic acid Carbon monoxide O=C=O 1 1 1 1 14
P2X-Effizienz = THG-Reduktion pro Wasserstoff 14 GW reduction / (kg CO 2 -eq/kg H 2 used) 12 10 8 6 4 2 0 CH 4 CO HCOOH Sternberg, Jens, Bardow, Green Chem., 2017,19, 2244-2259 1 0 1 1 1 3 15
P2X-Effizienz = THG-Reduktion pro Wasserstoff 14 GW reduction / (kg CO 2 -eq/kg H 2 used) 12 10 8 6 4 2 0 Power-to-X kann Prozesse vereinfachen Hohe P2X-Effizienz CH 4 CO HCOOH Sternberg, Jens, Bardow, Green Chem., 2017,19, 2244-2259 1 0 1 1 1 3 16
Power-to-Mobility 1 MWh Überschussstrom Power to Mobility 17
Reduktion Treibhausgasemissionen Power-to-Chemical & -Mobility Power-to-Chemical THG Reduktion = THG konv THG P2C Power-to-Mobility H 2 CH 4 CH 3 OH Syngas HCOOH CO 18
Reduktion Treibhausgasemissionen Power-to-Chemical & -Mobility Power-to-Chemical THG Reduktion = THG konv THG P2C Power-to-Mobility Chemikalien als Kraftstoff weniger bis gar keine CO 2 -Reduktion H 2 CH 4 CH 3 OH Syngas HCOOH CO 19
Power-to-Mobility 1,6 1,4 Power-to-Mobility THG Reduktion /(t CO 2 -eq./mwh) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 CO 2 -basiert N 2 -basiert 0,0 20-0,2 Batterie Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. Grinberg Dana,Elishav, Bardow, Shter, Grader, Angew. Chem. Int. Ed. 2016 55(31): 8798 8805 Ammoniumhydroxid- H 2 CH 4 CH 3 OH NH 3 Harnstoff
Power-to-Mobility 1,6 1,4 Power-to-Mobility 21 THG Reduktion /(t CO 2 -eq./mwh) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 Batterie CO 2 -basiert N 2 -basiert Umwandlungsverluste vermeiden Stickstoff-basierte Kraftstoffe CO 2 -Fuels Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. Grinberg Dana,Elishav, Bardow, Shter, Grader, Angew. Chem. Int. Ed. 2016 55(31): 8798 8805 Ammoniumhydroxid- H 2 CH 4 CH 3 OH NH 3 Harnstoff
Power-to-X to Power 1 MWh Überschussstrom Power to to Heat Mobility to Chemical 22
Power to What? [1] Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. 23
Power to What? Hier: Sektoren-Kopplung sinnvoller als Strom-Speicher [1] Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. 24
Zwischenfazit: Überschuss-Strom Effizienz der Strom-Nutzung bleibt wichtig Merit-Order der P2X-Technologien Sektoren-Kopplung kann sinnvoller sein als Strom-Speicher und Netzausbau Prinzipien für hohe P2X-Effizienz: Umwandlungsverluste vermeiden Ineffiziente Prozesse ersetzen Power-to-Fuel nicht als Stromspeicher sondern als nachhaltiger Kraftstoff 25
Business-Case Überschuss-Strom? Stunden mit negativen Preisen Mittlerer negativer Preis in Euro/MWh Überschuss ist zeitlich begrenzt Negative Kosten auch begrenzt [1] Graichen, Kleiner, Podewils, Agora Energiewende - Die Energiewende im Stromsektor: Stand der Dinge 2016. 26
CO 2 -Vermeidungskosten für P2X-Technologien in Überschuss-Betrieb [1] Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. 27
CO 2 -Vermeidungskosten für P2X-Technologien in Überschuss-Betrieb 28 [1] Sternberg und Bardow, Energy Environ. Sci., 2015,8, 389-400. Investitionskosten dominieren Kosten Starker Einfluss der Volllaststunden Reiner Überschuss-Betrieb unwahrscheinlich
Effizienzmaß der Nutzung von Überschuss-Strom Reiner Überschuss-Betrieb unwahrscheinlich Mit welchem Grid-Mix wird Power-to-X-Route zum Baseload-Technologie? 1 MWh Strom Power-to-X (P2X) Prozess Produkt Konventioneller Prozess THG P2X THG konv Variation des CO 2 -Fußabdrucks des Stroms 29
Decarbonising Mobility GW mobility / (kg CO2-eq/km) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Quelle: Sternberg et al. Manuscript in preparation Details aus unveröffentlichter Abbildung entfernt Conv. Otto Conv. Diesel 30 0,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 GW electricity supply / (kg CO2-eq/kWh) P2X-Vorteil hängt direkt am Strom-Mix Zeitliche / örtliche Sortierung der Technologien
Power-to-Mobility: Strombedarf für die Sektoren-Koppung Quelle: Sternberg et al. Manuscript in preparation Unveröffentlichte Abbildung entfernt 31 Sektoren-Kopplung als Chance ABER: Erhöhter Bedarf an regnerativer Stromerzeugung
Zusammenfassung Erneuerbarer Strom bietet neue Chancen zur Einbindung erneuerbarer Energien in andere Sektoren Effiziente Nutzung bleibt wichtig Merit-order der P2X-Effizienz P2X Vorteil hängt direkt vom Strom-Mix ab Zeitliche / örtliche Sortierung der Technologien 32
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Schinkelstrasse 8, 52062 Aachen 52062 Aachen andré.bardow@ltt.rwth-aachen.de