Windgas, Solargas und Co. Speicher für eine regenerative Stromversorgung Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Mareike Jentsch, Tobias Trost, Dr. Carsten Pape, Norman Gerhardt, Jürgen Schmid 03.05.2012 Emder Energietage 2012 Emden Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung 1
Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung CO 2 Emissionen pro Kopf 2 Grad Ziel ist zu erreichen Kostet Geld Kostet Lebensraum 1999 Quelle: WBGU, 2009 2
Klimawandel kann neue Völkerwanderungen verursachen Klimaneutrale Hochtechnologien vs. Wir haben die Wahl 3
Globale Treibhausgas-Emissionen Zeit für den Abstieg vom CO 2 -Berg Energiesysteme (Strom, Wärme, Transport) Landnutzung (Land- und Forstwirtschaft, Abfall) Quelle: Sterner, 2009 Meine Energie-Ernährungspyramide oder das deutsche Energiereinheitsgebot : Wind, Sonne, Wasser, Luft sonst nicht s! Quelle: Sterner, 2009 4
Anfang und Ende des fossilen Zeitalters vereinfachte Darstellung unsere Energieversorgung wird wieder rein regenerativ und damit oberirdisch Einzelne Quellen Energieeffizienz Alle fossilen Quellen Wind Verbrauch Wind Solar Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse 1000 1500 2000 2500 Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch Einfache Fragen zur Energieversorgung gestern und morgen: Woher kam unsere Energie vor 200 300 Jahren? Vom Land Woher kommt sie heute? Größtenteils aus Russland, Norwegen, Saudi-Arabien, Iran, Lybien, etc. Woher kommt sie in Zukunft? Wieder vom Land Unterschied zu gestern: heute haben wir große Städte mitzuversorgen Strom: Wärme: Verkehr: Leistungsautark vs. Energieautark Größte Chance auf regionale Autarkie Massive Abhängigkeit von nicht-heimischer, fossiler Energie 5
Prinzipielle Entwicklung des Energiebedarfs Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie all-electric-world Heute 2050 Bedarf und neue Verbindungen STROM STROM WÄRME VERKEHR Wärmepumpen, Klimatisierung, Windgas WÄRME VERKEHR Elektromobilität, Windkraftstoff Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung 6
Bruttostromerzeugung [TWh/a] Installierte Leistung [GW] 07.05.2012 Langfristszenarien 2010 als Beispiel: Wind als tragende Säule Leistung (MW) vs. Energie (MWh) Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2010 Transformation zu Inverter-dominierten Systemen EE sollen Systemstabilität übernehmen Inverter im Regelleistungsmarkt = ~ Quelle: Nitsch et al, 2011, Langfristszenarien 2010 7
Weiterer EE-Ausbau erfordert flexiblen Kraftwerkspark und weitgehende Ausgleichsmaßnahmen (Netzausbau, Lastmanagement, Speicher) Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 39% EE-Anteil Ausgleichsmaßnahmen für Fluktuationen Prioritäten Erzeugungs- und Lastmanagement Flexible Kraftwerke (Gas, Biogas) Flexibler Verbrauch 1 Transport Netzausbau Europäisches Netz für Strom und Gas 2 Speicher Kurzzeit (Tage): Langzeit (Saisonal): Pumpspeicher, Druckluft, Batterien 1. (Pump)Speicher in Skandinavien, 2. Wind / Solarstrom im Gasnetz als erneuerbares Gas (Methan, Wasserstoff) 3 8
Wie flexibel sind die Kraftwerke? Eine vereinfachte Darstellung 1 Gas-KW 0 auf 100%: 30 min sehr schnell X Steinkohle-KW 25 auf 100%: 60 min auf Bereitschaft 0 auf 100: 1 Tag! X Kernkraft-KW neue Braunkohle-KW 60 auf 100%: 30 min gleitend aber entworfen für Grundlast AKW unter einem gewissen Bereich: Abschaltung Neue Anfahrgenehmigung 0 auf 100%: 2-3 Tage träge und langsam Quelle: Darstellung nach (RWE, 2009) angepasst, Bilder: Google. Integration von Wind im Verteilnetz Bekannte Planung weitere 15 MW Unbekannte Planungen 2 2 x 1,5 MW 2 x 2 MW 110-kV-Kabel 2 x 3 MW Zusage 20-kV A-Strang 20-kV Verbindung Bau einer Wind-UA? 20-kV B-Strang Vorhandene Umspannanlage Quelle: Groß, VNB Rhein-Main-Neckar 2011 Weitere Anfrage 2 x 3 MW Koordinierte Planung EE- und Netzausbau notwendig! 9
Netzausbau elementar, aber nicht die finale Lösung - was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden 2 Windenergie Windenergie in Planung Photovoltaik- / Bioenergieanlagen Engpass Ballungszentrum Übertragungsnetz 2000 km (ca. 5% dazu), umgesetzt 90 km Verteilnetz PV: NetzUMbau; Wind: Netzplanung Quelle: Ahmels, 2011, eigene Ergänzungen Einflussgrößen auf den Speicherbedarf - schematische Darstellung Geschwindigkeit EE-Ausbau Must-run (Netzstabilität, KWK) derzeit 10 GW Flexible Erzeugung Flexibler Kraftwerkspark Flexibler Verbrauch Lastverschiebung Netzausbau und Kuppelleistungen Speicherbedarf = Überdeckung / Unterdeckung von Residuallast nach Abwägung aller vorrangingen Ausgleichsmaßnahmen Benchmark Überschuss: Benchmark Defizit: Abregeln (2010 0,025% des Strombedarfs) Gasturbine 10
Kurzzeitspeicher Pumpspeicher für Ausgleich der Photovoltaik Etabilert, kostengünstig, aber Potential begrenzt 3 1,4 GW über 9 Stunden Elektromobilität eher für Lastmanagement als für Speicher Effizient, aber teuer und Potential begrenzt 3 42 GW über 10 Stunden 11
Gesucht: Dicke Leitungen und große Speicher 3 Gefunden: Im Gasnetz Überbrückung von Monaten 24 GW th über 2,5 Monate Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung 12
Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? Chem. Energie (fossil, bio) Wirkungsgrad: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Erneuerbares Gas (Windgas, Solargas) Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Technische Nachbildung der Photosynthese photosynthetischer Kraftstoff - Windkraftstoff Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010 13
Langzeitspeicherung: Wasserstoff vs. Methangas (H 2 vs. CH 4 ) Wirkungsgrad - der Herstellung - der Verstromung Infrastruktur - Strom - Wärme - Verkehr Energiedichte = Platzbedarf für Speicher Wasserstoff 54-77% gleich Zusatzgas - limitiert - limitiert - nicht kompatibel über chemische Industrie hinaus nicht existent Transformations-Kosten Einspeicherung Strom-H 2 Speicherung Ausspeicherung H 2 -Strom Transport / Pipelines Methangas 49-65% gleich Austauschgas - kompatibel - kompatibel - kompatibel Deutschlandweit erschlossen jeder 2. Haushalt erreichbar 10 MJ / Nm³ 33 MJ / Nm³ H 2 -Einspeisegrenzen derzeit: 2% Fahrzeuge 1% Gaskraftwerke 0,5% Messinstrumente Speicher unbekannt Quelle: Nitsch, Sterner, et al, BMU Langfristszenarien 2010 Nur Einspeicherung CO 2 Potential aus Biogasanlagen ausreichend Standorte für p2g Anlagen: - Erzeugungsnah - Kopplung Strom / Gas / CO 2 - Reine Kavernenspeicherung Quelle: Trost, Sterner, Jentsch, 2012 14
Gestehungskosten SNG 07.05.2012 Gestehungskosten für EE-Gas in Relation zu Volllaststunden Jahr 2020 Invest 1200 / kw = 55% (optimist. Annahmen) Windgas: Break Even 220 US-$ / Barrel Quelle: Sterner, Jentsch, 2011 Greenpeace Energy Gutachten Entwicklungsstand Power-to-Gas Quelle: Linke (E-ON), 2012 15
Chancen von Power-to-Gas Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Pipelines, Speicher, Kraftwerke, BHKW, Herde, Heizungen, Fahrzeuge Austauschgas (Methan) statt Zusatzgas (Wasserstoff) Erschließt enorme Speicherkapazitäten Langzeitspeicherung von EE im Erdgasnetz ohne Begrenzung CH 4 (Erdgas) Langzeitspeicherung technisch erprobt und vorhanden CO 2 -neutraler Energieträger auch für Verkehr und Wärme hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite weniger Konkurrenz zu Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas und Transportstaus Übertragungskapazität von Gas vs. Strom: eine Größenordnung höher Vermeidung von Übertragungsnetzengpässen (Redispatch) und deren Kosten Gas aus der Sahara Pipeline zw. Algerien und Spanien vorhanden Risiken von Power-to-Gas Überzogene Erwartungen Enttäuschung Verzögerung Technologie generell sehr alt aber gleichzeitig sehr jung in der Energietechnik Technologieentwicklung & Kostensenkung vorantreiben Vermeiden v. Growian Push aus dem Stromsektor nicht abzusehen Pull aus Mobilität / Wärme? Roadmap Power-to-Gas & Einbindung Fahrplan Energiewende angebracht Atomgas, Kohlegas, Erdgas-to-Gas Energetischer Kurzschluss im Energiesystem durch E chem E el E chem Wirtschaftlichkeit nur gegeben bei hohen Vollaststunden Verstetigung fossiler / nuklearer Einspeisung möglich (Chance? / Risiko?) Benchmark von Graugas = fossiles Gas keine Wirtschaftlichkeit zu erwarten Wärmemarkt: Alternative Heizstab setzt Erdgas ca. doppelt so effizient & für einen Bruchteil der Kosten frei für Mobilität / Strom Greenwashing fossiler Energie CO 2 Quelle für Klimabilanz von Power-to-Gas irrelevant, da klimaneutral Kann jedoch keine CO 2 Senke für fossile Kraftwerke sein Emissionshandel: fossile Emissionen bleiben beim fossilen Brennstoffnutzer 16
Energie [TWh] Leistung [GW] 07.05.2012 Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung Relevante Überschüsse ab 50-70% EE-Anteil zu erwarten bei idealem Netzausbau und keinem Import / Export 0-5 2020 2030 2040 2050 0-10 -10-15 -20-25 -30-35 -40-45 -20-30 -40-50 -60-70 -80-90 Stundenausgleich Tagesausgleich Wochenausgleich Monatsausgleich Jahresausgleich Quelle: Nitsch et al, 2012, Langfristszenarien 2011 17
Residuallast (GW) 07.05.2012 UBA Umweltbundesamt 100% regeneratives Szenario Technisches Potential H 2 -Kavernen (Power-to-Gas) EE-Methan (Power-to-Gas) Pumpspeicher 110 TWh th = 66 TWh el bei η= 60% 514 TWh th = 308 TWh el bei η = 60% ca. 0,06 TWh el Rein regenerative Energieversorgung hat sehr großen Speicherbedarf trotz idealem Netzausbau, Energiemanagement und Pumpspeichern 60 40 20 Residuallast nach allen Verbrauchern und Lastmanagement und PSW (Meteo-Jahr 2007) Defizite: 62 TWh Überschüsse: - 111 TWh 0-20 -40-60 -80-100 Pumpspeicher Norwegen (Theorie) Überschüsse: -110.9 TWh Defizite: 62.1 TWh Minimale Residuallast: -59.8 GW Maximale Residuallast 54.1 GW Kapazität und Leistung Gasspeicher heute Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute 42 Mio. E-KFZ (Theorie) Fraunhofer IWES 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat Gasspeicher haben die 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei GT,GuD = 28-55%) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE 18
Netze Managemen t Speicher 07.05.2012 Roadmap Energiewende Systemtransformation Strom - nationale Sicht 2010 2020 2030 2040 2050 Reduktion must-run -Units Flexible Erzeugung (Gas-KW, KWK, Biomasse) Flexibler Verbrauch (Smart Grids, E-KFZ, p2g) Netzausbau Deutschland Netzausbau Europa Netzkopplung Strom-Gas Pumpspeicher, ggf. AA-CAES ab 2030 Batterien (stationär, ggf. E-KFZ) Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring Quelle: IWES - Gruppe Energiewirtschaft und Systemanalyse, 2011 Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung 19
Welche Leistung liegt ständig an den deutschen Tankstellen an? 170 Mio l Benzin / Tag = (Irene kontrolliert gerade einen Leistungsfluss von 16 MW: Energieinhalt Benzin: 9 kwh/l = 32 MJ/l Durchflussmenge: 0,5 l/s) Elektrisches Äquivalent von 32.000 Haushalten (@ 500 W Mittelwert)! 64 GW!!! Diese Leistung wird typischerweise bei 60 100 kv transportiert Quelle: C. Hoffmann - Siemens, 2011 Elektromobilität Effizienzsprung Faktor 3-4 aber nur mit erneuerbaren Energien Dito Elektrowärmepumpen und Elektroheizungen Quelle: Sterner, Schmid, 2009 20
Biokraftstoffe vs. Wind- und Solarkraftstoffe Wind kann mehr als Strom! Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Wind- und Solarkraftstoffe vs. Elektromobilität vs. Verbrennungsantriebe Treibhausgasbilanzen für 2030 Wind- und Solarkraftstoffe in gleicher Größenordnung wie Elektromobilität bei vollständiger Bilanzierung der Emissionen Quelle: Trost, Sterner, Jentsch, 2011 21
Power-to-Gas Power-to-Liquid Energiespeicherung durch Kopplung der Energienetze Strom, Gas, Kraftstoff Inhalt 1) Weshalb brauchen wir die Energiewende? Klimaschutz, Ressourcen, Fukushima von kleinen und großen Schritten 2) Weshalb brauchen wir Speicher? Speicherbedarf im Kontext Erzeugen-Vernetzen-Speichern 3) Wie funktioniert Windgas, Solargas, Power-to-Gas? Technologie, Kosten, Chancen, Risiken 4) Wann brauchen wir welche Speicher? Speicher als Eckpfeiler der Energiewende Zukunftschance Windkraftstoffe, Solarkraftstoffe 5) Zusammenfassung 22
Wind & Solar können eine stabile Stromversorgung alleine nicht gewährleisten 4 Ausgleichsmaßnahmen werden notwendig: 1. Flexible Kraftwerke (v.a. Erdgas) 2. Stromnetze (Netzaus- und -umbau) 3. Lastmanagement (smart grid) 4. Speicher Kurzzeitspeicher (Pumpspeicher, Batterien) Langzeitspeicher (Norwegen, Gasnetz) Wind & Solar in das Gasnetz über Power-to-Gas Fazit Speicherung Lösung des Speicherproblems Bisher Nutzung von gespeicherter fossiler Solarenergie Regenerativer Ersatz: Biomasse begrenzt Geothermie & Wasserkraft auch günstigste/potentialreichste EE: Strom aus Wind und Solar Ressource in unmittelbarer Form nicht lagerbar Windgas / Solargas Wind kann viel mehr! Speicherbedarf Bis zu einem Anteil von 50% erneuerbare Energien entsteht bei einem vernünftigen Netzausbau kein relevanter Speicherbedarf Lastmanagement reduziert Speicherbedarf deutlich Speicher anderer Sektoren (Wärme, Verkehr) nutzen Stromspeicher Strategische Reserve wie bei Erdöl Zusammenwachsen der Energienetze Strom, Gas, Wärme sinnvoll Power-to-Gas als eine Lösung für zwei Kernprobleme der Energiewende Langzeitspeicher: stabile Stromversorgung auch mit Wind & Solar CO 2 -neutrale Mobilität in der Fläche ohne Einschränkung bei Reichweiten oder Potential 23
Die Energiewende ist machbar packen wir s an! Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist ökologisch / klimatechnisch not-wendig technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht und kostet uns jährlich ca. 10 Mrd. EUR über 15 Jahre (ca. 5% mehr als sonst) Chancen: 100 000e von Arbeitsplätzen und Erhalt der natürlichen Lebens- und Wirtschaftsgrundlagen Herausforderungen Umbau der Energieversorgungsstrukturen (v.a. Investitionen) Technologie- und Wissenstransfer Transformation des Bewusstseins (Menschen mitnehmen über Beteiligung und gesellschaftlichen Konsens) Entscheidend: politischer Wille auf allen Ebenen und Beteiligung des Einzelnen Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Hochschule Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Wissenschaftl. Leitung Energiewirtschaft und Systemanalyse + 49 (0) 941 943 9888 michael.sterner@hs-regensburg.de www.power-to-gas.de 24
Was ist heute die größte genutzte erneuerbare Energiequelle weltweit? (und zugleich der größte Energiespeicher?) Die traditionelle Biomassenutzung Was ist das genau? 25
Biomasse: Hauptenergiequelle für mehr als der Hälfte der Menschheit Sehr geringe Effizienz und hohe Emissionen 1 Mio. Menschen sterben jährlich an den Folgen der ineffizienten Biomassenutzung Mit einfachen Mitteln viel erreichen Bisher: Ineffiziente, gesundheitsschädliche Nutzung Wirkungsgrad: 6-8% Einfache Alternativen: verbesserte Holzherde (Wirkungsgrad 30 40%) und Kleinbiogasanlagen in Haushalten, Pflanzenöl- BHKW statt Kohlekraftwerke zur Stromerzeugung 26
Kleines Benefizkonzert - Ihre Unterstützung für Verbesserte Holzöfen / Biomasseprojekte / Ländliche Elektrifizierung in Indien Kontakt M.Sc. Sham Sundar sham_india@yahoo.com Web www.niecrest.in Schulbau / Bildung / Wasserprojekte in Kenia Kontakt Br. Karl Schaarschmidt karlschaar@yahoo.com Web http://www.steyler.eu/ Konto Steyler Bank, BLZ 38621500, Konto 11009, Vermerk: Br. Karl Kenia Ganz herzlichen Dank im Namen aller! 27