Power-to-Gas Perspektiven einer technologischen Innovation Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg

Arbeitskreises Energie (AKE) Deutsche Physikalischen Gesellschaft Bonn, 14.11.13

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2

Inhalt

1)  Speicher im Kontext Energiewende

2)  Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie

3)  Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas

4)  Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie

5)  Zusammenfassung

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3

190

290

400 0 300 200 100 Jahrtausende vor Heute

Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel

Quelle: nach Petit et al. 1999

CO2-Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4

Energiebedingte Emissionen zw. 1750 und 2010

Quelle: Sterner, 2014

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5

190

290 1959

2011

400 0 300 200 100 Jahrtausende vor Heute

Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel

Quelle: nach Petit et al. 1999

CO2-Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6

Effekt der CO2-Verdoppelung:

“Klimasensitivität”

Arrhenius 1896 (4-6 ºC)

3 ± 1 ºC

CO2 ist ein Treibhausgas

Es folgt: Störung durch den Menschen sollte bisher 0,7 – 0,9 ºC Erwärmung verursacht haben

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7 Hitzewellen in Europa in den letzten 500 Jahren Verteilung der Jahresmittel-Temperaturen in Europa 1500 – 2010 Quelle: Barriopedro et al. 2011

Temperaturmessungen Klimawandel in den letzten 500 Jahren eindeutig korreliert mit anthropogenen CO2 Emissionen

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8

Klimawandel kostet Lebensraum – auch in Deutschland Energiewende ist notwendig zum Schutz des Lebens

PNP Juli 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9

Industriepolitik vs. Klimapolitik

„Kurzfristiger Profit“ vor „langfristigem Wohlstand“

Grundproblem in Politik & Wirtschaft: Kurzfristiges Handeln

Klimaschutz: „Regional“ eher machbar als „national / global“

Langfristiges Handeln zum Wohl der Menschen notwendig

Bilderquelle. SZ & AP

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10

Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte

Oberirdisch

2000

Unterirdisch

0 1000 3000

Verbrauch

Zeit

Wind

Solar

WasserBiomasse

Wasser

Biomasse

Wind Solar

Oberirdisch

Energie-effizienzVereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen

Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11

Das globale technische Potential erneuerbarer Energien

Quelle: Sterner, 2009

Beispiel Strom Größte Herausforderung von Wind und Solar: Meteorologische Abhängigkeit

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12

Installierte EE-Leistung übersteigt bald Lastbänder System rotierender Massen à Inverterbasiertes System

Quelle: Trost, 2013 nach BMU Langfristszenarien A, 2012

Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung bis 2050

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13

Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe à Technologie und Markt danach ausrichten

Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 – 39% EE-Anteil

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14

Wir brauchen Flexibilitäten

1.  Hoch flexible Kraftwerke

2.  Flexible Verbraucher

3.  Stromnetze

4.  Speicher

Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher)

Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine

à Power-to-Gas à Gasspeicher Wind Solar

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15

EE Fluktuationen erfordern flexible Kraftwerke Mit Kernkraft nur schwer technisch umsetzbar

Quelle: Gerhardt, Speckmann, Sterner 2011 (Addendum – Energiewirt. Bewertung von Speicher)

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16

Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien

à Wind fördern, nicht bremsen (Mythen: „Umzingelung“, Rentabilität, Lärm) à Gaskraftwerke / Gasturbinen vorausschauend planen à Kein n-1 Versorgungssicherheitsproblem, wenn Thüringer Brücke nicht kommt

Quelle: ITE, 2012 (Gorshkov, Müller-Kirchenbauer)

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17

Inhalt

1)  Speicher im Kontext Energiewende

2)  Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie

3)  Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas

4)  Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie

5)  Zusammenfassung

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18

§  Bilanzierung von Verbrauch & Erzeugung §  Kurzzeitspeicher §  Langzeitspeicher §  Flexible Kraftwerke & KWK §  Flexible EE-Erzeugung

(Abregeln, Biogas)

VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende (2012) Fragestellung

Quelle: VDE ETG, 2012

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19

40% EE Speichernutzung Auslastung 600 – 900 h Zyklen 150

Auslastung 100 – 400 h Zyklen 1

Kurzzeitspeicher - Zyklen

Langzeitspeicher - Zyklen

Kurzzeitspeicher

Langzeitspeicher

Entladen

Entladen

Laden

Laden

EE-Abregelung ohne Speicher: 0,11% mit Speicher: 0,01%

Quelle: VDE ETG, 2012

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 20

§  Speicher erhöhen Braunkohleanteil §  Speicher verdrängen Gas-KW §  Minimaler Nutzen für EE

Veränderung der Stromerzeugung durch Speicherzubau

EE-Anteil: 40 % EE-Anteil: 80 %

-9

-6

-3

0

3

6

9

D-A E-A

nichtabgeregelteEEBiomasse

KWK

Erdgas, Erdöl -45

-30

-15

0

15

30

45

D-A E-A

nichtabgeregelte EEBiomasse

KWK

Erdgas, Erdöl

Steinkohle

TWh TWh

§  Speicher vorwiegend für EE §  Speicher ersetzen Gas-KW

Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21 Quelle: VDE, 2012

Energiewende: Stromgestehungskosten steigen selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10%.

0

20

40

60

80

100

120

2010 40%-­‐A 80%-­‐E 100%-­‐D

Variable  Stromgestehungskosten

Investitionskosten  Speicher

Investitionskosten  Kraftwerke

78€/MWh

79€/MWh

84€/MWh

100  €/MWh

€/MWh

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22

Korrelation Wind & Last & EEX Negative Strompreise auch bei Windflaute

Stündliche Daten für 2007 und 2008

Quelle: IWES, 2010

Negative Strompreise zu Schwachlastzeiten bei wenig / viel Wind

Wind senkt den Spotmarktpreis

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23

Gestehungskosten Strom Wind & Sonne gleichauf / am Günstigsten

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10

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Wind PV Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft

Gestehungskosten für neue Kraftwerke in €-ct. / kWh 2013

Source: Agora 2013, EWI 2011 - 2013

Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, etc.)

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24

Preiswerte und kostenstabile Energieversorgung nur mit Energiewende - Volkswirtschaftliche Kosten und Erlöse

- Basisszenario 2010 A, Preispfad A -

bis 2010 2011-2020 2021-2030 2031-2040

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150K

umul

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oste

n, M

rd.E

UR

(200

9) Fotovoltaik(PV)Strom ohne PV

Wärme

KraftstoffeBASIS10/DIFKUMG 2.11.10

-273

+71

+136

-10

Summenwert 2041-2050: - 590 Mrd. €

Volkswirtschaftliche Vorleistungen *)

Volkswirtschaftliche Rendite *) gegenüber heutiger

betriebswirtschaftlicher Kalkulationsbasis – wären externe Kosten (insbes. Klimawandel) voll berücksichtigt, fielen diese „Vorleis- tungen“ nicht an !

Quelle: BMU Langfristszenarien, Nitsch, Pregger, Sterner et al. 2012

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25

Externe Kosten des Energieverbrauchs Subventionen

n EEG ≠ direkte Subvention; Mehrkosten werden auf alle Stromkunden umgelegt à EEG-Umlage zukünftig konstant – Preistreiber nicht EE

n Dt. Steinkohle: von 1975 bis 1995 Kohlepfennig n  1995: direkte Abgabe von 8,5% der Stromrechnung: 3,1 Mrd. EUR

n  Verfassungsgericht kippt Kohlepfennig

n  seitdem indirekte Subventionierung über Steuern

n  Bisher ca. 90 Mrd. EUR Subventionen (Auslaufend 2018) à reicht für 90 GW Wind (ca. 180 TWh = 1/3 unseres Nettostrombedarfs)

n Förderung von Nachtspeicherheizungen bis 2006, um für Grundlast (Atom, Braunkohle) zu sorgen

n  Indir. Subvention: Steuervergünstigung für Flugtreibstoffe, für Bahn nicht

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26

Beiträge einzelner Faktoren zur Steigerung der EEG - Umlage 2013 - 2014

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27

Ausgaben für Energieforschung: 50% Kernenergie, 50% andere

Energie“markt“ – war immer planwirtschaftlich getrieben

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28

Inhalt

1)  Speicher im Kontext Energiewende

2)  Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie

3)  Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas

4)  Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie

5)  Zusammenfassung

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29

Definitionen Speicher & Energiespeicher

Ein Speicher ist eine Einrichtung zur Bevorratung, Lagerung und Aufbewahrung von Gütern.

Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet: Laden, Speichern und Entladen

Quelle: Sterner, FENES, 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30

Speichertechnologien im Vergleich: Kapazität und Reichweite

Quelle: TH Regensburg FENES, 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31 Quelle: A123; NGK Insulators, 2013; TU Dortmund

Netzstabilität

Hausspeicher

  Bewährt bei USV   Unverzichtbar für die

Elektromobilität   Hausspeicher für PV

nur im netzkonformen Betrieb sinnvoll

  Als Systemspeicher für Netzstabilität sinnvoll

Speicher je nach Einsatz sinnvoll oder nicht

2030 Varianten für Szenario ‘NEP B 2012‘ für NS-, MS- und HS-Ebene

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32

Netzstützung durch Primärregelleistung Berlin: Erstmals kommerzieller Einsatz eines BKW in PRL

Quelle: Younicos

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33

Pumpspeicher Riedl u. a. Etablierte Technologie – Akzeptanz durch Verbindung mit EE

Quelle: RegioWiki

PSW können gute Speicher für erneuerbaren Strom aus der Region für die Region sein Voraussetzung: Betrieb im Takt von Wind und Sonne

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34

Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas

0

2000

4000

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12000

14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1

Day

Pow

er [M

W]

OnlineForecast D+1Forecast 4HForecast 2H

Numerisches Wettermodell Windleistungsprognose für eine Regelzone

Quelle: Lange / Rohrig, 2008

Wind Power Cluster Management Kombikraftwerk

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

Chem. Energie (fossil, bio)

Effizienz: ca. 1%

© IWES, 2010

Energiespeicherung

Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H2 reagiert mit CO2

Quelle: Sterner, 2009

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36

Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010

Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz à Technische Nachbildung der Photosynthese

Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010

Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 37

Einspeisung von 10-Vol% Wasserstoff an 3 Hauptleitungen Gasnetzentwicklungsplan der Gasnetzbetreiber

Source: Fernleitungsbetreiber, 2012

à Austausch aller Kompressorstationen Kosten: 3.7 Mrd. EUR à Aufbau neuer H2 Infrastruktur einfacher à Austauschgas (z.B.

Biogas) hat Vorfahrt vor Zusatzgas (Wasserstoff)

à 2% H2 realistisch!

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 38

Methanisierung: Chemie vs. Biologie

Thermo-chemisch Biologisch

Reaktion 4 H2 + CO2 à CH4 + 2 H2O

Druck Bis zu 100 bar 1 bar

Temperatur 200 - 600 °C 20 - 80 °C

Kern Katalysator Mikro-Organismen

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 39

Pilot- & Demoanlagen: Entwicklung in Stuttgart & Kassel

Quelle: Solarfuel, ZSW, IWES 2009 – 2012

2012 250 kW 2009 25 kW

2011

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40

E-ON Power-to-Gas Falkenhagen 2013 2 MW

Quelle: E-On, 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41 Source: Enertrag, 2012

Methangas: Audi g-tron Projekt 2013 6,3 MW

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 42

Energiesystem mit CO2 Senke

Quelle: Sterner, 2009

100% erneuerbares Energiesystem möglich

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43

Inhalt

1)  Speicher im Kontext Energiewende

2)  Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie

3)  Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas

4)  Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie

5)  Zusammenfassung

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 44

Stromwende

Erneuerbare Anteile 2011

Wärmewende

Verkehrswende

?Herausforderungen “Energiewende”

Quelle: BMU, BMWi Statistiken, 2012

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 45

Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe

Biomasse -  Flächenpotential -  Akzeptanz / Nachhaltigkeit

(Tank-Teller)

Elektromobilität -  Reichweite -  Kosten

Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? -  Power-to-Gas -  Power-to-Liquids

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 46

Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente

Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011

Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 47

Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe

Biomasse -  Flächenpotential -  Akzeptanz / Nachhaltigkeit

(Tank-Teller)

Elektromobilität -  Reichweite -  Kosten

Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? -  Power-to-Gas -  Power-to-Liquids

Gesamtpotential Stromüberschüsse bei 100%: ca. 50 TWh 25 TWh Kraftstoff von heute ca. 700 TWh Bedarf

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 48

Weiterer Ausbau von Wind & Solar: Kernprobleme Fluktuationen & Akzeptanz

Landnutzung begrenzt -  Flächenpotential -  Akzeptanz -  Nachhaltigkeit Meer: größtes Flächenpotential für Erneuerbare -  Offshore-Windkraft -  Meeresströmungsturbinen

Fluktuationen, Anbindung, Potential }

Follow the wind Grundidee des neuen Konzepts:

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 49

Wie können wir

„dem Wind folgen“?

Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 50 Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de

Wind + Wasserkraft + Speicher = Segelenergie Zweck: Dem Wind folgen und Energie ernten

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 51

Segelenergie: Energieschiff mit Flettner-Rotoren

Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 52

Segelenergie: Energieschiff der 2 – 5 MW Klasse

Konstante Ernte von Windenergie Hohe Auslastung der Anlagen

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 53

Segelenergie: Potentiale vorhanden

Quelle: www.segelenergie.de auf Basis von www.windatlas.dk

Routenoptimierung: 80% Auslastung (Wind Grundlast) Gestehungskosten H2: ab 16 Cent/kWh - derzeitiger Marktpreis: 33 ct./kWh

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 54

Segelenergie: Routen optimieren Beispiel 3 Monate-Fahrt – insg. 7000 h (80%) Auslastung

Quelle: www.segelenergie.de

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 55

Inhalt

1)  Speicher im Kontext Energiewende

2)  Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie

3)  Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas

4)  Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie

5)  Zusammenfassung

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Take home

Stromwende PtG einziger nationaler Langzeitspeicher Verkehrswende PtG wichtiger für Mobilität und chem. Industrie

Segelenergie Wind-Wasser-Speicher-System Konstant Wind als „Grundlast“ ernten Erschließt großes ungenutztes Potential Kein Einfluss auf das Landschaftsbild Keine Konkurrenz zu Nahrung / Futter Impuls für nachhaltige Mobilität & Schiffbau

n Speicher Ohne Rahmenbedingungen keine Entwicklung CO2 vernünftig bepreisen / besteuern (Kauf: 100 € / t CO2 vs. Entsorgung in der Atmosphäre: 4 € / t CO2)

n Energiewende Wind & PV gleichauf mit fossil / nuklear Subventionen für fossil / nuklear beseitigen (EU: 100 Mrd. €/a für fossil & nuklear vs. 30 Bio. €/a für Erneuerbare

global: 544 Mrd. €/a fossil & nuklear vs. 101 Mrd. )

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Ab Anfang 2014

im Springer-Verlag

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 58

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 – (0) 941 – 943 9888 michael.sterner @ hs-regensburg.de

www.segelenergie.de www.power-to-gas.de