Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom - und Gasnetz · DVGW-Forschungsstelle am Engler...

DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de

Wolfgang Köppel

Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom- und Gasnetz

VDE Vortragsreihe „Themen der Energiewende: Speicher der Zukunft“ Karlsruhe, 16.11.15

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DVGW e.V. - Vereinsdaten

• Rund 13.800 Mitglieder

• Hauptgeschäftsführung in Bonn

• Forschungsstandort Karlsruhe

Technologiezentrum Wasser (Karlsruhe, Hamburg-Harburg, Dresden)

Engler-Bunte-Institut Karlsruhe (Gas u. Wasser)

• 9 Landesgruppen und 63 Bezirks-gruppen

• Rund 450 Mitarbeiter

Überblick DVGW W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz

www.dvgw.de


Überblick DVGW

W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz


Überblick Engler-Bunte-Institut W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz

Wasserchemie und Wassertechnologie Prof. Dr. Harald Horn

Verbrennungstechnik Fst. für Brandschutztechnik Prof. Dr. Dimosthenis Trimis

Chemische Energieträger Brennstofftechnologie Prof. Dr. Thomas Kolb

Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut

Prüflaboratorium Gas Jürgen Stenger

Wassertechnologie Dr. Gudrun Abbt-Braun

Gastechnologie Dr. Frank Graf

ITC vgt am CN

Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)


Überblick Engler-Bunte-Institut

Engler-Bunte Institut

Prüflabore Material / Bauteile / Geräte

Regelwerksarbeit / Zertifizierung

Gasqualität / Gasanalytik

Gas-Konditionierung/ -Einspeisung

Prozesskettenbewertung / Zeitskalen

Simulation und Modellierung

Gasanwendung: Wärme / Strom

GasPlus Anwendungs-Technologien

Gaserzeugung und -aufbereitung

Synthese (SNG / FT)



EBI-Aktivitäten im Bereich PtG Verfahrensentwicklung • Wabenmethanisierung • 3-Phasen-Methanisierung • Biologische Methanisierung System- und Prozessanalysen • Wissenschaftliche Begleitung Demoprojekte • Studien zur Integration von PtG ins Energiesystem • Untersuchungen zur Flexibilisierung des Energiesystems • Untersuchungen zur Wasserstoffverträglichkeit der Gasinfrastruktur • Kopplung von Prozessen

Überblick Engler-Bunte-Institut

Gremienarbeit • Regelwerksgremien • F&E-Gremien



1. Hintergrund 2. PtG-Grundlagen und Konzepte 3. Virtueller Stromtransport 4. Entlastung der Stromnetze 5. Fazit

Gliederung W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz


F&E-Themenschwerpunkte im Bereich PtG

Hintergrund

7 Wirtschaftlichkeit und systemanalytische Aspekte

6 Gasbeschaffenheits-/Energiemessung

1 Wasserstoffverträglichkeit der Erdgasinfrastruktur

3 Katalytische Methanisierung

5 Anlagenkonzepte & Betriebsoptimierung

8 Kopplung mit dem Stromnetz

4 Biologische Methanisierung

2 Realmaßstabsversuche Wasserstoffeinspeisung

9 Makroökonomische Rolle von PtG in Energieversorgung



Entwicklung des Primärenergieverbrauchs

• Erdgasabsatz wird in Deutschland stark abnehmen • EE-Gase werden zunehmen

Hintergrund

+ 1100 PJ = 305 TWh EE-Gas Quelle: UBA Treibhaus-gasneutrales D



Strom wird zur Primärenergie

Hintergrund

Quelle: DENA, Integration EE, 2012

Flexibilisierung des Energiesystems durch Entkopplung Erzeugung und Verbrauch notwendig



Hintergrund

Rein strombasierte Speicherung reicht nicht aus

Einspeisung von EE-Gas

Quelle: Fraunhofer IWES 2010



Energiebereitstellung

• Zunehmende Stromnutzung in Sektoren Wärme, Industrie und Mobilität ist zu erwarten, was zu einer Zunahme des Strombedarfs führt Studien erwarten zwischen 600 und 2.800 TWh Bruttostrombedarf

• Volalität und damit verbundene Netzinstabilität nehmen zu • Dezentralisierung der Energieversorgung

Stromtransport- und Stromverteilnetz muss stark ausgebaut werden

Hintergrund W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz

• Strom kann nicht in allen Sektoren direkt eingesetzt werden z.B. Flugverkehr, Fernverkehr, Industrie • Wandlung von Strom in chemische Energieträger PtX wird notwendig

Werbung um Akzeptanz notwendig

Konvergenz von Strom- und Gasnetz schafft somit Flexibilitäten, Kostenoptimierungen und Akzeptanz


Aktivitäten PtG in Deutschland

PtG-Grundlagen und Konzepte W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz

www.dvgw.de/fileadmin/innovation/pdf/ptg_poster.pdf

27 Anlagen gebaut oder in Planung

6 Anlagen größer 1 MW elektrischer Anschlussleistung

13 Anlagen zwischen 0,1 und 1 MW elektrischer Anschlussleistung


Demonstrationsanlage Thüga AG

PtG-Grundlagen und Konzepte

Forschungsvorhaben: „Wissenschaftliche Begleitforschung der Anlagentechnik an der Strom zu Gas-Demonstrationsanlage der Thüga Aktiengesellschaft“


• PEM-Elektrolyse (300 kW, druckbetrieben)

• Betrieb seit Februar 2014 • Wasserstoff 60 m3/h



Audi E-Gas Projekt in Werlte

• drucklose Alkali-Elektrolyse (6 MW) • katalytische Festbett-Methanisierung (Rohrbündelreaktor) mit Salzkühlung • Inbetriebnahme: Juni 2013 • Methangehalt im Produktgas: 92 Vol.-%

www.etogas.de



Demonstrationsanlage Viessmann Gruppe Allendorf

2 3

4

1

1: PEM HD-Elektrolyseur (400 kW) von Schmack Carbotech

2: Biologische Methanisierung: Separater Druckbehälter

3: Verfahrenstechnischer Container: Pumpen, Behälter, Gasanalytik, Temperiersystem

4: Steuerungstechnischer Container: Steuerung, Mess- und Regeltechnik

Inbetriebnahme: März 2015 Methangehalt im Produktgas: 96 Vol.-%

www.viessmann.de/de/presse/ish-2015/Pressetext-09032015-08.html www.biopower2gas.de/


Wirkungsgradverbesserung durch neue PtG-Technologien


www.dvgw-innovation.de/die-projekte/archiv/energiespeicherkonzepte



Wirkungsgradverbesserung durch Prozesskopplung



www.dvgw-innovation.de: DVGW-Forschungsvorhaben: G3 01 012 Technoökonomische Studie von Power-to-Gas-Konzepten


Wirkungsgradverbesserung durch Prozesskopplung



Position Biogasanlage Biomassevergasung Kapazität CH4 1 000 m³/h 5 700 m³/h Strom 9 MW 57 MW Wasserstoff 1 880 m³/h 11 900 m³/h Gesamtwirkungsgrad ohne Wärmeintegration 58 % 58 %

Gesamtwirkungsgrad mit Wärmeintegration 74 % 73 %

Gesamtwirkungsgrad mit Wärme-integration und Wärmeauskopplung 82 % 88 %

Wirkungsgrade können bei geschickten Kombinationen und beim Einsatz neuer Technologien auf über 75 % erhöht werden


DVGW-Forschungsvorhaben u.a. mit Thema virtueller Stromtransport

Virtueller Stromtransport

Quelle: www.dvgw.de

Aufgabe: Untersuchung der Perspektiven und Potenziale von PtG für einen virtuellen Stromtransport zur Entlastung des deutschen Stromnetzes


G 2 01 11 Synergieeffekte Gas- und Stromnetz Nutzung von Gasnetzen und –speichern für die Integration von Strom aus Erneuerbaren Energien und zur Entlastung der Stromnetze

G 8-01-14 Die Rolle von Power-to-Gas im Kontext der Energiewende

Aufgabe: Volkswirtschaftliche Untersuchung der Alternative PtG



Gasnetz zum Transport von Strom

virtueller Stromtransport

Nord-Westen Süd-Westen

PtG-AnlageG

asne

tzGasStrom Gas Strom

Kraftwerk

Vergleich

Strom (HGÜ)

realer Stromtransport bedingt Netzausbau

DVGW-Forschungsvorhaben: „Synergieeffekte Gas- und Stromnetz„


Wechsel-richter

Kraftwerk BHKW µBHKW



Transportverluste im Gasnetz sind bedeutend geringer als die Verluste im Stromnetz

Gasnetz zum Transport von Strom

Ferngas-Transportleitung • 80 bar • 1200 mm Durchmesser • 30 GWchem

• Verluste ca. 0,4 % (500 km)

Höchstspannungs-Freileitung • 380 kV • Wechselstrom • 2 * 1,8 GWelek

• Verluste ca. 5 % (500 km) (HGÜ: ca. 3 %)

Vergleich 8 : 1

1 : 10




Potenzial für einen virtuellen Stromtransport (yH2 = 0,1)

DVGW-Forschungsvorhaben: „Synergieeffekte Gas- und Stromnetz„

Nicht-übertragbare elektrische Leistungen: 22=>23: 4,8 GWel 22=>71: 2,6 GWel Insgesamt: 7,4 GWel Maximale Aufnahmekapazitäten 22: 88,0 GWth für Erdgas 2,8 GWth für EE-H2

Elektrisches Übertragungs-Defizit im Nordwesten

Eig. Darstellung basierend auf dena II [dena 2010]

Elektrisches Übertragungs-Defizit im Nordwesten Entnahmekapazität für Erdgas im Südwesten (Zielregion)

Insgesamt: 51 GW

Gas-Transport/Entnahmekapazitäten im Südwesten reichen für Verstromung gemäß der nichtübertragbaren el. Leistung im Nordwesten völlig aus!

Strom kann im Gasnetz transportiert werden




Zwischenfazit virtueller Transport

• Vermeidung von Kosten durch verzögerten Netzausbau

• Kombination des Transports mit Speicherung möglich und dadurch noch nicht einpreisbare Mehrwerte generieren

• Bei Verkabelung kann PtG ökonomisch eine Alternative darstellen

• Bei teuren Ausbaumaßnahmen für eine geringe Kapazitätserhöhung kann PtG eine Alternative sein



DVGW-Forschungsvorhaben u.a. mit Thema Entlastung Stromnetz

Entlastung Stromnetz

Quelle: www.dvgw.de

Aufgabe: • Beispielhafte Kopplung Stromnetz mit Gasnetz im Verteilnetz der EWE • Vergleich von Netzausbauvarianten mit und ohne Einsatz von PtG in unterschiedlichen

Stromnetzen • Evaluierung der Auswirkungen auf die höheren Spannungsebenen


G 3 03 12 Studie über den Nutzen der PtG-Technologie zur Entlastung der 110-kV-Stromverteilungsnetze

G 8-01-14 Die Rolle von Power-to-Gas im Kontext der Energiewende Aufgabe: Volkswirtschaftliche Untersuchung der Alternative PtG

G 8-02-12 Untersuchung des Beitrags der dezentralen Kraftwärmekopplung zur Deckung der Residuallast aus Erneuerbaren Stromerzeugern und Stromverbrauch Aufgabe: Möglichkeiten der KWK bei der Deckung der Residuallasten unter Beachtung der CO2-Minderungsziele und Endverbraucherkosten im Haushaltsbereich


Definition


MD

MS

ND

NS

BHKWWindenergieanlagen

Photovoltaikanlagen

Thermische Last(Mikro-KWK-Anlagen, Wärmepumpen,

Brennwertkessel, E-Heizer)

Biogas-anlagen

Elektrische Last(inkl. E-Mobility)

Power-to-Gas(Wasserstoff,

Methan)

BivalenteGasvorwärmanlagen

BHKW (Biogas)

Gasnetz Stromnetz

HD

HD: HochdruckMD: MitteldruckND: NiederdruckMS: MittelspannungNS: NiederspannungBHKW: Blockheizkraftwerk

• Kopplungselemente mit Steuerungsmöglichkeit durch Verteilnetzbetreiber (VNB) • Bivalente Gasvorwärmanlagen (GVWA) • Power-to-Gas-Anlagen (PtG)

• Berücksichtigung sonstiger Kopplungselemente (z.B. Mikro-KWK-Anlagen) ohne Steuerungsmöglichkeit durch VNB


Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12


Methodik der Netzkopplung Strom/Gas


• Aufstellen eines energiewirtschaftlichen Rahmens für die Stützjahre 2023, 2033 und 2050 im betrachteten Netzgebiet

• Simulation des Anlageneinsatzes in Strom- und Gasnetzen • Zielnetzplanung für ein reales Netzgebiet im Emsland

Bewertung durch Kostenvergleich von getrennter und gekoppelter Planung von Strom- und Gasnetzen




Zielnetzplanung Strom


Nur PtG-Anlageneinsatz in Abhängigkeit der eingespeisten DEA-Leistung führt zu netzdienlichem Verhalten

Identifikation von Netzengpässen • Überlastung von Leitungen • Überlastung von Transformatoren • Spannungsbandverletzungen

Lösungsoption • Konventioneller Ausbau: Kabelverstärkung, größere Transformatoren,

andere Topologie • Innovativer Ausbau: Einsatz von Smart-Grid-Systemen und regelbaren

Transformatoren • Gekoppelter Ausbau: Einsatz von PtG-Anlagen und GVWA

Auswirkung von PtG-Anlagen auf das Verteilnetz

Spannung ok

Fall 2 PtG AUS, keine DEA-Einspeisung

Spannung zu niedrig

Fall 4: PtG EIN, keine DEA-Einspeisung

Spannung zu hoch

Fall 1: PtG AUS, volle DEA-Einspeisung

Fall 3: PtG EIN, volle DEA-Einspeisung

Spannung ok




Ausbaubedarf im HS-Netz


An vielen Stellen lässt sich die Übertragungsleistung des bestehenden HS-Netzes mit innovativen Betriebsmitteln und Systemen wie TAL*-Beseilung und Leiterseilmonitoring erhöhen. Auf zwei Trassen sind größere Ausbaumaßnahmen notwendig.

0,

HS-TrasseHöS-Trasse

WEA

HöS/HS-UWHS/MS-UW

Ausbaumaßnahmen

Dörpen

Esterwegen

Lathen

Langhold

Niederlangen

Papenburg

Ramsloh

Völlen

Lorup

Stapelmoor Saterland

© ito! map

* TAL: temperaturbeständiges Aluminium




Kapazitätsermittlung Gasnetz

Die stromseitig benötigten Einspeisekapazitäten für die PtGA (5 MW H2, 13 MW CH4) können durch Verlagerung von Lastflüssen im Gasnetz bereitgestellt werden


in Planung

Pel in MW für den Betrachtungsfall „Winter“

StromUmspannwerkHS-FreileitungHöS-Freileitung

GasHD-LeitungMD-Leitung

Gebiet (2023/2033/2050) [MW]

DörpenH2 (1,7/1,4/1,1)CH4 (40/33/17)

Lathen/Haren/Meppen (anteilig)H2 (1,5/1,2/0,9)CH4 (27/20/10)

PapenburgH2 (2,7/2,1/1,6)CH4 (57/43/23)

SögelH2 (2,0/1,5/1,2)CH4 (39/28/12)

FriesoytheH2 (2,3/1,7/1,2)CH4 (29/24/17)

WeenerH2 (3,0/2,4/1,7)CH4 (86/39/21)

LindernH2 (0,5/0,3/0,3)CH4 (9/7/4)

RhauderfehnH2 (2,2/1,7/1,2)CH4 (33/24/12)

SaterlandH2 (0,8/0,6/0,5)CH4 (16/12/6)

Summe der PotenzialeH2 (17/13/10)CH4 (336/232/122)

PtGA, H25 MW

PtGA, CH413 MW




Ökonomische Gesamtbetrachtung der PtG-Technologie: Netzentlastung, Mobilität und Bilanzkreisoptimierung

Netzdienlicher Anlageneinsatz verringert die maximal rückgespeiste Leistung Reduzierter Ausbaubedarf in allen Spannungsebenen


-18 -36 -3 -51 -14

-14

151

81 61 61

168 168

-120

-60

0

60

120

180

240PtG-Anlage

Netzausbau

Markterlöse

Ersparnis im HS-Netz

Ersparnis im MS-Netz

Summe

Gekoppelter Netzausbau

inkl. Einsparungen* in MS+HS-Ebene

gegenüber „Innovativ“

TEUR

Gekoppelter Netzausbau

inkl. Einsparungen* in MS+HS-Ebene

gegenüber Kabelausbau

Annahmen:Alle NS-Netze verfügen über PtG-Anlagen oder Speicher, die netzdienlich eingesetzt werdenPtG-Anlage (H2) mit Pel = 150 kWfür 1.000 EUR/kWBivalente GVWA mit Pel = 35 kWfür 485 EUR/kW

Getrennter Netzausbau

„Konventionell“

Getrennter Netzausbau„Innovativ“

Aus

gabe

n (B

arw

ert 2

018)

*) Einsparungen in MS+HS-Ebene sind anteilig auf alle NS-

Netze aufgeteilt




Nutzung der PtG-Anlage zum Ausgleich von Prognoseabweichungen

Ausgleich der Fehler der Intraday-Prognose durch PtG-Anlagen


-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240

Vermarktung Day-Ahead Vermarktung Day-Ahead + IntradayDelta Vermarktung PtG Intraday-BKM Ist-Einspeisung

Teilw. deutliche Abweichungen zw. Day-Ahead-Prognose und realer

Einspeisung

Leis

tung

MW

Intraday-Prognose wesentlich näher an Ist-Einspeisung

Nutzung der PtG-Anlage zur Ausregelung der verbleibenden Abweichungen zur

Vermeidung von Abregelung

Zeit

¼-h




Regionale Mobilität - Prozessketten


Spezifische Kosten für die regionale Verteilung von Wasserstoff

Vorbereitung für Transport Transport Endbereitung

in TankstelleH2 (30 bar) H2

Pipeline

LKW (gas)

LKW (kryo)

Kompression 800 bar

Verflüssigung

Kompression 800 bar

Vergasung

Druck ausreichend

Druck ausreichend

Pipeline: rohrbasierter Transport von gasförmigem H2

LKW (gas): LKW-basierter Transport von gasförmigem H2

LKW (kryo): LKW-basierter Transport von kryogenem H2




Regionale Mobilität - Kosten

Diese lokalen Nutzungsstrategien können als Keimzellen für eine flächendeckende Wasserstoffversorgung dienen


1

10

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80

spez

ifisc

he K

oste

n

Strecke (Straße) in km

Lkw (gas) Lkw (kryo) Pipeline Lkw (gas) Lkw (kryo) Pipeline

BarßelRamsloh (PtG) VechtaCloppenburgFriesoythe

vom heutigen CNG-Verbrauch abgeleiteter theoretischer H2-Verbrauch: 8.168 kg/azukünftige maximale H2-Produktion z.B. für ÖPNV: 147.694 kg/a

(Zapfsäulen ohne Personalkosten gerechnet)

EUR/kg

• Wasserstoff kann von regional Fahrzeugflotten genutzt werden

• In der regionalen Nutzung ist die günstigste Möglichkeit H2 von der Erzeugung zur Tankstelle zu transportieren meist gasförmig per LKW




Ökonomische Gesamtbetrachtung der PtG-Technologie: Netzentlastung, Mobilität und Bilanzkreisoptimierung

Anwendungen für PtG erfordern deutlich sinkende Anlagenpreise und hohe Lebensdauer bei dynamischer Betriebsweise


Annahmen: Kopplung auf der NS-Ebene Betrieb von 2018 bis 2058 PtG-Anlage(H2) mit Pel = 150 kW

Bivalente GVWA mit Pel = 35 kW

• Bei Anlagenpreisen von 520 EUR/kW für kleine PtG-Anlagen (H2) (inkl. Einspeisung) kann deren Betrieb wirtschaftlich werden

• Bei Anlagenpreisen von 1.400 EUR/kW kann der Einsatz von kleinen PtG-Anlagen bereits günstiger sein im Vergleich zum konventionellem Ausbau mit Erdkabeln auf allen drei Verteilungsnetzebenen (NS, MS, HS)

0

50

100

150

200

250

ErsparnisNS-Netz

ErsparnisMS-Netz

ErsparnisHS-Netz

Markterlöse(Gas)

Mehrerlös(Mobilität)

Erlöse(Bilanzkreis)

Mehrerlös(Kabelausbau

NS-Netz)


MS-Netz)


HS-Netz)*)Barwert 2018

TEUR

Erlö

se/K

oste

nred

uktio

n*de

r PtG

-Anl

age

Innovativer Netzausbau Konventionell und vollständige Verkabelung




Zwischenfazit Entlastung Stromnetz


• Die PtG-Technologie wird in der NS-Ebene wirtschaftlich, wenn diese neue nur für den Einspeisefall benötigte Trassen oder Erdkabel substituiert

• Kopplung auf der unteren Spannungsebenen reduzieren bei netzdienlichem Einsatz signifikant den Ausbaubedarf auf überlagerten Ebenen

• Flexibilität aus PtG-Anlagen kann Abschaltung überschüssiger Energie durch Prognosefehler in EE-Portfolios verhindern

• Wasserstoff kann für regionale Mobilitätsanwendungen, insbesondere im ÖPNV und Flottenbetrieb, eingesetzt werden

• Wasserstoff kann in Industrieanwendungen Methan substitutieren • DSM und PtH sind Konkurrenz zu Stromexporten und nicht für PtG,



1. Hintergrund 2. PtG-Grundlagen und Konzepte 3. Virtueller Stromtransport 4. Entlastung der Stromverteilnetze 5. Fazit



Schlussfolgerung • notwendige Speicherkapazitäten können nur über chemische Speicherung

realisiert werden • durch Prozessintegration können hohe Gesamtwirkungsgrade erzielt und weitere

Synergien gehoben werden • Die Herausforderungen für ein rein strombetriebenes Energiesystems in alle

Sektoren ist sehr hoch bis nicht möglich und würde zu einer erhöhten Stromnachfrage und somit Stromnetzausbau führen

• Das Gasnetz kann als ein Regelelement zur Entlastung des Stromnetzes dem Stromnetz zugeordnet werden und dient zudem als Koppelelement zwischen den Sektoren

• Die Einführung der Wandlungs- und der Anwendungstechnologien stehen kurzfristig zur Verfügung und schaffen einen bezahlbaren Übergang von der fossilen Welt in eine strombasierte Welt

• Die Einbindung von weiteren Sektoren generiert weitere Mehrwerte bzw. Kosteneinsparpotentiale

• Alle Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Netzkopplung signifikante volkswirtschaftliche Vorteile aufweist

Fazit W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz


Fazit

Das Gasnetz ist eine flexible Ergänzung für das Stromnetz der Zukunft


Die Kopplung von Strom- und Gasnetz trägt in Zukunft zu einem funktionierendem Gesamtenergiesystem bei

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Kontakt

Dipl.-Ing. Wolfgang Köppel DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut (EBI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Engler-Bunte-Ring 1-7 76131 Karlsruhe, Germany Tel: +49 (0) 721 96402-23 Sekr.: +49 (0) 721 96402-20 Fax: +49 (0) 721 96402-13 Email: [email protected] http://www.dvgw-ebi.de


http://www.dvgw-ebi.de/





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