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Konvergenz der Energienetze über Power-to-X
Technologien, Potenziale, Rahmenbedingungen, Chancen, Risiken
Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al.
Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher FENES, OTH Regensburg
Baseler Energiedebatte
2019: Power-to-What?
23. September 2019,
Basel, Schweiz
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2
OTH Regensburg – seit 175 Jahren Lehrbetrieb
Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg
Über 11.000 Studierende
Ca. 1.000 Professoren, Mitarbeiter, Lehrbeauftragte
6 Technische Fakultäten, BWL, Sozialwesen
2. Auflage
860 S.
inkl. Sektorenkopplung
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5
Ergebnis Klimapakt Deutschland
Quelle: Rahmstorf, 2019
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6
Inhalt
1) Power-to-X
Was stecken darin für Technologien, Potenziale und Kosten?
2) Konvergenz der Energienetze
Welche Infrastrukturen sind zukunftsfähig?
3) Praxisbeispiele
Welche Möglichkeiten gibt es in der Schweiz?
4) Was zu tun ist
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7
Energiespeicher in Form von Molekülen
(Kohlenwasserstoffe) wurden immer genutzt
Erneuerbar (Holz) Fossil (Kohle, Öl, Gas) Erneuerbar (Gas)
Oberirdisch
100% Erneuerbar
Biomasse
Wind Solar
Wasser
Wasser
Wind
Solar
Biomasse
Energie-
effizienz
⇓ das Backbone unserer Energieversorgung
seit eh und je
Globaler fossiler
Primärenergie-
verbrauch in EJ/a
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8
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, OTHR, S. 9
Quelle: Sterner, 2009
Specht et al, 2010
Power-to-Gas Das Original
Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz
⇓ 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, OTHR, S. 10Quelle: Sterner, Stadler, 2017 und VDI, 2017
Wirkungsgrad Energiespeicher
„Halten“ genauso entscheidend wie Laden und Entladen
Speicherdauer: 1 h
Wirkungsgrad Stromspeicher KZS Batterie: ca. 80 %
Wirkungsgrad Stromspeicher LZS PtG & Gas: ca. 40 %
Speicherdauer: 6 Monate
Wirkungsgrad Stromspeicher KZS Batterie: 0 - 50 %
Wirkungsgrad Stromspeicher LZS PtG & Gas: ca. 40 %
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11Quelle: Thema, Sterner, Greenpeace Energy, 2015
Power-to-Gas trotz Wirkungsgradverluste
kostengünstigster Langzeitspeicher
Vergleich der Speicherkosten
(für 1 kWh nach Zyklendauer)
Weitere Mythen:
- CO2 Quellen zu gering
- Wasserverbrauch zu hoch
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12
Wind und PV sind die günstigsten Energiequellen
mit dem geringsten Flächenverbrauch ⇓ globaler Invest
0
5
10
15
20
25
30
Wind PV Biogas Geothermie Gas &
Dampf
Steinkohle Kernkraft
Quelle: Agora 2013, mit Daten vom Energiewirtschaftlichen Institut zu Köln EWI 2011 – 2013, EEG Nov.
2014
Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO2)
Gestehungskosten für neue Kraftwerke in cent / kWh 2013
Einspeisevergütung England neues AKW: 11,5 ct / kWh für 35 Jahre, inflationsbereinigt
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13Quelle: Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016
Wind + Solar über Sektorenkopplung zur Dekarbonisierg.
von Wärme, Mobilität, Industrie nutzen, Gas = Drehscheibe
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14
Modell SPIKE - Optimierung nach VWL-Kosten
Quelle: eigene Darstellung
Bisher 227 Technologiepfade der Sektorenkopplung
- 22 Strom
- 53 Wärme
- 23 Verkehr
- 129 Industrie
Input: > 100 T Datensätze
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15
Im Modell abgebildete Sektorenkopplungspfade
Quelle: eigene Darstellung
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16
Im Modell abgebildete Sektorenkopplungspfade
Quelle: eigene Darstellung
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17
Kostenoptimiertes Gesamtszenario
Source: FENES for SMARAGD, DVGW 2018
Basis = 95 % Defossilisierung
Alle EE auf ein max. ausgebaut
Strombedarf verdoppelt durch
Sektorenkopplung
Paris fail:
Stromsektor wird erneuerbar,
aber aus anderen Sektoren kein Pull
für PtX, weil alles mit fossilem Gas
gedeckt wird
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18
Paris fail – Viel Erdgas, wenig Speicher und Power-to-X
Source: FENES for SMARAGD, DVGW 2018
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19
Basic – Komplette Defossilisierung über Wind + Solar
Source: FENES for SMARAGD, DVGW 2018
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20
Kosten von PtX-Produkten: Kraft- und Brennstoffe
Geplantes Markteinführungsprogramm in Deutschland
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21
Inhalt
1) Power-to-X
Was stecken darin für Technologien, Potenziale und Kosten?
2) Konvergenz der Energienetze
Welche Infrastrukturen sind zukunftsfähig?
3) Praxisbeispiele
Wo hakt es? Welche Möglichkeiten gibt es in der Schweiz?
4) Was zu tun ist
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22
Gesamtbild: Wir brauchen Netze und Speicher
Quelle: Sterner, Stadler, 2014
Erzeugung
Verteilung
Speicherung
Verbrauch
zentral
vs.
dezentral
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23
Der Ausbau der Erneuerbaren Energien
muss nicht auf Stromspeicher warten.
Wir brauchen vorerst keine neuen Stromspeicher,
wenn wir vollen Netzausbau annehmen
und verfügbare alternative Flexibilitäten.
Langfristig senken Speicher die Gesamtsystemkosten.
Ergebniskommunikation ...
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24
Gegenüberstellung des geplanten Netzausbaus
und der bis dato umgesetzten Trassenkilometer
Quelle: Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte
Erdverkabelung
+ 15 Mrd. EUR
⇓ Gemeinsame Strom- und
Gasnetzplanung (NEP)
⇓ „All electric“ ist nicht ausreichend
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25
Reality Check: Stark steigende Netzengpasskosten
Zusätzliche Kraftwerke im Süden (Redispatch)
Windstrom wegwerfen im Norden (EinsMan)
Quelle: Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte
⇓ Speicher als Redundanz
zum Netzausbau angehen,
in Netzausbaugebieten zulassen
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26
Was sind Energiespeicher?
Kohlehalden
Wärme-
speicher
Pump-
speicher
... viel mehr als Batterien!
Kurzzeit: Bat., Pumpspeicher
Langzeit: Power-to-Gas
Quelle: Sterner, Stadler, 2014, zusätzl. Bilder v. Google Pictures
Gasspeicher
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27
Begrenzungen
1. Speicherwasserkraft nicht gleich Pumpspeicher
2. Vermischung Salz- und Süßwasser
3. Stromnetzausbau in den Ländern notwendig
4. Europa braucht die Kapazitäten ebenfalls
5. Bei Extremwetter nicht verfügbar
(Sommer 2018: Importe: +30 % Stromkosten)
Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015
Pumpspeicher: robust, aber begrenzte Standorte
Option „flexible skandinavische Wasserkraft“ ist ebenfalls begrenzt
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28
Gasspeicher sind ausreichend vorhanden
Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls
66 GW Gaskraftwerke
⇓ 3 Monate Versorgung sichern
Transportkapazität:
438.000 km Gasleitungen vorhanden!
Speicherkapazität:
ca. 337 TWh
= 337 Mrd. kWh
= ca. 70 Mrd.
Hausbatteriespeicher
(vereinfacht)
= ca. 5000 x alle deutschen Pumpspeicher
Pumpspeicher
Gasspeicher
Batterien
(42 Mio. Kfz (Theorie)
Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015
H2: 2 % möglich, perspekt. 10 %, verbrauchsabh. begrenzt
Methan: 100 % bereits heute unbegrenzt möglich
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29
Power-to-Gas Anlagen
Audi Anlage in Niedersachsen Uniper Anlage in Hamburg
Quelle: E-On, Audi, Viessmann, 2012-14
Viessmann Anlage in Hessen
Elektrolyse Methanisierung (MAN)
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30
Versorgungssicherheit
Bedarf
Stromleitungen sind keine Versorgungssicherheit
⇓ nur wenn Kraftwerke und Speicher dahinter sind
(Kohleausstieg, Nachbarländer?)
Quelle: Sterner et al. zum Energiegipfel 2018, Fraunhofer, BMWi, etc.
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31
Versorgungssicherheit
Status Quo
Quelle: Sterner et al. zum Energiegipfel 2018, Fraunhofer, BMWi, etc.
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32
Versorgungssicherheit
Kapazitätslücke schließen durch Speicher und Gaskraft/KWK
Quelle: Sterner et al. zum Energiegipfel 2018, Fraunhofer, BMWi, etc.
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33
Gesicherte Leistung kommt am Ende des Tages
überwiegend aus (grüner) Gaskraft / KWK
Import (RE)
Biomass
Hydro
Geothermal
PV
Wind
Onshore
Wind
Offshore
Source: UBA & Sterner, 2010
Gesicherte Leistung GW
Gaskraft / KWK + Gasspeicher
(Power-to-Gas & Biogas)
72
Pumpspeicher 8
Geothermie 6
Laufwasser 2
Wind, PV 0
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34
Das Speicherproblem ist technisch gelöst –
es gibt ausreichend Kapazitäten für den Kohleausstieg
FENES – AP5 VWL SMARAGD Nagl, Eckert, Hofrichter, Bauer, Graf, Sterner
Kohle/Atomausstieg
Pumpspeicher
Gasspeicher
Batterien
42 Mio. Kfz
(Theorie)
Gasinfrastruktur = Flexibilität
Speicherkapazität:
5000 x soviel wie Strom
Transportkapazität:
ca. 4 x soviel wie Strom
Nord-Süd - Strom:
18 GW, Gas: 75 GWSpeichereinstieg
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35
Fazit PtG als Stromspeicher & PtG für Wärme
⇓ Notwendigkeit für grünes Gas (PtG & Biogas) gegeben
KWK in hochverdichteten Räumen, Prozesswärme
Power-to-Heat (v. a. Wärmepumpen): Efficiency 1st, aber:
- Nicht in allen Bereichen nutzbar (Hochtemperatur)
- Saisonale Verfügbarkeit von Wärmesenken
- Austausch alter Heizungssysteme im Bestand? (Vorlauftemp.)
Mehrwöchige Dunkelflaute? Saisonale Energiespeicherung?
⇓ SK notwendig - über Power-to-Gas durch vorhandene
Infrastruktur und geringer Selbstentladung die
effizienteste und kostengünstigste Lösung
⇓ Speicher als 4. Element im Strom analog zu Gas
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36Quelle: eigene Darstellung
Nachhaltige Mobilität
Grundsätzlich: 3 „Kraftstoffe“ – 2 Antriebe
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37Quelle: eigene Darstellung
Pfad synth. Kraftstoffe
Power-to-Gas / Power-to-Liquid
Elektrolyse zentrales Element in allen PtX-Pfaden
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38Einschätzung Sterner Lambrecht auf Basis zahlreicher Quellen – u. a. MKS, BMVi, DLR, LBST, DBFZ, Agora
Vieles, aber nicht alles ist direkt elektrifizierbar
Wind- und Solarkraftstoffe (Power Fuels) für nicht-elektrifizierbare
Mobilität: Flug, Schiff, Schwerlast
Flüssige & gasförmige synth. KS passen perfekt in vorhandene
Infrastruktur, Wasserstoff und Oberleitungen nicht
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39
Strombezug entscheidend für € und Ökologie
Offshore Plattformen oder Küstennähe für Windgas
hohe Auslastung, hohe Akzeptanz, hohe Wirkungsgrade
Source: www.segelenergie.de
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40
Mobilität braucht Power-to-Gas und PtX
E-Mobilität (Batterie, Oberleitung): Efficiency 1st, aber:
- Nicht in allen Bereichen nutzbar (Flug, Schiff, Schwerlast)
- Herausforderungen: Rohstoffe und Recycling,
Ladeinfrastruktur, Emissionen Herstellung
- Strombezug für Klimawirkung entscheidend ⇓ Erneuerbare
Biokraftstoffe in nachhaltigem Potential und Akzeptanz begrenzt
⇓ Notwendigkeit für synth. Kraftstoffe gegeben
Herausforderungen: Entwicklungsstand und Kosten
⇓ Branchen- und ressortübergreifender Ansatz
Energie – Chemie – Mineralöl & Gas - Automotive – Minist.
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41Quelle: Sterner, Stadler, 2014
Infrastruktur (Netze, Speicher) verbindet Erzeugung & Verbrauch
100 % erneuerbares Energiesystem in allen Sektoren
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42
Inhalt
1) Power-to-X
Was stecken darin für Technologien, Potenziale und Kosten?
2) Konvergenz der Energienetze
Welche Infrastrukturen sind zukunftsfähig?
3) Praxisbeispiele
Welche Möglichkeiten gibt es in der Schweiz?
4) Was zu tun ist
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43
Power-to-Gas in der Schweiz
Beispiel Solothurn – EU-Projekt Store & Go
Quelle: Schirrmeister, 2019
700 kW
Elektrolyse
Biologische
Methanisierung
CO2 aus
Kläranlage
Strom: PV +
Hydro
Gas-Verteilnetz
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44
, Müllverbrennung (KVA)
, Kläranlagen (ARA)
, Zementwerke (CEM)
, Biogas
, Industrie
, Luft
(Climeworks)
CO2 Quellen Zement KVA
ARA - all- ARA (>10’000 EW- ARA (>30’000 EW-
4.3% 18.8%
98.4%
© 2018 swisstopo (JD160090)
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
CO2-Quellen in CH
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 45
Bei der CO2 Quelle
, Stromnetzentgelte (~4.5 Rp/kWh)
, Kein CO2 Transport
, Nähe zum Gasnetz (Einspeisung)
, Potential: 7 GWel
Bei der Wasserkraft
, Große inst. Leistung (> 100 MW)
, Direkter Stromverbrauch
⇓ Keine Übertragungsverluste
, Keine Stromnetzentgelte (Eigenverbrauch)
, Braucht CO2 Transport (Flüssig etc.)
, Kein Gasnetz in den Bergen
, Potential: 1 GWel
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
PtG-Standort: Strom, CO2, Gas zusammenbringen
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 46
Annahme:
Max. CO2 Transportradius 10 km
Verfügbare Wasserkraft Verfügbares CO2
© 2018 swisstopo (JD160090)
[0 - ~3000] GWhSNG[0 - ~900] GWhSNG
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
PtG-Standort: GIS-Analyse Wasserkraft & CO2
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 47
Kombiniertes nutzbares Pot.
[0,~500] GWhSNG
Nicht-nutzbares Pot.
[-2500,2500] GWhSNG
Wasserkraft CO2
© 2018 swisstopo (JD160090)
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
PtG-Standort: Nutzbares & nicht-nutzbares Potenzial
Wasserkraft & CO2
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 48
© 2018 swisstopo (JD160090)
0.5 – 1 MWel 1 – 5 MWel
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
Nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2
Mögliche kleine PtG-Standorte
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 49
© 2018 swisstopo (JD160090)
5 – 20 MWel 50 – 100 MWel
Kein Match zw. 20 – 50 MWel
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
Nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2
Mögliche mittlere PtG-Standorte
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 50
© 2018 swisstopo (JD160090)
100 – 400
MWel
- 400 MWel
Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019
Nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2
Mögliche große PtG-Standorte
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 51
Noch offen: PV + CO2 PV-Potenzial in CH
µ BFE-Projekt Sonnendach.ch: 65% der CH Dachflächen «geeignet» ⇓
max. 50 TWh
µ Annahme: Ersatz von 25 TWh aus AKW
⇓ Ausbau 50% der geeigneten Dachflächen
⇓ ~25 TWh PV Strom pro Jahr
«Geeignete» Dachflächen (in %) PV Potential (in GWh)
Quelle: Teske, Rüdisüli, EMPA & BFE, 2019
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 52
Inhalt
1) Power-to-Gas
Technik & Status Quo - Wo stehen wir?
2) Rolle von (grünem) Gas in der zukünftigen Energieversorgung -
reicht die Strominfrastruktur?
3) Bedeutung von PtG für Stadtwerke
Beispiele aus der Praxis und Möglichkeiten in der Schweiz
4) Was zu tun ist
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 53
3 Grundsätze der Sektorenkopplung
1. Strombezug: Erneuerbare
2. Speicher: überall benötigt
3. Infrastruktur: mehr als eine
Quelle: Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016
Sektorenkopplung erhöht EE-Ausbaubedarf ⇓ Ziele anpassen
Nutzung von EE-Strom senkt Primärenergiebedarf insgesamt
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 54
Paris umsetzen = Power-to-X wird Weltmarkt
BRD ist führend, Entwicklung aber zunehmend international
Quelle: M. Thema, F. Bauer, and M. Sterner, “Power-to-Gas: Electrolysis and methanation status review,”
Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 112, pp. 775–787, 2019.
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 55
Keine Einordnung von Speichern als 4. Element im EnWG
⇓ Power-to-Gas derzeit nicht wirtschaftlich
Wirtschaftlichkeit dennoch nicht gegeben,
aufgrund Belastung durch Abgaben und Steuern
da Einstufung als Letztverbraucher
Ideale Annahmen:
- Invest: 0 €
- Wirkungsgrad: 100 %
§ = ?
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 56
Rahmenbedingungen verzerrt bzw. stark ideologisch geprägt
Alles separat geregelt, nichts übergreifend (Strom, Gas, Fuels...)
Quelle: Lenck et al – Agora; Optionen für eine Reform der Entgelte, Steuern, Abgaben und Umlagen, 2017
⇓ Große Reform von Steuern, Abgaben, Umlagen nötig, um
Sektorenkopplung in Gang zu bringen
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 57
Warum Power-to-X?
Quelle: FENES für SMARAGD, DVGW 2018
1. Klimaschutzziele im Verkehr / Industrie nicht ohne PtX erreichbar
2. Versorgungssicherheit nur mit PtX gewährleistet (Speicher, Rohstoffe)
3. Geringere Systemkosten mit PtX (Strom, Klima)
⇓ Barrieren zwischen den Sektoren beseitigen
AH1
Folie 57
AH1 Nach der 37. BImSchV können nun auch e-Gase zur Erfüllung der THG-Minderungsquote nach § 37a
BImschG genutzt werden. Dies könnte zu einer vermehrten Nutzung von e-Gasen im Verkehr führen. Allerdings bestehen bei den Regelungen
in § 37a – 37g
BImschG einige Unklarheiten und Hemmnisse, die die Effektivität dieser Bestimmungen in Frage stellen.Erwähnenswert für die Nutzung speziell
von e-Gasen ist jedoch, dass die 38. BImSchV im Referentenentwurf
(noch nicht verabschiedet und in Kraft getreten) einen Mindestanteil fortschrittlicher Kraftstoffe im Versorgermix vorschreibt. An dieser Stelle
ist auf die Kritik,
dass die Progression des Mindestanteils (0,05% in 2020 bis 0,5% in 2025) zu wenig ambitioniert sei, hinzuweisen.
Andreas Hofrichter; 28.11.2017
Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 58
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner
+ 49 – (0) 941 – 943 9888
michael.sterner a oth-regensburg.de
www.fenes.net
www.power-to-gas.de
Vielen Dank
2. Auflage
860 S.
Inkl. Sektorenkopplung

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Vortrag von Prof. Sterner, vom Institut für Energiespeicher Regensburg der Ostbayrischen Technischen Hochschule Regensburg.

  • 1. Konvergenz der Energienetze über Power-to-X Technologien, Potenziale, Rahmenbedingungen, Chancen, Risiken Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher FENES, OTH Regensburg Baseler Energiedebatte 2019: Power-to-What? 23. September 2019, Basel, Schweiz
  • 2. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2 OTH Regensburg – seit 175 Jahren Lehrbetrieb Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg Über 11.000 Studierende Ca. 1.000 Professoren, Mitarbeiter, Lehrbeauftragte 6 Technische Fakultäten, BWL, Sozialwesen 2. Auflage 860 S. inkl. Sektorenkopplung
  • 3. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3
  • 4. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4
  • 5. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5 Ergebnis Klimapakt Deutschland Quelle: Rahmstorf, 2019
  • 6. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6 Inhalt 1) Power-to-X Was stecken darin für Technologien, Potenziale und Kosten? 2) Konvergenz der Energienetze Welche Infrastrukturen sind zukunftsfähig? 3) Praxisbeispiele Welche Möglichkeiten gibt es in der Schweiz? 4) Was zu tun ist
  • 7. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7 Energiespeicher in Form von Molekülen (Kohlenwasserstoffe) wurden immer genutzt Erneuerbar (Holz) Fossil (Kohle, Öl, Gas) Erneuerbar (Gas) Oberirdisch 100% Erneuerbar Biomasse Wind Solar Wasser Wasser Wind Solar Biomasse Energie- effizienz ⇓ das Backbone unserer Energieversorgung seit eh und je Globaler fossiler Primärenergie- verbrauch in EJ/a
  • 8. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8 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
  • 9. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9 Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010 Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz ⇓ 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
  • 10. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10Quelle: Sterner, Stadler, 2017 und VDI, 2017 Wirkungsgrad Energiespeicher „Halten“ genauso entscheidend wie Laden und Entladen Speicherdauer: 1 h Wirkungsgrad Stromspeicher KZS Batterie: ca. 80 % Wirkungsgrad Stromspeicher LZS PtG & Gas: ca. 40 % Speicherdauer: 6 Monate Wirkungsgrad Stromspeicher KZS Batterie: 0 - 50 % Wirkungsgrad Stromspeicher LZS PtG & Gas: ca. 40 %
  • 11. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11Quelle: Thema, Sterner, Greenpeace Energy, 2015 Power-to-Gas trotz Wirkungsgradverluste kostengünstigster Langzeitspeicher Vergleich der Speicherkosten (für 1 kWh nach Zyklendauer) Weitere Mythen: - CO2 Quellen zu gering - Wasserverbrauch zu hoch
  • 12. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12 Wind und PV sind die günstigsten Energiequellen mit dem geringsten Flächenverbrauch ⇓ globaler Invest 0 5 10 15 20 25 30 Wind PV Biogas Geothermie Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft Quelle: Agora 2013, mit Daten vom Energiewirtschaftlichen Institut zu Köln EWI 2011 – 2013, EEG Nov. 2014 Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO2) Gestehungskosten für neue Kraftwerke in cent / kWh 2013 Einspeisevergütung England neues AKW: 11,5 ct / kWh für 35 Jahre, inflationsbereinigt
  • 13. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13Quelle: Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016 Wind + Solar über Sektorenkopplung zur Dekarbonisierg. von Wärme, Mobilität, Industrie nutzen, Gas = Drehscheibe
  • 14. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14 Modell SPIKE - Optimierung nach VWL-Kosten Quelle: eigene Darstellung Bisher 227 Technologiepfade der Sektorenkopplung - 22 Strom - 53 Wärme - 23 Verkehr - 129 Industrie Input: > 100 T Datensätze
  • 15. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15 Im Modell abgebildete Sektorenkopplungspfade Quelle: eigene Darstellung
  • 16. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16 Im Modell abgebildete Sektorenkopplungspfade Quelle: eigene Darstellung
  • 17. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17 Kostenoptimiertes Gesamtszenario Source: FENES for SMARAGD, DVGW 2018 Basis = 95 % Defossilisierung Alle EE auf ein max. ausgebaut Strombedarf verdoppelt durch Sektorenkopplung Paris fail: Stromsektor wird erneuerbar, aber aus anderen Sektoren kein Pull für PtX, weil alles mit fossilem Gas gedeckt wird
  • 18. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18 Paris fail – Viel Erdgas, wenig Speicher und Power-to-X Source: FENES for SMARAGD, DVGW 2018
  • 19. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19 Basic – Komplette Defossilisierung über Wind + Solar Source: FENES for SMARAGD, DVGW 2018
  • 20. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20 Kosten von PtX-Produkten: Kraft- und Brennstoffe Geplantes Markteinführungsprogramm in Deutschland
  • 21. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21 Inhalt 1) Power-to-X Was stecken darin für Technologien, Potenziale und Kosten? 2) Konvergenz der Energienetze Welche Infrastrukturen sind zukunftsfähig? 3) Praxisbeispiele Wo hakt es? Welche Möglichkeiten gibt es in der Schweiz? 4) Was zu tun ist
  • 22. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22 Gesamtbild: Wir brauchen Netze und Speicher Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Erzeugung Verteilung Speicherung Verbrauch zentral vs. dezentral
  • 23. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23 Der Ausbau der Erneuerbaren Energien muss nicht auf Stromspeicher warten. Wir brauchen vorerst keine neuen Stromspeicher, wenn wir vollen Netzausbau annehmen und verfügbare alternative Flexibilitäten. Langfristig senken Speicher die Gesamtsystemkosten. Ergebniskommunikation ...
  • 24. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24 Gegenüberstellung des geplanten Netzausbaus und der bis dato umgesetzten Trassenkilometer Quelle: Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte Erdverkabelung + 15 Mrd. EUR ⇓ Gemeinsame Strom- und Gasnetzplanung (NEP) ⇓ „All electric“ ist nicht ausreichend
  • 25. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25 Reality Check: Stark steigende Netzengpasskosten Zusätzliche Kraftwerke im Süden (Redispatch) Windstrom wegwerfen im Norden (EinsMan) Quelle: Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte ⇓ Speicher als Redundanz zum Netzausbau angehen, in Netzausbaugebieten zulassen
  • 26. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26 Was sind Energiespeicher? Kohlehalden Wärme- speicher Pump- speicher ... viel mehr als Batterien! Kurzzeit: Bat., Pumpspeicher Langzeit: Power-to-Gas Quelle: Sterner, Stadler, 2014, zusätzl. Bilder v. Google Pictures Gasspeicher
  • 27. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27 Begrenzungen 1. Speicherwasserkraft nicht gleich Pumpspeicher 2. Vermischung Salz- und Süßwasser 3. Stromnetzausbau in den Ländern notwendig 4. Europa braucht die Kapazitäten ebenfalls 5. Bei Extremwetter nicht verfügbar (Sommer 2018: Importe: +30 % Stromkosten) Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Pumpspeicher: robust, aber begrenzte Standorte Option „flexible skandinavische Wasserkraft“ ist ebenfalls begrenzt
  • 28. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28 Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls 66 GW Gaskraftwerke ⇓ 3 Monate Versorgung sichern Transportkapazität: 438.000 km Gasleitungen vorhanden! Speicherkapazität: ca. 337 TWh = 337 Mrd. kWh = ca. 70 Mrd. Hausbatteriespeicher (vereinfacht) = ca. 5000 x alle deutschen Pumpspeicher Pumpspeicher Gasspeicher Batterien (42 Mio. Kfz (Theorie) Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 H2: 2 % möglich, perspekt. 10 %, verbrauchsabh. begrenzt Methan: 100 % bereits heute unbegrenzt möglich
  • 29. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29 Power-to-Gas Anlagen Audi Anlage in Niedersachsen Uniper Anlage in Hamburg Quelle: E-On, Audi, Viessmann, 2012-14 Viessmann Anlage in Hessen Elektrolyse Methanisierung (MAN)
  • 30. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30 Versorgungssicherheit Bedarf Stromleitungen sind keine Versorgungssicherheit ⇓ nur wenn Kraftwerke und Speicher dahinter sind (Kohleausstieg, Nachbarländer?) Quelle: Sterner et al. zum Energiegipfel 2018, Fraunhofer, BMWi, etc.
  • 31. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31 Versorgungssicherheit Status Quo Quelle: Sterner et al. zum Energiegipfel 2018, Fraunhofer, BMWi, etc.
  • 32. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32 Versorgungssicherheit Kapazitätslücke schließen durch Speicher und Gaskraft/KWK Quelle: Sterner et al. zum Energiegipfel 2018, Fraunhofer, BMWi, etc.
  • 33. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33 Gesicherte Leistung kommt am Ende des Tages überwiegend aus (grüner) Gaskraft / KWK Import (RE) Biomass Hydro Geothermal PV Wind Onshore Wind Offshore Source: UBA & Sterner, 2010 Gesicherte Leistung GW Gaskraft / KWK + Gasspeicher (Power-to-Gas & Biogas) 72 Pumpspeicher 8 Geothermie 6 Laufwasser 2 Wind, PV 0
  • 34. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34 Das Speicherproblem ist technisch gelöst – es gibt ausreichend Kapazitäten für den Kohleausstieg FENES – AP5 VWL SMARAGD Nagl, Eckert, Hofrichter, Bauer, Graf, Sterner Kohle/Atomausstieg Pumpspeicher Gasspeicher Batterien 42 Mio. Kfz (Theorie) Gasinfrastruktur = Flexibilität Speicherkapazität: 5000 x soviel wie Strom Transportkapazität: ca. 4 x soviel wie Strom Nord-Süd - Strom: 18 GW, Gas: 75 GWSpeichereinstieg
  • 35. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35 Fazit PtG als Stromspeicher & PtG für Wärme ⇓ Notwendigkeit für grünes Gas (PtG & Biogas) gegeben KWK in hochverdichteten Räumen, Prozesswärme Power-to-Heat (v. a. Wärmepumpen): Efficiency 1st, aber: - Nicht in allen Bereichen nutzbar (Hochtemperatur) - Saisonale Verfügbarkeit von Wärmesenken - Austausch alter Heizungssysteme im Bestand? (Vorlauftemp.) Mehrwöchige Dunkelflaute? Saisonale Energiespeicherung? ⇓ SK notwendig - über Power-to-Gas durch vorhandene Infrastruktur und geringer Selbstentladung die effizienteste und kostengünstigste Lösung ⇓ Speicher als 4. Element im Strom analog zu Gas
  • 36. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36Quelle: eigene Darstellung Nachhaltige Mobilität Grundsätzlich: 3 „Kraftstoffe“ – 2 Antriebe
  • 37. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37Quelle: eigene Darstellung Pfad synth. Kraftstoffe Power-to-Gas / Power-to-Liquid Elektrolyse zentrales Element in allen PtX-Pfaden
  • 38. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38Einschätzung Sterner Lambrecht auf Basis zahlreicher Quellen – u. a. MKS, BMVi, DLR, LBST, DBFZ, Agora Vieles, aber nicht alles ist direkt elektrifizierbar Wind- und Solarkraftstoffe (Power Fuels) für nicht-elektrifizierbare Mobilität: Flug, Schiff, Schwerlast Flüssige & gasförmige synth. KS passen perfekt in vorhandene Infrastruktur, Wasserstoff und Oberleitungen nicht
  • 39. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39 Strombezug entscheidend für € und Ökologie Offshore Plattformen oder Küstennähe für Windgas hohe Auslastung, hohe Akzeptanz, hohe Wirkungsgrade Source: www.segelenergie.de
  • 40. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40 Mobilität braucht Power-to-Gas und PtX E-Mobilität (Batterie, Oberleitung): Efficiency 1st, aber: - Nicht in allen Bereichen nutzbar (Flug, Schiff, Schwerlast) - Herausforderungen: Rohstoffe und Recycling, Ladeinfrastruktur, Emissionen Herstellung - Strombezug für Klimawirkung entscheidend ⇓ Erneuerbare Biokraftstoffe in nachhaltigem Potential und Akzeptanz begrenzt ⇓ Notwendigkeit für synth. Kraftstoffe gegeben Herausforderungen: Entwicklungsstand und Kosten ⇓ Branchen- und ressortübergreifender Ansatz Energie – Chemie – Mineralöl & Gas - Automotive – Minist.
  • 41. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Infrastruktur (Netze, Speicher) verbindet Erzeugung & Verbrauch 100 % erneuerbares Energiesystem in allen Sektoren
  • 42. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42 Inhalt 1) Power-to-X Was stecken darin für Technologien, Potenziale und Kosten? 2) Konvergenz der Energienetze Welche Infrastrukturen sind zukunftsfähig? 3) Praxisbeispiele Welche Möglichkeiten gibt es in der Schweiz? 4) Was zu tun ist
  • 43. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43 Power-to-Gas in der Schweiz Beispiel Solothurn – EU-Projekt Store & Go Quelle: Schirrmeister, 2019 700 kW Elektrolyse Biologische Methanisierung CO2 aus Kläranlage Strom: PV + Hydro Gas-Verteilnetz
  • 44. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44 , Müllverbrennung (KVA) , Kläranlagen (ARA) , Zementwerke (CEM) , Biogas , Industrie , Luft (Climeworks) CO2 Quellen Zement KVA ARA - all- ARA (>10’000 EW- ARA (>30’000 EW- 4.3% 18.8% 98.4% © 2018 swisstopo (JD160090) Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 CO2-Quellen in CH
  • 45. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 45 Bei der CO2 Quelle , Stromnetzentgelte (~4.5 Rp/kWh) , Kein CO2 Transport , Nähe zum Gasnetz (Einspeisung) , Potential: 7 GWel Bei der Wasserkraft , Große inst. Leistung (> 100 MW) , Direkter Stromverbrauch ⇓ Keine Übertragungsverluste , Keine Stromnetzentgelte (Eigenverbrauch) , Braucht CO2 Transport (Flüssig etc.) , Kein Gasnetz in den Bergen , Potential: 1 GWel Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 PtG-Standort: Strom, CO2, Gas zusammenbringen
  • 46. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 46 Annahme: Max. CO2 Transportradius 10 km Verfügbare Wasserkraft Verfügbares CO2 © 2018 swisstopo (JD160090) [0 - ~3000] GWhSNG[0 - ~900] GWhSNG Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 PtG-Standort: GIS-Analyse Wasserkraft & CO2
  • 47. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 47 Kombiniertes nutzbares Pot. [0,~500] GWhSNG Nicht-nutzbares Pot. [-2500,2500] GWhSNG Wasserkraft CO2 © 2018 swisstopo (JD160090) Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 PtG-Standort: Nutzbares & nicht-nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2
  • 48. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 48 © 2018 swisstopo (JD160090) 0.5 – 1 MWel 1 – 5 MWel Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 Nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2 Mögliche kleine PtG-Standorte
  • 49. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 49 © 2018 swisstopo (JD160090) 5 – 20 MWel 50 – 100 MWel Kein Match zw. 20 – 50 MWel Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 Nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2 Mögliche mittlere PtG-Standorte
  • 50. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 50 © 2018 swisstopo (JD160090) 100 – 400 MWel - 400 MWel Quelle: Teske, Rüdisüli, 2019 Nutzbares Potenzial Wasserkraft & CO2 Mögliche große PtG-Standorte
  • 51. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 51 Noch offen: PV + CO2 PV-Potenzial in CH µ BFE-Projekt Sonnendach.ch: 65% der CH Dachflächen «geeignet» ⇓ max. 50 TWh µ Annahme: Ersatz von 25 TWh aus AKW ⇓ Ausbau 50% der geeigneten Dachflächen ⇓ ~25 TWh PV Strom pro Jahr «Geeignete» Dachflächen (in %) PV Potential (in GWh) Quelle: Teske, Rüdisüli, EMPA & BFE, 2019
  • 52. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 52 Inhalt 1) Power-to-Gas Technik & Status Quo - Wo stehen wir? 2) Rolle von (grünem) Gas in der zukünftigen Energieversorgung - reicht die Strominfrastruktur? 3) Bedeutung von PtG für Stadtwerke Beispiele aus der Praxis und Möglichkeiten in der Schweiz 4) Was zu tun ist
  • 53. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 53 3 Grundsätze der Sektorenkopplung 1. Strombezug: Erneuerbare 2. Speicher: überall benötigt 3. Infrastruktur: mehr als eine Quelle: Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016 Sektorenkopplung erhöht EE-Ausbaubedarf ⇓ Ziele anpassen Nutzung von EE-Strom senkt Primärenergiebedarf insgesamt
  • 54. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 54 Paris umsetzen = Power-to-X wird Weltmarkt BRD ist führend, Entwicklung aber zunehmend international Quelle: M. Thema, F. Bauer, and M. Sterner, “Power-to-Gas: Electrolysis and methanation status review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 112, pp. 775–787, 2019.
  • 55. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 55 Keine Einordnung von Speichern als 4. Element im EnWG ⇓ Power-to-Gas derzeit nicht wirtschaftlich Wirtschaftlichkeit dennoch nicht gegeben, aufgrund Belastung durch Abgaben und Steuern da Einstufung als Letztverbraucher Ideale Annahmen: - Invest: 0 € - Wirkungsgrad: 100 % § = ?
  • 56. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 56 Rahmenbedingungen verzerrt bzw. stark ideologisch geprägt Alles separat geregelt, nichts übergreifend (Strom, Gas, Fuels...) Quelle: Lenck et al – Agora; Optionen für eine Reform der Entgelte, Steuern, Abgaben und Umlagen, 2017 ⇓ Große Reform von Steuern, Abgaben, Umlagen nötig, um Sektorenkopplung in Gang zu bringen
  • 57. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 57 Warum Power-to-X? Quelle: FENES für SMARAGD, DVGW 2018 1. Klimaschutzziele im Verkehr / Industrie nicht ohne PtX erreichbar 2. Versorgungssicherheit nur mit PtX gewährleistet (Speicher, Rohstoffe) 3. Geringere Systemkosten mit PtX (Strom, Klima) ⇓ Barrieren zwischen den Sektoren beseitigen AH1
  • 58. Folie 57 AH1 Nach der 37. BImSchV können nun auch e-Gase zur Erfüllung der THG-Minderungsquote nach § 37a BImschG genutzt werden. Dies könnte zu einer vermehrten Nutzung von e-Gasen im Verkehr führen. Allerdings bestehen bei den Regelungen in § 37a – 37g BImschG einige Unklarheiten und Hemmnisse, die die Effektivität dieser Bestimmungen in Frage stellen.Erwähnenswert für die Nutzung speziell von e-Gasen ist jedoch, dass die 38. BImSchV im Referentenentwurf (noch nicht verabschiedet und in Kraft getreten) einen Mindestanteil fortschrittlicher Kraftstoffe im Versorgermix vorschreibt. An dieser Stelle ist auf die Kritik, dass die Progression des Mindestanteils (0,05% in 2020 bis 0,5% in 2025) zu wenig ambitioniert sei, hinzuweisen. Andreas Hofrichter; 28.11.2017
  • 59. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 58 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner + 49 – (0) 941 – 943 9888 michael.sterner a oth-regensburg.de www.fenes.net www.power-to-gas.de Vielen Dank 2. Auflage 860 S. Inkl. Sektorenkopplung