Das Zusammenwachsen von Strom & Gas zur Bewältigung der Energiewende
Das Zusammenwachsen von Strom & Gas zur Bewältigung der Energiewende
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<strong>Das</strong> <strong>Zusammenwachsen</strong> <strong>von</strong><br />
<strong>Strom</strong> & <strong>Gas</strong> <strong>zur</strong> <strong>Bewältigung</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Energiewende</strong><br />
Dr. Gerald Linke<br />
Leiter Kompetenzcenter <strong>Gas</strong>technik und Energiesysteme<br />
E.ON Ruhrgas AG, Essen<br />
Vortrag auf dem EID-Wärmeforum,<br />
Hamburg, November 2011
Erdgasinfrastruktur 2050: Transport & Verteilung regenerativer <strong>Gas</strong>e und<br />
Erdgas; Integration <strong>von</strong> Windstrom im Erdgasnetz über H 2 & Methanisierung<br />
Diverse Erdgasquellen<br />
Deckung des Bedarfs für mind. 250 Jahre<br />
GuD & BHKW<br />
> 60% elektrischer<br />
Wirkungsgrad<br />
Industrie &<br />
Gewerbe<br />
Bioerdgas<br />
Lokale intelligente<br />
Netze mit Erdgas<br />
Erdgastankstelle<br />
Transport & Verteilung<br />
Langzeit-<br />
Energiespeicher<br />
Speicherung <strong>der</strong> Wind- und Solarkraft<br />
im Erdgasnetz über Wasserstoff und<br />
Methanisierung<br />
Brennstoffzelle<br />
Brennwerttechnik,<br />
<strong>Gas</strong>wärmepumpe &<br />
Solarunterstützung<br />
2
LNG<br />
H gas<br />
L gas<br />
BOP<br />
Production<br />
Cleaning<br />
Separation<br />
Compressor<br />
Storage<br />
Power<br />
plant<br />
Pressure reduction,<br />
expansion turbine<br />
Konvergenz <strong>Strom</strong> und <strong>Gas</strong><br />
G<br />
Conditioning<br />
BioCH 4 SNG H 2<br />
CH 4<br />
Synthesis<br />
C0 2<br />
Electro<br />
lyzer<br />
Industry<br />
technical<br />
feasible up<br />
to 15% H 2<br />
CHP<br />
Heat<br />
Pump<br />
µ CHP<br />
Virtual<br />
Power<br />
Plant<br />
Heating<br />
+ data grid<br />
<strong>Gas</strong> & Solar<br />
+ heat grid<br />
Power plant (Coal, U) Hydro power Biomass Wind plant Photovoltaics E-mobility<br />
CNG<br />
3
3 Konvergenzthemen <strong>Strom</strong>-<strong>Gas</strong>:<br />
- Dezentrale <strong>Strom</strong>erzeugung<br />
- Verstromung <strong>von</strong> Biogas<br />
- Speicherung <strong>von</strong> Windstrom im Erdgasnetz<br />
Anwendungen<br />
Biomethan<br />
Energiespeicher<br />
4
<strong>Gas</strong>anwendungen & EE<br />
More efficiency<br />
and climate<br />
protection<br />
Brennwerttechnik<br />
Erdgas & Solar<br />
Mikro-KWK<br />
<strong>Gas</strong>wärmepumpe<br />
Brennstoffzelle<br />
Anwendungen<br />
Marketability Innovation Future technology<br />
5
<strong>Gas</strong>anwendungen & EE (Solarkollektor statt PV)<br />
Erdgas & Solar<br />
<strong>Gas</strong>wärmepumpe<br />
<strong>Gas</strong>wärmepumpe<br />
Umweltperformance<br />
Effizienzsteigerung bis zu 30%<br />
Einsparung fossiler Energien durch Einbindung regenerativer Energien<br />
Verbrauchskosten für den Kunden: 30% Kosteneinsparung<br />
Anwendungen<br />
6
Primärenergie- und CO 2-Einsparungen bei KWK<br />
Mikro-KWK<br />
Brennstoffzelle<br />
Primärenergie- und CO 2 -Einsparungen (EFH im Bestand)<br />
gegen Kraftwerksmix und BWK<br />
100<br />
%<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
BWK + <strong>Strom</strong>bezug aus dem Netz<br />
Stirling KWK<br />
BZ- KWK<br />
Primärenergie-Einsparung<br />
BWK + <strong>Strom</strong>bezug aus dem Netz<br />
Stirling KWK<br />
Anwendungen<br />
220 g CO 2 /kWh Erdgas<br />
Eta BWK = 95 %<br />
Eta mKWK Stirling = 95 %<br />
Eta mKWK BZ = 89 %<br />
630 g CO 2 /kWh <strong>Strom</strong><br />
Eta Kraftwerksmix = 35 %<br />
BZ- KWK<br />
CO 2-Einsparung<br />
Gerätebetrieb auch mit Biomethan möglich, d.h. die Emissionen sind “designbar”.<br />
7
Klima- und Emissionsvorteile <strong>der</strong> dezentralen Erzeugung<br />
Die stromerzeugende<br />
Heizung setzt den Trend <strong>der</strong><br />
Emissionsmin<strong>der</strong>ungen<br />
mo<strong>der</strong>ner <strong>Gas</strong>techniken fort:<br />
- 22% CO CO2-Emissionen 2-Emissionen bei<br />
Erdgas-Brennwertkesseln<br />
anstelle <strong>von</strong> alten Erdgaskesseln<br />
- 52% CO 2-Emissionen bei<br />
µKWK<br />
Durch Betrieb mit Bio-Erdgas<br />
lassen sich diese niedrigen<br />
Emissionen weiter reduzieren.<br />
THG-Emissionen THG-Emissionen in gCO2-äq gCO / kWhth<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
453<br />
Alter Heizöl-<br />
Kessel (eta=70%)<br />
324<br />
Alter Erdgas-<br />
Kessel (eta=70%)<br />
-22%<br />
254<br />
Erdgas-<br />
Brennwertkessel<br />
(eta=95%)<br />
-40%<br />
193<br />
<strong>Gas</strong>-<br />
Wärmepumpe<br />
(eta=135%)<br />
Anwendungen<br />
-52%<br />
155<br />
Mikro-KWK<br />
(eta=83%)<br />
Dezentrale Erzeugung ist zum Erreichen <strong>der</strong> Ziele<br />
des Energiekonzeptes 2010 ein unverzichtbarer<br />
Bestandteil:<br />
(THG-Reduktion um > 80% und Reduktion des<br />
Primärenergieverbrauchs im Wärmemarkt um 80%<br />
bis 2050)<br />
8
Alle großen Heizgerätehersteller entwickeln µKWK-Geräte,<br />
die hauptsächlich auf diesen Technologien basieren<br />
Honda Otto-Motor Ecopower Otto-Motor Infinia/Enatec Stirling-Motor<br />
Vaillant<br />
WhisperGen Stirling<br />
ehe – AEM, Sanevo<br />
Vaillant /<br />
Powerplus Technologies<br />
Viessmann<br />
BT/ Bu<strong>der</strong>us<br />
Microgen Stirling-Motor<br />
BDR Thermea/<br />
Brötje ; Senertec<br />
Anwendungen<br />
BT/Junkers Ariston/elco<br />
BDR Thermea/<br />
Remeha<br />
Bei den aktuellen Geräteentwicklungen gibt es insbeson<strong>der</strong>e bei den Stirling-Systemen<br />
Kerntechnologien, die <strong>von</strong> verschiedenen Heizgeräteherstellern in <strong>der</strong>en entsprechende<br />
Systemlandschaft integriert werden.<br />
Vaillant<br />
9
Die Zukunft bringt Konvergenz <strong>von</strong> <strong>Gas</strong>- und <strong>Strom</strong>systemen<br />
gerade über dezentrale KWK (und Smart Grids)<br />
Zentrale<br />
<strong>Strom</strong>erzeugung<br />
Erneuerbare<br />
<strong>Strom</strong>erzeugung<br />
Photovoltaik<br />
E-Mobil<br />
Elektrowärmepumpe<br />
BHKW<br />
Dezentrale KWK<br />
Mikro-KWK<br />
<strong>Gas</strong>kraftwerke<br />
Anwendungen<br />
Erdgas<br />
Bereitstellung<br />
<strong>Gas</strong>wärmepumpe<br />
Bio-Erdgas<br />
Erdgasfahrzeug<br />
10
Klimaschutz durch die Pipeline: Bioerdgas nutzt vorhandene<br />
Erdgasinfrastruktur<br />
Nachwachsende<br />
Rohstoffe<br />
Fermenter<br />
Erdgasheizung<br />
BHKW<br />
Biomethan<br />
Erdgastankstelle<br />
Biogasaufbereitung Erdgasleitungssystem<br />
11
Biomethan<br />
Bio-Erdgas erschließt Nutzungspfade mit größtem CO 2-Emissionsvermeidungspotential<br />
und ist in Bezug auf Umwandlungseffizienzen<br />
<strong>der</strong> Direktverstromung <strong>von</strong> Biogas überlegen<br />
CO 2 - Emissionen Vorkette<br />
und Erzeugung<br />
140 g CO CO2 /kWh Hs<br />
Biogas-Kleinanlage<br />
50 g<br />
Bio-Erdgas<br />
(State of the Art-<br />
Anlage)<br />
Nutzungspfade &<br />
Umwandlungseffizienzen<br />
Biogas-<br />
Direktverstromung<br />
ohne Wärmenutzung<br />
Bio-Erdgas in<br />
wärmegeführtem<br />
BHKW<br />
Bio-Erdgas in<br />
Brennwertkessel<br />
Quellen: Ifeu 2008, UBA 2010, DBFZ 2008, E.ON Ruhgas 2011<br />
CO 2 - Emissionen<br />
ersetzter<br />
Energie<br />
338 g<br />
CO 2/kWh,th<br />
(Dt. Heizmix<br />
2007)<br />
572 g<br />
CO 2/kWh,el<br />
(Dt. <strong>Strom</strong>mix<br />
2008)<br />
12
Der Ausbau <strong>der</strong> Erneuerbaren (Wind & PV) führt zu immer größeren<br />
intermittierenden <strong>Strom</strong>netzeinspeisungen<br />
Jahr<br />
GW<br />
Installierte Windleistung<br />
2010 2020 2030 2050<br />
27 42 60 86-100<br />
Quellen: dena-Studie PSW-Integration 2007/2008 et alias<br />
Energiespeicher<br />
13
Die schwankende Verfügbarkeit <strong>von</strong> Wind & PV erfor<strong>der</strong>t einen Umbau<br />
<strong>der</strong> <strong>Strom</strong>landschaft o<strong>der</strong> die Lösung des Speicherproblem für <strong>Strom</strong><br />
Installierte ( )<br />
und verfügbare<br />
Leistung <strong>der</strong><br />
Erneuerbaren<br />
(Wind & PV)<br />
Netzausbau<br />
Loadmanagement<br />
Verteilungsfunktion <strong>der</strong><br />
Erzeugungsleistung<br />
4 2<br />
3<br />
2<br />
5<br />
Verfügbarkeit in Stunden pro Jahr<br />
Netzkapazität<br />
Absatzkurve<br />
Rechteck =<br />
Jahresarbeit<br />
1<br />
8760<br />
Problem-/Lösungsbeschreibung<br />
1<br />
3<br />
4<br />
5<br />
Energiespeicher<br />
Konventionelle Erzeugung wird<br />
immer unwirtschaftlicher, ist aber<br />
nicht verzichtbar.<br />
Möglichkeiten des Loadmanagement<br />
sind ausgeschöpft.<br />
Die Übertragungskapazität reicht<br />
nicht mehr, kann aber auch nicht<br />
schnell genug ausgebaut werden.<br />
Überproduktion: EE-Anlagen müssen<br />
abgeschaltet und die nicht genutzte<br />
Leistung muss entschädigt werden.<br />
Energiespeicherung:<br />
Die „schiefe“ Verteilungsfunktion <strong>der</strong><br />
Verfügbarkeit <strong>von</strong> Wind & PV wird<br />
„geglättet“. Es erfolgt eine zeitliche<br />
Verschiebung in Bedarfsphasen.<br />
14
Container-basierte Demo-Anlage (Spanien)<br />
Artikel in<br />
„bahn | Spektrum“<br />
1/2011<br />
Energiespeicher<br />
0,6 MW Windanlage <strong>zur</strong> Wasserstofferzeugung auf<br />
<strong>der</strong> Insel Utsira (Norwegen). Seit 2004 in Betrieb.<br />
Greenpeace: Windwasserstoff<br />
15
Aktivitäten <strong>von</strong> E.ON<br />
Forschungsvorhaben zu<br />
- H 2-Erzeugung und Netzintegration<br />
- PEM-Elektrolyse-Bau<br />
- H 2-Untertagesspeicherung<br />
- Wasserstoffverträglichkeit<br />
<strong>von</strong> Turbinen<br />
- H 2/CH 4 in <strong>der</strong> Mobilität<br />
und<br />
Bau eines Technikums<br />
in 2012 (Demoanlage 2 MW)<br />
Windstromspeicherung On-Site: Ausbauszenario (ca. 360 Nm³/h Wasserstoff; 2 MW el )<br />
Übergabefeld<br />
<strong>Strom</strong><br />
Automation<br />
SCADA<br />
Trafo<br />
Elektrolyse<br />
Flüssig-N 2<br />
NSA, USV<br />
Mess- und<br />
Analysecontainer<br />
Falkenhagen<br />
4 km<br />
Windenergieanlage<br />
H 2 -Verdichter<br />
SAE, <strong>Gas</strong>messung,<br />
Pipelineanbindung<br />
16
Konzeptstudie Windstromspeicherung im Erdgasnetz mit ausgereifter Technik<br />
Anlagensteckbrief:<br />
� H 2-Erzeugung: 360m³/h<br />
� Elektrische Leistungsaufnahme: ca. 2MW el<br />
� Einspeisung in das ONTRAS-Erdgasnetz<br />
N<br />
Elektrolysen<br />
<strong>Strom</strong>übergabe Mess- &<br />
Analysetechnik<br />
Automation<br />
unterbrechungsfreie<br />
Nie<strong>der</strong>spannungsversorgung<br />
H2-Verdichter Pipelineanbindung DN 100; DP63<br />
Zuwegung<br />
Umspannwerk<br />
Falkenhagen<br />
17
<strong>Strom</strong>speicherinventar<br />
Langzeitspeicher Kurzzeitspeicher<br />
Energiespeicher<br />
Bewährt Neuer Speicherpfad<br />
Reservoir CAES<br />
Batterie Supercap Schwung-<br />
… mit<br />
Potential<br />
Bekannte Technologie mit Forschungsbedarf<br />
H2 - Erzeugung<br />
masse<br />
Wärme<br />
(latent)<br />
In Deutschland<br />
weitgehend<br />
ausgeschöpft<br />
Neue adiabatische<br />
Speicher<br />
Bewertung<br />
Kopplung an vielfältige<br />
Verwendungsmöglichkeiten<br />
<strong>der</strong> Erdgasinfrastruktur;<br />
auch Methanisierung denkbar<br />
Wichtig für<br />
E-Mobility<br />
Weiterer<br />
Forschungsbedarf<br />
Wichtig für<br />
KWK-<br />
Optimierung<br />
18
<strong>Das</strong> Erdgassystem offeriert gigantische Speicher<br />
Der Bundesdeutsche <strong>Strom</strong>speicherbedarf<br />
liegt – je nach Netzausbau-Szenario -<br />
bereits in 2020 zwischen 20 und 40 TWh<br />
(Quelle: Fraunhofer, IWES) und fällt in 2050 4,5mal<br />
höher aus (Quelle: UBA).<br />
Mit Power2<strong>Gas</strong> können solche Speicher-<br />
leistungen dargeboten werden.<br />
Vol. Energy Density kWh/m³<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
1100<br />
280<br />
CH4 / H2<br />
A CAES<br />
Pump St.<br />
� p = 120 bar<br />
� p = 20 bar<br />
� h = 300 m<br />
2,4 0,7<br />
<strong>Gas</strong> H2 A CAES Pump<br />
Storage<br />
Speicherkapazitäten verschiedener Systeme<br />
<strong>Strom</strong> Erdgas<br />
Verbrauch TWh/a 619 930<br />
Mittlere Leistung GW 70 106<br />
Speicherkapazität TWh 0,04 217<br />
Speicherreichweite h 0,6 2000<br />
Entladezeiten [h]<br />
10000<br />
1000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0,1<br />
0,01<br />
1 a<br />
1 m<br />
1 d<br />
1 h<br />
Natural gas<br />
0,001<br />
1 GMh 10 GWh 100 GWh 1 TWh 10 TWh 100 TWh<br />
40 Million electric vehicles<br />
Pumped hydro storage<br />
10 1<br />
Million electric vehicles<br />
Base year 2008<br />
1 PWh<br />
19
Speicherkapazitäten <strong>von</strong> Power2<strong>Gas</strong><br />
Power2<strong>Gas</strong> erlaubt bei einer 15%igen H 2-<br />
Beimischung die Speicherung <strong>von</strong> mehr als 60<br />
TWh pro Jahr, also mehr als die gesamte<br />
bundesdeutsche Windstromproduktion.<br />
<strong>Das</strong> Gemisch hat weiterhin „Erdgas-Qualität“.<br />
Mit Methanisierung lassen sich 220 TWh<br />
speichern.<br />
Beispiel alpha ventus:<br />
Die komplette Konversion <strong>der</strong><br />
<strong>Strom</strong>produktion (60 MW in <strong>der</strong><br />
Spitze) liefert nur 13.600 [H2]m³/h.<br />
Die Einspeisung ins Erdgasnetz am<br />
Entry-Punkt Dornum (entry<br />
capacity: 3.3 mcm/h) würde den<br />
Wasserstoffgehalt auf nur 0.4%<br />
anheben.<br />
Brennwert Hs [kWh/m³]<br />
14<br />
13<br />
12<br />
11<br />
10<br />
9<br />
8<br />
Erdgas Holland-L<br />
Erdgas Holland-L + H2<br />
Erdgas Nordsee-H<br />
Erdgas Nordsee-H + H2<br />
Erdgas Russl.-H<br />
Erdgas Russl.-H + H2<br />
L-<strong>Gas</strong><br />
15% H2<br />
20% H2<br />
30% H2<br />
40% H2<br />
5% H2<br />
10% H2<br />
50% H2<br />
40% H2<br />
30% H2<br />
15% H2<br />
20% H2<br />
5% H2<br />
10% H2<br />
30% H2<br />
H-<strong>Gas</strong><br />
10% H2<br />
15% H2<br />
20% H2<br />
5% H2<br />
50% H2<br />
7<br />
10 11 12 13 14 15 16<br />
<strong>Gas</strong>qualität<br />
40% H2<br />
Wobbeindex Ws [kWh/m³]<br />
d = 0,75<br />
d = 0,55<br />
d = 0,5<br />
Ein 15% H 2 - 85%-Erdgas-<br />
Gemisch stellt ein Produkt<br />
(Hythane) dar, dessen Brennwert<br />
und Wobbeindex innerhalb <strong>der</strong><br />
Grenzen des DVGW-Arbeitsblattes<br />
G 260 liegen.<br />
20
Derzeitige Wasserstoffverträglichkeit <strong>der</strong> Erdgasinfrastruktur<br />
Quelle: DVGW-Infobroschüre 2011<br />
21
Die Nutzung <strong>der</strong> <strong>Gas</strong>infrastruktur entlastet die <strong>Strom</strong>netze<br />
Power2<strong>Gas</strong> nutzt die unsichtbaren<br />
Erdgasnetze und vermin<strong>der</strong>t so den<br />
<strong>Strom</strong>netzausbau.<br />
(dena II-Studie: erfor<strong>der</strong>licher Netzausbau: 1700 – 3600<br />
km Transportleitungen mit Investitionen <strong>von</strong> 10 – 29 Mrd.<br />
€ sowie weiterer Ausbau des Mittelspannungsnetzes)<br />
Der Gesamtwirkungsgrad <strong>der</strong><br />
Power2<strong>Gas</strong>-Kette ist konkurrenzfähig<br />
(Daten nach DBI GUT GmbH).<br />
<strong>Strom</strong>transport und<br />
Speicherung<br />
Erneuerbare Energie (WEA)<br />
100%<br />
Transformatoren und Gleichrichter<br />
95% Wirkungsgrad 95%<br />
(Verluste 5,0%)<br />
380 kV Leitung (500 km)<br />
90,3<br />
Pumpspeicher<br />
70%<br />
Wirkungsgrad 95,1%<br />
(Verluste 4,7%)<br />
Wirkungsgrad 77,5%<br />
(Verluste 20,3%)<br />
Wirkungsgrade<br />
Power2<strong>Gas</strong> (H 2 )<br />
Transport und Speicherung<br />
Erneuerbare Energie (WEA)<br />
100%<br />
Transformatoren und Gleichrichter<br />
95% Wirkungsgrad 95%<br />
(Verluste 5,0%)<br />
Elektrolyse incl. Nebenanlagen<br />
71,3%<br />
Wirkungsgrad 75%<br />
(Verluste 23,7%)<br />
Verdichter, Speicher & H2-Leitung 70,2% Wirkungsgrad 98,5%<br />
(Verluste 1,1%)<br />
Transport (500 km)<br />
69,9%<br />
Wirkungsgrad 99,55%<br />
(Verluste 0,3%)<br />
22
Methanisierung – ein weiteres Potential <strong>der</strong> Power2<strong>Gas</strong>-Technik<br />
Power2<strong>Gas</strong> bietet mit <strong>der</strong><br />
Methanisierung <strong>von</strong> Wasserstoff die<br />
Möglichkeit <strong>der</strong> Erzeugung <strong>von</strong> 100%<br />
emissionsfreiem Erdgas und den<br />
Aufbau einer CO 2-Kreislaufwirtschaft.<br />
Methanisierung<br />
des Wasserstoffs<br />
Wasserstoff-<br />
Einspeisung<br />
ins Erdgasnetz<br />
und Rückverstromung<br />
Biomasse<br />
H 2<br />
BIO<br />
CO 2<br />
SYN<br />
THESE<br />
H 2<br />
CH 4 BIO<br />
CH 4 BIO<br />
SNG<br />
CH 4<br />
CH 4<br />
CH4<br />
CH 4<br />
23
Dr. G. Linke<br />
Leiter Kompetenzcenter<br />
<strong>Gas</strong>technik & Energiesysteme,<br />
E.ON Ruhrgas AG,<br />
Brüsseler Platz 1<br />
45131 Essen<br />
T: 0201 184 8400<br />
Gerald.Linke@eon-ruhrgas.com<br />
<strong>Das</strong> <strong>Zusammenwachsen</strong> <strong>von</strong><br />
<strong>Strom</strong> & <strong>Gas</strong> <strong>zur</strong> <strong>Bewältigung</strong><br />
<strong>der</strong> <strong>Energiewende</strong><br />
24
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