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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 2
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 3
Überblick DVGW
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 4
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)
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 5
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)
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 6
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 7
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 8
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 9
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 10
Strom wird zur Primärenergie
Hintergrund
Quelle: DENA, Integration EE, 2012
Flexibilisierung des Energiesystems durch Entkopplung Erzeugung und Verbrauch notwendig
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 11
Hintergrund
Rein strombasierte Speicherung reicht nicht aus
Einspeisung von EE-Gas
Quelle: Fraunhofer IWES 2010
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 12
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 13
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 14
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 15
Demonstrationsanlage Thüga AG
PtG-Grundlagen und Konzepte
Forschungsvorhaben: „Wissenschaftliche Begleitforschung der Anlagentechnik an der Strom zu Gas-Demonstrationsanlage der Thüga Aktiengesellschaft“
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
• PEM-Elektrolyse (300 kW, druckbetrieben)
• Betrieb seit Februar 2014 • Wasserstoff 60 m3/h
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 16
PtG-Grundlagen und Konzepte W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 17
PtG-Grundlagen und Konzepte W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
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/
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 18
Wirkungsgradverbesserung durch neue PtG-Technologien
PtG-Grundlagen und Konzepte
www.dvgw-innovation.de/die-projekte/archiv/energiespeicherkonzepte
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 19
Wirkungsgradverbesserung durch Prozesskopplung
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
PtG-Grundlagen und Konzepte
www.dvgw-innovation.de: DVGW-Forschungsvorhaben: G3 01 012 Technoökonomische Studie von Power-to-Gas-Konzepten
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 20
Wirkungsgradverbesserung durch Prozesskopplung
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
PtG-Grundlagen und Konzepte
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-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 21
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 22
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 23
Virtueller Stromtransport
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„
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Wechsel-richter
Kraftwerk BHKW µBHKW
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 24
Virtueller Stromtransport
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 25
Virtueller Stromtransport
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 26
Virtueller Stromtransport
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 27
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 28
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 29
Definition
Entlastung Stromnetz
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 30
Methodik der Netzkopplung Strom/Gas
Entlastung Stromnetz
• 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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 31
Zielnetzplanung Strom
Entlastung Stromnetz
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 32
Ausbaubedarf im HS-Netz
Entlastung Stromnetz
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 33
Kapazitätsermittlung Gasnetz
Die stromseitig benötigten Einspeisekapazitäten für die PtGA (5 MW H2, 13 MW CH4) können durch Verlagerung von Lastflüssen im Gasnetz bereitgestellt werden
Entlastung Stromnetz
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 34
Ökonomische Gesamtbetrachtung der PtG-Technologie: Netzentlastung, Mobilität und Bilanzkreisoptimierung
Netzdienlicher Anlageneinsatz verringert die maximal rückgespeiste Leistung Reduzierter Ausbaubedarf in allen Spannungsebenen
Entlastung Stromnetz
-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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 35
Nutzung der PtG-Anlage zum Ausgleich von Prognoseabweichungen
Ausgleich der Fehler der Intraday-Prognose durch PtG-Anlagen
Entlastung Stromnetz
-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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 36
Regionale Mobilität - Prozessketten
Entlastung Stromnetz
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 37
Regionale Mobilität - Kosten
Diese lokalen Nutzungsstrategien können als Keimzellen für eine flächendeckende Wasserstoffversorgung dienen
Entlastung Stromnetz
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 38
Ökonomische Gesamtbetrachtung der PtG-Technologie: Netzentlastung, Mobilität und Bilanzkreisoptimierung
Anwendungen für PtG erfordern deutlich sinkende Anlagenpreise und hohe Lebensdauer bei dynamischer Betriebsweise
Entlastung Stromnetz
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)
Mehrerlös(Kabelausbau
MS-Netz)
Mehrerlös(Kabelausbau
HS-Netz)*)Barwert 2018
TEUR
Erlö
se/K
oste
nred
uktio
n*de
r PtG
-Anl
age
Innovativer Netzausbau Konventionell und vollständige Verkabelung
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Quelle: DVGW-Forschungsvorhaben G 3 03 12
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 39
Zwischenfazit Entlastung Stromnetz
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,
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 40
1. Hintergrund 2. PtG-Grundlagen und Konzepte 3. Virtueller Stromtransport 4. Entlastung der Stromverteilnetze 5. Fazit
Gliederung W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 41
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
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 42
Fazit
Das Gasnetz ist eine flexible Ergänzung für das Stromnetz der Zukunft
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz
Die Kopplung von Strom- und Gasnetz trägt in Zukunft zu einem funktionierendem Gesamtenergiesystem bei
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) www.dvgw-ebi.de DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 43
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
W. Köppel; Flexibilitätsoptionen durch Konvergenz von Strom und Gasnetz