Können Speicher den Netzausbau ersetzen? Wann brauchen wir welche Speicher im Kontext Energiewende? Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg Bürgerdialog Stromnetz Erlangen 21. September 2015 OTH Regensburg – seit 170 Jahren Lehrbetrieb Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg Über 10.000 Studierende Ca. 1.000 Professoren, Mitarbeiter, Lehrbeauftragte 6 Technische Fakultäten, BWL, Sozialwesen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2 Inhalt 1) Speicher im Kontext der Energiewende + Energieversorgung 2) Wann brauchen wir Speicher? 3) Was können die einzelnen Speicher leisten? 4) Können Speicher den Netzausbau ersetzen? 5) Sind Speicher zu teuer? 6) Was ist zu tun? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3 Flüchtlingskrise hat ihre Wurzeln auch in der Energieversorgung Kampf um Öl im Irak / Erlöse aus Öl + Gas in Quatar als Finanzquelle Klimawandel ! schwindender Lebensraum ! neue Völkerwanderungen Verhindern: CO2-Emissionen drastisch senken + heimischer Ressourcen nutzen Quelle:&Klimawandel&und&Sicherheit&– Hauptgutachten&7 WBGU,&2007 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4 Das Ende des fossilen Zeitalters bringt die Energieversorgung wieder an die Oberfläche Energie' effizienz Vereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen Wind Solar Verbrauch Wind Biomasse Wasser Solar 1000 0 Biomasse Wasser 2000 Oberirdisch Oberirdisch 3000 Zeit Unterirdisch ! Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5 Was sind Energiespeicher? Pumpspeicher Kohlehalden Gasspeicher Wärmespeicher Source: Sterner, Stadler, 2014, add. pictures ... viel mehr als Batterien! Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6 Was sind Energiespeicher? 1 Stromsektor Wärmesektor 3 Stromspeicher 2 Gassektor 7 6 Kraftstoffspeicher 5 4 Wärmespeicher Gasspeicher Verkehrssektor Quelle: Sterner, Stadler, 2014 1 Power-to-Heat, Flexible KWK 2 Einspeichertechnologie Power-to-Gas 3 Power-to-Gas als Stromspeicher 4 Power-to-Gas als Wärmespeicher 5 Power-to-Gas als Stromkraftstoff 6 Elektromobilität 7 Power-to-Liquid als Stromkraftstoff Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7 Inhalt 1) Speicher im Kontext der Energiewende + Energieversorgung 2) Wann brauchen wir Speicher? 3) Was können die einzelnen Speicher leisten? 4) Können Speicher den Netzausbau ersetzen? 5) Sind Speicher zu teuer? 6) Was ist zu tun? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8 Bayerns große Aufgabe: Atomlücke schließen Bruttostromerzeugung 2013, Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9 3 Optionen zum Füllen der Lücke 1. Strom aus heimischen Quellen selbst erzeugen (+ speichern) 2. Strom über Stromtrassen importieren 3. Gespeicherte Energie importieren und verstromen Bewertung: technisch, wirtschaftlich, ökologisch, gesellschaftlich Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10 Flächenverbrauch für den Ersatz aller 4 bay. AKW 42,9 TWh (2013) " Fläche Bayern: 7,1 Mio. ha: Betrachtet werden drei und/oder Optionen: " Biogas: ca. 30 % der Landesfläche " Ertrag: 20 MWh / ha (Biomethan-Mais) " Bedarf: 2,15 Mio. ha " Photovoltaik: ca. 1,8 % der Landesfläche " Ertrag: 3 ha / MW 1000 VLS und 333 MWh / ha (PV-Freifläche 15 % Wirkungsgrad) " Bedarf: 0,13 Mio. ha Wind PV Biogas(mais) " Windenergie: ca. 1,1 % der Landesfläche " Ertrag: 3,44 ha / MW 1950 VLS + 567 MWh / ha (Windparks) " Bedarf: 0,076 Mio. ha Flächenbedarf exemplarisch, Nicht maßstabsgetreu Quelle: Sterner, eigene Berechnungen auf Basis der Potenziale, 2014 & DBFZ, 2008, Fraunhofer IWES, 2011 - 14 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11 Wir hätten genügend heimische Ressourcen in Bayern Erneuerbarer Anteil an der Stromversorgung Technisches Potenzial in Bayern vielfach ausreichend, für eine 100 % Stromwende Größte Herausforderung: Versorgung der Ballungszentren ! Land versorgt die Städte Quelle: vorhergehende Folien Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12 Wind + Solar günstigste Quellen, aber mit Ausgleichsbedarf Flexibilitätsoptionen: 1. Hoch flexible Kraftwerke, BHKW 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit Langzeit Wind Solar (Pumpspeicher + Batterien) (Gasnetz + Gasspeicher) ! Power-to-Gas ! Gasspeicher Quelle: Sterner, IWES, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13 Inhalt 1) Speicher im Kontext der Energiewende + Energieversorgung 2) Wann brauchen wir Speicher? 3) Was können die einzelnen Speicher leisten? 4) Können Speicher den Netzausbau ersetzen? 5) Sind Speicher zu teuer? 6) Was ist zu tun? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14 Speicher sind vielfältig in Größen und Technologien Speicherkapazitäten vs. Ausspeicherdauern Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15 Pumpspeicher: effiziente Kurzzeitspeicher für Strom Probleme: Standorte & Akzeptanz, Wirtschaftlichkeit Quelle: Schluchseewerke, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16 Batteriekraftwerk + Wind + PV können fossile Kraftwerke ersetzen Batteriekraftwerke zur Netzstabilisierung sinnvoll Quelle: Younicos AG, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17 Batteriekraftwerk + Wind + PV können fossile Kraftwerke ersetzen Batteriekraftwerke zur Netzstabilisierung sinnvoll Quelle: Younicos AG, 2014 + 2015 / 50 Hertz, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18 Hausbatteriesysteme Im Verbund netzdienlich Sonnenbatterie eco 4.5 mit 4,5 kWh Quelle: Sonnenbatterie & Tesla, 2015 Tesla Power Wall mit 7 kWh Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19 Hausbatteriesysteme Zubau steigt, Preise fallen Zubau Hausspeicher heute Zubau Hausspeicher in Zukunft Preise fallen heute + in Zukunft Quelle: Sterner et al, 2015 - Batteriestudie für BEE / HMI Zubau E-mobilität in Zukunft Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20 Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom ! Wärme) Begrenzung: Saisonale Verfügbarkeit / Wärmesenken Quelle: N-Ergie 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21 Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls Transportkapazität: 438.000 km Gasleitungen Speicherkapazität: Gasspeicher ca. 337 TWh Batterien = 337 Mrd. kWh (42 Mio. Kfz (Theorie) = ca. 70 Mrd. Pumpspeicher Hausbatteriespeicher (vereinfacht) = ca. 5000 x alle deutschen Pumpspeicher 66 GW Gaskraftwerke ! 3 Monate Versorgung sichern H2: 2 % möglich, perspekt. 10 %, verbrauchsabh. begrenzt Methan: 100 % bereits heute unbegrenzt möglich Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22 Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz ! Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, 2009 2009 SpechtSpecht et al, 2010 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. 23 Volkswirtschaftlich sinnvoll, aber betriebswirtschaftlich derzeit nicht darstellbar Quelle: DVGW, Thüga, E-On, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24 Flexibilität skandinavische Wasserkraft begrenzt Wesentliche Langzeitausgleichsoption im Europäischen Kontext Begrenzungen 1. Speicherwasserkraft nicht gleich Pumpspeicher 2. Vermischung Salz- und Süßwasser 3. Stromnetzausbau in den Ländern notwendig 4. Europa braucht die Kapazitäten ebenfalls Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25 Inhalt 1) Speicher im Kontext der Energiewende + Energieversorgung 2) Wann brauchen wir Speicher? 3) Was können die einzelnen Speicher leisten? 4) Können Speicher den Netzausbau ersetzen? 5) Sind Speicher zu teuer? 6) Was ist zu tun? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26 Netze = räumlicher Ausgleich / Speicher = zeitlicher Ausgleich Zeitlicher Ausgleich Entwicklung der Stromüberschüsse bis 100 % EE Räumlicher Ausgleich (Netzausbau) Nur über Speicher machbar Mit Speicher günstiger als ohne! Power-to-Gas könnte Netzausbau reduzieren Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27 Kann Power-to-Gas die Stromtrassen ersetzen? ! technisch ja, wirtschaftlich nein ! Power-to-Gas ergänzt Netzausbau Ausgangspunkt: Windkraft Einspeicherung (PtG) Übertragung / Speicherung Ausspeicherung (Gaskraftwerk / BHKW) Wie viel kommt in Bayern an? Stromtrassen Gasnetz & PtG 100 % 100 % - 60 – 70 % 90 – 95 % 99,9 % (nahezu 100 %) - 40 – 60 % ca. 90 - 95 % ca. 24 – 42 % ! nur ca. 1/3 !1/3 kommt an ! 3 x so viele Windkraftanlagen notwendig + Speichertechnik !Stromkosten Wind + Power-to-Gas + Gasleistung gegenüber Freileitung zu teuer ggü. Erdverkabelung (+10-15 Mrd. !) noch zu prüfen Quelle: Sterner, Stadler, 2014; DENA, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28 Inhalt 1) Speicher im Kontext der Energiewende + Energieversorgung 2) Wann brauchen wir Speicher? 3) Was können die einzelnen Speicher leisten? 4) Können Speicher den Netzausbau ersetzen? 5) Sind Speicher zu teuer? 6) Was ist zu tun? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29 Das eine bedingt das andere ... Zu hohe Kosten Zu kleiner Markt Abhilfe: Anschubfinanzierung Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30 Stromsystem mit Power-to-Gas günstiger als ohne Erdgas vs. Windgas – Annahmen: voller Netzausbau D + EU, 100 !/t CO2, Kostendegression Power-to-Gas: 13 % pro Verdoppelung der inst. Leistung Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 – Windgas-Studie für Greenpeace Energy Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31 1970er: Energiekrise ! Strategische fossile Reserven 20xx: Energiewende ! Strategische erneuerbare Reserven Reserven = Speicher = Versorgungssicherheit kWh ! Source: IGU, 2014, own additions Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32 Deutschland importiert für 100 Milliarden ! Primärenergie jedes Jahr, v. a. Kohle, Öl und Gas. In 10 Jahren „verbrennen“ wir 1000 Mrd. ! ! Investition in erneuerbare Energien & Infrastruktur (Netze + Speicher) ist eine attraktive Kapitalanlage Quelle: Gerhardt et al., 2013 (www.herkulesprojekt.de) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33 Energiewende lohnt sich – Rendite 4 – 7 % bis 2050 Kosten aller Sektoren inkl. Speicher enthalten Quelle: Studie Geschäftsmodell Energiewende – Norman Gerhardt et al., 2013 (www.herkulesprojekt.de) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34 Was ist zu tun? " Energiewende erfordert auch eine Speicherwende " Aufbau von erneuerbaren Reserven + Nutzung bestehender Infrastruktur zahlt sich aus " Finanzierung der Anschubphase durch CO2 Erlöse & befristete Ausnahmen der Abgaben " Speicher anschieben und auf den Weg bringen statt blockieren + vertagen " Technologieneutraler Marktzugang " Barrieren zwischen Energiesektoren abbauen " Gleiche Chancen im Wettbewerb für alle Flexibilitätsoptionen " Speicher als Ergänzung zum Netzausbau etablieren " Politisch neutrale Forschung ermöglichen " Bürgerbeteiligung stärken " Rein technisch-ökonomische Optimierung und Entscheidungsbasis nicht ausreichend " Energiewende ist Gemeinschaftswerk ! regionale Umsetzung + Vermarktung erleichtern " Akzeptanz über Beteiligung, Information, Partizipation erhöhen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 – (0) 941 – 943 9888 michael.sterner a oth-regensburg.de www.othr.de/michael.sterner www.segelenergie.de www.power-to-gas.de Vielen Dank Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36
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