Power to Gas Ein Baustein im zukünftigen Energiesystem? AVES Schaffhausen | 11. November 2015 Dr. Philipp Dietrich | Technologiemanagement Axpo Seite 1 Axpo Services AG Agenda 1. Warum Speicher? 2. Speichertechnologien 3. Prozess Power to Gas 4. Wirtschaftliche Bewertung 5. Umsetzung 6. Fazit Seite 2 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG 1. Warum Speicher? Seite 3 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Veränderung der elektrischen Wertschöpfungskette Verbrauch Produktion Übertragung Verteilung Gewerbe Wasserkraft Kernkraft Industrie Unterwerk Haushalte Quelle: IEA, ETP2014 Seite 4 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Warum «Stromspeicher» ? (1/2) • Stromproduktion und Stromnachfrage variieren, das Stromnetz kann die Differenz nicht kompensieren, aber Steuerbare Produktion kann Differenz ausregeln Steuerbare Nachfrage kann Differenz ausregeln Speicherung kann Energie zeitlich versetzt verfügbar machen Seite 5 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Warum «Stromspeicher» ? (2/2) • Mit steigendem Anteil volatiler Strom-Produktion sinkt der Anteil steuerbarer Stromproduktion. Konsequenz: Steuerbare Nachfrage muss grösseren Anteil ausregeln (smart grid). Zusätzliche Speicher übernehmen Regelfunktion der reduzierten steuerbaren Produktionskapazität. Volatile Produktion muss teilweise abgeregelt werden. • Lokale Spitzen volatiler Produktion erzeugen Netzengpässe Speicher können durch zeitliche Verschiebung Spitzen brechen. Seite 6 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Photovoltaik-Charakteristik Tagesgang und Jahresgang von Photovoltaik-Anlagen Tag mit durchziehenden Wolken Photovoltaik liefert im Sommer mehr und länger, falls keine Wolken; Im Winter weniger und kürzer. 75% Energie im Sommerhalbjahr Seite 7 Durchschnitt Fazit: - Es braucht ein Tag-Nacht Ausgleich - Es braucht ein saisonaler Ausgleich AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Kennzahlen des schweizerischen Elektrizitätssystems 2013 • Starkes Übertragungsnetz • Speicherseen für ca. 8.8 TWh (ca. 15% Endverbrauch) • 1.5-7 TWh Winter-Importüberschuss seit 2004 Quelle: Elektrizitätsstatistik 2013 Seite 8 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Speicher-Anwendungen Seite 9 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Speicher-Anwendungen «Stromspeicher» sind eine von mehreren Lösungen • Strom-Rückverstromung Strom a «Batterie» a Strom (aber auch andere ) • Wärme Sensible Wärme («Warmwasser») Latentwärme (Phasenwechsel vom Wasser zum Eis) • Andere Energieträger Wasserstoff (Power to Wasserstoff H2) Synthetisches Erdgas (Power to Methan CH4) Synthetische flüssige Energieträger (Methanol, Diesel) • Mechanischer Speicher Feder Seite 10 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Speicher-Anwendungen im Stromversorgungssystem Dezentrale Speicher Monate Tage-Wochen Stunden-Tage Minuten-Stunden Sekunden-Minuten Seite 11 Zentrale Speicher Mikro <0.1 MW Klein 0.1 – 10 MW Mittel–gross 10 – 1'000 MW - Ausgleich saisonaler Schwankungen von Last oder Produktion Ausgleich saisonaler Schwankungen von Last oder Produktion - Last- und Produktionsoptimierung Ausgleich Wochenprofil (Last) aussergewöhnliches Wetter (z.B. Wind, PV) Ausgleich volatile Produktion (1 – 8 Stunden) Last- und Produktionsoptimierung (4 – 8 Stunden) Mobile Anwendungen Ausgleich von Kraftwerksausfällen oder Prognosefehlern (15 – 60 Minuten) Regelleistung (<15 Minuten) Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Frequenzhaltung (<30’’) USV Frequenzhaltung (<30’’) AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Speicher-Anwendungen Technologien für die spezifischen Anwendungen Dezentrale Speicher Zentrale Speicher Mikro <0.1 MW Klein 0.1 – 10 MW Mittel 10 – 100 MW Gross 100 – 1'000 MW Monate - Power to Gas Power to Gas Speichersee Power to Gas Speichersee Tage-Wochen - Power to Gas Sensible Wärme Pumpspeicher Power to Gas Latentwärme Pumpspeicher Power to Gas StundenTage Batterien Batterien Sensible Wärme Pumpspeicher Druckluft Batterien Sensible Wärme Pumpspeicher Druckluft MinutenStunden Batterien Batterien Sensible Wärme Batterien Pumpspeicher Druckluft Doppelschichtkondensatoren Schwungrad Batterien Pumpspeicher Druckluft, Batterien Pumpspeicher Druckluft SekundenMinuten Seite 12 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG 2. Speichertechnologien Seite 13 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Batterie-Technologien (1/2) Technologien für einen breiten Leistungs-Energie-Bereich Spezifische Leistung in W/kg 100000 10000 Li-Ion Very High Power SuperCap Li-Ion High Power Blei „spiral wound“ 1000 NaNiCl2 (ZEBRA) 100 Li-Ion High Energy Blei 10 1 NiMH NiCd 0 20 40 60 80 100 120 Spezifische Energie in Wh/kg 140 160 180 200 • Energie- und Leistungsdichte sind bei einer Batterie verknüpft. • Für Rückverstromung v.a. Blei-Säure, Li-Ion und NaNiCl2/NaS Quelle: Johnsons-Controls Seite 14 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Grosstechnische Speicher Speichersee (zum Beispiel «Grande Dixence») Staumauer: Stausee: 285 m hoch; rund 700 m lang 5.3 km lang, 600 m breit (im Durchschnitt), ca. 400 Hektaren 400 Mio. m3 Fassungsvermögen, Nutzhöhe: 1'800 – 1'900 m (Staumauerkrone 2364 m, Rhône 480 m) ca. 4 Wh/Liter, Wirkungsgrad 85% a 90% Stromproduktion: ca. 2 TWh Strom (0.5 TWh im Sommer, 1.5 TWh im Winter) Seite 15 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Power to Gas Wärme und von Produktion PtoGH2 und/oder Methan (CH4) • Teilprozesse H2-Erzeugung (Elektrolyse) und Speicherung CO2-Konditionierung Methanisierung Netzeinspeisung Seite 16 • Power to H2 1 Prozessschritt (Elektrolyse) • Power to Methan 3 Prozessschritte (Elektrolyse, CO2-Qualität, Methanisierung) AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Warum «Power to Gas» (P2G)? • Bei PV liegt die Hauptproduktion im Sommer, bei Wind eher ausgeglichen, bei Laufwasser ist die Produktion sommerlastig. • P2G kann Strom in chemische Energie umwandeln und ermöglicht saisonalen Energietransfer • Bei hohen Raten volatiler Stromproduktion können regionale Transportengpässe im Stromnetz auftreten • P2G kann Teile der Stromproduktion in einen anderen Energieträger umwandeln und kann damit eine Abregelung von Anlagen vermeiden. (Verwendung des chemischen Energieträger ist eine getrennte Frage) Seite 17 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG 3. Prozess Power to Gas Seite 18 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Prozesse Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff • MW-Elektrolyseure sind verfügbar Ausgangsstoffe 9 kg demineralisiertes H2O für 1 kg H2 und 4.5 – 5.5 kWh Gleichstrom Produkte: H2 und O2 und Abwärme Dynamische Lastanpassung in Sekunden Liefern reine Gase Sauerstoff nur als Nebenprodukt Produktgas entsteht bei 20 – 30 bar Prozess leise, Lärmquelle: Rückkühler, Produktverdichter H2 muss für die Speicherung oder Transport meist verdichtet werden. Seite 19 Siemens: 1.25 MW PEM-Elektrolyseur Quelle: Wikipedia.org AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Prozesse Methanisierung: Umwandlung von H2 und CO2 zu Methan (CH4) • Katalytische Festbett-Methanisierung Für 1 kg CH4 braucht es bei idealer Umsetzung 0.5 kg H2 und 2.75 kg CO2 Produkte: CH4 ; H2O und Abwärme Methan kann in Erdgas-Pipeline eingespeist werden Es können Nebenprodukte (CO/CO2) im Gas vorkommen Im transienten Betrieb laufen zusätzliche Reaktionen ab. CO2 muss verfügbar sein Wirkungsgrad der Methanisierung <80% Seite 20 Quelle: KIT AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Prozesse Gewinnung von CO2 als Ausgangsstoff für die Methanisierung • Konzentriertes CO2 als Abfallstoff anderer Prozesse Abgetrenntes CO2 aus Kohlekraftwerken Abgetrenntes CO2 aus Zementproduktion (Brennstoffe und Klinkermaterial) Holcim: Zementwerk Siggenthal • Konzentriertes CO2 als Abfallstoff aus Biomasseumwandlung Abgetrenntes CO2 aus Biogasproduktion • CO2 muss abgetrennt und gereinigt werden • CO2 muss transportiert und gespeichert werden • Standorte limitiert, ev. Herkunftsnachweis nötig Seite 21 Kompogasanlage Volketswil AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Prozesse Gewinnung von CO2 als Ausgangsstoff für die Methanisierung • CO2 abgetrennt aus der Luft CO2 Konzentration beträgt 400 ppm Luft beinhaltet ev. Partikel (Staub, Pollen, Eis) • Funktion Saugt Umgebungsluft an CO2 wird an Speichermaterial angelagert Wenn Speicher voll, wird mit Wärme das CO2 aus dem Speicher gelöst Umschaltung zwischen 2 Speicherelementen Prototypanlage Climeworks • Prozess benötigt Strom und Wärme (ca. 100°C) • Für 1 kg CO2 müssen 1500-3000 kg Luft umgewälzt werden Seite 22 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Anwendung Power to H2 • Stromspeicherung Chemische Energiespeicher (Kaverne) Lokal bei Stromproduktion/Speicher Tiefer Wirkungsgrad (<0.5) Rückverstromung ins Hochspannungsnetz • Einsatz in der Mobilität Ersatz von Diesel/Benzin keine lokale CO2-Emission Keine Rückverstromung im Netz Bedarf Verteilinfrastruktur und Fahrzeuge Seite 23 • Rohstoffnutzung Prozessgas (Quarzglasherstellung) Fetthärtung • Wärmenutzung Als Erdgas-Blend AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Anwendung Power to CH4 • Stromspeicherung Elektrolyse und Methanisierung Verdichtung und Kavernenspeicherung oder Einspeisung ins Erdgasnetz Verstromung aus Gasnetz (Gasturbine) • Einsatz in der Mobilität • Wärme- oder Elektrolyse und Methanisierung Rohstoffnutzung Einspeisung in Erdgasnetz Elektrolyse und Verdichtung an der Tankstelle (Auto 300 bar) Methanisierung Anwendung in Gas-Autos/LKW Einspeisung in Erdgasnetz Bezug aus dem Netz Seite 24 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG 4. Wirtschaftliche Bewertung Seite 25 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG H2 in der individuellen Personen-Mobilität Vergleichsbasis: ähnliche Kosten pro Fahrstrecke Ziel: Verbrauchskosten für vergleichbare Fahrzeuge gleich hoch • BZ-Auto mit 1 kg H2/100 km Endpreis Basis Erdgas- 10 €/kg an • Benzinauto mit 6 L/100 km reformierung Zapfsäule Erdgaspreis €/MWh 23 na • Benzinpreis 1.67 €/L Benzin Referenzerlös H2-Herstellung €/kg H2 1.59 5.96 • Kosten von 10 €/100 km Transportkosten €/kg H2 1.47 1.47 Tankstelle MWSt. (8%) Preis an Zapfsäule €/kg H2 €/kg H2 €/kg H2 1.83 0.39 5.28 1.83 0.74 10.00 Quelle: NOW 2014, angepasst Fazit • Bei gleichen Kosten pro Fahrstrecke muss die Herstellung von H2 <6 €/kg betragen. Seite 26 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG H2 Produktion durch Elektrolyse Kosteneinflüsse von Elektrolyseur, Betriebszeit und Strompreis Betriebskonzepte • Hohe Elektrolyseurkosten bedingen lange Betriebszeiten • Hohe Strompreise reduzieren die optimale Betriebsdauer • Ohne Netznutzungskosten Elektrolyseur (Ausblick 2020) • 5 MW Anlage 320 – 900 €/kWel • Wirkungsgrad 67% O&M 3% der Investitionskosten • Vergleich Stand 2015: 5 MW Anlage 1'300 – 1'600 €/kW Quelle: NOW 2011, DLR2015 Seite 27 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG H2 Logistik-Kosten Für Mobilität und Industrieanwendungen • Kurze Lieferdistanzen sind wichtig • Hauptkosten sind Treibstoffkosten, Personalkosten, variable Kosten wie Zugmaschine SoA1: 200 bar 400 kg Nutzlast SoA2: 200 bar 266 kg Nutzlast • Höhere Drücke/grössere Transportmengen rechnen sich wegen höherer Investitions- und Verdichtungskosten (noch) nicht. Quellen: www.deliverhy.eu; LBST Seite 28 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Methanisierung von H2 und CO2 aus Biogas Methan aus erneuerbarem H2 und CO2 ist nicht kompetitiv zu Biogas Strom (h=0.6) 5 kWh/Nm3/h) 5320 kWh Referenz Elektrolyse (h=0.6) Wärme 53% CH4 47% CO2 (566/Nm3/h) H2 (1064 Nm3/h) Bei «kostenloser» Methanisierungsstufe muss der Preis bei <2.4 CHF/kg H2 liegen, um den Preis von Biogas zu erreichen. Seite 29 Biogasanlage Methanisierung (h=0.8) +CH4 (212 Nm3/h) total 512 Nm3/h CO2Trennung CH4 (300 Nm3/h) 110 CHF/MWh Biogas (Erdgas+HKN) AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Einspeisung H2 in Erdgasleitung Nutzung des Heizwertes von H2 Kompensation von Biogas • 110 CHF/MWh bestehend aus Energiekosten plus Herkunftsnachweis Kompensation Energiewert von H2 • 110 CHF/MWh bestehend aus Energiekosten plus Herkunftsnachweis entspricht 3.66 CHF/kg H2 Fazit • Einspeisung ist volumenmässig limitiert und abhängig von Vorproduzenten sowie Transportvolumen in der Pipeline. • Einspeisestation ist komplex und teuer (>1 MCHF). • H2 Herstellung wirtschaftlich nur bei sehr tiefen Elektrolyseurkosten und tiefen Strompreisen realisierbar. Seite 30 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Einschätzung Kriterium Stromspeicher H2 H2-Mobilität H2 Beimischung in Erdgas Power to CH4 Konkurrenzfähigkeit PSP günstiger; zweitgünstigste Lösung Ja, falls anfänglich nicht besteuert Nicht konkurrenzfähig zu Biogas Teurer als Biogas Stärken Grosse Energiemengen speicherbar Substitution fossil. Treibstoffe; emissionsfrei Kann direkt eingespiesen werden Verteilnetz ist da, Verstromung an anderem Ort Schwächen Braucht Kavernen Verstromung am Speicherstandort Fahrzeuge im Markt; Aufbau Verteilinfrastruktur Limitiert in Einspeisemenge Abhängig von Vor-Einspeisern Komplexe Technik, Braucht Speicher, CO2-Herkunft Potenzial Bei hohem Anteil volatilem Strom; Saisonaler Bedarf Bei geplanten CO2-Limiten pro Auto Fazit Seite 31 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG 5. Umsetzung Seite 32 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Power to H2 Verantwortung der Partner Laufwasserkraftwerk Wasserstoffproduktionsanlage inkl. Speicher Axpo Power AG (Bau und Betrieb der Anlage) Wasserstofftransport (Logistik) Tankstellen Coop Mineraloel AG Coop Mineraloel AG (Bau und Betrieb der Tankstellen) Axpo Trading AG (Bewirtschaftung der Anlage, Lieferung von Wasserstoff, Logistik durch Dritte) Seite 33 Fahrzeuge Coop Coop (Aufbau einer Fahrzeugflotte) AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Power to H2 Produktion und Verbrauch Jahresverbrauch pro Bus 6'000 kg/Jahr = 16 Busse oder Jahresproduktion pro MW = ca. 100'000 kg Seite 34 Jahresverbrauch pro Lieferwagen 1'100 kg/Jahr = 90 LW Jahresverbrauch pro PKW 120 kg/Jahr = 800 PKW AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Power to H2 Warum Laufwasserkraft? • Ein Laufwasserkraftwerk produziert Bandenergie, d.h. die Energie ist grundsätzlich immer vorhanden (konstant). • Das zufliessende Wasser wird auch bei tiefen Strommarktpreisen verarbeitet. • Anstatt bei tiefen Strommarktpreisen den Strom zu verkaufen, soll mit diesem Wasserstoff produziert werden. Seite 35 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG • H2 braucht CO2-armen Strom - Wasserkraft - Schweizer Produktionsmix • Brennstoffzelle <20 gr CO2/km • Mit Kohle oder europ. Strommix verursacht BZ mehr Treibhausgasemissionen Fazit: Gegenüber Benzinauto (Hybrid) kann H2 aus Wasserkraft bei gleichem Energieaufwand die Treibhausgasemissionen um gut 80% reduzieren. WTW Treibhausgasemissionen Brennstoffzellenfahrzeug können fossile Treibstoffe ersetzen WTW Energiebedarf Quellen: ETH Zürich Seite 36 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG 6. Fazit Seite 37 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Fazit • Power to H2 findet in der Mobilität schnellsten Markt. • Industrie stellt einen Markt dar, wenn die Treibhausgasemissionen in der Produktionskette einen Preis erhalten. • Ein Tankstellennetz braucht Last. Deshalb erleichtern Nutzfahrzeuge den Start von H2 als Treibstoff. • Rahmenbedingungen sind wichtig für den Start (Netzentgelte, Treibstoffbesteuerung, CO2-Limiten). • Reine Brennwertverwertung des H2 erschweren einen Business case. • Power to Methan ist aufwändiger als Biogasherstellung. Hängt aber langfristig von den Kosten der Ausgangsstoffe ab. • Power to H2 und Power to CH4 sind ohne CO2-Preis nicht konkurrenzfähig zu den fossilen Alternativen. Seite 38 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Axpo Services AG Parkstrasse 23 | CH-5401 Baden T +41 56 200 37 77 | F +41 56 200 43 50 | www.axpo.com Seite 39 AVES | 11.11.2015 | Axpo Services AG
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