Die Rolle von Gastechnologien bei der

Systemintegration erneuerbarer Energien

Prof. Dr.-Ing. Klaus Heikrodt

DVGW Deutscher Verein des

Gas- und Wasserfaches e.V.

Agenda

1. Klimaschutz und politische Vorgaben

2. Die Situation in Deutschland

3. Gas im Energiesystem der Zukunft

4. Energieeffiziente Gas-Plus-Technologien

5. Die DVGW-Innovationsoffensive als Treiber

Agenda

1. Klimaschutz und politische Vorgaben

2. Die Situation in Deutschland

3. Gas im Energiesystem der Zukunft

4. Energieeffiziente Gas-Plus-Technologien

5. Die DVGW-Innovationsoffensive als Treiber

Energieeffizienz und erneuerbare Energien sind der

Schlüssel zum Erreichen der Klimaschutzziele

Quelle: IEA – World Energy Outlook 2009

2008: Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm

IEKP der Bundesregierung setzt neue Maßstäbe

Das sind die Ziele für Deutschland:

heute 2020

CO2-Minderung (bezogen auf 1990) - 23 % - 40 %

Anteil regenerativer Energie an Primärenergie 6 % 18 %

Anteil regenerativer Energie im Wärmemarkt 6 % 14 %

Senkung Energieverbrauch (ggü. 2005)

Wärmemarkt

- 20 %

KWK-Anteil an Stromerzeugung 12 % 25 %

2010: Das Energiekonzept der Bundesregierung

fordert den langfristigen Umbau der Energieversor-

gung auf Grundlage der erneuerbaren Energien.

Voraussetzungen hierfür sind:

Starker Ausbau und Einbindung von

Biogas, Wind und Photovoltaik

Entkopplung von nutzergeführter

angebotsgeführter Struktur der

Stromnetze – Netz- und

Speicherausbau

Senkung des Endenergieverbrauchs

durch Gebäudesanierung und

Effizienzsteigerung

2010: Die EU fokussiert in ihrer Energiestrategie auf

fünf zentrale Elemente:

• Vollendung des EU-Energiebinnenmarktes

• Schaffung eines integrierten und grenzüberschreitenden Strom- und

Gasversorgungssystems

• Stärkung von Technologie, Forschung und Entwicklung

• Erhöhung der Energieeffizienz

• Verbraucherschutz und Sicherheitsstandards

Agenda

1. Klimaschutz und politische Vorgaben

2. Die Situation in Deutschland

3. Gas im Energiesystem der Zukunft

4. Energieeffiziente Gas-Plus-Technologien

5. Die DVGW-Innovationsoffensive als Treiber

Die Klimaschutzerklärung des deutschen Gasfaches

zeigt seit 1990 die Wirkung von Erdgastechnologien.

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HH-Neubau

HH-Bestand

KV-Bestand

HH-Substitution

KV-Substitution

HH-BHKW

KV-BHKW

GG-Leitungen

Ziel der Klimaschutzverpflichtung des Deutschen Gasfachs: Reduktion von 45 Mio t/a CO2

HH – Haushalte

KV – Kleinverbraucher

GG - Graugussleitungen

Quelle: „Plausibilitätsprüfung zur Klimaschutzerklärung des deutschen Gasfachs, BDEW 2010“

45 Mio. t CO2 entspricht den Emissionen von

rund 20 Mio. Kraftfahr-zeugen mit einem

durchschnittlichen CO2-Ausstoß von 150 g/km

und einer jährlichen Fahrleistung von 15.000 km

Die Rolle des Biogases im Gasversorgungssystem

nimmt stetig zu.

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Zuwachs Summe Anlagen in Betrieb

Quelle: Biogaspartner 2010

Entwicklung der Biomethaneinspeiseanlagen

Aktueller Stand 30.4.10:30 Biogaseinspeiseanlagen

mit Ø 690 m³/h Erdgas

Kapazität:ca. 0,36 Mrd. m³/a (Biogas)ca. 4 % des prod. Biogases

Bis 2020: 6 Mrd. m³ Biogas/Jahr

1.400 Biogaseinspeise-anlagen bei 500 m³/h

Bis 2030: 10 Mrd. m³ Biogas/Jahr

ca. 2.300 Biogaseinspeise-anlagen bei 500 m³/h

Güstrow, 5.000

Rathenow, 520

Ketzin, 200

Niederndode-

leben, 650

Güterglück, 650

Könnern 1 + 2,

650 + 1.500

Godenstett, 300Wüsting, 700

Werlte, 340

Ronneberg, 300

Pohlsche

Heide, 350

Horn, 1.000

Straelen, 550

Hardegsen, 500

Einbeck, 500

Neuss, 165

Kerpen, 550

Homberg, 350

Darmstadt, 148

Mühlacker, 500

Tuningen, 250

Burgrieden, 300

Schwandorf 1 +

2, 485 + 1.000

Maihingen, 560

Aiterhofen,

1.000

Pliening, 485

Graben, 500

Altenstadt, 690

Angaben: Standort, Einspeisemenge in m³/h Quelle: DENA 30.4.2010

Die Windstromeinspeisung ist stark fluktuierend.

Diese Volatilität wird erheblich zunehmen.

Quelle: DENA – Vortrag auf dem EVU Gipfel 2010 in Heiligendamm

Strommarktsituation am 4.10.2009

Agenda

1. Klimaschutz und politische Vorgaben

2. Die Situation in Deutschland

3. Gas im Energiesystem der Zukunft

4. Energieeffiziente Gas-Plus-Technologien

5. Die DVGW-Innovationsoffensive als Treiber

Die Einspeiseprofile der erneuerbaren Energien führen

zu einer Verlagerung von einer nachfrage- zu einer

angebotsbestimmten Struktur der Stromerzeugung

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PV Wind-Onshore Wind-Offshore

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PV Wind-Onshore Wind-Offshore

Quelle: Prognos AG

in 2010 in 2030

Dies ist mit den vorhandenen Netzstrukturen nicht zu erreichen.

Der Aufbau von Speichern sowie hohen Transportkapazitäten ist zwingend

Installierte Stromerzeugung Deutschland 2015 mit und

ohne Windenergieausbau

Quelle: DENA Netzstudie

Quelle: DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT Karlsruhe

Wasserstoff und Methan sind die Energiespeicher, da

sie mit einer hohen Energiedichte gespeichert

werden.

In dem Konzept „Power to Gas“ ist die Gasinfrastruktur

der Stromspeicher.

Wind, PV

Elektrolyse

Wasserstoff bzw. Methanisierung

Speicherung/Logistik in bzw. über Gasinfrastruktur

Wärmeerzeugung, Stromerzeugung, KWK, GuD, …

Speicherung von Strom

Das Wuppertal-Institut bestätigt diesen Ansatz in

seiner Studie vom 25.8.2010: „Das Gasnetz als

Systemintegrator der Regenerativen“

Die hier vorliegende Untersuchung fokussiert die Frage, welche

besondere Rolle die Verwendung von Erdgas in diesem Kontext spielen

kann und ob Erdgas eine Brückenfunktion einnehmen kann:

Im Gegensatz zur Kohle handelt es sich bei Erdgas um einen deutlich

kohlenstoff- und emissionsärmeren Brennstoff und im Gegensatz zur

Kernenergie um eine risikoärmere Technologie. Erdgasanwendungen

bieten auch in technologischer Hinsicht viele Vorteile. Zudem stehen für

diese leitungsgebundene Energieform bereits gut ausgebaute

Erdgasnetze und -speicher zur Verfügung, die durch neue

Verfahren (Power to Gas) zukünftig auch direkt für die

Systemintegration erneuerbarer Energien Verwendung finden

können.

Energieversorgung durch Strom und Gas

Das Gasnetz ist schon weit ausgebaut und ist per Definition ein Energiespeicher und Energieverteiler.

Durch Verbund beider Energienetzeauf mehrere Ebenen in beide Richtungen kann man mit schon geprüfter Technologie ein effizientes, robustes und volkswirtschaflich günstiges Energieversorgungssystem schaffen.

Durch die weitere Ausbau und Einspeisung von Biogas wird Gas als Energieträger noch umweltfreundlicher und attraktiver.

Diese Ansätze werden vom Bundes-wirtschaftsministerium (BMWi) und Bundesumweltministerium (BMU) begrüßt und sind durch den Projekte der DVGW Innovationsoffensive abgedeckt.

Strom Gas

Kohle

Kernenergie

Erneuerbare Energien,

Wind, Photovoltaic

Erdgas

Wasserstoff

GuD-Kraftwerke

Kraft-Wärme-

Kopplung

Nutzung von elektrischer Energie und

Wärme

BHKW

Wasserstoff

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PV Wind-Onshore Wind-Offshore

Biogas

-Gülle, NAWARO

-Biomasse, Holz

Synthetisches Gas

(z.B. aus Kohle mit

CO2-Abtrennung

Biogas

-Gülle, NAWARO

-Biomasse, Holz

Der Technologievergleich der Windenergie-

speicherung in Wasserstoff zeigt das Potenzial.

Elektroauto

„V2G“

Pumpspeicher

„Goldisthal“

Wasserstoff-Elektrolyseur

Speicherkapazität 30 kWh/PKW 8,5*106 kWh/PSKW 5 kWh/m³ H2

Aufnahmeleistung 4 - 6 kW/PKW 500 MW/PSKW 5 MW/E-Einheit**

Notwendige Speicherung von 10% des Windstroms bei einer

durchschnittlichen Tagesproduktion

Januartag 2030: Produktion ca. 1 TWh Speicherbedarf = 100 GWh

Junitag 2030: Produktion ca. 0,24 TWh Speicherbedarf = 24 GWh

4,2 Mio. PKW *

ca. 12 PSKW *

(Goldisthal,

Füllstand 0%)

ca. 830 Elektrolyseure*

20 Mio. m³ H2

(5,3% Zumischung)

1 Mio. PKW * ca. 6 PSKW *ca. 200 Elektrolyseure*

4,8 Mio. m³ H2

(2,8% Zumischung)

Januartag

Junitag

* Einheiten, die während des gesamten Tages am Netz verfügbar sein müssen (PKW-Verfügbarkeit 80%)

** angenommene Elektrolyseur-Beispielanlage

Mit der bestehenden Gasinfrastruktur steht ein

leistungsfähiges und dichtes Energienetz zur

Verfügung.

400.000 km Netzlänge

18 Mio. Wohnungen sind gasbeheizt (50 % des Bestandes)

Das Gasnetz transportiert ca. 1000 Mrd. kWh Energie jährlich.

Das Stromnetz hingegen ca. 540 Mrd. kWh jährlich.

20 % der jährliche Gasmenge (217 Mrd. kWh) werden in 47

Untertagespeichern als Arbeitsgas vorgehalten. Diese Kapazität

wird bis 2020 auf 30 % ansteigen; die Pumpspeicherwerke

speichern 0,004 Mrd. kWh.

Die rechnerischen Speicherreichweiten liegen beim Gas bei

2.000 h, beim Strom bei 0,6 h.

Die Ukraine-Krise 2009 belegte das hohe Leistungsver-mögen

der deutschen Gasinfrastruktur – keine Versorgungsengpässe!

Wasserstoff kann in das Gasnetz aufgenommen

werden.

Zwei Szenarien:

100% des Windenergieertrages (ca. 27 TWh/a) des Jahres 2009

ergeben einen mittleren Wasserstoffanteil von 7,8 Vol.-% im

Erdgasleitungsnetz

20 % des Windenergieertrages aus dem IEKP Ziel 2020 (ca. 15

TWh/a) als angenommener Überschussstrom ergeben einen

mittleren Wasserstoffanteil von 4 Vol.-% im Erdgasleitungsnetz

Stand der Technik:

Aktuell sind 5 Vol.-% über das Regelwerk (DVGW G 262)

abgesichert. Dieser Anteil kann erhöht werden. Weitere

Forschungen sind notwendig.

Die Schnittpunkte der Transportnetze Erdgas und

Strom eignen sich als Standorte für die Produktion

und Einspeisung von Wasserstoff.

Erdgasspeicher

Erdgastransportnetz > 60 bar

Stromnetz 380 kV

Stromnetz 220 kV

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4. Energieeffiziente Gas-Plus-Technologien

5. Die DVGW-Innovationsoffensive als Treiber

Gas-Plus-Technologien

Umweltwärme durch

Gaswärmepumpe

Solarthermie +

Gas-Brennwertkessel

(Mikro-)KWK

Biogas

Erdgas

+

Energiebedarf im Bestandsgebäude

Quelle: Gaswärme-Institut e.V.

Zukünftig: Verschiebung in Richtung höherer

Strombedarf und niedrigerer Wärmebedarf

Entwicklung des häuslichen Energiebedarfs

Die Kraft-Wärme-Kopplung mit Gas ist eine

strategische Option mit hohen Gesamteffizienzen.

Brennstoffzellen sind dabei die Spitzentechnologie.

Weiterentwicklung der Kraft-Wärme-Kopplung:

Optimierte Nutzung der Abwärme

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2. Die Situation in Deutschland

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4. Energieeffiziente Gas-Plus-Technologien

5. Die DVGW-Innovationsoffensive als Treiber

Ziele der Innovationsoffensive

• Stärkung der Rolle regenerativer gasförmiger Energieträger in den bestehenden Gasinfrastrukturen, Greening of Gas

• Auf- und Ausbau von Verfahren und Technologien zur Optimierung von Verteilnetzen,Smart Grids

• Unterstützung bei der Einführung innovativer Gas-Anwendungen,Gas-Plus-Technologien

DVGW Innovationsoffensive – die Themen

Aktuelle Projekte in der Innovationsoffensive

Stand: 09/2010

Beteiligte Institute:

- DVGW FS am EBI

Karlsruhe

- DBI

- GWI

- TU Dortmund

- TU Hamburg

- RWTH Aachen

- IWES Kassel

Weitere Partner:

- EON Ruhrgas

- VNG Leipzig

- Hersteller Gasgeräte

- IGWP

- Wuppertal-Inst.

- FZ Jülich

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Prof. Dr.-Ing. Klaus HeikrodtDVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. www.dvgw.de

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