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29. Januar 2014
Der massive Aufbau der Erneuerbaren Energien führt zu einer Zunahme der Volatilität des Stromangebots. Da für die neue Bundesregierung die Umsetzung der Energiewende ein Hauptthema ist, erfordert dies unseres Erachtens aber künftig auch innovative Lösungen jenseits traditioneller technischer Speicher. Perspektivisch kann diese Wende ohne Power-to-Gas kaum gelingen, da Power-to-Gas als Speichermedium die weiter massiv zunehmenden Volatilitäten im Stromangebot ausgleichen könnte. Die Perspektiven für Power-to-Gas sind günstig. Die Fachwelt fordert bis 2022 die Installation von Power-to-Gas-Systemen mit einer elektrischen Leistung von insgesamt 1.000 MW, um einen Anfangsmarkt zu etablieren. Steigt in der Zeit danach – wie von uns erwartet – der Stromspeicherbedarf infolge der steigenden Grünstrommengen und -fluktuationen weiter, ist Power-to-Gas eine geeignete Antwort auf die derzeit noch offene Frage nach einer tragfähigen technischen Lösung. [mehr]
Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas: Von einer Idee zur Markteinführung Aktuelle Themen Natürliche Ressourcen Der massive Ausbau der Erneuerbaren Energien in den vergangenen Jahren führt zu einer Zunahme der Volatilität des Stromangebots. Da für die neue Bun- desregierung die Umsetzung der Energiewende ein Hauptthema ist, erfordert dies unseres Erachtens aber künftig auch innovative Lösungen jenseits traditio- neller technischer Speicher. Perspektivisch kann diese Wende mit Power-to- Gas gelingen, da Power-to-Gas als Speichermedium die weiter massiv zuneh- menden Volatilitäten im Stromangebot ausgleichen könnte. Tatsächlich schreitet die Energiewende nicht zuletzt aufgrund der politischen Protektion weiter voran. Seit 2011 verfolgen alle zahlenmäßig großen Parteien ähnliche Energieziele. Damit ist die weitere Expansion der Erneuerbaren im Primärenergiemix und vor allem auch in der Stromerzeugung programmiert. Trotz der nunmehr schon jahrelangen Energiewende und vielfältiger staatlicher Einflussnahme sind für Deutschland immer noch eine hohe Energieimportab- hängigkeit und zuletzt sogar eine neue Rekordenergierechnung typisch. Die künftig stärkere Nutzung heimischer Erneuerbarer mindert diese Probleme. Aber infolge des massiven Zubaus der Grünstromquellen steigen mittel- und längerfristig die fluktuierenden Strommengen. Power-to-Gas bietet eine intelli- gente Lösung für diese Problematik. Erstens kann Deutschland dank fortschritt- licher Gasinfrastruktur (Netze, Speicher) auf den Zubau traditioneller Strom- speicher verzichten. Zweitens bringt das Konzept der traditionellen Gaswirt- schaft, die derzeit infolge der aktuellen deutschen Energiepolitik unter Druck ist, neue Chancen. Der in Deutschland verfolgte Umbau der Elektrizitätswirtschaft in Richtung grüner Ausgangsenergien erfordert innovative Lösungen jenseits traditioneller technischer Elektrospeicher. Chemische Stromspeicher wie Wasserstoff und vor allem Methan liefern neue Lösungen für die Transformation der Stromwirtschaft und verbinden bis dato Unverbundenes. Insbesondere dank der Methanisierung öffnen sich dem Grünstrom alle Energienutzungspfade – bis hin zum Wärme- markt, der Mobilität und der Weiterverarbeitung in der Chemischen Industrie. Damit werden chemische Elektrizitätsspeicher Wegbereiter, Basis- und Schlüs- seltechnologie unseres neuen Energiesystems bzw. der Energiewende. Die Perspektiven für Power-to-Gas sind günstig. Die Fachwelt fordert bis 2022 die Installation von Power-to-Gas-Systemen mit einer elektrischen Leistung von insgesamt 1.000 MW, um einen Anfangsmarkt zu etablieren. Steigt in der Zeit danach – wie von uns erwartet – der Stromspeicherbedarf infolge der steigen- den Grünstrommengen und -fluktuationen weiter, ist Power-to-Gas eine geeig- nete Antwort auf die derzeit noch offene Frage nach einer tragfähigen techni- schen Lösung. Autor Josef Auer +49 69 910-31878 josef.auer@db.com Editor Lars Slomka Deutsche Bank AG Deutsche Bank Research Frankfurt am Main Deutschland E-Mail: marketing.dbr@db.com Fax: +49 69 910-31877 www.dbresearch.de DB Research Management Ralf Hoffmann 29. Januar 2014 Deutsche Energiewend e treibt P ower - to - Gas Von einer Idee zur Markteinführung Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 2 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen Energiefragen für Deutschland nach wie vor wichtig Für Deutschland sind energiewirtschaftliche Fragen spätestens seit Beginn der Industrialisierung und dem Aufkommen moderner Fortbewegungsmittel von großer Bedeutung. Lange Zeit dominierten im Zieldreieck der Energiepolitik die Themen Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit. Dagegen erlangen Um- weltaspekte erst seit etwa zwei Dekaden den Stellenwert, den sie verdienen. Seit der Neujustierung der Regierungspolitik von Schwarz/Gelb nach dem Fu- kushima-Unglück 2011 verfolgen alle zahlenmäßig großen politischen Parteien im Grundsatz gleichgerichtete energiepolitische Ziele, die in der „Energiewende“ – in Anklang an die einstige Wende im Ostteil Deutschlands – ein Bild mit ho- hem Symbolgehalt erhielt. Einen solchen Gleichklang auf energiepolitischer Ebene gab es in Deutschland zuvor über sehr viele Jahre hinweg nicht. Ein Gleichklang kann aber immer auch Gefahren bergen, da nur wenige sie in Frage stellen. Kein Wunder also, dass seit einiger Zeit relativ seriöse deutsche Nachrichtenblätter in Beiträgen bzw. Sonderthemen der Energiewende in Deutschland und deren Neujustierung rund um die Formierung und Festigung der Großen Koalition vergleichsweise viel Platz einräumen und durchaus wichti- ge, kritische Fragen rund um die anstehenden Herausforderungen sowie die damit verbundenen Kosten stellen. 1 Gleichwohl ist eine abermalige, grundsätzli- che Neuausrichtung der Energiepolitik mangels einer derzeit zahlenmäßig gro- ßen energiepolitischen Opposition jenseits von Schwarz/Rot auf längere Zeit wohl wenig wahrscheinlich. Folglich können die sich abzeichnenden Herausforderungen rund um die Ener- giewende 2 keineswegs – mit Blick auf die Zeitachse und mangels einer wahr- scheinlichen, fundamentalen Neujustierung nach einem Wechsel der politischen Mehrheiten – so relativ gelassen und entspannt betrachtet werden wie einst der „erste Kernenergieausstieg“ unter Rot/Grün. Und dies ganz abgesehen davon, dass der damalige „Garant“ für ein Umsteuern, also Schwarz/Gelb, über ein Jahr – also der Startphase der damaligen Regierung – den Erwartungen durch- aus entsprach. Immer noch hohe Importabhängigkeit und Rekordenergierechnung Bekanntlich erfahren die Umwelt- und insbesondere Klimaprobleme in Deutsch- land seit Jahren mehr Beachtung als in vielen anderen bedeutenden Ländern der Welt. Und dies gilt immer noch, trotz all der Kontroversen rund um die Neu- justierungen nach der Bundestagswahl 2013, die auf Basis des von Energiemi- nister Sigmar Gabriel vorgestellten EEG-Eckpunktepapiers bis Ostern 2014 weiter spezifiziert und bis spätestens zur parlamentarischen Sommerpause in einem Gesetz verabschiedet werden soll. Bis dato sind dabei selbst die eher „klassischen Herausforderungen“ der deut- schen Energiepolitik noch keineswegs bewältigt. 2012 musste Deutschland immerhin noch 68% seines Energiebedarfs im Ausland eindecken. Selbst wenn die Kernenergie, deren Basisrohstoff Uran eigentlich zu 100% vom Ausland stammt, dank der guten Bevorratungssituation als heimische Energiequelle ge- wertet wird, ist die Importquote mit 60% weiter bemerkenswert hoch. Hinzu kommt, dass die Energie-Importrechnung 2012 mit EUR 94,4 Mrd. eine neue, absolute Spitze markierte (2011: EUR 88 Mrd.), die 2013 nach ersten Schät- 1 Zu einem Beleg aus der Zeit bereits vor der Bundestagswahl 2013 siehe z.B. Irrsinn Energiewen- de. Handelsblatt. 16. August 2013. S. 42-51. 2 Zu einer generellen Einordnung vgl. Auer, Josef/Alexander Karnick/Lars Slomka (2013). Ener- giewende 2.0. Wettbewerbsfähigkeit nicht riskieren. Deutsche Bank Research. Standpunkt Deutschland. Frankfurt am Main. Kernaussagen im Eckp unktpapier zur EEG - Reform 1 Ausbaukorridor: Durch die Novelle des Erneu- erbaren-Energien-Gesetzes (EEG) soll der Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromver- sorgung bis 2025 auf 40 bis 45 Prozent und bis 2035 auf 55 bis 60 Prozent steigen. Wichtig ist, dass zugleich Bezahlbarkeit und Versorgungs- sicherheit für die Bürger und die Wirtschaft sichergestellt werden. Die Reform des EEG wird europarechtsko n- form gestaltet und das EEG wird deutlich vereinfacht. Direktvermarktung: Neue Erneuerbare- Energien-Anlagen müssen künftig ihren Strom direkt vermarkten. Förderung: Überförderungen werden abge- baut, Vergütungen abgesenkt und Boni gestri- chen. Das erhöht deutlich die Kosteneffizienz der Förderung. Der Umstieg der Förderung auf Ausschreibungen wird vorbereitet. Ausnahmen: Ganze oder teilweise Befreiungen von der EEG-Umlage will die Bundesregierung auf energieintensive Unternehmen im interna- tionalen Wettbewerb beschränken. Quelle: Bundesregierung, 22.01.2014 Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 3 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen zungen wohl in etwa bestätigt worden ist 3 . Der Löwenanteil mit zusammen EUR 95,8 Mrd. entfiel 2012 – wie in den Vorjahren – auf die fossilen Energieträger Rohöl (inklusive der Ölprodukte), Erdgas und Steinkohle. Dem stand 2012 ein Netto-Elektrizitätsexport in Höhe von EUR 1,4 Mrd. gegenüber. 4 Die absolute Verteuerung der Energierechnung um EUR 6,4 Mrd. gegen 2011 überdeckt die Tatsache, dass die Preis- und Mengenkomponenten der einzelnen fossilen Energien 2012 keineswegs gleichgerichtet wirkten; so erhöhten im Importfall Erdöl die Preis- und die Mengenkomponente die Öl-Einfuhrrechnung. Dagegen sank die Importrechnung für Steinkohle, da die leichte Zunahme der mengen- mäßigen Steinkohleeinfuhr durch den Preisverfall für Drittlandkohle (also Nicht- EU-Steinkohle) überkompensiert wurde. Volkswirtschaftlich von Bedeutung ist nicht zuletzt, dass Deutschland 2012 – trotz nunmehr bereits mehrjähriger Anstrengungen rund um die Energiewende, die freilich in den Jahren davor noch nicht diesen Namen trug – eine in etwa doppelt so hohe Energierechnung bezahlte wie im Jahresdurchschnitt 2000 bis 2010. Und lag die Energierechnung in der letzten Dekade in Relation zum BIP stets unter 3%, wurden 2012 beachtliche 3,6% erreicht. 5 Freilich spielten bei all dem insbesondere auch der historische Preisanstieg bei Erdöl sowie, damit verbundene, weitere Effekte – wie die in Deutschland lange Jahre vielerorts typische Preisbildung für Importgas – wichtige Rollen. Dennoch macht die Ent- wicklung der Energierechnung – die trotz all der energiepolitischen Anstrengun- gen und trotz der Tatsache zu beobachten ist, dass der Primärenergieverbrauch heute um ein Zehntel unter dem Niveau im Jahr nach der Wiedervereinigung 1990 liegt – deutlich, dass die deutsche Energiepolitik und deren aktuelles Kon- zept, die Energiewende, noch weitab selbst traditioneller Energieziele ist. Energiewende beflügelt P2G-Idee Die Energiewende ist ein wichtiger Treiber der Idee und des Konzeptes Power- to-Gas (auch „P2G“ bzw. „PtG“ genannt), denn P2G ermöglicht das Speichern der durch die Wende zunehmenden überschüssigen Stromerzeugung und de- ren Aktivierung im Strombedarfsfall. Das mittlerweile klare Bekenntnis aller gro- ßen politischen Parteien zur neuen deutschen Energiepolitik sowie die damit verfolgte, weitere Expansion der erneuerbaren Energien im heimischen Primär- und Sekundärenergiemix führt zu vielen neuen Herausforderungen. Insbeson- dere infolge des bereits erfolgten, raschen Aufbaus erneuerbarer Stromquellen sowie dessen angestrebter Fortsetzung in den kommenden Dekaden wird stel- lenweise energiewirtschaftliches Neuland betreten. Das Problemspektrum bein- haltet so unterschiedliche Energiethemen wie die Neujustierung des Kraftwerk- parks, den Um- und Ausbau der Netzinfrastrukturen sowie Speicherfragen. 6 Die Fortschritte in den einzelnen Themengebieten sind weder gleichverteilt, noch finden sie gleichzeitig statt: — Per Saldo schreitet der Ausbau der Ökostromerzeugungsanlagen in den letzten Jahren so schnell voran, dass womöglich das ohnehin ehrgeizige Energieziel eines Grünstromanteils bis 2020 von 35% sogar noch übertrof- fen wird. Der im Koalitionsvertrag 7 verabredete Ausbaukorridor für den An- 3 Erwartet wird zwar für 2013 ein leicht höherer Energieverbrauch, aber Importe von Öl und Kohle zu niedrigeren Weltmarktpreisen. Vgl. AG Energiebilanzen (2013). Energieverbrauch steigt mo- derat. Pressedienst. Nr. 8. S. 1-5. 4 Zu Details vgl. Schiffer, Hans-Wilhelm (2013). Deutscher Energiemarkt 2012. Energiewirtschaftli- che Tagesfragen. 63. Jahrgang. Heft 3. S. 83/84. 5 Vgl. auch Häuser, Wolfgang (2013). Deutsche Energierechnung 2012. WiSt. Heft 7. S. 408-411. 6 Zu einer prinzipiellen Einordnung vgl. Auer, Josef/Jan Keil (2012). Moderne Stromspeicher. Un- verzichtbare Bausteine der Energiewende. Deutsche Bank Research. Aktuelle Themen. Frankfurt am Main. 7 Vgl. Deutschlands Zukunft gestalten (2013). Koalitionsvertrag zwischen CDU, CSU und SPD. 18. Legislaturperiode. S. 51. 33,0 22,5 12,7 11,6 7,6 11,8 0,8 Mineralöl Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie Erneuerbare Sonstige Anteil am Primärenergieverbrauch, %, 2013 Quelle: AG Energiebilanzen Energieverbrauch in DE noch zu 80% aus fossilen Quellen 2 23,4 15,4 19,7 25,8 10,5 1,1 4,1 Erneuerbare Kernenergie Steinkohle Braunkohle Erdgas Heizöl Sonstige 23% der Stromproduktion in DE aus erneuerbaren Quellen 3 Anteile an der Bruttostromerzeugung, %, 2013 Quelle: AG Energiebilanzen 33,8 14,5 19,2 3,4 29,1 Windenergie Wasserkraft PV Hausmüll, reg. Biomasse Anteil an erneuerb. erzeugtem Strom, %, 2013 Quelle: AG Energiebilanzen Wind und PV tragen in DE mehr als 50% zur grünen Stromerzeugung bei 4 Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 4 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen teil der Erneuerbaren von 40 bis 50% im Jahr 2025 sowie 55 bis 60% in 2035 bremst allenfalls die Dynamik, kehrt den Ausbautrend aber keines- wegs um. — Und in Reaktion auf die ungleiche regionale Verteilung der Entstehung des „Grünstroms“, die zudem spürbar volatiler erfolgt als bisher, und dessen Verbrauch stellt die Politik mittlerweile die Weichen für den Aufbau neuer, leistungsfähiger Leitungsnetze. Dies erfolgt - z.B. mittels einer Kompetenz- verlagerung der Zuständigkeiten – insbesondere für den Ferntransport von Offshore-Strom aus dem Norden in die Verbrauchscenter des Südens. Dass mancherorts noch die „Steckdose auf See“ – also der Netzanschluss für den Elektrizitätstransport an Land – fehlt bzw. nicht rechtzeitig bereitgestellt wird, ist keine Petitesse. — Die zu den Netzen alternierende bzw. ergänzende Lösung der Energiespei- cher findet zuletzt ebenfalls mehr Aufmerksamkeit. Es ist zwar durchaus er- freulich, dass für das flexible Kurzzeitspeichern kleinerer Elektrizitätsmen- gen und deren bedarfsgerechtes Abrufen im regionalen Kontext bereits viel- fältige Erfahrungen und damit erprobte, ausgereifte Lösungen vorliegen. Die Palette beinhaltet so unterschiedliche Technologien wie Batteriesysteme und Pumpspeicherwerke (PSW). Gleichwohl fehlt für die infolge der Ener- giewende absehbar weiter massiv steigenden, aber eben auch mittel- und längerfristig fluktuierenden Strommengen, bis dato noch „die Lösung“. — In globalen Modellen perfekter Stromwelten mag ein permanenter räumli- cher und zeitlicher Marktausgleich zwischen Stromeinspeisung und Strom- bedarf unter vielfältigen Prämissen auch über viele Ländergrenzen hinweg dauerhaft gelingen. Die tatsächliche Energiewelt in Europa und seiner geo- graphischen Mitte, Deutschland, gekennzeichnet durch komplexe Industrie- strukturen und Lebensformen, erfordert jedoch Ausgleichsoptionen, die auch jenseits idealer Modellannahmen dauerhafte und nachhaltige Stromsi- cherheiten ermöglichen. Zwar können auch PSW das Problem der zeitli- chen Entkoppelung von Stromeinspeisung und Elektrizitätsnachfrage grundsätzlich bewältigen. Aber für die infolge der Energiewende absehbar weiter stark wachsenden, großen Volumina reicht ein fortgesetzter PSW- Zubau selbst unter idealen Bedingungen kaum aus. Zur Bewältigung der sich perspektivisch auftuenden Speicherlücke infolge der Energiewende wurde deshalb fieberhaft eine technisch leistungsstarke Lösung gesucht, die ein Speichermanagement selbst großer Volumina über lange Zeiträume hinweg ermöglicht. P2G verknüpft Strom/netz und Gas/netz sowie Energieinfrastruktur Erst seit wenigen Jahren findet das Thema P2G immer mehr Aufmerksamkeit. Es ist ein gutes Zeichen, dass auch der Koalitionsvertrag infolge des Ausbaus der Erneuerbaren Energien die Erfordernis von Langzeitspeichern sieht, „die saisonale Schwankungen ausgleichen können, wie z.B. Power-to-Gas“ 8 . Hauptgrund ist wohl, dass P2G eine bereits auf den ersten Blick bestechend einfache Lösung für ein absehbares Megaproblem bietet. Überdies scheint es so, dass damit zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen werden können: Ers- tens ist der Aufbau weiterer, großer traditioneller Elektrizitätsspeicher weniger dringlich, da Deutschland bereits heute über eine fortschrittliche Gasinfrastruktur mit großen Gasnetz- und Gasspeicherkapazitäten verfügt. Dies mindert die örtli- chen Empfindlichkeiten und damit auch Widerstände. Zweitens birgt das Kon- zept auch für die etablierte, traditionelle Gaswirtschaft neue Zukunftschancen. 8 Deutschlands Zukunft gestalten (2013). S. 57. Die Koalition setzt auf Demonstrationsprojekte, die die Technologie schrittweise entwickeln, optimieren und letztlich marktreif machen sollen. Handlungsfelder Roadmap Power-to-Gas bis 2020/25 5 Handlungsfeld Zeithorizont 1 Energiewirtschaftliche Grundlagen zur Nutzung nicht - integrierbarer Strome r- zeugung aus EE 2012 - 2014 2 Begleitende P2G - Technologieforschung 2012 - 2015 3 Anwendungsforschung: Technologieerprobung und Weiterentwicklung von P2G 2012 - 2020 4 Schaffung der systemtec h- nischen Voraussetzungen zur großtechnischen P2G - Nutzung 2012 - 2020 5 Schaffung von Grundlagen und Rahmenbedingungen für die (Langfrist - ) Energi e- speicherung im (europä i- schen) Strommarkt 2012 - 2020 6 Schaffung von Investition s- bereitschaft zur großtechn i- schen P2G - Nutzung 2020/ fortlaufend Quelle: dena (2012) . Eckpunkte einer Roadmap Power - to - Gas. Berlin. Zu Details siehe insb. S. 3 - 13. 40 60 80 100 120 140 2010 2025 2040 Nicht regelbar Regelbar Stromerzeugung künftig immer schwerer zu steuern 6 Entwicklung der Nettokraftwerkskapazitäten, 2010, 2025 und 2040 in GW Quelle: Deutsche Bank Research Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 5 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen Dies ist zumindest aus zweierlei Gründen keineswegs zu unterschätzen: Im- merhin sind im aktuellen Umfeld der Energiewende selbst moderne und relativ energieeffiziente Gaskraftwerke am Standort Deutschland aufgrund ihrer Positi- on im rechten Bereich der sog. Merit-Order-Kurve 9 (siehe Abbildungen) „unter Druck“, was die Gasabsatzperspektiven in der Verstromung schmälert. Überdies bereitet die Nachfrage auf dem Wärmemarkt aktuell und perspektivisch Sorgen. Angesichts aktueller Trends im Wohnungsneubau sowie der politisch geförder- ten Wärmesanierung im Wohnungsbestand sind die Aussichten für Erdgas kei- neswegs mehr so günstig wie nach der ersten Ölkrise als Erdgas als Heizalter- native (gegenüber Öl und teilweise noch Kohle) für private Haushalte einen beispiellosen Siegeszug antrat. Lösungen jenseits technischer Elektrospeicher notwendig Der in Deutschland verfolgte Umbau der Elektrizitätswirtschaft in Richtung grü- ner Ausgangsenergien erfordert Innovationen jenseits typischer technischer Speicherlösungen, also von den heutigen Pumpspeicherkraftwerken bis hin zu künftigen Druckluftspeichern. Selbst für Experten zeichnen sich derzeit keine allein elektrischen Lösungen für den sehr hohen Speicherbedarf ab. 10 Im Ge- gensatz dazu wird den chemischen Speichern eher zugetraut, die regenerativ erzeugten Überschussmengen an Strom auch über einen längeren Zeitraum (Monate) zu speichern. Ideal ist ein chemischer Speicher freilich dann, wenn er mit großer Leistung relativ schnell geladen und mit merklich kleinerer Leistung über einen längeren Zeitraum wieder entladen werden kann. Damit wären diese Speicher eine gute Alternative bzw. Ergänzung zu den traditionellen elektri- schen bzw. mechanischen Speichern 11 . Chemische Speicher öffnen Überschussstrom neue Märkte Ausgangspunkt der neuartigen Fertigungskette ist die zunehmende Elektrizi- tätserzeugung aufgrund der Expansion grüner Stromquellen, insbesondere der Wind- und Solarenergie. Im Falle überschaubarer Mengen „grünen Stroms“ – heute die Regel – stellt die Einspeisung kein technisches Problem dar, da die Ökostrommengen auch Absatz finden. Im Falle überschüssiger Mengen an „Grünstrom“ – wie künftig von Jahr zu Jahr zunehmend – kommt es allerdings immer öfter zu ernsthaften Problemen. Die Zielkoordinaten der deutschen Ener- giepolitik mit dem klaren Bekenntnis zum Ausbau Erneuerbarer Energien deu- ten unzweifelhaft auf ein in Zukunft zunehmendes Dilemma hin. Zwar ist der Export von Grünstrom ins Ausland eine prinzipielle Alternative. Allerdings sind die steigenden Stromexportmengen auch für die Nachbarn eine immer größere Herausforderung. Deshalb macht es Sinn, eine eigene Lösung zu suchen bzw. zu entwickeln. Der chemische Ansatz zur Problembewältigung liefert eine solche Lösung auf zwei- erlei Wegen: Erstens kann mittels einer Elektrolyse der Überschussstrom ge- nutzt werden, um Wasser in Sauerstoff (O 2 ) und Wasserstoff (H 2 ) zu zerlegen. Der gewonnene Wasserstoff ist im Prinzip ohne Zeitrestriktion speicherbar. Überdies ist eine Rückverstromung mittels Gasturbinen, Automobilmotoren oder Brennstoffzellen möglich. Da Wasserstoff (in geringem Umfang) Erdgas beige- 9 Die Merit-Order-Kurve bildet die Reihenfolge des Kraftwerkeinsatzes nach deren kurzfristigen Grenzkosten ab. Erneuerbare Energien wirken preisdämpfend, da sie kaum variable Kosten ha- ben und deshalb mit steigendem Angebot traditionelle Kraftwerke mit höheren variablen Kosten entsprechend der Merit-Order-Kurve verdrängen. Die Folge sind niedrigere Strompreise auf der Großhandelsebene. Zu einer Übersicht von Quantifizierungsversuchen des Merit-Order-Effekts in Deutschland vgl. BMWi (2012). Erster Monitoring-Bericht. Energie der Zukunft. Berlin. S. 40. 10 Vgl. z.B. Herold, Gerhard (2013). Die Stromversorgung aus regenerativen Quellen und ihre Zwänge. BWK. Das Energie-Fachmagazin. Bd. 65, Nr. 7/8. S. 9-11. 11 Zu einer Thematisierung mechanischer Speicher vgl. Auer, Josef/Keil, Jan (2012). S. 7-10. Strommarkt letzte Dekade 7 Quelle: Eigene Darstellung Strommarkt künftig Merit-Order-Effekt durch EE-Zubau 8 Quelle: Eigene Darstellung Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 6 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen mischt werden kann, wird er damit auch in gewissem Sinne „mobil“. Gegenüber „Weg zwei“, der Methanisierung (s.u.), scheint der Wasserstoffweg aus mehre- ren Gründen vorteilhaft zu sein: So bleibt der Wirkungsgrad mangels zusätzli- cher Wasserstoffumwandlung (in Methan) relativ hoch und die nicht erforderli- che Methanisierungsanlage erspart Investitions- und Produktionskosten. Dies alles kann aber nicht über die Herausforderung hinwegtäuschen, dass „techni- sche Limits“ die möglichen Volumina stark bremsen, denn Wasserstoff kann nur in – im Vergleich zu „Weg zwei“ (s.u.) – geringerem Umfang Erdgas beigemischt werden. Es ist nämlich auch ein Faktum, dass das Gasgemisch letztlich in den unterschiedlichsten Netz- und Verbrauchsanlagen sowie Speichern landet bzw. verbrannt wird, die wiederum keineswegs alle Mischungsverhältnisse vertragen. Und – last but not least – erscheint die „gesellschaftliche Akzeptanz“ für die direkte Nutzung von Wasserstoff (aufgrund seiner relativ leichten Entzündbar- keit) über das Erdgasnetz noch keineswegs voll ausgereift zu sein. Vor diesem Hintergrund wird der zweite Weg interessant. In einem zusätzlichen Schritt in der Prozesskette wird dann nämlich der (wie beschrieben „grün“ ge- wonnene) Wasserstoff in synthetisches Methan transformiert; dieses wiederum entspricht chemisch normalem Erdgas. Dank der Methanisierung und der damit größeren Sicherheiten kann das Erdgasnetz mit sehr viel größeren Volumina befrachtet und damit auch genutzt werden als auf dem ursprünglichen Wasser- stoffweg. Über die Methanschiene öffnen sich dem „grün“ gewonnenen Strom – jenseits tageszeitlicher Restriktionen – im Prinzip alle Energienutzungspfade, also von der Stromerzeugung, über den Hausheizungs- bzw. Wärmemarkt bis hin zur Mobilität oder auch Weiterverarbeitung in der Chemischen Industrie. Chemische Speicher liefern neue Lösungen und verbinden Unverbundenes Es ist offensichtlich, dass die chemischen Energiespeicher das Potential besit- zen, eine tragfähige und auch machbare Lösung für eine der Hauptherausforde- rungen der Energiewende zu werden. Diese ist nämlich die Etablierung eines „Mediums“, das es erlaubt, die künftig steigenden zeitlichen Disproportionalitä- ten zwischen Strom- bzw. Energieerzeugung auf der einen Seite und dessen Verbrauch auf der anderen Seite auszubalancieren. Insofern könnten sich die Chemiespeicher letztlich als Wegbereiter, Basis- und Schlüsseltechnologien der Transformation unseres Energiesystems bzw. der Energiewende erweisen. Überdies verbindet der P2G-Ansatz Energiewelten, die bis dato relativ unverknüpft erschienen und damit eine Art Eigenleben führ(t)en, was wiederum nicht zuletzt auch die viel- bzw. unzähligen diesbezüglichen Marktanalysen be- legen. P2G verknüpft nämlich Stromerzeugung und Elektrizitätsnetz mit Gasbe- reitstellung und Gasnetzinfrastruktur. Die engere Verzahnung bzw. „Verdrah- tung“ von Primär- und Sekundärenergien sowie ansonsten eher getrennten Netzinfrastrukturen ermöglicht neue Spielräume, mehr Flexibilität und moderni- siert bzw. revolutioniert damit unsere herkömmliche, traditionelle Energiewelt grundlegend. Steigende P2G-Marktreife erfordert zuverlässigen Rechtsrahmen Die vielen Forschungs- und Anwendungsversuche rund um P2G machen die Technologien zunehmend marktreif. Indem die neuen Technologien aber dem Labormaßstab entwachsen und erste P2G-Pilotanlagen so viel Wasserstoff oder synthetisches Methan erzeugen, dass eine Einspeisung ins etablierte Erdgas- netz naheliegt, stellen sich neue Fragen bzw. Herausforderungen. Zur Beschleunigung und Vereinfachung der Marktpenetration beschreitet die Politik einen im Prinzip richtigen Weg. Da nicht zuletzt Rechtsunsicherheiten mögliche Investitionen hemmen können, versucht sie klare(re) Regeln festzule- Erzeugungs - und Nutzungspfade von P2G 9 Erzeugungspfade — Wasserstofferzeugung — Methanisierung Nutzungspfade — Mobilität — Industrie — Wärmeversorgung — Rückverstromung Quelle: dena 0 50 100 150 200 250 Speicherbedarf Speicherkapazität Quellen: BDEW, Thüga Prognose Thüga, vorgestellt auf dena - Jahreskonferenz 2013 Stromspeicherbedarf und - kapazität des Gas - verteilnetzes 2050, TWh Stromspeicherkapazität des Gas - verteilnetzes 2050 übertrifft Bedarf 10 Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 7 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen gen. Unter der Voraussetzung, dass der Wasserstoff bzw. das synthetische Methan mittels Wasserelektrolyse und Methanisierung aus Elektrizität und Koh- lenstoffoxiden auf der Basis regenerativer Energien erzeugt wurde, werden bei- de Materialien in die Definition des Biogasbegriffs (nach §3 Nr. 10c) des Ener- giewirtschaftgesetzes (EnWG) aufgenommen. Als Folge genießen sie die Privi- legierungen von Teil 6 der Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV) einschließlich diverser Regelungen der Gasnetzentgeltverordnung (GasNEV). Im Kern kom- men erneuerbarer Wasserstoff und synthetisches Methan damit zu einem privi- legierten Gasnetzanschluss, privilegierter Einspeisung, gelten die Regeln der Biogasbilanzierung, fallen Einspeiseentgelte weg, gibt es ein pauschales Entgelt für vermiedene Netzkosten und die Umlage der Kosten des Netzbetreibers ist geregelt. Da es jedoch durchaus Unterschiede in der P2G-Anlagentechnik im Vergleich zur klassischen Biogaserzeugung und -aufbereitung sowie der Gas- beschaffenheit gibt, die bis dato im Bereich der Biogaseinspeisung noch nicht vorkamen und damit auch nicht geklärt sind, nimmt sich seit Ende 2013 die Bundesnetzagentur den grundlegenden Fragestellungen an und sucht – im Dia- log – mit den Betroffenen nach den richtigen Antworten bzw. Lösungen. 12 Wirtschaftliche Zumutbarkeit und Herausforderung von Wasserstoff klären Im Kontext der Einspeisung ist – neben den grundsätzlichen Fragen rund um Anschlussverfügbarkeit und Mindesteinspeisekapazität – die Klärung der wirt- schaftlichen Zumutbarkeit für die Netzbetreiber ein wichtiges Kernthema. Hier vertritt die Netzagentur die Auffassung, dass der Netzbetreiber einen Netzan- schluss durchaus verweigern darf, falls dies wirtschaftlich unzumutbar oder technisch unmöglich ist. Allerdings könne eine wirtschaftliche Unzumutbarkeit nicht einfach und allein aus der intermittierenden Einspeisung von P2G abgelei- tet werden, da ja gerade die P2G-Einspeisung auf der Basis fluktuierender grü- ner Stromquellen wie Wind- oder Sonnenenergie beruhe. Breiten Raum im Einspeisezusammenhang nimmt freilich auch das Thema Wasserstoff ein, da dieser sich vom Grundgas hinsichtlich Zusammensetzung und brenntechnischer Spezifika unterscheidet, also nicht lediglich als Zusatzgas (gleicher Eigenschaften) behandelt werden kann. Insofern ist der Beimi- schungsgrad von Wasserstoff klar zu spezifizieren 13 , der wiederum einer Viel- zahl von Aspekten Rechnung tragen muss. So resultieren Beimischungsrestrik- tionen infolge der Anforderungen der allgemeinen Gasversorgung und damit auch der Interoperabilität der unterschiedlichen Gasnetze, Gasspeicher und Gasnutzungsformen (derzeit v.a. Wärme und Strom). Unter dem Strich muss das neue Gasgemisch auch den höheren Qualitätsanforderungen z.B. von BHKW-Motoren, Porenspeicher und Gasturbinen genügen. Überdies hat die H 2 - Beimischung die Anforderungen der bestehenden (rd. 900) Erdgastankstellen und (ca. 96.000) Erdgasfahrzeuge an die Gasqualität zu berücksichtigen 14 ; dies umso mehr, weil Erdgas künftig für die individuelle Mobilität noch wichtiger wer- den könnte. 15 12 Mitte Dezember 2013 verschickte die Bundesnetzagentur ein P2G-Positionspapier, das bis Ende Januar 2014 kommentiert werden kann und nachfolgend präzisiert wird. Vgl. Bundesnetzagentur (2013). Positionspapier zur Anwendung der Vorschriften der Einspeisung von Biogas auf die Ein- speisung von Wasserstoff und synthetischem Methan in Gasversorgungsnetze. Bonn. 13 Heute darf der Wasserstoffanteil an der gesamten Gasmenge innerhalb eines Gasnetzes in vielen Gebieten aufgrund technischer Vorgaben lediglich bei 2% liegen. Vgl. Bundesnetzagentur (2013). Pressemitteilung Positionspapier Power-to-Gas. 10. Dezember. 14 Zu Details vgl. auch Hoppe, Manfred (2012). Aspekte der Wasserstoffbeimischung zum Erdgas bei CNG-Fahrzeugen. DBI Fachforum Hybridspeicher – Hybridnetze. Berlin. 11./12. Dezember. 15 Zu einer detailgenauen Forschungsanalyse der komplexen Beimischungsfragen und einer prinzi- piellen Einordnung vgl. Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW, 2013). Entwick- lung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz. Abschlussbericht. Bonn. Insb. S. 24-198. Partner der Strategieplattform P2G unter dem Dach der dena 11 1 Bayerngas GmbH 2 Biogasrat+ e.V. 3 Robert Bosch GmbH 4 BTU Brandenburgische Technische Un i- versität Cottbus 5 DBI - Gastechnologisches Ins titut GmbH 6 DVGW Deutscher Vere in des Gas - und Wasserfaches e. V. 7 EnBW Energie Baden - Württemberg AG 8 ENERTAG AG 9 E.ON 10 ETOGAS GmbH 11 Evonik Industries AG 12 EWE AG 13 Fraunhofer - Institut für Windenenergie und Energiesystemtechnik IWES 14 Gasunie Deutschland 15 GDF SUEZ Energie Deutschland 16 GP JOULE 17 Hydrogenics 18 Institut für Elektrische Anlagen und Ene r- giewirtschaft IAEW 19 ITM Power 20 IVG Caverns GmbH 21 Open Grid Europe 22 Performing Energy 23 RWE Deutschland AG 24 Thüga AG 25 Trianel GmbH 26 Untergrundspeicher - und Geotechnologie - Systeme GmbH 27 Verband kommunaler Unternehmen VKU 28 VNG Gasspeicher GmbH 29 Viessmann Werke GmbH & Co. KG 30 Volkswagen AG 31 WINGAS GmbH 32 Zentrum für Sonnenenergie - und Wasse r- stoff - Forschung Baden - Württemberg ZSW Quelle: dena Deutsche Energiewende treibt Power-to-Gas 8 | 29. Januar 2014 Aktuelle Themen Interessante Perspektiven für P2G Um die neuen Technologien rund um P2G voranzubringen, hat sich in Deutschland um die Deutsche Energieagentur (dena) und rund 30 Partnern aus Wirtschaft, For- schung und Verbänden die „Strategieplattform Power-to-Gas“ gebildet. Ihre Aufga- be ist es, die Weiterentwicklung der P2G-Systemlösung zu unterstützen. Im Prinzip ist P2G heute technologisch bereits einsatzfähig, wobei derzeit Verfahren und Komponenten zur Erleichterung der Markteinführung weiterentwickelt und optimiert werden. Um einen wirtschaftlichen P2G-Anlagenbetrieb während der Demonstrati- ons- und Markteinführungsphase zu ermöglichen, sollte die Politik dies mittels zeit- lich und quantitativ begrenzter Markteinführungsinstrumente fördern. Die Plattform- experten votieren dafür, zum Zwecke einer kommerziellen Markteinführung bis 2022 die Installation von P2G-Systemen mit einer elektrischen Leistung von insge- samt 1.000 MW anzustreben, um so einen „relevanten Markt“ zu etablieren. Län- gerfristig sollte die P2G-Marktintegration freilich bedarfsorientiert erfolgen. Der von der Strategieplattform angepeilte Entwicklungspfad erscheint zweck- mäßig, denn bis Mitte der 2020er Jahre können mechanische Speicher noch den erforderlichen Marktausgleich bewerkstelligen. Für die sich bis 2040 ver- stärkenden Stark- und Schwachwindperioden im Wochenbereich bzw. saisonale Schwankungen wären dann jedoch bis dahin zu entwickelnde und deutlich leis- tungsfähigere P2G-Stromspeicher eine merklich tragfähigere Problemlösung. 16 Fazit: P2G-Entwicklung startet zur rechten Zeit Die Energiewende wandelt die heimische Energiewelt und bringt neue Heraus- forderungen. Die politisch gewollte Expansion der Erneuerbaren und insbeson- dere deren stärkere Nutzung zur Stromproduktion erzeugt bis dato nicht be- kannte Speicherprobleme. In der kommenden Dekade können mechanische Speicher und der Stromaußenhandel den Markt noch ausbalancieren. Danach sind neue Lösungen wie P2G nötig. Findet der soeben begonnene Forschungs- und Entwicklungspfad die erforderliche Unterstützung von Politik, Forschungsin- stituten und Wirtschaftsunternehmen, gelingt die angestrebte P2G-Marktein- führung bis Mitte der 2020er Jahre. Wird die Energiewende planmäßig fortge- setzt, muss es einem – nicht zuletzt auch dank der P2G-Innovationen – um die massive Expansion der Erneuerbaren und deren tragende Rolle in der Strom- wirtschaft nicht bange werden. Das Volumen der Wind- und Solarstromschwan- kungen wächst zwar. Aber mit P2G steht künftig eine leistungsfähige Techniklö- sung jenseits traditioneller Antworten bereit. Josef Auer (+49 69 910-31878, josef.auer@db.com) 16 Zu Details vgl. Auer, Josef/Keil, Jan (2012). S. 10/11. Aufbau P2G - Projekte in DE startet 13 — Ca. 10 Anlagen in der Planung — 3 Anlagen im Bau — 9 Anlagen im Betrieb — Anlagenleistungen von unter 100 kW bis 6 MW — Forschungs- und Demonstrationsprojekte — Herausforderung: Überführung in eine großtechnisch verfügbare und wirtschaft- lich nutzbare Technologie — Ziel Lern- und Skaleneffekte durch Markt- einführung und Großserientechnik Quelle: dena, Juni 2013 © Copyright 2014. Deutsche Bank AG, Deutsche Bank Research, 60262 Frankfurt am Main, Deutschland. Alle Rechte vorbehalten. Bei Zitaten wird um Quellenangabe „Deutsche Bank Research“ gebeten. Die vorstehenden Angaben stellen keine Anlage-, Rechts- oder Steuerberatung dar. Alle Meinungsaussagen geben die aktuelle Einschätzung des Verfassers wieder, die nicht notwendigerweise der Meinung der Deutsche Bank AG oder ihrer assoziierten Unternehmen entspricht. 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