Power-to-Gas als Möglichkeit zur Speicherung eines Energieüberangebots und als Bestandteil eines flexiblen Demand Side Managements

Abstract

Bereits heute wird das elektrische Energieversorgungssystem durch einen hohen Anteil erneuerbarer Energien geprägt. Aufgrund politischer Zielvorgaben wird der Beitrag der erneuerbaren Energien zu einer zukünftigen Energieversorgungsstruktur noch deutlich steigen. Neben den Vorteilen dieser Entwicklung, wie zum Beispiel der Reduzierung von Treibhausgasemissionen, entstehen auch Herausforderungen, die einen Wandel der etablierten Strukturen erfordern. Diese etablierten Strukturen beruhen auf der historischen Entwicklung des elektrischen Versorgungssystems, welches über lange Zeit aus zentralen Energie-erzeugungsanlagen auf Basis fossiler und nuklearer Energieträger bestand. In diesem System passte sich die Erzeugungsseite dem Strombedarf der Verbraucherseite an. Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien sinkt die Flexibilität der Erzeugerseite, da ein großer Teil der erneuerbaren Energiesysteme, wie zum Beispiel die Windkraft und die Photovoltaik, nicht steuerbar sind. Ihre Erzeugungsleistung wird von Umwelteinflüssen, wie dem Windangebot und der Sonneneinstrahlung, bestimmt und ist nur in einem bestimmten Maße prognostizierbar. Diese sinkende Flexibilität und steigende Unsicherheit auf der Erzeugungsseite muss durch eine erhöhte Flexibilität auf der Verbraucherseite und mithilfe von Energiespeichern ausgeglichen werden. Einen Beitrag dazu könnte das Power-to-Gas-Konzept bieten, welches im Fokus dieser Arbeit steht. Der Grundgedanke des Konzeptes ist es, überschüssige elektrische Energie in Form eines gasförmigen chemischen Energieträgers zu speichern. Im Mittelpunkt steht dabei die Wasserelektrolyse, welche Wasser mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Ein großer Teil der dafür benötigten elektrischen Energie ist anschließend chemisch im Wasserstoff gebunden. Der Wasserstoff kann entweder vor Ort gespeichert und bei Bedarf zurück in elektrische Energie umgewandelt oder zur Speicherung in das Erdgasnetz eingespeist werden. Darüber hinaus ist es in einem weiteren Schritt möglich den Wasserstoff unter Zugabe von Kohlenstoffdioxid durch einen Methanisierungsprozess in Erdgas umzuwandeln. Dies hat den Vorteil, dass Erdgas im Gegensatz zu Wasserstoff nahezu ohne Begrenzung in das Erdgasnetz eingespeist werden kann und darüber hinaus ohne Einschränkungen von allen vorhandenen Gasverbrauchern auf Erdgasbasis genutzt werden kann. Eine Einspeisung der aus überschüssigem Strom erzeugten Gase in das Erdgasnetz hat den Vorteil, dass ein gut ausgebautes System aus Verteilungsstrukturen und Speichern zur Verfügung steht. Damit ist es möglich die gespeicherte Energie über weite Strecken zu transportieren und deren Rückspeisung nicht nur zeitlich sondern auch örtlich zu verlagern. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Einbindung des Power-to-Gas-Konzeptes in die elektrische Energieversorgungsstruktur untersucht. Anhand von Modellsimulationen wird die Fähigkeit einer Power-to-Gas-Anlage zur Erbringung von Regelenergie als Systemdienstleistung sowie zum Ausgleich von Prognoseabweichungen bei der Windenergieeinspeisung betrachtet. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Analyse verschiedener Szenarien und deren Auswirkungen auf den Betrieb der Elektrolyse als dynamische Komponente eines Power-to-Gas-Systems. Des Weiteren werden die Nutzungsmöglichkeiten von Power-to-Gas-Anlagen auf ihre Wirtschaftlichkeit untersucht, die ebenfalls ein wichtiges Beurteilungskriterium ist. Als Grundlage für diese Betrachtungen wird einleitend die Funktionsweise des Energieversorgungssystems und der Strommärkte vorgestellt. Dabei wird insbesondere auf die Ausgleichsmöglichkeiten zwischen Energieerzeugung und -verbrauch eingegangen. Um einen Vergleich mit anderen Speichertechnologien herstellen zu können, werden auch diese kurz vorgestellt. Neben der Betrachtung der energiewirtschaftlichen, rechtlichen und technischen Rahmenbedingungen wird der aktuelle Stand der Technik in Bezug auf die wichtigsten Komponenten eines Power-To-Gas-Systems aufgezeigt. Zudem werden die verschiedenen Varianten des Power-to-Gas-Konzeptes erläutert. Das Ziel der Arbeit ist es, einen tiefen und umfassenden Überblick über das Thema Power-to-Gas zu geben und gleichzeitig die Potentiale und Einsatzmöglichkeiten der Technologie herauszuarbeiten. Mit den Untersuchungen der Nutzungskonzepte soll gezeigt werden, unter welchen Voraussetzungen der Einsatz der Power-to-Gas-Technologie sinnvoll ist und ob eine Power-to-Gas-Anlage bereits heute wirtschaftlich betrieben werden könnte oder unter welchen Bedingungen dieses möglich wäre.