"Power-to-Gas". Die Nutzung der deutschen Erdgasinfrastruktur im Rahmen der Energiewende


Seminararbeit, 2016
27 Seiten, Note: 1,3

Leseprobe

I
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis ... II
Abbildungsverzeichnis ... III
1.
Einleitung ... 1
1.1
Problemstellung und Zielsetzung ... 1
1.2
Aufbau der Arbeit ... 1
2
Grundlagen ... 2
2.1
Begriff und Definition Power-to-Gas ... 2
2.2
Begriff und Definition erneuerbarer Energien ... 2
2.3
Formen regenerativer Energien ... 2
3
Ökonomische Aspekte ... 7
3.1
Möglichkeiten und Grenzen erneuerbarer Energien ... 7
3.2
Speichermöglichkeiten in Deutschland ... 9
3.2.1
Aktuelle Speichersituation ... 9
3.2.2
Deutsche Erdgasinfrastruktur als Speichermöglichkeit ... 10
4
Nutzungsmöglichkeit der Erdgasinfrastruktur ... 11
4.1
Power-to-Gas Verfahren ... 11
4.1.1
Elektrolyse ... 11
4.1.2
Methanisierung ... 12
4.1.3
Alternative Nutzungsfelder ... 13
4.2
Power-to-Gas Anlage ... 14
5
Fazit und Ausblick ... 17
Literaturverzeichnis ... IV

II
Abkürzungsverzeichnis
CNG
Compressed-Natural-Gas
CO
2
Kohlenstoffdioxid
EEG
Erneuerbare Energien Gesetz
EnWG
Energiewirtschaftsgesetz
EU
Europäische Union
GasNEV
Gasnetzentgeltverordnung
GasNZV
Gasnetzzugangsverordnung
g-tron
Produktmarke von Audi (Erdgas)
H
Wasserstoff
h
Stunde
H
2
Wasserstoff
H
2
O
Wasser
km
Kilometer
kW
Kilowatt
kWh
Kilowattstunde
m
3
Kubikmeter
Mio.
Millionen
Mrd.
Milliarden
O
Sauerstoff
SNG
Synthetisches Erdgas
TWh
Terrawattstunde

III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Bruttostromerzeugung in Deutschland 2015 in Prozent ... 3
Abbildung 2: Entwicklung der Stromerzeugung von Windenergieanlagen in Deutschland 4
Abbildung 3: Anteil der Wasserkraft in Prozent des Bedarfs ... 5
Abbildung 4: Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Milliarden Kilowattstunden .. 6
Abbildung 5:Wärme aus erneuerbaren Energie 2014 in Mrd. Kilowattstunden ... 6
Abbildung 6: Entwicklung des Anteils erneuerbarer Energien am
Bruttoendenergieverbrauch in Deutschland ... 7
Abbildung 7: Kapazitäten verschiedener Stromspeicher in kWh ... 10
Abbildung 8: Elektrolyseprozess ... 11
Abbildung 9: Methanisierungsprozess ... 12
Abbildung 10: Power-to-Gas Pilotanlag der Viessmann Group in Allendorf ... 14
Abbildung 11: Verfahren der Power-to-Gas Anlage in Allendorf ... 15
Abbildung 12: Prozessablauf der Power-to-Gas Anlage bis zur Verwendung ... 16

1
1.
Einleitung
1.1
Problemstellung und Zielsetzung
In den letzten 20 Jahren ist die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien kontinuierlich
gestiegen. Innerhalb Deutschlands machte 1990 der Anteil von regenerativ erzeugtem
Strom aus Windenergie, Wasserkraft, Photovoltaik- und Biogasanlagen 3,4% des
Bruttostromverbrauchs aus; im Jahr 2015 lag der Wert bereits bei 32,6%.
1
Bis zum Jahr
2050 soll der Anteil des aus erneuerbaren Energien erzeugten Stroms bei mindestens 80%
liegen und ist damit die wichtigste Elektrizitätsquelle für den Strommarkt.
2
Diese
Entwicklung zeigt, dass die Frage nach langfristigen Stromspeichern im deutschen
Energiesystem vor allem in Bezug auf die zunehmende volatile Einspeisung eine zentrale
Rolle spielt. Dabei liegt das Augenmerk nicht ausschließlich auf dem Strommarkt sondern
zunehmend auf der potentiellen Nutzung der bereits bestehenden deutschen
Erdgasinfrastruktur. Inwiefern das bestehende Erdgasleitungsnetz für die Speicherung von
erzeugtem Strom nutzbar ist, wird im Folgenden anhand des Konzeptes von Power-to-Gas
erläutert und mit einem Praxisbeispiel näher verdeutlicht.
Ziel der Ausarbeitung ist, die Nutzung der Erdgasinfrastruktur als effizienten Speicher von
erneuerbaren Energien darzustellen. Dabei wird insbesondere auf das sogenannte Power-
to-Gas Verfahren sowie den derzeitigen Stand der Technik und vorhandene Hindernisse
zur Umsetzung eingegangen. In der Ausarbeitung werden keine weiteren Verfahren zur
Nutzung der Erdgasinfrastruktur erläutert.
1.2
Aufbau der Arbeit
In der folgenden Seminararbeit werden zunächst die Grundlagen aufgeführt; diese
umfassen die Definition sowie verschiedene Formen regenerativer Energien. Darauf
aufbauend wird erläutert, welche Möglichkeiten und Hindernisse in Deutschland für die
Nutzung beziehungsweise die Herstellung erneuerbare Energien gegeben sind.
Anschließend wird auf die bereits bestehende Erdgasinfrastruktur sowie deren
Speichermöglichkeiten im Vergleich zu denen des Stromnetzes eingegangen. Daraufhin
wird anhand der Power-to-Gas Anlagen der Viessmann Group ein mögliches Verfahren
zur Nutzung der Erdgasleitung aufgezeigt. Abschließend wird ein Ausblick gegeben,
welche Hindernisse umgangen werden müssen, um den Ausbau effizient gestalten zu
können und die Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energien zu ermöglichen.
1
Vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (2016a), S.6.
2
Vgl. EEG (2014), §1 Abs. 2.

2
2
Grundlagen
2.1
Begriff und Definition Power-to-Gas
Überschüssig produzierten Strom in einen gasförmigen Energieträger umzuwandeln, ist
das Ziel der Power-to-Gas Technologie. Der zeitweise Stromüberschuss, der durch
erneuerbare Energien entsteht, wird dabei in einen gasförmigen Energieträger wie
Wasserstoff oder synthetische Methan transformiert, welche in der bestehenden
Erdgasinfrastruktur transportiert, in Gasspeichern gespeichert und anschließend zur
Wärme- oder Strombereitstellung genutzt werden können.
3
Durch diese Möglichkeiten
stellt die volatile Verfügbarkeit erneuerbarer Energien keine Herausforderung mehr da.
4
Somit ist eine innovative technische Systemlösung gegeben, welche Fluktuationen in der
Erzeugung erneuerbarer Energien ausgleicht, um Energien bei einem Überangebot
effizient speichern und bei Engpässen nutzen zu können.
5
Das Verfahren wird im Zuge der Ausarbeitung in Kapitel 4.1 näher erläutert und
dargestellt.
2.2
Begriff und Definition erneuerbarer Energien
Unter dem Begriff der erneuerbaren Energien versteht man solare Strahlungsenergie, die
kinetische Energie des Windes und des Wassers, die nachwachsende Biomasse und die
geothermische Energie.
6
Diese Energieträger werden als regenerative oder alternative Energien bezeichnet.
Darunter versteht man all die Energierohstoffe, die anders als fossile Energieträger auf
unbegrenzte Ressourcen zurückgreifen oder sich auf natürliche Weise regenerieren
können.
7
Die verschiedenen Formen regenerativer Energien werden im Folgenden beschrieben.
2.3
Formen regenerativer Energien
Solarenergie
Die Sonne versorgt die Erde mit eineinhalb Trillionen kWh Energie im Jahr, was dem
15000-fachen globalen Primärenergieverbrauch entspricht.
8
3
Vgl. Deutsche Energie-Agentur GmbH (2015), S.3.
4
Vgl. Valentin, F., Bredow, H. (2011), S.105.
5
Vgl. Deutsche Energie-Agentur GmbH (2013), S.3.
6
Vgl. EEG 2014 §5 Nr.14.
7
Vgl. Umweltbundesamt (2016).
8
Vgl. Kästner, T., Kießling, A. (2016), S. 46.

3
Sonnenstrahlung wird mittels Solarzellen von Photovoltaikanlagen in elektrische Energie
umgewandelt, welche direkt genutzt oder in Batterien gespeichert werden kann.
Die installierte Kraftwerkleistung in Deutschland beträgt derzeit 38 Gigawatt.
9
Damit
tragen Photovoltaikanlagen am Tag, wie in Abbildung 1 veranschaulicht, 5,9 Prozent zur
Stromversorgung in Deutschland bei.
10
Abbildung 1: Bruttostromerzeugung in Deutschland 2015 in Prozent
Quelle: Eigene Abbildung nach:
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V.
(2016a).
Neben Photovoltaikanlagen können solarthermische Kraftwerke zur reinen
Stromerzeugung oder zur Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Sogenannte
Solarkollektoren und Solarwärmeanlagen setzen die Sonnenstrahlung hingegen zu Wärme
um.
11
Windenergie
Windenergieanlagen gewinnen Strom aus der Kraft und dem Antrieb des Windes.
Unterschieden wird zwischen der Windenergie auf See (Offshore) und der Windenergie
am Land (Onshore).
9
Vgl. Agentur für Erneuerbare Energien (2016).
10
Vgl. Kleinknecht, K. (2015), S. 112.
11
Vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (2016b).
Erdgas
9,1
Sonstige
4,8
Steinkohle
18,1
Kernenergie
14,1
Braunkohle
23,8
Photovoltaik
5,9
Wasserkraft 3
Biomasse
7,7
Windenergie
13,5
30,1
Insgesamt 651,8 Mrd. kWh davon 196 Mrd. kWh erneuerbare Energien
Eeneuerbare
Energien

4
Abbildung 2 zeigt, dass die Bruttostromerzeugung von Windenergieanlagen in
Deutschland 2015 insgesamt bereits bei 88 Mio. kWh lag. Im Vorjahr waren es 57,4 kWh.
Damit deckt Windenergie bei einem gesamten Bruttostromverbrauch von 600 Mio. kWh
ungefähr 14,67 Prozent ab. Die Erzeugung ist seit dem Jahr2010 stetig gestiegen. Zudem
bietet sich in Deutschland weiteres Potential zum Ausbau der Windeenergieanlagen.
Abbildung 2: Entwicklung der Stromerzeugung von Windenergieanlagen in Deutschland
Quelle: Eigene Abbildung nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (2016).
Windenergie macht in Deutschland den größten Anteil an erneuerbaren Energien aus.
12
Wasserkraft
Der natürliche Wasserkreislauf, zu dem Verdunstung, Niederschlag und Wasserablauf
zählen, wird zur Energiegewinnung genutzt. Wasserkraftwerke nutzen die
Strömungsenergie, um Generatoren zur Stromgewinnung anzutreiben. So kann sowohl
Wasserkraft an Flüssen als auch Meeresströmungen und Wellenenergie genutzt werden.
13
Ursprünglich stammt die Energie des Wassers aus der Sonnenenergie, welche für die
Verdunstung sowie den Niederschlag sorgt.
14
12
Vgl. Kästner, T., Kießling, A. (2015), S.41.
13
Vgl. Agentur für Erneuerbare Energien (2016).
14
Vgl. Kleinknecht, K. (2015), S.69.
9,5 10,5
15,8
18,7
25,5 27,2
30,7
39,7 40,6 38,6 37,8
48,9 50,7
51,7
57,4
88
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
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Details

Titel
"Power-to-Gas". Die Nutzung der deutschen Erdgasinfrastruktur im Rahmen der Energiewende
Hochschule
FOM Essen, Hochschule für Oekonomie & Management gemeinnützige GmbH, Hochschulleitung Essen früher Fachhochschule
Veranstaltung
Energiesektor
Note
1,3
Autor
Jahr
2016
Seiten
27
Katalognummer
V388616
ISBN (eBook)
9783668625785
ISBN (Buch)
9783668625792
Dateigröße
1112 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
power-to-gas, nutzung, erdgasinfrastruktur, rahmen, energiewende
Arbeit zitieren
Maren Humbert (Autor), 2016, "Power-to-Gas". Die Nutzung der deutschen Erdgasinfrastruktur im Rahmen der Energiewende, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/388616

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