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Effizienzvergleich Wasserstoffwirtschaft vs. Stromwirtschaft Christian Reinhold, B.Sc., 28.06.13.

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Präsentation zum Thema: "Effizienzvergleich Wasserstoffwirtschaft vs. Stromwirtschaft Christian Reinhold, B.Sc., 28.06.13."—  Präsentation transkript:

1 Effizienzvergleich Wasserstoffwirtschaft vs. Stromwirtschaft Christian Reinhold, B.Sc.,

2 Agenda | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 2 Physik und Technik der Drehstrom-Hochspannungsübertragung Energetische und Kostenbasierte Untersuchung der Stromwirtschaft Energetische und Kostenbasierte Untersuchung der Wasserstoffwirtschaft Effizienzvergleich Stromwirtschaft zu Wasserstoffwirtschaft Schlussbemerkungen

3 Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 3 Hochspannungs- transformator Leitung Mittel-,Niederspannungs- transformator

4 Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 4 Hochspannungs- transformator Leitung Mittel-,Niederspannungs- transformator Elektrischer Speicher Schalter: aus

5 Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 5 Hochspannungs- transformator Leitung Mittel-,Niederspannungs- transformator Elektrischer Speicher Schalter: ein (geladen)

6 Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 6 Hochspannungs- transformator Leitung Mittel-,Niederspannungs- transformator Elektrischer Speicher Schalter: ein (geladen)

7 Definition: Stromwirtschaft Stromwirtschaft Stromwirtschaft ist ein Bestandteil der Energiewirtschaft, in der auf allen Ebenen mit Strom gehandelt und gewirtschaftet wird. Vorrangig zur Versorgung von Privat-Haushalten, Betrieben aller Art mit elektrischer Energie. Als Sekundärenergie wird dabei Strom genutzt. Grundelemente der Stromwirtschaft sind: Erzeugung von Strom Transport von Strom Speicherung von Strom | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 7

8 Prinzipschaltung Hochspannungsübertragung - Stromwirtschaft | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 8 Hochspannungs- transformator Leitung Mittel-,Niederspannungs- transformator Elektrischer Speicher Schalter: ein (geladen) Stromerzeugung Stromtransport Stromspeicherung

9 Stromwirtschaft heute | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 9

10 Stromerzeugungskosten und Wirkungsgrade | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 10 Erzeugungstyp Stromgestehungs- kosten in ct/kWh Wirkungsgrad in %Erzeugungstyp Stromgestehungs- kosten in ct/kWh Wirkungsgrad in % Steinkohle9 (2) 46 (2) PV-Kleinanlagen (1300 kWh/m²/a) (1) 5-25 (abhängig vom Material) Onshore-WEA (Back-up-Kosten, Netzausbau u. Verluste) (1) 50 PV-Freiflächen (1300 kWh/m²/a) 13 – 14 (1) 5-25 (abhängig vom Material) Offshore-WEA (Back-up-Kosten, Netzausbau u. Verluste) (1) 50Braunkohle9 (2) 46 (2) Solarthermisch. Kraftwerk 18 (1) 15Wasserkraftwerk1090 Biomasse15 (2) 40GuD8 (2) 60 (2)

11 Stromtransportkosten und Verluste Speicherkosten und Verluste | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 11 Transporttyp Stromtransport- kosten in ct/kWh (nur Verlustkosten) Verluste in %Speichertyp Stromspeicher- kosten in ct/kWh Verluste in % Freileitung1210Pumpspeicher Kabel97,5Lithium-Ion GIL7,86,5 HGÜ65 Für Freileitung, Kabel und GIL wurden folgende Werte verwendet: 1000MVA, 1000km Für HGÜ wurden Referenzprojekte verwendet (Desertec, NordNed)

12 Versorgung mit Strom – Energetische Betrachtung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 12 1 kWh 0,14 - 0,48 kWh 0,15-0,5 kWh Direkte Erzeugung von Strom -> hohes energetisches Niveau am Verbraucher Verluste werden hauptsächlich durch Erzeugung und Transport verursacht Speicher werden nur eingesetzt als Puffer und bei Überangebot (derzeit) 0,11 - 0,38 kWh 0,11 - 0,48 kWh

13 Versorgung mit Strom – Kostenbetrachtung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie ct/ kWh Der Energiepreis am Verbraucher ist stark vom Erzeugungstyp und Transporttyp oder wahlweise Speichertyp 5-20 ct/ kWh 6-12 ct/ kWh ct/ kWh 6-16 ct/ kWh 9 ct/ kWh ct/ kWh

14 Versorgung mit Strom: Auswertung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 14 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. EnergieWasser + HGÜ+ kein Speicher0,85516 PV: Max. EnergiePV + HGÜ + kein Speicher0, Wind: Max. EnergieWind + HGÜ + kein Speicher0,47519,5 Bio: Max. EnergieBiomasse + HGÜ+ kein Speicher0,3821 Min. Energie Solarthermie. + Freileitung. + Pumpspeicher 0, Min. KostenWind + HGÜ + kein Speicher0,47513 Max. Kosten Solarthermie. + Freileitung. + Lithium-Ion 0,121547,5 Wasserkraft mit Übertragung per HGÜ hat den besten Gesamtwirkungsgrad und geringe Kosten pro kWh Es besteht keine Kopplung zwischen Gesamtwirkungsgrad und Kosten pro kWh Speichernutzung haben sowohl negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad als auch auf die Kosten HGÜ verbessert den Gesamtwirkungsgrad um 1,6% im Vergleich zur GIL HGÜ verbessert die Kostenbilanz um 22% im Vergleich zur Freileitung

15 Szenario Überangebot | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 15 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. Energie Wasserkraft + HGÜ + Lithium-Ion 0,769533,5 Min. KostenWind + HGÜ + Pumpspeicher0, Min. Kosten Solarthermisch + HGÜ + Pumpspeicher 0, Min. KostenPV + HGÜ + Pumpspeicher0, Kosten der Erzeugung für PV, Wind, Solarthermie 0 ct/kwh Bedingung: Speicher muss eingesetzt werden Wasserkraft in Verbindung mit HGÜ und Lithium-Ion-Batterien hat den höchsten Energetischen Wert Wind, PV und Solarthermie können im Fall von Überangebot optimal mit HGÜ und Pumpspeicher verwendet werden

16 Versorgung mit Mobilität – Energetische Betrachtung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 16 1 kWh 0,4 kWh 1 kWh 0,15-0,5 kWh 0,11-0,48 kWh 0,1-0,46 kWh Höheres Energetisches Niveau wenn der Verkehrssektor direkt über Elektromobilität realisiert wird Besserer Umwandlungswirkungsgrad von elektrischer Energie-> Mechanischer Energie

17 Versorgung mit Mobilität – Kostenbetrachtung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 17 8,55 ct/kWh 13,68 – 28,55 ct/kWh 17,84 ct/kWh (E85) 6-16 ct/kWh 14,4 - 52,8 ct/kWh Sehr hohe Kostenschwankungen bei Elektromobilität Verbesserung möglich durch günstige Erzeugung und nicht Inanspruchnahme des Speichers 15 ct/ kWh ct/ kWh 6-16 ct/ kWh 9 ct/ kWh 5-20 ct/ kWh 6-12 ct/ kWh ct/kWh

18 Energetische/Kostenbasierte Auswertung und Szenario Überangebot | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 18 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. EnergieWasser + HGÜ+ kein Speicher ,6 Min. KostenWind + HGÜ + kein Speicher0,427514,3 Überangebot (max. Energie) Wasserkraft + HGÜ + Lithium-Ion Überangebot (min. Kosten) PV + HGÜ + Pumpspeicher Gas0,413,68 -E850,428,55 Ergebnisse ähnlich Analyse Versorgung mit Strom Durch Umwandlung in mechanische Energie wird der Gesamtwirkungsgrad um 10% gesenkt und die Kosten nehmen in Durchschnitt um 1,2 ct/kWh zu E-Mobility zeigt eine Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zu Gas und E85 besonders bei Überangebot

19 Stromwirtschaft heute + Integration Wasserstoffwirtschaft | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 19

20 Wasserstofferzeugungskosten und Wirkungsgrade | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 20 ErzeugungstypStromgestehungskosten in ct/kWh H2 Wirkungsgrad in % Dampfreformierung2,64 (3) 70 (3) Biomassevergasung2,40 (3) 67 (3) Elektrolyse6,50 (3) 70 (3) Kohlevergasung1,22 (3) 57 (3) IGCC 1,39 (3) (H 2 )50 (3) 2,00 (3) (Strom)10 (3)

21 Wasserstofftransportkosten undSpeicherkosten und Verluste Verluste | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 21 Transporttyp H2-transport- kosten in ct/kWh (nur Verlustkosten) Verluste in %Speichertyp Stromspeicher- kosten in ct/kWh Verluste in % Pipeline0,58 (3) 0,01Druckspeicher2330 (3) Trailertransport0,76 (3) 0,03Gas-Kavernen2220 (3) Flüssigspeicher2355 (3) Hybridspeicher1,211,5 Pipelinetransport: 1000MVA, 1000km Für Trailertransport wurde ein Kraftstoffverbrauch von 350l/1000km angesetzt

22 Versorgung mit Strom – Energetische Betrachtung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 22 0,08-0,7 kWh 0,036 – 0,56 kWh 0,08-0,7 kWh 0,014-0,28 kWh Aufgrund der Umwandlungsverlusten hat man energetische Nachteile Gegenüber Stromwirtschaft 0,11-0,48 kWh

23 Versorgung mit Strom – Kostenbetrachtung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 23 2,64 ct/kWh 18,8 – 72,1 ct/kWh 1,8 – 54,55ct/kWh 17,8 – 89,7 ct/kWh 2,4 ct/kWh 6,5 ct/kWh 1,22 ct/kWh 1,39 ct/kWh 12 – 48 ct/kWh 1,22 – 54,5ct/kWh Durch günstige Produktion von H2 können Kostenvorteile gegenüber Stromwirtschaft entstehen Elektrolyse-BZ wird bei regenerativ gespeicherten Strom unwirtschaftlich

24 Versorgung mit Strom: Auswertung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 24 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,2515 (70,6%)33.08(107%) PV: Max. Energie/ Min. KostenPV -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ0,0419 (70,6%)38,08 (81%) Wind: Max. Energie/ Min. Kosten Wind -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,1397 (70,6%)30,08 (55%) Bio: Max. Energie/ Min.KostenBiovergasung -> Pipeline -> BZ0,2677 (30%)18,98 (10%) Min. Energie PV -> Freileitung -> Pumpspeicher -> Elektrolyse -> Trailertransport -> Flüssigspeicher -> BZ 0,0127 (87%)76,76 (119%) Min. KostenKohlevergasung -> Pipeline -> BZ0,2278 (52%)17,8 (37%) Die Umwandlung von Strom aus Wasserkraft wäre eine akzeptable Möglichkeit Wasserstoff zu erzeugen Mit Hilfe der Biovergasung entsteht ein Kostenvorteil von ca. 10% Im Allgemeinen entsteht ein unwirtschaftlicher Energieverlust sowie Kosten aufgrund der Umwandlungsverluste in der Elektrolyse

25 Versorgung mit Strom: BZ - KWK | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 25

26 Versorgung mit Strom: BZ-KWK | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 26 Abhängig von der Betriebstemperatur kann BZ in Fernwärmenutzung und Nahwärmenutzung einteilen BZBetriebstemperaturFernwärmenutzungNahwärmenutzung AFC °C-x PEMFC60-90 °C-x PAFC °C-x DMFC °C-x MCFC °Cx- SOFC °Cx (Quelle: [4])

27 Versorgung mit Strom: Auswertung mit KWK | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 27 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,566 (33,8%)33.08(107%) PV: Max. Energie/ Min. KostenPV -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ0,094 (34%)38,08 (81%) Wind: Max. Energie/ Min. Kosten Wind -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ 0,3143 (33,8%)30,08 (55%) Bio: Max. Energie/ Min.KostenBiovergasung -> Pipeline -> BZ0,60 (58%)18,98 (10%) Min. Energie PV -> Freileitung -> Pumpspeicher -> Elektrolyse -> Trailertransport -> Flüssigspeicher -> BZ 0,028 (72%)76,76 (119%) Min. KostenKohlevergasung -> Pipeline -> BZ0,51 (7%)17,8 (37%) Mit KWK von BZ kann man den Wirkungsgrad auf nahezu 90% erhöhen Dies bewirkt eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades so, dass die Bio- und Kohlvergasung eine alternative zur Stromwirtschaft darstellen

28 Energetische/Kostenbasierte Auswertung und Szenario Überangebot/Speicherung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 28 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,45 (41,5%)55,08 (64%) Min. Kosten PV -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,075 (30%)45,08 (310%) Min. Kosten Wind -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,2515 (30%)45,08 (310%) Sowohl Verschlechterung der Energiewerte als auch Kostenwerte Kostenexplosion bei der Verwendung von Wind- und PV-Strom Alternativen könnten trotzdem interessant sein aufgrund der Möglichkeit eines Langzeitspeichers

29 Versorgung mit Mobilität | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 29

30 Energetische/Kostenbasierte Auswertung und Szenario Überangebot | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 30 SzenarioStreckeEndenergie in kWhKosten in ct/kWh Max. Energie Wasser -> Elektrolyse -> Pipeline -> BZ (74%)33,08 (90%) Min. Kosten Kohlevergasung -> Pipeline -> BZ 0,178 (58%)17,8 (25%) Überangebot (max. Energie) Wasserkraft -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> BZ 0,158 (77%)55,08 (50%) Überangebot (min. Kosten) PV -> Elektrolyse -> Pipeline -> Kavernen -> B 0,0255 (92%)45,08 (272%) -Gas0,413,68 -E850,428,55 Im Vergleich zur E-Mobility zeigt die Versorgung mit Wasserstoff sowohl energetisch als auch kostenorientiert Nachteile Ohne ausreichende Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologien kann eine Versorgung des Verkehrssektors mit Wasserstoff nicht wirtschaftlich sein

31 Zusammenfassung | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 31 Eine gesamte Umstellung von der Stromwirtschaft zur Wasserstoffwirtschaft ist nicht sinnvoll Im Bereich der Biomassevergasung und bei Überangebot von regenerativen Strom kann die Wasserstoff sowohl energetisch als auch kostenbasiert effizient eingesetzt werden (siehe Tetzlaff) Da es keine elektrische Lösung des Speicherproblems bis jetzt gibt könnte das Gasnetz als Puffer und Speicher genutzt werden Durch KWK von Brennstoffzellen kann der Gesamtwirkungsgrad erheblich gesteigert werden Die Umstellung auf Pipeline-Transport ist nur dann sinnvoll wenn die gesamten Umwandlungsverluste/kosten geringer sind als die Übertragungsverluste/Kosten von DHÜ/HGÜ etc.

32 Literaturverzeichnis | Christian Reinhold, B.Sc. | Effizienzvergleich Wassertoffwirtschaft zu Stromwirtschaft |Folie 32 [1] Studie Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien Mai 2012, Frauenhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE [2] Stromerzeugungskosten im Vergleich, Working Paper, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung [3] Integration einer Wasserstoffwirtschaft in ei nationales Energiesystem am Beispiel Deutschlands, Fortschritt-Berichte VDI, Michael Ball, Kalrlsruhe


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