Die wirtschaftliche Machbarkeit eines 20 MW Power-to-Gas-Kraftwerks für die Jahre 2021, 2030 und 2040

Research Paper (undergraduate) , 2021 , 14 Pages , Grade: 1,3

Engineering - Industrial Engineering and Management

In dieser Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die nivellierten Energiegestehungskosten (LCOE) eines Power-to-Gas-Kraftwerks mit einer Leistung von 20 MW für die Jahre 2021, 2030 und 2040 ermittelt.

Es wird davon ausgegangen, dass der Wasserstoff in ein vorhandene Netzinfrastruktur eingespeist werden kann. Es bleibt zu berücksichtigen, dass in Deutschland bisher nur drei industriell genutzte Wasserstoffnetze existieren. Die längste deutsche Wasserstoffpipeline hat eine Gesamtlänge von 240 km und verläuft zwischen den Endpunkten Castrop-Rauxel und Leverkusen und verbindet Wasserstofferzeuger und Chemieunternehmen. Eine andere Möglichkeit wäre, dass der Wasserstoff in das Erdgasnetz beigemischt oder per LKW an den 0rt des Bedarfes geliefert wird.

Bei der aktuell bestehenden Wasserstoffnetzinfrastruktur handelt es sich um regional begrenzte Netze, die nur für einen gewissen Anteil der Industrieunternehmen zugänglich sind. Daher plant die Bundesregierung in Zusammenarbeit mit den Gasnetzbetreibern den Aufbau eines deutschlandweiten Wasserstoffnetzes. Dies Wasserstoffnetz soll laut dem Konzeptpapier der Vereinigung der Fernleitungsbetreiber, eine Länge von 5.900 km umfassen und aus 90 % bestehenden Erdgasnetzen basieren.

Es ist also zu beachten, dass die aktuell größte Hürde für die Umsetzung von Power-to-Gas-Projekten eine fehlende Wasserstoffnetzinfrastruktur darstellt, da die Einspeisung ins Erdgasnetz nur begrenzt möglich ist.

Einleitung

Wasserstoff bietet durch die Moglichkeit der klimaneutralen Herstellung mittels Elektrolyse und erneuerbarer elektrischer Energie ein enormes Potential. Mittels Power-to-Gas Anlagen ist es moglich, Wasserstoff zu erzeugen und diesen entweder direkt zu nutzen oder in einem nachfolgenden Schritt zu Methan oder einem anderen flussigen Energietrager

weiterzuverarbeiten (McDonagh, O'Sheaa, Walla, Deanea, & Murphya, 2018, S. 2).

Durch Power-to-Gas konnen somit die Sektoren Strom- und Gas weiter verbunden werden. AuBerdem besteht die Moglichkeit in Zeiten des Stromuberangebotes mittels Elektrolyse Wasserstoff oder Methan zu produzieren und diesen einzuspeichern, um die Energie zu einem anderen Zeitpunkt wieder abzurufen (Umweltbundesamt, kein Datum). Fur die Sektoren Gebaude und Industrie besteht noch ein groBer Nachholbedarf zur Erreichung der CO2 Einsparziele, der durch den Einsatz von Wasserstoff erreicht werden konnte (European Union, 2019).

Die europaische Kommission plant im Rahmen des ,,Green Deal“, dass bis 2040 Elektrolyseure mit einer Leistung von mindestens 40 GW installiert werden und sich Wasserstoff zu einem wesentlichen Bestandteil des Energiesystems entwickeln soil. Besonders soil dieser eine groBe Rolle in Sektoren spielen, in denen eine anderweitige Dekarbonisierung schwierig ist. Diese Ziele wurden in der „Hydrogen Roadmap“ konkretisiert. Die europaische Kommission arbeitet darauf hin, dass der Wasserstoffmarkt im Jahr 2050 ein Marktvolumen von bis zu 820 Milliarden Euro und 5,4 Millionen Arbeitsplatze umfassen soil. Der Roadmap zufolge soil der Endenergiebedarf zu 24 % durch Wasserstoff gedeckt werden, sodass 560 Mio. Tonnen CO2 eingespart werden konnen (Europaische Kommission, 2020).

Im Rahmen der deutschen Energiewende liegt ein Fokus auf dem Ausbau von Wind- und Solarkraftanlagen. Ein Problem dabei ist, dass diese Energie zu unterschiedlichen Zeiten zur Verfugung steht und nicht genau prognostiziert werden kann, wie hoch die zur Verfugung stehende Energie ist.

So wurde elektrische Energie in den letzten Jahren immer haufiger zu negativen Energiepreisen an der Borse gehandelt. Dies hat zur Folge das Windparks vom Netz getrennt und abgeschaltet werden mussten, um eine Uberbelastung des Netzes durch ein drohendes Ungleichgewicht zwischen Verbrauch und Erzeugung zu verhindern (Scholz, 2019). Eine Folge davon ist, dass Windparks nicht wirtschaftlich betrieben werden konnen. Power-to­Gas hat das Potential dieser Problematik entgegenzuwirken.

In dieser Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die nivellierten Energiegestehungskosten (LCOE) eines Power-to-Gas Kraftwerks mit einer Leistung von 20 MWei fur die Jahre 2021, 2030 und 2040 ermittelt. Es wird davon ausgegangen, dass der Wasserstoff in ein vorhandene Netzinfrastruktur eingespeist werden kann. Es bleibt zu berucksichtigen, dass in Deutschland bisher nur drei industriell genutzte Wasserstoffnetze existieren. Die langste deutsche Wasserstoffpipeline hat eine Gesamtlange von 240 km und verlauft zwischen den Endpunkten Castrop-Rauxel und Leverkusen und verbindet Wasserstofferzeuger und Chemieunternehmen (EnergieAgentur.NRW, 2018).

Eine andere Moglichkeit ware, dass der Wasserstoff in das Erdgasnetz beigemischt oder per LKW an den Ort des Bedarfes geliefert wird (Zapf, 2017, S. 207 f.).

Bei der aktuell bestehenden

Wasserstoffnetzinfrastruktur handelt es sich um regional begrenzte Netze, die nur fur einen gewissen Anted der Industrieuntemehmen zuganglich sind. Daher plant die Bundesregierung in Zusammenarbeit mit den Gasnetzbetreibern den Aufbau eines deutschlandweiten

Wasserstoffnetzes. Dies Wasserstoffnetz soil laut dem Konzeptpapier der Vereinigung der Fernleitungsbetreiber, eine Lange von 5.900 km umfassen und aus 90 % bestehenden Erdgasnetzen basieren (FNB Gas, 2020, S. 5).

Es ist also zu beachten, dass die aktuell groBte Hurde fur die Umsetzung von Power-to-Gas Projekten eine fehlende

Wasserstoffnetzinfrastruktur darstellt, da die Einspeisung ins Erdgasnetz nur begrenzt moglich ist.

2. Power-to-Gas - Funktionalitat und

Einsatzmoglichkeiten

Mittels Power-to-Gas kann Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt werden. Durch die Zugabe von CO oder CO2 ist es moglich anschlieBend synthetisches Erdgas herzustellen. Erdgas und Wasserstoff bieten im Gegensatz zu elektrischer Energie den Vorteil, dass diese durch vorhandene Infrastrukturen in einem groBeren Umfang gespeichert werden konnen. Des weiteren ist es moglich die produzierten Gase fur die Warmeerzeugung, Industrie und Mobilitat zu verwenden (Zapf, 2017, S. 166 f.).

Abbildung 1 gibt einen Uberblick uber die vielseitigen Moglichkeiten und Potentiate, die Power-to-Gas Systeme bieten. So ist es mittels dieser Technologie moglich entweder elektrische Energie eines direkt verbundenen erneuerbaren Kraftwerks zu nutzen oder auch die benotigte elektrische Energie uber das Netz zu beziehen (Zapf, 2017, S. 166 f.). AuBerdem bieten beispielsweise Feststoffelektrolysezellen, neben der Produktion von elektrischer Energie, die

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Power-to-GasFunktionsweise undAnwendungsmoglichkeiten - eigene

Anfertigung (Zapf 2017, S. 166f; Schiebahn, et al., 2015 & Bin Miao, 2019)

Moglichkeit zur Ruckverstromung (Bin Miao, 2019).

Der durch Elektrolyse gewonnene Wasserstoff kann beispielsweise in Salzkavernen oder erschopften 01- und Gasfeldern gespeichert werden. Eine andere Moglichkeit besteht darin, diesen auf verschiedenen Wegen zum Ort des Bedarfes zu transportieren. Eine weitere Moglichkeit stellt die Einspeisung von bis zu 5 Vol. %H2 in die vorhandene Erdgasinfrastruktur dar (Sebastian Schiebahn, 2015, S. 5 f.). Besonders bei kleineren Power-to-Gas Systemen wurde sich eine solche Anwendung anbieten. Die aktuellen Einspeisebeschrankungen werden durch Gasturbinen limitiert, die lediglich einen Wasserstoffanteil von 3-4 Vol. %H2 tolerieren. Es ist zu erwarten, dass durch neue Gasturbinen und die Umrustung vorhandener Systeme auch ein Wasserstoffanteil von 10-15 Vol. %H2 zu bewaltigen ist (Schiebahn, et al., 2015, S. 6).

Eine weitere Moglichkeit ist es, mittels einer CO oder CO2 Quelle, durch den Sabatier-Prozess Methan herzustellen (CH4). Das produzierte Methan kann dann direkt in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden. Mogliche Quellen fur das CO oder CO2 waren Kraftwerke, die fossile Brennstoffe verwenden, Biomasse, industrielle Prozesse oder die Bindung von CO2 aus der Luft (Schiebahn, et al., 2015, S. 6).

Neben der Einspeisung in vorhandene Netzinfrastrukturen kann der Wasserstoff aber auch mittels Trailer in flussiger oder gasformiger Form zum Ort des Bedarfs transportiert werden.

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• College: Niederrhein University of Applied Sciences Krefeld
• Grade: 1,3
• Author: Simon Dieter Brückmann (Author)
• Publication Year: 2021
• Pages: 14
• Catalog Number: V1248191
• ISBN (PDF): 9783346684059
• Language: German
• Tags: Wasserstoff, Power-to-Gas, Wirtschaftlichkeitsanalyse