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Erneuerbares Methanol - Motivation, Technik und Ökonomie Aachen
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018
1 Innogy SE
2 Energiewende und die Rolle erneuerbarer Energieträger
3 Methanol aus Strom
RWE hat das Unternehmen aufgespalten und eine innovative, dezentralisierte Energie-Gruppe gegründet
3
• RWE bleibt Hauptaktionär der innogy. • innogy mit einem klaren Fokus auf künftige Wachstumsthemen.
Handel
Konventionelle Energie
Netze
Erneuerbare Energie
Vertrieb
Innovation
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018
innogy – Daten und Fakten
4
Unsere Konzernstruktur besteht aus drei Divisionen.
Erneuerbare Energien
Netz und Infrastruktur
• Deutschland
• Osteuropa
Vertrieb
• Deutschland
• Vereinigtes Königreich
• Niederlande/Belgien
• Osteuropa
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018
Von null auf hundert innogy – Daten und Fakten
Segmente:
Netz und Infrastruktur
Erneuerbare Energien
Vertrieb
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018
#1 5 × Nr. 1
Marktposition*
3,7 GW Kapazität erneuerbarer
Energie
Unser Verteilnetz verbindet über
16,5 Millionen Menschen (= Einwohnerzahl der
22 größten deutschen Städte)
5
1 Innogy SE
2 Energiewende und die Rolle erneuerbarer Energieträger
3 Methanol aus Strom
Energiesystem heute und Morgen
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 7
Energiesystem 2015 Energiesystem der Zukunft
4%
29%
1% 12%
13%
40% 0%
13%
34%
23%
7%
24%
Andere
Erneuerbare
Öl
Gas
Nuklear
Kohle
Anteil in der Elektrizitätserzeugung
Primärenergieanteil
Quelle: AG Energiebilanzen
Deutschland nutzt im wesentlichen drei Hebel zur Reduktion der CO2-Emissionen
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 8
Werden diese Hebel ausreichen, um die Ziele zu erreichen?
Effizienz
Beispiele: Glühbirnenverbot, CO2-Flottenziele für Autobauer
CO2-armer Strom
Beispiele: Ausbau von Wind/PV
Elektrifizierung
Beispiele: Elektromobilität, Wärmepumpen
Ziele “80-95% wengier CO2 bis 2050”
“CO2-Neutralität bis zum Ende des Jahrhunderts”
Wissenschaftliche Studien zeigen verschiedene Szenarien um dieses Ziel zu erreichen
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Stromerzeugung 2050 (TWh)
200
476545
557
266247 296
163174189
85% H2
1,155
128
85%
1,044
91
1,133
85% PtL/G
Photovoltaik
Wind onshore
Wind offshore
Flexible Erzeugung
1 Modell berechnet alle Energieflüsse für 8760 h/Jahr von 2015 bis 2050 Quelle: ESYS (2017)
Modellrahmen:
• Fokus auf Deutschland
• Deutschland als „Kupferplatte“
• Ökonomische Optimierung mit Emissionsreduktion als wesentliche Randbedingung unter Berücksichtigung einer sicheren Versorgung1
Robustes Ergebnis 1: Strombedarf wird steigen
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521
800730
UBA (95%)
3,000
ESYS (85%)
1,100
Fh IWES (83%) Fh ISE (85%) Heute
Quellen: Umweltbundestamt, Fraunhofer ISE (2015), Fraunhofer IWES (2015), ESYS (2017), Umweltbundestamt (2013)
Strombedarf (TWh)
2015
2050
Studie (CO2-Minderungsziel 2050)
Robustes Ergebnis 2: Deutsche CO2-Ziele sind nur mit erneuerbaren Energieträgern erreichbar
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500
0
1.500
1.000
-95%
2050 2010 2000 1990
Treibhausgasemissionen in Deutschland
in Mio. t CO2-Equivalente
Anwendungsfelder erneuerbare Energieträger
Gesicherte Leistung
Fossile Kraftstoffe sind keine Option zur Überbrückung der “Dunkelflaute”
Fernreiseverkehr (Luft, See, LKW)
Schwer zu elektrifizieren
Chemische Industrie
Fossile Energieträger können nicht als Rohmaterial verwendet werden
Quelle: Umweltbundesamt (2013), Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen 1990 – 2015, Interne Analyse
Verkehr
Energie
Landwirtschaft
Andere Industrieprozesse
Direkte Elektrifizierung wird durch erneuerbare Energie-träger unterstützt – auch in “elektrifizierbaren” Sektoren
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Erneuerbarer Strom
Kraftstoffbasierte Energie
Ener
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h
En
dve
rbra
uch
er
Zeit
Robustes Ergebnis 3: Erneuerbare Energieträger ermöglichen indirekte Sektorkopplung und reduzieren Systemkosten
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 13
BEI JEDEM KLUGEN HAUSVATER IST DER GRUNDSATZ, NIEMALS IM HAUSE ETWAS MACHEN ZU
LASSEN, WAS ER BILLIGER KAUFEN KANN.
Der Wohlstand der Nationen, Adam Smith (1723-1790)
Globale Herstellung reduziert Produktionskosten für erneuerbare Kraftstoffe signifikant fuels
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ISLAND
Seetransport
Marokko
DEUTSCHLAND
Landtransport
Produktkosten (Cif ARA) [% Wind DE]1
1 Kostenvergleich für große Anlagen in naher Zukunft | Cif ARA: Methanolkosten in Rotterdamer Hafen 2 ÜS = “Überschussstrom”: Annahme Stromkosten von 0 €/MWh für die genannten Zeiträume pro Jahr
65
70
80
100
140
80
140
265
Wind Marrokko
Geoth. Island
PV Dubai
Wind DE
PV DE
ÜS (2000 h/a)
ÜS (1000 h/a)
ÜS (500 h/a)
-35%
Import von erneuerbaren Energieträgern kann CO2-Vermeidungskosten stark reduzieren
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 16
1 Kosten um CO2-Reduktionpfad von 75% auf 85% in 2050 zu erhöhen Quelle: ESYS (2017)
370
940
Ohne Import
-61%
Mit Import
Zusätzliche Kosten für CO2 Reduktion (Mrd. €)1
• Ergebnisse auf Basis erster Abschätzungen
• Systemeffekte des Imports von erneuerbaren Energieträgern sind noch nicht berücksichtigt
• Berücksichtigt keine weitere Reduktionen in Infrastrukturinvestitionen (z.B. Stromnetze)
1 Innogy SE
2 Energiewende und die Rolle erneuerbarer Energieträger
3 Methanol aus Strom
Erneuerbare Kraftstoffe werden aus Biomasse, Strom, Wasser (und einem Wasserstoffträger) hergestellt
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 18
Erneuerbarer Strom
Wasser
Elektro-lyse
Synthese
Wasserstoff
Methanol
Methan
CO2 oder N2 (als Wasserstoffträger)
Ammoniak
Syn. Benzin Syn. Diesel (OME) Syn. Flugkraft- stoff
Biomasse
Wasserstoff
Erneuerbare Kraftstoffe sind CO2-neutral: Die gleiche Mengen CO2 werden bei der Herstellung gespeichert und bei der Verwendung emittiert
Methanol als grüner Energieträger …
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 19
… hat sehr günstige Verwendungseigenschaften …
… und kann unmittelbar den CO2-Ausstoß in der Industrie senken
Die Eigenschaften von grünem Methanol ermöglichen nicht nur die Verwendung in der Industrie, sondern auch in neu entstehenden Anwendungen in Privathaushalten und der Mobilität.
• Methanol ist ein wichtiger Grundstoff für die chemische Industrie zur Herstellung von Farben, Lösungsmitteln und Kunststoffen
• Die weltweite Nachfrage nach Methanol beträgt 65 Mio. t, davon ca. 7 Mio. t in Deutschland
• Die chemische Industrie verarbeitet täglich 700.000 t Methanol
Einfaches Handling
• Methanol steht bei Standardbedingungen in flüssiger Form zur Verfügung
Hohe Speicherdichte
• Im Vergleich zu den bislang diskutierten Energieträgern Wasserstoff und Methan bietet Methanol eine hohe volume- trische Energiedichte
Projekt „greenfuel“ - Video
Link: https://www.youtube.com/watch?v=HkUUv56mhqY
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018
Project greenfuel
Tankstelle
Auto
Privathaushalt
Wasserkraftwerk
Methanolerzeugung Transport
MS innogy
Erstmalige Demonstration der gesamten Wert-schöpfungskette von Methanol in Essen
• „greenfuel“ ist Teil der Grünen Hauptstadt Essen 2017
• Alle Stationen werden im Essener Stadtgebiet erlebbar gemacht
• Die erstmalige Demonstration der gesamten Wertschöpfungskette eines flüssigen, erneuerbaren Energieträgers ist eine Weltpremiere
21
“Luft + Wasser + Strom = Methanol” – Die Erzeugung von grünen Methanol erfolgt direkt am Baldeneysee
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 22
Project greenfuel
CO2 aus der Luft
Grüner Strom aus dem Kraftwerk Baldeneysee
Grünes Methanol
• Klimaneutral • einfache Handhabung • vielseitig nutzbar • wichtiger Grundstoff für chemische
Industrie
Water
• Methanolerzeugung mit Hilfe einer sogenannten „elektro-biokatalytischen Methanolsynthese“
• Standort der Anlage am Wasserkraftwerk Baldeneysee
• Inbetriebnahme am 2. Juli 2017 als Teil der KlimaExpo
“Luft + Wasser + Strom = Methanol” – Die Erzeugung von grünen Methanol erfolgt direkt am Baldeneysee
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 23
Bioreaktoren
Methanolbehälter
CO2-Abscheider
Schematischer Abbau einer Power-to-Methanol-Großanlage
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 24
Elektrolyse
CO2 Abtrennung
Synthese
Wasser
Strom
Methanol
Wasserstoff
CO2
Wasser
Destillation
Drei technische Verfahren werden derzeit zur Wasserspaltung eingesetzt
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 25
Bildquelle: DLR
Alkalisch PEM Dampfelektrolyse
Drei technische Verfahren werden derzeit zur Wasserspaltung eingesetzt
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 26
Quelle: DLR, FVEE
Alkalisch PEM Hochtemperatur
Temperatur 80-120 °C ~120 °C ~900 °C
Druck 15-30 bar 30 bar 20 bar
Effizienz 65-75% 70-75% 90%
Investitionskosten Gering - mittel mittel hoch
Vorteile Erprobte Technik Teillastverhalten Hohe Effizienz
Herausforderungen Gasaufreinigung Teillast
Junge Technologie Katalysatoren aus Edelmetallen
Start-Stopp-Verhalten Investitionskosten
Es existieren zwei Quellen für die Bereitstellung von CO2
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 27
CO2 Abscheidung aus der Luft CO2 Abscheidung aus Punktquellen
Fotoquelle: CarbonCaptureJournal, Climeworks
Punktquelle ist aufgrund der höheren CO2-Konzentration energieeffizienter
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 28
Punktquelle Aus der Luft
CO2-Konzentration 3-99 vol% 400 ppm (0,04 vol%)
Wärmebedarf <40% 1.500-2000 kWh/t
Strombedarf <40% 150-300 kWh/t
Investitionskosten Gering - mittel Hoch
Vorteile Erprobte Technik Energieeffizienz Unbegrenzt verfügbar (Biomasse)
Unbegrenzt verfügbar
Herausforderungen Inputgaszusammensetzungen Junge Technologie Haltbarkeit Absorber
Quelle: Climeworks, Bains (2017)
Der positive Klimaeffekt von PtX ist unabhängig von der CO2-Quelle
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 29 Status Quo
CO2
CO2
SynFuel
PtX
CO2
PtX
= • PtX reduziert NICHT den CO2-Ausstoß der Industrieanlage
• CO2 wird durch den verminderten Einsatz von fosilen Kraftstoff eingespart
• Beide CO2-Quellen haben den gleichen Klimaeffekt
Methanolsynthese und -destillation
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 30
Chemische Reaktionen
CO + 2 H2 ↔ CH3OH; ΔH(300K) = -90,8 kJ/mol
CO2 + 3 H2 ↔ CH3OH + H2O; ΔH(300K) = -49,6 kJ/mol
• Großtechnische Anlagen nutzen heute Synthesegas bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff
• Die Nutzung von CO2 setzt eine Nutzung von CO2 direkt oder eine CO2-Konversion zu CO voraus
• Nach der Synthese werden die Syntheseprodukte voneinander getrennt und entsprechend weiter verarbeitet
• Genaue Systemzusammensetzung ist von Inputgasen und Anlagenhersteller abhängig
Bildquelle: wikipedia
Technologiestatus: Erste Demonstrationsanlage wird seit 2012 betrieben
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 31
Bildquelle: Carbon Recycling International | Quelle: Carbon Recycling International |1 5 l/100km, und 15.000 km/a
Produziert ausreichend Kraftstoff für ca. 3.600 PKW1
4,000 t/a Methanol
6,000 t/a CO2
6 MWel Elektrolyse
George Olah Plant von Carbon Recycling International Weltweit erste CO2 basierte Methanolanlage in Svartsengi, Island
.
Anlagendimensionen für eine kommerzielle Power-to-Methanolanlage
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 32
Anlagegröße:
• 100 MW Elektrolyse
Gesamtflächenverbrauch
• -> 30.000 m², ca. 4 Fußballfelder, davon
• 25% für Elektrolyse
• 25% Wasseraufbereitung und Produktspeicher
• 25% sonstige Anlagen
• 25% Infrastruktur (Wege)
Wasserelektrolyse
CO2 Abscheidung
(Industrie-abgas)
Kompressoren Methanol-
synthese & -aufreinigung Ko
ntr
oll-
zen
tru
m
Speicher Wasseraufbereitung
16
0 m
200 m
CO2 aus der Luft (Stand heute)
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 33
Bildquelle: climeworks.com| Quelle: climeworks.com
• 36 Kollektoren
• 4920 kg/Tag
• 180 m²
• Für 100 MW Elektrolyse
• 15000 kg/h
• -> 73 Anlagen a 36 Kollektoren
• -> 2634 Kollektoren
• -> 13140 m², ca. 2 Fußballfelder
Synthetische Kraftstoffe werden langfristig teurer als konventionelle Kraftstoffe bleiben
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 34
Quelle: Frontier Economics (Agora Energiewende 2018)
• Erneuerbare Kraftstoffe werden längerfristig teurer als fossile Kraftstoffe sein
• Regulatorische Berücksichtigung der CO2-Emissionen ist zwingend erforderlich
Strom ist der wesentliche Kostentreiber für PtX-Produkte
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 35
Quelle: Frontier Economics (Agora Energiewende 2018)
Weitere Kosten
• CO2-Kosten stehen für ca. 10-15% der Kosten
• Kosten für die Bereitstellung von Wasser (Meerwasser-entsalzung) sind vernachlässigbar
Kleine Anlagen werden derzeit an verschiedenen Stellen erforscht und umgesetzt
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 36
Quellen: FIW Aachen, Ineratec, Soletair, Silicon Fire
Soletair WaStraK
• Demonstrationsanlage zur Herstellung von Fischer-Tropsch-Produkten nutzt CO2 aus der Luft
• Produktionsleistung: 80 l/Tag (ca. 20 t/Jahr)
• Herstellung von Methanol aus Faulgasen einer Kläranlage
• Potenzielle Einspeisung von Wasserstoff aus Elektrolyse
Silicon Fire
• Containerbasierte Herstellung von Methanol aus CO2 und Strom
• Produktionsleistung: 50 l/Tag
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018
Erneuerbare, chemische Energieträger werden eine wichtige Rolle im zukünftigen Energiesystem spielen.
Der Import von chemischen Energieträgern wird die Energiewendekosten stark reduzieren.
“Überschussstrom” wird nicht ausreichen die Nachfrage nach chemischen Energieträgern zu decken.
Methanol kann schon heute aus erneuerbarem Strom hergestellt werden. Es fehlt der regulatorische Rahmen.
Zusammenfassung
37
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 38
Kontaktdaten
Stephan Stollenwerk
Energiesysteme, -märkte und -speicher
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Bildquellenverzeichnis
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 40
Vortragsseite Link zur Bildquelle
Seite 25 http://elib.dlr.de/75764/1/Wasserelektrolyse_Ulmer_Gespr%C3%A4ch_3.5.2012_GS.pdf
Seite 27 http://www.climeworks.com/our-technology/ http://www.carboncapturejournal.com/images/rm2.gif
Seite 30 https://de.wikipedia.org/wiki/Methanolherstellung
Seite 31 http://carbonrecycling.is/george-olah/
Seite 33 http://www.climeworks.com/our-products/
Seite 36 https://www.kit.edu/kit/pi_2017_103_power-to-liquid-200-liter-sprit-aus-solarstrom-und-dem-kohlenstoffdioxid-der-umgebungsluft.php https://www.lanuv.nrw.de/fileadmin/forschung/wasser/klaeranlage_abwasser/WaStraK_Abschlussbericht_Teil%202.pdf http://www.silicon-fire.com/pdf/BWK200009075078.pdf
Quellen
innogy SE · Stephan Stollenwerk · 05 März 2018 41
Studie/ Quelle Link/ Name der Studie
AG Energiebilanzen https://www.ag-energiebilanzen.de/
ESYS (2017) https://energiesysteme-zukunft.de/publikationen/analyse/sektorkopplung/
Fraunhofer ISE (2015) Was kostet die Energiewende
Fraunhofer IWES (2015) Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr
Umweltbundestamt (2013) Treibhausneutrales Deutschland in Jahr 2050
Frontier Economics (2018) Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe
FVEE http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2012-2/th2012_07_04.pdf
Bains (2017) CO2 capture from the industry sector