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Power-to-Gas Perspektiven einer technologischen Innovation Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg
Arbeitskreises Energie (AKE) Deutsche Physikalischen Gesellschaft Bonn, 14.11.13
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3
190
290
400 0 300 200 100 Jahrtausende vor Heute
Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel
Quelle: nach Petit et al. 1999
CO2-Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4
Energiebedingte Emissionen zw. 1750 und 2010
Quelle: Sterner, 2014
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5
190
290 1959
2011
400 0 300 200 100 Jahrtausende vor Heute
Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel
Quelle: nach Petit et al. 1999
CO2-Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6
Effekt der CO2-Verdoppelung:
“Klimasensitivität”
Arrhenius 1896 (4-6 ºC)
3 ± 1 ºC
CO2 ist ein Treibhausgas
Es folgt: Störung durch den Menschen sollte bisher 0,7 – 0,9 ºC Erwärmung verursacht haben
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7 Hitzewellen in Europa in den letzten 500 Jahren Verteilung der Jahresmittel-Temperaturen in Europa 1500 – 2010 Quelle: Barriopedro et al. 2011
Temperaturmessungen Klimawandel in den letzten 500 Jahren eindeutig korreliert mit anthropogenen CO2 Emissionen
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8
Klimawandel kostet Lebensraum – auch in Deutschland Energiewende ist notwendig zum Schutz des Lebens
PNP Juli 2013
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9
Industriepolitik vs. Klimapolitik
„Kurzfristiger Profit“ vor „langfristigem Wohlstand“
Grundproblem in Politik & Wirtschaft: Kurzfristiges Handeln
Klimaschutz: „Regional“ eher machbar als „national / global“
Langfristiges Handeln zum Wohl der Menschen notwendig
Bilderquelle. SZ & AP
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10
Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte
Oberirdisch
2000
Unterirdisch
0 1000 3000
Verbrauch
Zeit
Wind
Solar
WasserBiomasse
Wasser
Biomasse
Wind Solar
Oberirdisch
Energie-effizienzVereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen
Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11
Das globale technische Potential erneuerbarer Energien
Quelle: Sterner, 2009
Beispiel Strom Größte Herausforderung von Wind und Solar: Meteorologische Abhängigkeit
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12
Installierte EE-Leistung übersteigt bald Lastbänder System rotierender Massen à Inverterbasiertes System
Quelle: Trost, 2013 nach BMU Langfristszenarien A, 2012
Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung bis 2050
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13
Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe à Technologie und Markt danach ausrichten
Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 – 39% EE-Anteil
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14
Wir brauchen Flexibilitäten
1. Hoch flexible Kraftwerke
2. Flexible Verbraucher
3. Stromnetze
4. Speicher
Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher)
Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine
à Power-to-Gas à Gasspeicher Wind Solar
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15
EE Fluktuationen erfordern flexible Kraftwerke Mit Kernkraft nur schwer technisch umsetzbar
Quelle: Gerhardt, Speckmann, Sterner 2011 (Addendum – Energiewirt. Bewertung von Speicher)
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16
Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien
à Wind fördern, nicht bremsen (Mythen: „Umzingelung“, Rentabilität, Lärm) à Gaskraftwerke / Gasturbinen vorausschauend planen à Kein n-1 Versorgungssicherheitsproblem, wenn Thüringer Brücke nicht kommt
Quelle: ITE, 2012 (Gorshkov, Müller-Kirchenbauer)
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18
§ Bilanzierung von Verbrauch & Erzeugung § Kurzzeitspeicher § Langzeitspeicher § Flexible Kraftwerke & KWK § Flexible EE-Erzeugung
(Abregeln, Biogas)
VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende (2012) Fragestellung
Quelle: VDE ETG, 2012
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19
40% EE Speichernutzung Auslastung 600 – 900 h Zyklen 150
Auslastung 100 – 400 h Zyklen 1
Kurzzeitspeicher - Zyklen
Langzeitspeicher - Zyklen
Kurzzeitspeicher
Langzeitspeicher
Entladen
Entladen
Laden
Laden
EE-Abregelung ohne Speicher: 0,11% mit Speicher: 0,01%
Quelle: VDE ETG, 2012
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 20
§ Speicher erhöhen Braunkohleanteil § Speicher verdrängen Gas-KW § Minimaler Nutzen für EE
Veränderung der Stromerzeugung durch Speicherzubau
EE-Anteil: 40 % EE-Anteil: 80 %
-9
-6
-3
0
3
6
9
D-A E-A
nichtabgeregelteEEBiomasse
KWK
Erdgas, Erdöl -45
-30
-15
0
15
30
45
D-A E-A
nichtabgeregelte EEBiomasse
KWK
Erdgas, Erdöl
Steinkohle
TWh TWh
§ Speicher vorwiegend für EE § Speicher ersetzen Gas-KW
Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21 Quelle: VDE, 2012
Energiewende: Stromgestehungskosten steigen selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10%.
0
20
40
60
80
100
120
2010 40%-‐A 80%-‐E 100%-‐D
Variable Stromgestehungskosten
Investitionskosten Speicher
Investitionskosten Kraftwerke
78€/MWh
79€/MWh
84€/MWh
100 €/MWh
€/MWh
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22
Korrelation Wind & Last & EEX Negative Strompreise auch bei Windflaute
Stündliche Daten für 2007 und 2008
Quelle: IWES, 2010
Negative Strompreise zu Schwachlastzeiten bei wenig / viel Wind
Wind senkt den Spotmarktpreis
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23
Gestehungskosten Strom Wind & Sonne gleichauf / am Günstigsten
0
2
4
6
8
10
12
Wind PV Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft
Gestehungskosten für neue Kraftwerke in €-ct. / kWh 2013
Source: Agora 2013, EWI 2011 - 2013
Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, etc.)
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24
Preiswerte und kostenstabile Energieversorgung nur mit Energiewende - Volkswirtschaftliche Kosten und Erlöse
- Basisszenario 2010 A, Preispfad A -
bis 2010 2011-2020 2021-2030 2031-2040
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150K
umul
iert
e D
iffer
enzk
oste
n, M
rd.E
UR
(200
9) Fotovoltaik(PV)Strom ohne PV
Wärme
KraftstoffeBASIS10/DIFKUMG 2.11.10
-273
+71
+136
-10
Summenwert 2041-2050: - 590 Mrd. €
Volkswirtschaftliche Vorleistungen *)
Volkswirtschaftliche Rendite *) gegenüber heutiger
betriebswirtschaftlicher Kalkulationsbasis – wären externe Kosten (insbes. Klimawandel) voll berücksichtigt, fielen diese „Vorleis- tungen“ nicht an !
Quelle: BMU Langfristszenarien, Nitsch, Pregger, Sterner et al. 2012
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25
Externe Kosten des Energieverbrauchs Subventionen
n EEG ≠ direkte Subvention; Mehrkosten werden auf alle Stromkunden umgelegt à EEG-Umlage zukünftig konstant – Preistreiber nicht EE
n Dt. Steinkohle: von 1975 bis 1995 Kohlepfennig n 1995: direkte Abgabe von 8,5% der Stromrechnung: 3,1 Mrd. EUR
n Verfassungsgericht kippt Kohlepfennig
n seitdem indirekte Subventionierung über Steuern
n Bisher ca. 90 Mrd. EUR Subventionen (Auslaufend 2018) à reicht für 90 GW Wind (ca. 180 TWh = 1/3 unseres Nettostrombedarfs)
n Förderung von Nachtspeicherheizungen bis 2006, um für Grundlast (Atom, Braunkohle) zu sorgen
n Indir. Subvention: Steuervergünstigung für Flugtreibstoffe, für Bahn nicht
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26
Beiträge einzelner Faktoren zur Steigerung der EEG - Umlage 2013 - 2014
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27
Ausgaben für Energieforschung: 50% Kernenergie, 50% andere
Energie“markt“ – war immer planwirtschaftlich getrieben
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29
Definitionen Speicher & Energiespeicher
Ein Speicher ist eine Einrichtung zur Bevorratung, Lagerung und Aufbewahrung von Gütern.
Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet: Laden, Speichern und Entladen
Quelle: Sterner, FENES, 2013
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30
Speichertechnologien im Vergleich: Kapazität und Reichweite
Quelle: TH Regensburg FENES, 2013
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31 Quelle: A123; NGK Insulators, 2013; TU Dortmund
Netzstabilität
Hausspeicher
Bewährt bei USV Unverzichtbar für die
Elektromobilität Hausspeicher für PV
nur im netzkonformen Betrieb sinnvoll
Als Systemspeicher für Netzstabilität sinnvoll
Speicher je nach Einsatz sinnvoll oder nicht
2030 Varianten für Szenario ‘NEP B 2012‘ für NS-, MS- und HS-Ebene
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32
Netzstützung durch Primärregelleistung Berlin: Erstmals kommerzieller Einsatz eines BKW in PRL
Quelle: Younicos
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33
Pumpspeicher Riedl u. a. Etablierte Technologie – Akzeptanz durch Verbindung mit EE
Quelle: RegioWiki
PSW können gute Speicher für erneuerbaren Strom aus der Region für die Region sein Voraussetzung: Betrieb im Takt von Wind und Sonne
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34
Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas
0
2000
4000
6000
8000
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12000
14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1
Day
Pow
er [M
W]
OnlineForecast D+1Forecast 4HForecast 2H
Numerisches Wettermodell Windleistungsprognose für eine Regelzone
Quelle: Lange / Rohrig, 2008
Wind Power Cluster Management Kombikraftwerk
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35
Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?
Chem. Energie (fossil, bio)
Effizienz: ca. 1%
© IWES, 2010
Energiespeicherung
Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H2 reagiert mit CO2
Quelle: Sterner, 2009
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36
Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010
Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz à Technische Nachbildung der Photosynthese
Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010
Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2
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Einspeisung von 10-Vol% Wasserstoff an 3 Hauptleitungen Gasnetzentwicklungsplan der Gasnetzbetreiber
Source: Fernleitungsbetreiber, 2012
à Austausch aller Kompressorstationen Kosten: 3.7 Mrd. EUR à Aufbau neuer H2 Infrastruktur einfacher à Austauschgas (z.B.
Biogas) hat Vorfahrt vor Zusatzgas (Wasserstoff)
à 2% H2 realistisch!
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Methanisierung: Chemie vs. Biologie
Thermo-chemisch Biologisch
Reaktion 4 H2 + CO2 à CH4 + 2 H2O
Druck Bis zu 100 bar 1 bar
Temperatur 200 - 600 °C 20 - 80 °C
Kern Katalysator Mikro-Organismen
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Pilot- & Demoanlagen: Entwicklung in Stuttgart & Kassel
Quelle: Solarfuel, ZSW, IWES 2009 – 2012
2012 250 kW 2009 25 kW
2011
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40
E-ON Power-to-Gas Falkenhagen 2013 2 MW
Quelle: E-On, 2013
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41 Source: Enertrag, 2012
Methangas: Audi g-tron Projekt 2013 6,3 MW
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 42
Energiesystem mit CO2 Senke
Quelle: Sterner, 2009
100% erneuerbares Energiesystem möglich
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
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Stromwende
Erneuerbare Anteile 2011
Wärmewende
Verkehrswende
?Herausforderungen “Energiewende”
Quelle: BMU, BMWi Statistiken, 2012
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Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe
Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit
(Tank-Teller)
Elektromobilität - Reichweite - Kosten
Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids
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Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente
Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011
Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 47
Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe
Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit
(Tank-Teller)
Elektromobilität - Reichweite - Kosten
Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids
Gesamtpotential Stromüberschüsse bei 100%: ca. 50 TWh 25 TWh Kraftstoff von heute ca. 700 TWh Bedarf
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 48
Weiterer Ausbau von Wind & Solar: Kernprobleme Fluktuationen & Akzeptanz
Landnutzung begrenzt - Flächenpotential - Akzeptanz - Nachhaltigkeit Meer: größtes Flächenpotential für Erneuerbare - Offshore-Windkraft - Meeresströmungsturbinen
Fluktuationen, Anbindung, Potential }
Follow the wind Grundidee des neuen Konzepts:
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 49
Wie können wir
„dem Wind folgen“?
Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 50 Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de
Wind + Wasserkraft + Speicher = Segelenergie Zweck: Dem Wind folgen und Energie ernten
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 51
Segelenergie: Energieschiff mit Flettner-Rotoren
Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de
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Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 52
Segelenergie: Energieschiff der 2 – 5 MW Klasse
Konstante Ernte von Windenergie Hohe Auslastung der Anlagen
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Segelenergie: Potentiale vorhanden
Quelle: www.segelenergie.de auf Basis von www.windatlas.dk
Routenoptimierung: 80% Auslastung (Wind Grundlast) Gestehungskosten H2: ab 16 Cent/kWh - derzeitiger Marktpreis: 33 ct./kWh
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Segelenergie: Routen optimieren Beispiel 3 Monate-Fahrt – insg. 7000 h (80%) Auslastung
Quelle: www.segelenergie.de
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Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Power-to-Gas
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
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Take home
Stromwende PtG einziger nationaler Langzeitspeicher Verkehrswende PtG wichtiger für Mobilität und chem. Industrie
Segelenergie Wind-Wasser-Speicher-System Konstant Wind als „Grundlast“ ernten Erschließt großes ungenutztes Potential Kein Einfluss auf das Landschaftsbild Keine Konkurrenz zu Nahrung / Futter Impuls für nachhaltige Mobilität & Schiffbau
n Speicher Ohne Rahmenbedingungen keine Entwicklung CO2 vernünftig bepreisen / besteuern (Kauf: 100 € / t CO2 vs. Entsorgung in der Atmosphäre: 4 € / t CO2)
n Energiewende Wind & PV gleichauf mit fossil / nuklear Subventionen für fossil / nuklear beseitigen (EU: 100 Mrd. €/a für fossil & nuklear vs. 30 Bio. €/a für Erneuerbare
global: 544 Mrd. €/a fossil & nuklear vs. 101 Mrd. )
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Ab Anfang 2014
im Springer-Verlag
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Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 – (0) 941 – 943 9888 michael.sterner @ hs-regensburg.de
www.segelenergie.de www.power-to-gas.de