Einleitend wird der Status quo der deutschen Energieversorgung sowie die unterschiedlichen Energieszenarien und der daraus resultierenden Energiespeicherbedarf dargestellt. Nach einer kurzen Einführung in die Energiespeicher wird eine Fokussierung auf die Power-to-Gas-Technologie vorgenommen. Nach weiteren Erläuterungen der technischen Grundlagen von Elektrolyseuren und Wasserstoff, Methanisierungsmöglichkeiten und Erdgas werden Grundlagen des Energiehandels, der Bilanzkreissystematik, Ausgleichs- und Regelenergie sowie von energiemeteorologischen Prognosen dargestellt.
Vor dem Hintergrund des Energiespeicherbedarfs wird untersucht, mit welchen Power-to-Gas-Betriebskonzepten die Speicher-Nachfrage gedeckt werden kann. Den potentiellen Betreibern von Power-to-Gas-Anlagen bieten sich unterschiedliche Strategien und Optionen an, die Anlage unter Einsatz der Möglichkeiten des Energiehandels zu betreiben. Die unterschiedlichen Betriebskonzepte werden dargestellt und bewertet. Insgesamt sind sieben Betriebskonzepte untersucht worden: über die mögliche Implementierung von Förderinstrumenten, der Maximierung der Gasproduktion, die Behebung von Netzengpässen bis hin zu einem Einsatz im Regelenergiemarkt.
Ferner sind ein neues Betriebskonzept im Ausgleichsenergiemarkt skizziert und zwei Modelle in direkter Kombination mit erneuerbaren Energien zur Nutzung von Windenergiespitzen sowie eines Windenergiebandes dargestellt worden. Ein konkretes Fallbeispiel mit einem 38-MW-Windpark in Kombination mit einer Power-to-Gas-Anlage wird im Hinblick auf den Energiehandel weitergehend untersucht.
Die Kernaussagen lauten, dass das Strombezugskonzept und die Systemdienstleistungen die Wirtschaftlichkeit bestimmen, die Entwicklung der Qualität von energiemeteorologischen Prognosen signifikanten Einfluss auf das zu wählende oder zu verändernde Betriebskonzept haben sowie dass eine Power-to-Gas-Anlage für ein Windpark-Portfolio im unteren bis mittleren dreistelligen MW Bereich eine sinnvolle Ergänzung darstellen kann.
Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst sowie mögliche Folgen und Entwicklungen aus verschiedenen Perspektiven aufgezeigt. In Abhängigkeit von den zu setzenden rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen kann ein dynamischer Markt entstehen, letztendlich um die anfangs aufgezeigten Energieszenarien Realität werden zu lassen und den Energiespeicherbedarf zu befriedigen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Status quo der deutschen Energieversorgung
1.2 Prognosen der Entwicklung des Elektrizitätssektors
1.3 Ziele und Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen von Power-to-Gas und des Energiehandels
2.1 Power-to-Gas
2.1.1 Wasserstoff und Elektrolyse
2.1.2 Methanisierung und Erdgas
2.1.3 Möglichkeiten von Power-to-Gas
2.2 Energiehandel
2.2.1 Grundlagen des Energiehandels
2.2.2 Bilanzkreissystematik
2.2.3 Regelenergie
2.2.4 Energiemeteorologische Prognosequalitäten
2.2.5 Perspektiven
3 Betriebskonzepte für Power-to-Gas-Anlagen im Rahmen des Energiehandels
3.1 Einführung
3.2 Mögliche Betriebskonzepte
3.3 Exemplarische Auswertung unter besonderer Berücksichtigung eines energiehandelsoptimierten Betriebes
3.3.1 Auswertung der vorliegenden Ist-Daten
3.3.2 Simulation von Day-Ahead Werten
3.4 Fazit der Untersuchung
4 Zusammenfassung und Ausblick
4.1 Abschlussbetrachtung
4.2 Ausblick auf eine mögliche Entwicklung des Power-to-Gas-Marktes
4.3 Potentielle Effekte und perspektivischer Ausblick
Zielsetzung & Themen der Arbeit
Die vorliegende Masterarbeit verfolgt das Ziel, Betriebskonzepte für Power-to-Gas-Anlagen zu untersuchen, um die Integration dieser Technologie in eine regenerativ geprägte Energieversorgung zu optimieren. Im Zentrum steht dabei die Frage, wie solche Anlagen unter den Bedingungen des Energiehandels wirtschaftlich betrieben werden können, um fluktuierende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sinnvoll zu speichern und zur Netzstabilität beizutragen.
- Technische Grundlagen der Elektrolyse und Methanisierung
- Mechanismen des Energiehandels und der Bilanzkreissystematik
- Analyse und Bewertung von sieben verschiedenen Betriebskonzepten
- Optimierungsmöglichkeiten durch energiemeteorologische Prognosen
- Fallstudien zur wirtschaftlichen Einbindung in Windpark-Portfolios
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Wasserstoff und Elektrolyse
Das Universum besteht zu 70 % aus Wasserstoff, dieser ist das einzige Element, das keiner anderen Gruppe im Periodensystem angehört. Wasserstoff kommt auf der Erde in reiner Form nur in unbedeutenden Mengen vor, primär in gebundener Form als Wasser. Ferner ist es Bestandteil in Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas) und in organischen Verbindungen der belebten Natur. Beim Vergleich der Energiedichten von Wasserstoff und Methan zeigt sich, dass eine Volumeneinheit Methan ca. dreimal so viel Energie enthält wie eine Volumeneinheit Wasserstoff. Auf die Masse bezogen verhält es sich umgekehrt, pro Gewichtseinheit hat Wasserstoff etwa 2,5 mal so viel Energie wie Methan.
Im Jahr 2006 wurden in Deutschland ca. 22 Mrd. m³ Wasserstoff verbraucht. Wasserstoff kann vielfältig verwendet werden. In der chemischen Industrie findet es Verwendung bei der Herstellung von Ammoniak, Chlorwasserstoff und weiteren Verbindungen, in der Nahrungsmittelindustrie bei der Fetthärtung, bei der Gewinnung bestimmter Metalle als Reduktionsmittel und perspektivisch verstärkt als Treibstoff und Energieträger.
Der Energieträger Wasserstoff hat verschiedene, wesentliche Vorteile. Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff kann technisch relativ einfach umgesetzt werden, dezentral oder zentral und in sehr unterschiedlichen Leistungsklassen. Wasserstoff kann (partiell) in der vorhandenen Erdgas-Infrastruktur genutzt werden und darüber hinaus auch multifunktional im Mobilitäts-, Wärmesektor oder wieder im Elektrizitätssektor eingesetzt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Darstellung des Status quo der deutschen Energieversorgung und des wachsenden Bedarfs an Energiespeichern durch den Ausbau erneuerbarer Energien.
2 Grundlagen von Power-to-Gas und des Energiehandels: Erläuterung der technischen Verfahren zur Wasserstoffherstellung und Methanisierung sowie der für den Betrieb relevanten Marktmechanismen im Energiehandel.
3 Betriebskonzepte für Power-to-Gas-Anlagen im Rahmen des Energiehandels: Identifikation und Bewertung verschiedener Strategien zur wirtschaftlichen Einbindung von Power-to-Gas-Anlagen, inklusive konkreter Fallbeispiele und Simulationsansätze.
4 Zusammenfassung und Ausblick: Synthese der Ergebnisse und Einschätzung der zukünftigen Entwicklung von Power-to-Gas-Märkten unter sich wandelnden rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.
Schlüsselwörter
Power-to-Gas, Energiespeicherung, Erneuerbare Energien, Wasserstoff, Elektrolyse, Methanisierung, Energiehandel, Bilanzkreis, Regelenergie, Windenergie, Strombezugsstrategie, Systemdienstleistungen, Netzstabilität, Energiewende, Wirtschaftlichkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert, wie Power-to-Gas-Anlagen als Speicherlösung in eine Energieversorgung mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien integriert werden können.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die technische Power-to-Gas-Prozesskette, der Energiehandel inklusive Bilanzkreissystematik sowie die Entwicklung passender Betriebskonzepte.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist die Identifikation und Untersuchung ökonomisch sinnvoller Betriebskonzepte, um Power-to-Gas-Anlagen effizient im Rahmen des Energiehandels zu betreiben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturanalyse, theoretischen Fundierung der technischen und marktlichen Zusammenhänge sowie einer exemplarischen Auswertung anhand von Ist-Daten und Simulationen eines 38 MW Windparks.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden sieben verschiedene Betriebskonzepte für Power-to-Gas-Anlagen im Detail dargestellt, bewertet und anhand eines Fallbeispiels unter Einbeziehung von Day-Ahead-Prognosen analysiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Power-to-Gas, Energiespeicherung, Regelenergie, Windenergie, Wirtschaftlichkeit und das Marktprämienmodell.
Welche Rolle spielt die Prognosequalität?
Eine hohe Prognosequalität für fluktuierende Einspeisungen ist essenziell, um Ausgleichsenergiekosten zu minimieren und eine optimale Dimensionierung der Power-to-Gas-Anlage zu ermöglichen.
Wie kann eine Power-to-Gas-Anlage in ein Windpark-Portfolio eingebunden werden?
Durch die Glättung von Erzeugungsspitzen oder das Fahren eines Windenergiebandes kann die Anlage als Korrekturinstrument für Fahrplanabweichungen fungieren und so die Wirtschaftlichkeit des gesamten Portfolios verbessern.
- Quote paper
- Henning Prigge (Author), 2012, Regenerative Energien: Analyse von Betriebskonzepten für Power-to-Gas-Anlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/204459
