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Flexibilitätsoptionen der Strom- und Wärmeerzeugung mit Geothermie in einem von volatilem Stromangebot bestimmten Energiesystem

Die tiefe Geothermie ist integraler Bestandteil der Wärmewende und kann darüber hinaus einen signifikanten Beitrag zur Bereitstellung elektrischer Energie liefern Bislang unzureichend untersucht ist die Frage, in wie weit Geothermiebasierte Strom-Wärme-Systeme für eine flexible Deckung des Strombe-darfs, insbesondere der Bereitstellung von Regelleistung genutzt werden können, ohne negative Auswirkungen auf die Wärmeversorgung zu bedingen. Die Studie stellt fest, dass aus hydrogeochemischer Sicht ein flexibler Betrieb des Thermalwasserstroms für die Anlagenkomponenten und das Reservoir, gerade im Molassebecken weitgehend unbedenklich ist. Es ist festzuhalten, dass Erfassung von Messdaten und eine anlagenbezogene Bewertung unersetzlich ist. Die durchgeführte technische Analyse sowie die Simulation der Geothermieanlagen zeigen auf, dass das technische Potenzial der dauerhaften Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung für nahezu alle technischen Flexibilitätsoptionen, insbesondere für Bestandsanlagen gering ist. Ausnahme ist das technische Flexibilitätspotential für die Bereitstellung von positiver Regelleistung durch den Einsatz von Heißwasser- bzw. Thermalwasserspeichern. Hier ist das technische Potential als mittel bis groß einzuschätzen, jedoch steigt auch der technische Aufwand. Das technische Potenzial der positiven und negativen Regelleistungsbereitstellung mit eingeschränkter zeitlicher Verfügbarkeit (also in Zeitscheiben) ist hingegen für nahezu alle Flexibilitätsoptionen mittel bis groß. Folglich besteht ein di-rekter Einfluss der zeitlichen Verfügbarkeit auf das Potenzial der Regelleistungsbereitstellung; der technische Aufwand korreliert mit der Größe der Speichervolumina. Das Gesamtpotential der Regel-leistungsbereitstellung bleibt jedoch insgesamt auf niedrigem Niveau. Verglichen mit konventioneller Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zeigt die Geothermie eine sehr variable Stromkennzahl, wodurch eine sehr große Flexibilität zwischen Strom- und Wärmeerzeugung gewährleistet ist. Weiterhin sind die CO2-Emissionen pro erzeugter Energieeinheit deutlich positiver zu bewerten als bei fossil betriebener KWK. Die ökonomischen Bewertungen zeigen, dass unter aktuellem Preisniveau und Anwendung von technischen Flexibilitätsoptionen die Anlagen nur bedingt wirtschaftlich Regelleistung erbringen können. Anlagen im Bestand mit Unterstützung durch das Spitzenlast-Heizwerk können bereits heute durch Bereitstellung von positiver Sekundärregelleistung zusätzliche (geringe) Gewinne erwirtschaften. Bei Anlagen im Bestand ohne Modifikation bzw. der Erweiterung durch Wärmespeicher ist dies nicht der Fall. Die Verringerung des anzulegenden Werts für Strom aus Geothermie birgt eine verstärkte Ausnutzung des Flexibilitätspotentials und damit ökonomische Vorteile. Anlagen im Bestand und Anlagen mit Spitzenlast-Heizwerk können dann wirtschaftlich negative und positive Sekundärregelleistung vorhalten. Eine Bereitstellung von Flexibilität durch tiefe Geothermiekraftwerke, deren Stromerzeu-gung nach EEG vergütet wird, ist damit ohne zusätzliche Anreize mittelfristig nicht zu erwarten. Eine zeitliche Entkopplung der Stromproduktion von der Wärmenachfrage mit Hilfe von Wärmespeichern ermöglicht eine mehr strompreisorientierte Fahrweise des Geothermiebasierten Strom-Wär-mesystems. Das flexiblere Energiesystem reduziert dabei die Gesamtkosten mittels Maximierung der Erlöse durch Stromeinspeisung ins Netz zu Zeiten mit hohen Strompreisen. Zusätzliche elektrische Wärmeerzeuger (wie in dieser Untersuchung z. B. eine Wärmepumpe) werden bei sehr niedriger Residuallast und damit verbundenen geringen Stromkosten für die Wärmegewinnung eingesetzt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass aktuell die Bereitstellung von Regelleistung durch Geothermiebasierte Strom-Wärme-Systeme aus hydrogeochemischer und technischer Sicht mit Einschrän-kungen möglich ist. Die zu erwirtschafteten Gewinne sind gering. Aufgrund der (bislang) geringen Anzahl von Geothermie-basierten Strom-Wärme-Systemen ist der systemdienliche Benefit ebenfalls als gering einzustufen. Quelle: Forschungsbericht

Strommarktdesign der Zukunft

Technologieneutrale wettbewerbliche Strommärkte stellen ein geeignetes Instrument zur Flexibilisierung des Stromversorgungssystems dar. Die Wirkungsmechanismen wettbewerblicher Strommärkte gewährleisten in der kurzen Frist eine effiziente Synchronisierung von Angebot und Nachfrage. In der mittleren und langen Frist setzen sie effiziente Anreize für eine Anpassung des Technologiemix an die Anforderungen, die aus einer sich verändernden residualen Last resultieren. Das Auftreten negativer Großhandelspreise bei deutlich positiven residualen Lasten in den vergangenen Jahren zeigt aber auch, dass aktuell noch Flexibilitätshemmnisse bestehen. Ursächlich dafür sind zumindest zum Teil Regelungen des Marktdesigns und des regulatorischen Rahmens, die einerseits Markteintrittsbarrieren darstellen und andererseits dazu führen, dass die Preissignale der wettbewerblichen Strommärkte nicht oder nur verzerrt bei einem Teil der Marktakteure ankommen. Für eine effiziente Erschließung der unterschiedlichen Flexibilitätsoptionen in einem technologieneutralen Wettbewerb sollten die Hemmnisse in den entsprechenden Regelungen, z. B. in den Bereichen Netznutzungsentgelte, Regelleistungsmärkte und Ausgleichsenergie, abgebaut oder zumindest reduziert werden. Veröffentlicht in Climate Change | 20/2015.

Strommarktdesign der Zukunft

Die Transformation des Stromversorgungssystems, in dem die erneuerbaren Energien zur tragenden Säule werden, wird die Anforderungen an alle Akteure verändern. Zentral für das Gelingen der Energiewende ist eine zunehmende Flexibilisierung von Erzeugung und Verbrauch. Sie ermöglicht eine kostengünstige Integration der volatilen Einspeisung der erneuerbaren Energien. Einerseits bestehen vielfältige technische Optionen zum Abbau heute vorhandener technischer Inflexibilität. Andererseits zeigen Analysen, dass überregionale Ausgleichseffekte der Last und der Einspeisung aus erneuerbaren Energien die Flexibilitätsanforderungen deutlich reduzieren können. Technologieneutrale wettbewerbliche Strommärkte stellen ein geeignetes Instrument zur Flexibilisierung des Stromversorgungssystems dar. Die Wirkungsmechanismen wettbewerblicher Strommärkte gewährleisten in der kurzen Frist eine effiziente Synchronisierung von Angebot und Nachfrage. In der mittleren und langen Frist setzen sie effiziente Anreize für eine Anpassung des Technologiemix an die Anforderungen, die aus einer sich verändernden residualen Last resultieren. Das Auftreten negativer Großhandelspreise bei deutlich positiven residualen Lasten in den vergangenen Jahren zeigt aber auch, dass aktuell noch Flexibilitätshemmnisse bestehen. Ursächlich dafür sind zumindest zum Teil Regelungen des Marktdesigns und des regulatorischen Rahmens, die einerseits Markteintrittsbarrieren darstellen und andererseits dazu führen, dass die Preissignale der wettbewerblichen Strommärkte nicht oder nur verzerrt bei einem Teil der Marktakteure ankommen. Für eine effiziente Erschließung der unterschiedlichen Flexibilitätsoptionen in einem technologieneutralen Wettbewerb sollten die Hemmnisse in den entsprechenden Regelungen, z. B. in den Bereichen Netznutzungsentgelte, Regelleistungsmärkte und Ausgleichsenergie, abgebaut oder zumindest reduziert werden. Quelle: Forschungsbericht

Teilvorhaben: Leistungssteigerung von H2-Motoren in KWK-Anwendungen durch Hubraumvergrößerung und Mitteldruckerhöhung

Das Projekt "Teilvorhaben: Leistungssteigerung von H2-Motoren in KWK-Anwendungen durch Hubraumvergrößerung und Mitteldruckerhöhung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von 2G Energietechnik GmbH durchgeführt. Spätestens mit Verabschiedung der 'Nationalen Wasserstoffstrategie' im Juni 2020 wurde Wasserstoff neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien zum bestimmenden Thema der Energiewende in Deutschland. So soll über diesen Energieträger die Realisierung der Treibhausgasneutralität in allen Energiesektoren bis 2045 erreicht werden. Neben der Schwerindustrie und Mobilität wird die Energieerzeugung mittelfristig einer der wichtigsten Konsumenten von Wasserstoff werden, sodass der als Brückentechnologie verwendete Brennstoff Erdgas substituiert werden kann. Als wichtiger Teil des Energieerzeugungssektors ermöglichen verbrennungsmotorische Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) bereits heute sowohl eine hocheffiziente Wärmeerzeugung für Industrieabnehmer und Wärmeverbünde, als auch die Stabilisierung des Stromnetzes durch die Abdeckung der Residuallast als Gegenstück und Partner der volatilen, erneuerbaren Einspeisungsanlagen. Durch den Einsatz wasserstoffbetriebener Aggregate (H2-BHKW) können diese Leistungen in Zukunft emissionsfrei und klimaneutral erbracht werden. Es bietet sich zudem der Vorteil an, dass zahlreiche bereits installierte KWK-Anlagen auf den neuen Brennstoff umgerüstet werden können, sodass wesentlich weniger Kosten und Emissionen im Vergleich zur Installation von neuen Anlagen oder anderen Technologien entstehen. Der Konsortialführer dieses Projekts, die 2G energy AG, konnte bereits erste Kunden mit rein wasserstoffbetriebenen BHKW beliefern, die Aggregate befinden sich jedoch noch auf einem frühen Entwicklungsstand. Im Vergleich zu erdgasbetriebenen Anlagen können mit baugleichen Grundmotoren im Wasserstoffbetrieb bisher nur geringere spezifische Leistungen erbracht werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Systems verringert, sodass die Technologie noch nicht als wirtschaftliche Alternative zu Erdgassystemen in Frage kommt. Mit den geplanten Maßnahmen soll die Leistungsdichte und somit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen erhöht werden.

Technologielösungen für hocheffiziente zero-emission H2-Motoren für KWK-Anwendungen

Das Projekt "Technologielösungen für hocheffiziente zero-emission H2-Motoren für KWK-Anwendungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von 2G Energietechnik GmbH durchgeführt. Spätestens mit Verabschiedung der 'Nationalen Wasserstoffstrategie' im Juni 2020 wurde Wasserstoff neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien zum bestimmenden Thema der Energiewende in Deutschland. So soll über diesen Energieträger die Realisierung der Treibhausgasneutralität in allen Energiesektoren bis 2045 erreicht werden. Neben der Schwerindustrie und Mobilität wird die Energieerzeugung mittelfristig einer der wichtigsten Konsumenten von Wasserstoff werden, sodass der als Brückentechnologie verwendete Brennstoff Erdgas substituiert werden kann. Als wichtiger Teil des Energieerzeugungssektors ermöglichen verbrennungsmotorische Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) bereits heute sowohl eine hocheffiziente Wärmeerzeugung für Industrieabnehmer und Wärmeverbünde, als auch die Stabilisierung des Stromnetzes durch die Abdeckung der Residuallast als Gegenstück und Partner der volatilen, erneuerbaren Einspeisungsanlagen. Durch den Einsatz wasserstoffbetriebener Aggregate (H2-BHKW) können diese Leistungen in Zukunft emissionsfrei und klimaneutral erbracht werden. Es bietet sich zudem der Vorteil an, dass zahlreiche bereits installierte KWK-Anlagen auf den neuen Brennstoff umgerüstet werden können, sodass wesentlich weniger Kosten und Emissionen im Vergleich zur Installation von neuen Anlagen oder anderen Technologien entstehen. Der Konsortialführer dieses Projekts, die 2G energy AG, konnte bereits erste Kunden mit rein wasserstoffbetriebenen BHKW beliefern, die Aggregate befinden sich jedoch noch auf einem frühen Entwicklungsstand. Im Vergleich zu erdgasbetriebenen Anlagen können mit baugleichen Grundmotoren im Wasserstoffbetrieb bisher nur geringere spezifische Leistungen erbracht werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Systems verringert, sodass die Technologie noch nicht als wirtschaftliche Alternative zu Erdgassystemen in Frage kommt. Mit den geplanten Maßnahmen soll die Leistungsdichte und somit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen erhöht werden.

Kommunale sektor- und spartenübergreifende Energieleitplanung

Das Projekt "Kommunale sektor- und spartenübergreifende Energieleitplanung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Quartiersarbeit Vauban durchgeführt. Zielsetzung: Viele der Praktiker*innen vor Ort stehen derzeit vor der Frage, welche Lösungen (z.B. im Rahmen von energetischen Sanierungsfahrplänen) sie ihren Kunden unter den derzeit sich stark ändernden Rahmenbedingungen empfehlen sollen, um eine zukunftsfähige, kosteneffiziente Energiewende umzusetzen und die Klimaschutzziele zu erreichen. Klar ist, dass bei der Wärmewende die Wärmepumpe aus Klimaschutzgründen eine zunehmend große Rolle spielen wird. Klar ist aber auch, dass Wärmepumpen derzeit als verhältnismäßig teuer gelten und zu einem höheren Strombedarf auch zu Zeiten führen werden, wenn wenig erneuerbarer Strom zur Verfügung steht. Bei der kommunalen Wärmewende ist daher die Stromnachfrage und deren Abdeckung aus klimapolitischer Sicht, aber auch aus Sicht der Kosten und der Nutzung von Synergien auf der kommunalen Ebene (Lastverschiebungen, Effizienzmaßnahmen und Speicherung) eine wichtige Frage. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projektes soll mit ausgewählten Expert*innen und Praktiker*innen ein entsprechender Realitätscheck durchgeführt werden, welche der zahlreich publizierten Szenarien zu Lösungen im Rahmen von kommunalen Wärmeplänen sich aus der Sicht von Praktiker*innen vor Ort umsetzen lassen und welche eher nicht, bzw. ggf. an praktischen Hindernissen scheitern könnten. Kernfragen, die das Projekt beantworten möchte, lauten: - Wie kann eine sektor- und spartenübergreifende Energieleitplanung aus Praktikersicht aussehen? - Welche Vor-/Nachteile hat eine eher dezentralere Abdeckung der Residuallast und welche Synergien lassen sich im Rahmen einer Berücksichtigung bei kommunalen Akteuren heben? - Welche Vor-/Nachteile haben demgegenüber große zentrale Residualkraftwerke auf der „grünen Wiese“? - Welche politischen Rahmenbedingungen sind für dezentrale oder eher zentralere Lösungen notwendig? Fazit: Die Praxis bei Strom und Wärme folgt derzeit weder den Szenarien noch den Zielvorgaben der Politik. Die Stromversorgung mit Sonne und Wind unter Einbeziehung der Infrastrukturkosten (Stromtransport und Ausgleichskraftwerke kostet aktuell noch mehr als Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber um ein vielfaches weniger als das Verfehlen der Klimaziele, wenn die externen Kosten berücksichtigt würden. Die Kosten für den derzeit geplanten Netzausbau, Netzengpässe und den Bau emissionsarmer Kraftwerke könnten die Netzentgelte mehr als verdoppeln und eine sozialverträgliche Wärmewende gefährden. Politik muss lokale Anreize für mehr Flexibilität vor Ort schaffen, um den Ausbau der Stromnetze und der mit grünen Brennstoffen betriebenen Residuallastkraftwerken zu begrenzen. Eine sektor- und spartenübergreifenden Energieplanung ermöglicht Flexibilitäten vor Ort. Biogas sollte in Speicherkraftwerken zum Ausgleich saisonaler Residuallasten genutzt werden. Bilanzierung, Monitoring, Nachjustierung und Bewertung der Sanierungsmaßnahmen anhand von Treibhausgasen tragen zur Effizienz und zur Einsparung von Treibhausgasen bei. Die Sanierung der Gebäudehülle ist nur im Rahmen üblicher Sanierungszyklen wirtschaftlich darstellbar. Wohnraumsuffizienz und Entzug von Wohnungen aus dem Markt schaffen sozialverträglich sanierten Wohnraum. Förderprogramme für die Sanierung sind an der tatsächlichen Einsparung von Treibhausgasen und in der Höhe an sozialen Kriterien zu bemessen.

Regenerative Speicherkraftwerke: Versorgungssicherheit im Stromsystem und lokale Wärmenetze

Das Projekt "Regenerative Speicherkraftwerke: Versorgungssicherheit im Stromsystem und lokale Wärmenetze" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von META-I.D. Ökologische Innovation GmbH durchgeführt. In Zukunft wird die Energieversorgung verstärkt durch Strom aus Wind und Sonne kommen. Je mehr erneuerbare Erzeugung, desto größer die zeitliche Dynamik des Angebots. Die Bandbreite der Einspeiseleistung dominiert zunehmend auch die Höhe der Residuallast, also die Deckungslücke zwischen EE und dem jeweiligen Bedarf im deutschen Stromnetz. Zur Entlastung der Netze sind erzeugungsnahe Flexibilitäten erforderlich. Es werden erhebliche, dafür seltener genutzte Kraftwerkskapazitäten für die Deckungslücken benötigt. Hier können flexible Biogasanlagen mit BHKW einen wichtigen und effizienten Beitrag leisten und die Residuallast ausgleichen, bis in den Vierzigerjahren ggfs. Wasserstoff an dessen Stelle treten kann. Im ländlichen Raum sollen außerdem Wärmenetze erschlossen und Abwärme effizient genutzt werden. Damit werden auch im ländlichen Raum im Sinn des GEG (derzeit noch im Entwurf) die Gebäude- Einzelheizungen durch kostengünstige klimafreundliche Heizsysteme ersetzt. Zudem wird die Wertschöpfung aus Biogas verbessert. Damit werden flexible Speicherkraftwerke Biogasanlagen eine größere Rolle im Energiesektor spielen und langfristig unabhängig von Förderung. Damit ist aus volkswirtschaftlichen und politischen Gründen eine Weiterentwicklung der Biogasanlagen zu flexiblen Speicherkraftwerke sinnvoll. Das Projekt 'Speicherkraftwerke' zielt darauf ab, durch die Investition in flexible Speicherkraftwerke den Beitrag der Biogasanlagen im Energiesystem zu festigen. Das Projekt 'Speicherkraftwerke' der Flexperten wird Betreiber von Biogasanlagen 1. im Forum Speicherkraftwerke im Rahmen der Biogas Trade Fair 2023 2. in der Seminarserie Erfolgreiche Praxis Speicherkraftwerke sowie 3. mit einer Informationsbroschüre über die Flexibilisierung von Biogasanlagen aufklären, motivieren und einen Investitionsschub auslösen.

Elektrochemische Flexibilisierung von Biogasanlagen - mit Biogas und Strom zur flexiblen eRaffinerie

Das Projekt "Elektrochemische Flexibilisierung von Biogasanlagen - mit Biogas und Strom zur flexiblen eRaffinerie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Das Ziel der geplanten Arbeiten des Forschungsvorhabens eBiFlex ist die Flexibilisierung von Biogasanlagen. Dabei soll Bio-Methanol als speicherbares und gut vermarktbares Produkt durch selektive elektrochemische Oxidation von Methan gewonnen werden und somit zur Sektorkopplung zwischen Landwirtschaft und chemischer Industrie beitragen. Das entwickelte Konzept der elektrochemischen Raffinerie (eRaffinerie) soll konzeptionell in den Betrieb von Biogasanlagen integriert werden und sowohl zur kontinuierlichen Methanolsynthese als auch bei geringer Residuallast flexibel als Ergänzung zur konventionellen thermischen Nutzung von Biogas eingesetzt werden können.

Nutzung von Synergieeffekten bei der Co-Fermentation für die Flexibilisierung von Biogasanlagen

Das Projekt "Nutzung von Synergieeffekten bei der Co-Fermentation für die Flexibilisierung von Biogasanlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Emden,Leer, Standort Emden, Fachbereich Technik, Institut für Umwelttechnik (EUTEC) durchgeführt. Gesamtziel des Projektes ist es, zu untersuchen, inwieweit die Synergieeffekte, die bei der Co-Fermentation von Substraten auftreten, für die Flexibilisierung von Biogasanlagen genutzt werden können. Hierfür wird die Wirkung von Substratmischungen mit verschiedenen Substraten und Mischverhältnissen auf die Biogasproduktion, den Methananteil und die Reaktionskinetik untersucht. Die Ergebnisse werden für die Validierung der im Prozessmodell einer Biogasanlage dargestellten Synergieeffekte angewandt. Das Prozessmodell dient daraufhin zur Optimierung der Co-Substratmischungen, wobei die Synergieeffekte maximiert werden sollen. Des Weiteren wird über die Simulation verschiedener Betriebskonzepte geprüft, inwieweit die optimierten Co-Substratmischungen die Flexibilität einer Biogasanlage erhöhen können. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt darin, die beobachteten Synergieeffekte der Substratmischungen mit dem Prozessmodell zuverlässig vorhersagen zu können, um damit die flexible, bedarfsorientierte Fütterung von Biogasanlagen zu optimieren. Das Projekt soll damit zum einen zur nachhaltigen Produktion von Biogas beitragen. Zum anderen soll die zukünftige Integration der Biogasproduktion als regelbare erneuerbare Energiequelle zur Abdeckung der Residuallast gefördert werden.

Teilvorhaben 2: Untersuchung von Synergieeffekten im Industriemaßstab zur Verifikation eines Prozessmodells

Das Projekt "Teilvorhaben 2: Untersuchung von Synergieeffekten im Industriemaßstab zur Verifikation eines Prozessmodells" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von bwe Energiesysteme GmbH & Co. KG durchgeführt. Gesamtziel des Projektes ist es, zu untersuchen, inwieweit die Synergieeffekte, die bei der Co-Fermentation von Substraten auftreten, für die Flexibilisierung von Biogasanlagen genutzt werden können. Hierfür wird die Wirkung von Substratmischungen mit verschiedenen Substraten und Mischverhältnissen auf die Biogasproduktion, den Methananteil und die Reaktionskinetik untersucht. Die Ergebnisse werden für die Validierung der im Prozessmodell einer Biogasanlage dargestellten Synergieeffekte angewandt. Das Prozessmodell dient daraufhin zur Optimierung der Co-Substratmischungen, wobei die Synergieeffekte maximiert werden sollen. Des Weiteren wird über die Simulation verschiedener Betriebskonzepte geprüft, inwieweit die optimierten Co-Substratmischungen die Flexibilität einer Biogasanlage erhöhen können. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt darin, die beobachteten Synergieeffekte der Substratmischungen mit dem Prozessmodell zuverlässig vorhersagen zu können, um damit die flexible, bedarfsorientierte Fütterung von Biogasanlagen zu optimieren. Das Projekt soll damit zum einen zur nachhaltigen Produktion von Biogas beitragen. Zum anderen soll die zukünftige Integration der Biogasproduktion als regelbare erneuerbare Energiequelle zur Abdeckung der Residuallast gefördert werden.

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