Intelligent verknüpfte Gas- und Stromnetze entfalten ... · • Kläranlagen haben durch...

Praterstrasse 62 - 64, A-1020 Wien

Tel: +43-1-33 23 560; Fax: +43-1-33 23 560 - 3069

Email: [email protected]

www.energyinvest.at

Intelligent verknüpfte Gas- und Stromnetze

entfalten enorme Mehrwerte

DI Robert Hinterberger

Energy Talks Ossiach 2012

ENERGY RESEARCH AUSTRIA

ENERGY RESEARCH AUSTRIA 2

Inhalte

• Motivation für die Verknüpfung von Strom- und Gasnetzen

• Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „Die intelligenten

Gasnetze der Zukunft - Smart Gas Grids“

• Energie@Hybridnetze und kommunale Infrastrukturen -

Beispiele aus aktuellen Smart Cities Projekten

• Zusammenfassung und Ausblick

ENERGY RESEARCH AUSTRIA 3ENERGY RESEARCH AUSTRIA

I. Motivation für die Verknüpfung von

Strom- und Gasnetzen


Energiewende: wo liegen die größten Heraus-

forderungen Richtung 100% erneuerbare Energie?


Wie sieht die Zukunft der Gaswirtschaft aus?

• Auch in Österreich sinkt der

Wärmebedarf laufend

• Niedrigenergiestandard im

Neubau

• Sanierung im Altbestand

• Einsatz in Stromproduktion -

und in einem Hybridnetz?!

In Deutschland: Nutzungszwang für erneuerbare Energien im

Wohnungsneubau (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz)


Vorhandene Erdgas-Infrastrukturen

Speicher- und Transportkapazitäten in Europa

Quelle: Energie Chronik

• 47 Untergrundspeicher mit rd.

21 Mrd. Nm3 Arbeitsgas

• Davon: 24 Kavernenspeicher,

23 Porenspeicher

• Weitere 21 Untertagespeicher

in Deutschland in Bau

(zusätzliche 11 Mrd. Nm3)

• In Europa gesamt (ohne

Ukraine) rd. 75 Mrd. Nm3

quellen: BDEW, Stand: 2011 (Deutschland); GSE (Daten Europa; August 2011)


Vorhandene Erdgas-Infrastrukturen

Speicherkapazitäten in Österreich

Quelle: Energie Chronik

Kann das sein; eher

Billionen?

Quelle: E-Control (Stand: Dez. 2011)


Speicherkapazitäten in Österreich

Vergleich Strom- und Erdgasnetze

-

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Speicherkapazität Erdgasspeicher Speicherkapazität

Pumpspeicherkraftwerke

TWh

Quelle: New Energy; Daten: E-control, VDE-Studie Energiespeicher

18 fach


Speicherentnahmeleistung in Österreich


-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

max. Entnahmeleistung öster.

Gasspeicher

Engpassleistung

Pumpspeicherkraftwerke

GW

Quelle: New Energy; Daten: E-control, VDE-Studie Energiespeicher

7 fach


Vorhandene Transportkapazitäten


Quelle: New Energy; Daten: E-control Marktbericht 2010, APG

-

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

maximale Transportkapazität TAG-

Leitung

gesamte Transportmenge im Netz

der Austrian Power Grid

GW

h/

Jah

r

10 fach


Transportfähigkeit

Pipeleinsystem in Europa

Zahlen in Österreich:

Erdgasnetz: das besser Super-Grid als das Stromnetz ?!Das europäische Gasnetz –

das “bessere“ SuperGrid?

Quelle: entsog (Stand: März 2012)


II. Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt

Die intelligenten Gasnetze der Zukunft –

Smart Gas Grids

Ein Projekt der



„Google“-Suche*

nach „Smart Gas Grids“:

Null Treffer

• „Energiesysteme Neu Denken“: Entwickeln von Visionen

und Strategien für ein „Smart Grid“ bei Gasnetzen

• Identifikation von Möglichkeiten zur Effizienzverbesserung

anhand konkreter Problemstellungen

• Erarbeiten eines Visions- und Strategiepapiers und eines

Entwurfes für eine „Strategische Research Agenda“

• Vorbereitung und Konzeption von Leuchtturmprojekten

Erste F&E-Projekt zum Thema „Smart Gas Grids“ in Europa

* abgefragt am 3. September 2007, 16 h

13


Smart Grids sind technologieoffen

Definition des Smart Grids durch seine Ziele

• Erhöhung Versorgungssicherheit

• Verbesserung der Energie- und Rohstoffeffizienz

• Minimierung der CO2-Emissionen

• Verbesserung der Kosteneffizienz

„Smart“ steht für die intelligente Nutzung aller zur Verfügung

stehenden Ressourcen – und somit für die Optimierung und

Integration des gesamten Energiesystems --> Smart PolyGrid

14


Visionspapier für ein Smart Gas Grids

• Gasnetz ist in vielen Aspekten bereits sehr „smart“

(zumindest im Vergleich zum Stromnetz)

• Smart Grids sind mehr als die physischen Leitungsnetze

• Smart Grids bedeutet die Integration vieler

Einzelmaßnahmen in die Netze und Systeme

• Integration unterschiedlicher Netze und Systeme in ein

smartes „Grid of Grids“ (Smart PolyGrid)

• Größter Nutzen in der Interaktion zwischen einzelnen

Netzen und Systemen (GridPlus) und am Netzrand beim

Kunden (GasPlus/StromPlus)

* zugleich auch für ein Energie@Hybridnetz

15


Strategische Research Agenda für ein

Smart Gas Grid (bzw. intelligentes „Grid of Grids“)

Smarte Systeme und Netzknoten

Smarte Produktion und Aufbereitung

Smarte Speichertechnologien

Smarte Anwendungen und Prosumer

Markt-, Tarif- und Geschäftsmodelle

Themencluster 1 Themencluster 2

Themencluster 3 Themencluster 4

Themencluster 5

Begleitmaßnahmen und

Verbreitungsstrategien

Themencluster 6

Ca. 100 unterschiedliche

Themenfelder bzw.

Projektmaßnahmen

Zusätzlich: Konzeption von

Demonstrationsprojekten

(„Leuchttürmen der Innovation“)

Qu

elle

: En

erg

y R

ese

arc

h A

ustr

ia

16


Smart Grids verbinden zentrale mit dezentralen

Netzen, Systemen und Steuermechanismen

„ ... put 10.000 dumb ants together,

and they become smart ...”United Press International, October 8, 2001

Qu

elle

: E

liya S

elh

ub/F

lickr

17


Nutzen von Smart Grids* liegt in der Integration der

unterschiedlichen Netze und Infrastrukturen

• Höchster Effizienzgewinn durch die Integration von bisher

nur getrennt betrachteten Systemen und Netzen

• Es geht um Optimierung der unterschiedlichen Energienetze

und –systeme sowie die Anbindungen am „Netzrand“ zu den

unterschiedlichen Nutzern

• Integration von zentralen und dezentralen Systemen

• Kaskadische Energienutzung und Speichertechnologien

• Neben Strom-, Gas- und Wärmenetzen auch andere

kommunale Infrastrukturen (z. B. Straßenbeleuchtung, Trink-

und Abwasser, Verkehrssteuereinrichtungen,…)

*ein Smart Grid ist zugleich immer ein Energie@Hybridnetz


Smarte Netzknoten verbinden die unter-

schiedlichen Energiesysteme und -netze (1)

Elektrolyse

2 H2O 2 H2 + O2

H2

O2

Wirkungsgrad: max. 75%

Sabatier Prozess

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

CO2

CH4

Wirkungsgrad: max. 80%

Exotherme Reaktion

Katalytische Reaktion (Nickel, Ruthenium)

Überschuss-

strom

19


Elektrolyseure sind marktgängig und im MW-

Leistungsbereich verfügbar

Quelle: Wasserelektrolyse Hydrotechnik GmbH

20




• Umwandlung von überschüssigem

Windkraftstrom in Biomethan durch

Elektrolyse und Methanisierung

• Speicherung in Erdgasspeichern

• Rückverstromung u.a. in KWKs

(virtuellen Kraftwerken)

• Zumischung von Wasserstoff,

soweit möglich

• Elektrolysestufe kann zugleich

Regel-/Ausgleichsenergie

bereitstellen

• Integration mit der Verkehrs-

infrastrukturQuelle: Energy Research Austria

21




• Kläranlagen haben durch Überdimensionierung

großes Potential zur Steigerung der Energie-

effizienz

• Möglichkeit zur (Erhöhung der) Biomethan-

erzeugung durch Co-Fermentation,

Aufschlussverfahren

• Dezentrale Nutzung in Insellösungen oder

Einspeisung in die Netze

• Vorhandensein von Gasspeichern

• Möglichkeit zum elektr. Lastverschiebung der

größten Stromverbraucher (Pumpen, Gebläse)

• Lieferung von Systemdienstleistungen in die

übergeordneten NetzeBildnachweis: New Energy

22


Dezentrale „Green Gas“- Netze als Ergänzung

zum zentralen Gasnetz - Best Practice Schweden

Bildnachweis: New Energy

23


Effizienzgewinn im Erdgasnetz (GridPlus)

Beispiel für kaskadische Nutzung

Quelle: Gasverbund Mittelland AG

24


Mikro-KWK: Gas - Strom - Wärme

Neue Netzknoten als virtuelle Gaskraftwerke

• Verschiedene Mikro-KWK

Technologien, grundsätzlich

marktreif

• In Japan: 100.000 Geräte mit je 1

kW eletrischer Leistung

• „Zuhause Kraftwerk“ von

Volkswagen und Lichtblick

• Erfolgsfaktoren sind Geschäfts-

modell, Netztarife sowie

Steuerung und OptimierungBildquelle: Honda

25


III. Energie@Hybridnetze und kommunale

Infrastrukturen – Beispiele aus

aktuellen Smart Cities Projekten


Smart Cities Initiative im europäischen SET-Plan

adressiert einen globalen Megatrend

• Eines der europäischen Industrieinitiativen im SET-Plan

• Demonstration von Maßnahmen zur Steigerung der

Energieeffizienz in urbanen Regionen

• Auswahl von 20 – 25 europäischen Städten, in denen diese

Maßnahmen demonstriert werden sollen

• Investitionsvolumen von 11 Mrd. Euro bis zum Jahr 2020 in

diesen Pionierregionen

• Nationale Aktivitäten in Österreich wurden bereits 2010

gestartet – 20 Projekte in fit4set Ausschreibung (1. Call)

27


Energie@Hybridnetze müssen in energieträger-

übergreifende Energieplanung eingebunden seinWechselwirkungen

(„Konkurrenz“)

Stromnetz

GasnetzFern-/Nah-wärmenetz

Solar-therm

ieEnerg

ie-

effizienz

Wechselwirkungen

(„Ko

nkurrenz

“)

Wechselwirkungen(„Konkurrenz“)


Wechselw

irkungen

(„Konkurrenz“)


Wechselwirkungen

(„Konkurrenz“)

StromnetzStromnetz

GasnetzFern-/Nah-wärmenetz

Solar-therm

ieEnerg

ie-

effizienz

Wechselwirkungen

(„Ko

nkurrenz

“)Wechselwirkungen

(„Ko

nkurrenz

“)





Wechselw

irkungen

(„Konkurrenz“)


Quelle: TU-Wien/EEG

Planung, Integration, Steuerung und Optimierung der unterschiedlichen

Energieinfrastrukturen ist nur bei Einsatz innovativer IKT Lösungen möglich!

Modellierung und quantitative Analyse

(Simulationsrechnungen)

Szenarioanalysenstrategische

Energieplanung

Steuerung und Regelungder unterschiedlichen

Netze und Systeme

Schnittstellen zusonstigen Infrastrukturen

und Nutzern

Ermöglichung von Geschäftsmodellen

Quelle: NEW ENERGY


Smarte urbane Infrastrukturen sind

Kernelemente von zukünftigen Smart Cities

• Höchster Effizienzgewinn durch die Integration von bisher

nur getrennt betrachteten Systemen und –netzen

• Gasinfrastruktur als „enabler“ Speicherung, Transport

• Neben Strom-, Gas- und Wärmenetzen auch Abfall-,

Abwasser-, Trinkwasser und Verkehrsinfrastrukturen

• Einzeltechnologien sind großteils vorhanden notwendig

sind Integration und Demonstration

• Entscheidend ist der Kundennutzen strategische,

energieträgerübergreifende Energie- und Infrastruktur-

planung ist Grundvoraussetzung

29


Ziele und Methodik für Smart Cities

Triple-Smart-Konzept

smart spaces

smart socialdesign

smart infrastructures

RÄUME

INFRASTRUKTUREN

MENSCHEN

„Smart“ bedeutet die Integration von unter-

schiedlichen Systemen, Netzen und Technologien>> Fokus auf Systeminnovationen, nicht Technologieentwicklung.

Quelle: ENERGY RESEARCH AUSTRIA

• Zero Emission City

• 100% erneuerbare Energie

• Reduktion von Energie- und

Ressourcenverbrauch um

zumindest Faktor 10

• Erhöhung bzw. Erhalt der

Lebensqualität

• Maßnahmen müssen

finanzier- und leistbar sein


Beispiel: Smart City Vienna – Liesing Mitte

• Eines der 13 Stadtentwick-

lungsgebiete von Wien

• 700 ha – doppelt so groß wie

die Innenstadt

• Sehr unterschiedliche

Teilgebiete

• In der Wiesen

• Industriegebiet Liesing

• Atzgersdorf Zentrum

Bildnachweis: NA 21B, MA 18


Strategische und operative Ziele

• Klare Vision für das Jahr 2050 (Zero Emission, Faktor 10

Technologien, 100% erneuerbare Energien)

• Umsetzen eines Smart City Modellquartiers in Liesing Mitte

• Dieser Modellstadtteil soll in Europa und weltweit als „best

practice smart city showcase“ sichtbar sein

• Aufbau eines europäischen Städte-Netzwerks: Kopenhagen,

Amsterdam, Hamburg, Gran Lyon, Wien erfolgreiche FP7

Einreichung

• Die Maßnahmen sollen die technische und wirtschaftliche

Machbarkeit von Smart Cities praktisch beweisen


Elemente der Roadmap für smarte urbane

Infrastrukturen Projektinformationen: www.smartcityliesing.at


Smarte Infrastrukturen: unterschied-

liche Herausforderungen in neuen

Stadtentwicklungsgebieten und

bestehenden Strukturen!


Jeder Gebietsteil erfordert andere Konzepte

Sub-Aktionsfelder

Bildnachweis: S.O.Li:D

Energie@Hybridnetze sehen je nach

Bebauungsstruktur völlig anders aus !


Anforderungen an Energie@Hybridnetze im

Smart Cities Kontext

• Integration von bisher nur getrennt betrachteten

Energiesystemen und –netzen

• Integration von zentralen und dezentralen Systemen

• Kaskadische Energienutzung und Speichertechnologien

• Optimierung der unterschiedlichen Energienetze und –systeme

sowie sonstiger Infrastrukturen

• Neben Strom-, Gas- und Wärmenetzen auch Abfall-, Abwasser-,

Trinkwasser- und Verkehrsinfrastrukturen

• Einzeltechnologien sind großteils vorhanden gefragt sind

Integration und Demonstration


Liesing Mitte: die größten Dachflächen in Wien

Portential für „Solar supported district heating“

Quelle: bing.com


Demoprojekt: Smarte Infrastrukturen im Industrie-

und Gewerbegebiet

• Nutzung von dezentraler

Energieerzeugung

Integration in die Netze

• Einbeziehung aller

leitungsgebundenen

Energieträger

• Verschränkung betrieblicher

Infrastrukturen

• Inkl. des Einbeziehens

funktionaler Energiespeicher

(elektr. Lastverschiebung)

Hinweis: Auf Basis einer strategischen, energieträgerübgreifenden Energie- und Infrastrukturplanung!

Bildnachweis: NA 21B, MA 18, New Energy


Speichertechnologien als wichtigste Elemente

eines Energie@Hybridnetzes

• (Kostengünstige) Stromspeicher sind die wichtigste

Voraussetzung für 100% erneuerbare Energie

• Wichtig ist der richtige Mix von konventionellen Speichern

(Pumpwasserkraftwerke), alternativen (funktionalen)

Speichermethoden und einem intelligenten Dispatching

• Neben Strom- aber auch Wärme- und Kältespeicher,

Speicher für gasförmige Energieträger, hybride Speicher

• Die Art der Energieerzeugung und –aufbringung (zentral,

dezentral) legt zugleich auch Größe und Lokalisierung

zukünftiger Speicher fest


Methanisierung: Verbesserung Wirkungsgrad

durch Einbindung in kommunale Infrastrukturen

Reduktion des Stromverbrauchs

für die Gebläse auf ein Fünftel!(Kläranlagen sind neben der Straßenbeleuchtung

die größten kommunalen Stromverbraucher)

Überschussstrom aus lokaler PV-Einspeisung

(Entlastung der Verteilernetze)

Nutzung der Abwärme für

die Beheizung der Klärbecken

Stoffliche Verwertung

Quelle: New Energy

Nutzung des CO2 aus der

Methanaufbereitung


Solarthermie, Überschussstrom, saisonale Wärme-

speicherung, KWK Smart District Heating

Wärmepumpe

Saisonaler

WärmespeicherBildquelle: New Energy

Solarthermische

Großanlagen

Dezentrales Wärmenetz

(Optional: Anbindung an

Fernwärmenetz)

Verwertung von Überschussstrom

aus erneuerbaren Energiequellen

Erdgas/

Biomethan

Systemdienstleistung

in das übergeordnete

Stromnetz

Wärme in

das Nahwärmenetz

KWK-Anlage

Abwärme

Strom


Wärmeerzeugung aus dem Kanalnetz (Oslo,

Norwegen)

Wärmeleistung: 14 MW

Kälteleistung: 9,5 MW

Quelle: Friotherm

Wärmepumpe:

Wärme und Kälte aus dem Kanalnetz


Abwasserwärmenutzung für Nahwärmenetze -

möglich in neuen wie auch bestehenden Kanälen

Quelle: zVGQuelle: Uhrig


„Smarte“ Systemarchitekturen (Ausschnitt)

Nutzung der Abwärme des Abwassers

Wärme- und KältezentraleWärmepumpe + ev. KWK-Anlage

oder Gaswärmepumpe

Intelligente

Wärmespeicherung(zentrale und dezentrale Speicher)

Elektr. Lastverschiebung (DSM)

Steuerung entsprechend

dem wirtschaftlichen Optimum(Strompreis & betriebliche Rahmenbedingungen)

Wärme und Kälte

aus dem Abwasser

Solarthermie zum

Heizen und Kühlen

Strom

Ev. Gas

Nahwärme-

/Kältenetz

Quelle: New Energy


Weitere Beispiele für Synergiepotentiale mit

kommunalen Infrastrukturen

Intelligente Steuerung der Wasserwerksinfrastruktur

(peak/off peak - Pump as Turbine Betrieb)

Quelle: KSB

Quelle: MIT

Smart Water

Best Practice Singapure


IKT als „enabler“ – Beispiel Amplex A/S

Bildquelle: Amplex


Zusammenfassung

• Energie@Hybridnetze sehen in urbanen Ballungsräumen völlig

anders aus als in ländlichen Regionen

• Ein „smart grid“ reduziert auf die Stromnetze ist nicht „smart“

Strom, Erdgas und (Fern)wärme

• Energieträgerübergreifende Planung ist die Grundlage

• Hohe Synergiepotentiale mit kommunalen Infrastrukturen

• Energie@Hybridnetze generieren tatsächlich Mehrwerte

• Grundvoraussetzung für die Energiewende (Integration stochastischer Einspeisung)

• Effizienzsteigerung und Kostenreduktion in Energiesystem u. kommunaler Infrastruktur

• Konkretisierung eines Energie@Hybridnetzes im urbanen Kontext ist eine der größten

Herausforderungen im SET-Plan


Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

DI Robert Hinterberger

NEW ENERGY Capital Invest GmbH


Tel: +43-1-33 23 560 – 3060

Email: [email protected]

Internet: www.energyinvest.at, www.smartcityliesing.at

Das Projekt „Smart City Vienna – Liesing Mitte“ wird von der Stadt Wien (MA 21B und MA 22) und der Wirtschaftskammer

Wien gemeinsam getragen, aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „SMART

ENERGY DEMO – fit4set“ durchgeführt.

Das Projekt „Das intelligente Gasnetz der Zukunft – Smart Gas Grids“ wurde von der ENERGY RESARCH AUSTRIA im Rahmen

des Programms "Energie der Zukunft" durchgeführt. Dieses Programm wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr,

Innovation und Technologie und des Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend durch die

Forschungsförderungsgesellschaft abgewickelt.

Date post:	18-Aug-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

Intelligent verknüpfte Gas- und Stromnetze entfalten ... · • Kläranlagen haben durch...

Documents