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Veröffentlichung Klimaschutz und regenerativ erzeugte chemische Energieträger - Infrastruktur und Systemanpassung zur Versorgung mit regenerativen chemischen Energieträgern aus in- und ausländischen regenerativen Energien(Umweltbundesamt, 2016) Schütz, Stefan; Härtel, Philipp; DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH; Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik; Deutschland. Umweltbundesamt; Purr, KatjaFür die Erreichung langfristiger ambitionierter Klimaschutzziele ist eine auf hohen Anteilen erneuerbarer Energien basierende Energieversorgung notwendig. Dabei können regenerativ erzeugte Energieträger mit Hilfe von Power-to-Gas und Power-to-Liquid für alle Anwendungsbereiche (Strom, Wärme, Verkehr, Industrie) eine wichtige Rolle spielen. Auf Grund der begrenzten deutschen regenerativen Potenziale und insbesondere der energetischen sowie ökonomischen Vorteile von ausländischen Standorten könnte der Import von erneuerbaren Energien bzw. Energieträgern notwendig sein. Vor diesem Hintergrund war das Ziel des Vorhabens, erste Antworten bezüglich der Potenziale regenerativer chemischer Energieträger aus erneuerbaren Energien (EE) im In- und Ausland sowie den zugehörigen Transportanforderungen und -restriktionen von Seiten der Strom- und Gasinfrastruktur zu gewinnen. Dazu wurde an Hand von möglichen internationalen Standorten die dortigen Einspeisepotenziale der Erzeugungstechnologien Wind on-/offshore, PV und CSP sowie die entsprechende Gastransportinfrastruktur (Pipeline- und LNG-Transport) für die Wasserstoff- und Methanaufnahme bestimmt. Auf nationaler Ebene wurden räumlich aufgelöste Überschüsse in einem zukünftigen Szenario mit den Wasserstoffaufnahmepotenzialen innerhalb von Stromnetzregionen verglichen. Zudem wurden CO2-Minderungspotenziale im Transformationsprozess zum Beispiel bei der Wasserstoffwirtschaft aufgezeigt.Als Ergebnis der Studie liegt ein systematischer Vergleich von möglichen Pfaden für den Import von regenerativen Energien vor sowie erste Handlungsempfehlungen für die Integration dieser im Rahmen des Transformationsprozesses hin zu einer treibhausgasärmeren Energieversorgung.
Quelle: ForschungsberichtVeröffentlichung Integration erneuerbarer Energien durch Sektorkopplung(2019) Köppel, Wolfgang; Wietschel, Martin; DVGW-Forschungsstelle; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung; Deutschland. Umweltbundesamt; Purr, Katja; Sandau, FabianZiel des vorliegenden Berichts ist es, das Potenzial und die Auswirkungen der Integration erneuerbarer Energien im Gasnetz durch die Elektrifizierung von Betriebsmitteln vor dem Hintergrund der Erreichung der langfristigen Klimaschutzziele und der Energiewende zu betrachten. Betriebsmittel im Gasnetz sind technische Komponenten, die dem Gastransport und der Gasspeicherung dienen. Diese Betriebsmittel werden bislang unabhängig vom Stromnetz mit dem zu transportierenden Erdgas betrieben. Diese Untersuchung wurde im Rahmen der Studie "Integration erneuerbarer Energien durch Sektorenkopplung, Teilvorhaben 2: Analyse zu technischen Sektorkopplungsoptionen" durchgeführt, die die Subsituierung fossiler Energieträger durch Einsatz sog. Sektorkopplungsoptionen (SKO) für Deutschland bis 2050 in verschiedenen Anwendungsbereichen identifiziert und den möglichen Beitrag zu den energie- und klimapolitischen Zielen analysiert (Wietschel 2017). Die Möglichkeiten des Gasnetzes werden in dem vorliegenden Bericht untersucht. Zur Beurteilung der zukünftige Entwicklung der Sektorkopplungsoptionen bis 2050 wurden zwei Szenarien AMS und KS95 (Beschreibung s. Wietschel 2017) betrachtet: Im Aktuelle-Maßnahmen-Szenario (AMS) schreibt den aktuellen Stand der energie- und klimaschutzpolitischen Rahmenbedingungen bis zum Jahre 2050 fort. Die energie- und klimaschutzpolitischen Ziele der Bundesregierung werden in diesem Szenario weitgehend verfehlt. Im Klimaschutzszenario 95 (KS95) werden bis zum Jahr 2050 die Treibhausgasemissionen um 95 % gegenüber 1990 gemindert durch Erreichen von ambitionierten Zielen für Treibhausgasemissionen, Energieeffizienz und erneuerbare Energien. Für die vorliegenden Betrachtungen zum Gastransport wurden die Szenarien erweitert und die Funktion Deutschlands als Transitland von Gas im europäischen Kontext berücksichtigt. Grundlegend ist jedoch festzuhalten, dass die Szenarien zur langfristigen Entwicklung eine deutliche Reduzierung des Primärenergieverbrauchs von Gas in Deutschland bis 2050 aufzeigen. Die durchgeführte Studie betrachtet die Elektrifizierung der technischen Komponenten des deutschen Gasferntransportnetzes inklusive der dort angeschlossenen Untertageerdgasspeicher sowie deren flexiblen Betrieb in einem fluktuierenden erneuerbaren Energiesystem. Die Transportverdichter in den ca. 70 Stationen des Fernleitungsnetzes, die Druckverluste durch Reibung ausgleichen, sowie die Verdichter zum Einspeichern von Gasmengen in die Untertageerdgasspeicher eignen sich im Rahmen der Sektorenkopplung zu Elektrifizieren, da ihr Antrieb grundsätzlich gasbasiert und strombasiert erfolgen kann. Ebenso kann die Vorwärmung des Gases vor dem Entspannen des Gases aus den Speichern oder dem Ferntransportnetz in ein nachgelagertes Netz mit erneuerbarem Strom realisiert werden (Power to Heat). Die infrastrukturellen Auswirkungen der zusätzlichen Stromnachfrage aus dem Gasnetz für das Stromnetz wurden nicht mitbetrachtet. Für die Elektrifizierung der Betriebsmittel im Gasnetz lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: - Technisches Potential im Gasnetz vorhanden. - Für die Verdichtung und Vorwärmung von Gas im Gastransport (Fernleitungsnetz) und im Speicherbetrieb ergibt sich momentan ein technisches Potential zur Integration von Strom von ca. 3,8 TWh im Jahr. Durch den erwarteten Rückgang der transportierten Gasmenge und damit Verringerung der benötigten Verdichterleistung und Energieaufwendungen für die Vorwärmung verringert sich dieses Potential bis 2050 signifikant (ca. 2,5 TWh im AMS und ca. 1,6 TWh im KS95). - Bivalente Systeme sind Vorteilhaft, jedoch kostenintensiver. - Die Anwendungen im Gasnetz sind relativ unflexibel und können nur begrenzt in einem fluktuierenden Energiesystem agieren. Ein höherer Flexibilitätsbeitrag kann bei bivalenter Auslegung der technischen Kom-ponenten geleistet werden. Eine bivalente Anlage hält zwei unterschiedlichen Anlagentechnologien vor (sowohl gasbasierter als auch elektrischer Betrieb möglich), was zunächst höhere Investitionen verursacht als nur eine Anlage. Gleichfalls sind auch in der Wartung höhere Kosten zu erwarten, aufgrund z.B. der zusätzlichen Belastungen durch häufiges An- und Abfahren der Anlagen. Deshalb ist diese Anlagenkonfiguration betriebswirtschaftlich momentan häufig nicht darstellbar und zukünftig nur bei entsprechend hohen Flexibilitätsanreizen im Strommarkt. - Die Elektrifizierung der Betriebsmittel führt zu geringen Treibhausgasemissionen, kann jedoch nur einen geringen Beitrag zu den Minderungszielen insgesamt leisten. - Die Treibhausgas (THG) -Emissionen der Sektorkopplungsoptionen hängen vor allem von dem Mix der eingesetzten Kraftwerkstypen zur Stromproduktion ab. Wird der stündliche Eintrag von erneuerbarem Strom in Strommix des Aktuelle-Maßname-Szenario (AMS) unterstellt, kann bis ins Jahr 2050 durch die SKO im Gasnetz im Vergleich zu anderen Maßnahmen kaum CO2 eingespart werden. Durch die inflexible Fahrweise des Gasnetzes wird auch in Zeiten mit hohem Anteil an fossil erzeugtem Strom bezogen. Eine vollständig auf erneuerbarer Energie basierende Stromversorgung, aber auch eine Umstellung des Brenngases auf regenerative Gase würde eine deutlichere THG-Minderung bewirken. - Der Primär- und Endenergiebedarf sinkt beim Einsatz von Elektromotoren zur Gasver-dichtung. - Die Einsparungen liegen bei etwa 3,5 TWh in beiden Szenarien. - Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist im Jahr 2050 die strombasierte Verdichtung der gasbasierten vorzuziehen. - Eine volkswirtschaftliche Betrachtung zeigt, dass strombasierten Verdichter leicht günstigere Faktorkosten (Investition, Energiekosten incl. Zertifikatspreise, Betriebskosten) aufweisen als die gasbetriebene Referenztechnik. Dabei handelt es sich jedoch um mittlere Werte, die je nach Standort variieren können. Beispielsweise kann die Lage einer Verdichterstation zur nächsten geeigneten Transformator-Station des Stromnetzes Einfluss auf die Investitionen haben. Außerdem werden in dem vorliegenden Bilanzraum mögliche Mehrkosten für eine zusätzliche Infrastruktur auf Stromseite nicht berücksichtigt. - Die Elektrifizierung der Betriebsmittel führt zu geringeren Umweltkosten. - Die Umweltkosten reduzieren sich beim Einsatz der strombasierten Verdichter im Wesentlichen aufgrund des geringeren Primärenergieeinsatzes beim Gastransport. Hier sind Einsparungen bis zu 255 Mio. âą im Jahr 2050 möglich (KS95). Bei der Gasvorwärmung sind die Beiträge zu energie- und klimapolitischen Zielen wesentlich geringer. Die Elektrifizierung der Betriebsmittel im Gasnetz ist unter der Annahme einer "Kupferplatte" im Stromnetz langfristig sinnvoll, um die Primärenergieeinsparpotentiale und Treibhausgasminderungspotentiale verbunden mit den volkswirtschaftlichen Minderkosten sowie den geringeren Umweltkosten gegenüber der heutigen Nutzung von Gas als Betriebsmittel zu heben. Der Ersatz von Erdgas durch regenerative Gase würde zwar zu ähnlichen Treibhausgasminderungspotentiale führen, aber höhere volkswirtschaftliche Kosten verursachen. Auch in der Übergangszeit und vor dem Hintergrund der Integration der erneuerbaren fluktuierenden Erzeugung sowie der Gewährleistung der Versorgungssicherheit im Gasnetz erscheint der bivalente Betrieb von Betriebseinheiten im Gasnetz aus energetischer Sicht zweckmäßig. Eine relativ rasche Marktdurchdringung bei den elektrisch betriebenen Verdichtern sollte mit einem entsprechenden Anreizprogramm für Energieunternehmen möglich sein. Quelle: ForschungsberichtVeröffentlichung Roadmap Gas für die Energiewende - Nachhaltiger Klimabeitrag des Gassektors(2019) Wachsmuth, Jakob; Michaelis, Julia; Neumann, Fabian; Karlsruher Institut für Technologie; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung; Purr, KatjaSeit geraumer Zeit wird verstärkt diskutiert, welche Rolle gasförmige Energieträger - Erdgas, wie auch biogene und E-Gase - bei der Energiewende längerfristig spielen sollen. Mit dieser Problemstellung hat sich ein Konsortium aus Fraunhofer ISI (Leitung), dem Deutschen Verein der Gas- und Wasserwirtschaft e.V. (DVGW) und der Forschungsstelle des DVGW am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie im Rahmen des Vorhabens "Roadmap Gas für die Energiewende - Nachhaltiger Klimabeitrag des Gassektors" auseinandergesetzt. Ziel des Vorhabens war es, die anstehenden Herausforderungen im Gassektor zu identifizieren. Im hier vorliegenden Abschlussbericht werden der mittel- und langfristige Klimaschutzbeitrag des Gassektors für die verschiedenen Ambitionsniveaus zur Treibhausgasminderung, die damit verbundenen infrastrukturellen Herausforderungen und die resultierenden Schlüsselmaßnahmen und Anpassungsbedarfe analysiert. Darauf aufbauend werden in einer Roadmap strategische Leitplanken für politische Weichenstellungen im Transformationsprozess zusammenfassend dargestellt. Quelle: ForschungsberichtVeröffentlichung Wie klimafreundlich ist LNG?(2019) Wachsmuth, Jakob; Oberle, Stella; Zubair, Asif; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung; DVGW-Forschungsstelle; Purr, KatjaIm Rahmen des Forschungsprojekts "Roadmap Gas für die Energiewende - Nachhaltiger Klimabeitrag des Gassektors" (UFOPLAN 2016 - FKZ 371643100) erfolgt nachfolgend eine Kurzbewertung und Einordnung der Klimafreundlichkeit von verflüssigtem Erdgas (liquefied natural gas, kurz LNG). Ziel dieser Kurzstudie ist es, die Emissionen von Treibhausgasen (THG) bei einer Nutzung von LNG in Deutschland entlang der gesamten Vorkette zu betrachten und mit denen der leitungsgebundenen Gasversorgung zu vergleichen. Außerdem wird die Relevanz dieser THG-Emissionen im Gesamtkontext der Klimaschutzziele beurteilt. Genauer werden folgende Fragen adressiert. - Wie hoch sind die spezifischen Vorkettenemissionen von LNG (konventionell/unkonventionell)? Welche Ursachen haben die Vorkettenemissionen und welche Unsicherheiten in den Einflussfaktoren wirken auf das Ergebnis? - Wie sind die Vorkettenemissionen von LNG im Vergleich mit leitungsgebundener Gasversorgung und anderen fossilen Energieträgern zu beurteilen? - Welche Einflussfaktoren tragen zu den ermittelten Ergebnissen für die spezifischen Vorkettenemissionen maßgeblich bei? - Welche Kosten sind bei stärkerer Nutzung von LNG gegenüber leitungsgebunden transportierten Erdgas verbunden und zu erwarten? - Welche Relevanz haben die Vorkettenemissionen von LNG auf den Transformationspfad des Energiesystems? Im ersten Kapitel wird zunächst der Hintergrund dargestellt. Im folgenden Kapitel werden die benannten Fragestellungen detailliert betrachtet. Dabei werden keine eigenen Analysen durchgeführt, sondern die in einer Recherche als am relevantesten ermittelten Literaturquellen gegenübergestellt und zum einem Gesamtbild synthetisiert. Im letzten Abschnitt werden schließlich die zentralen Erkenntnisse zusammengefasst. Quelle: ForschungsberichtVeröffentlichung Transformation der Gasinfrastruktur zum Klimaschutz(Umweltundesamt, 2023) Wachsmuth, Jakob; Duscha, Vicki; Wietschel, Martin; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung; Deutschland. Umweltbundesamt; Purr, KatjaMit der Revision des Klimaschutzgesetzes im Jahr 2021 hat sich Deutschland u. a. verbindlich das langfristige Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2045 treibhausgasneutral zu werden. Dies bedeutet, dass die Nutzung von fossilen Energieträgern vollständig zu vermeiden ist, insbesondere durch ein Ausschöpfen von Energieeffizienzpotenzialen und einen vollständigen Umstieg auf erneuerbare Energiequellen. Diesbezüglich hat sich ein weitgehender Konsens entwickelt, dass eine THG neutrale Energieversorgung, selbst im Fall von einem hohen Maß an Elektrifizierung, Effizienz, Flexibilität, Speicherung und Sektorkopplung, ergänzend auf THG-neutrale gasförmige Energieträger angewiesen sein wird. Es stellt sich daher die Frage, ob bezüglich der Nutzung von erneuerbaren Gasen bestimmte Pfade zu bevorzugen sind und wie das Ausphasen von fossilem Erdgas und die künftige Nutzung erneuerbarer Gase gestaltet werden kann. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Studie die Gasinfrastruktur und ihre Entwicklungsmöglichkeiten im Rahmen der Energie- und Klimaschutzziele der Bundesregierung beleuchtet sowie strategische Leitplanken für erforderliche infrastrukturelle Weichenstellungen für gasförmige Energieträger entwickelt. Ziel dieser Studie ist es, in kompakter Form einen Eindruck des Übergangs von Erdgas- zur Wasserstoffinfrastrukturen zu vermitteln. Dabei werden die wesentlichen Meilensteine, Hemmnisse, regulatorischen und technischen Anpassungsbedarfe im Verlauf des Transformationspfades dargestellt, unter Berücksichtigung der Anwendungsbreite von Wasserstoff und des Zeitpunkts des aufkommenden Wasserstoffbedarfs. Quelle: Forschungsbericht