Gastbeitrag "COMPRESSOR DAY 2020 goes virtual"

Das Wasserstoffnetz 2030 und ein Ausblick auf die Infrastruktur 2050 in den Niederlanden

Gastbeitrag

"COMPRESSOR DAY 2020 goes virtual"

Dr. Jarig Steringa

Senior Advisor

Gasunie Transport Services

Um die im Pariser Klimaabkommen festgelegten Emissionsziele für 2050 zu erreichen, wird der Energiewandel ein vollständiger Umbau des derzeitigen, von fossilen Brennstoffen dominierten Energiesystems erfordern. Obwohl Elektrizität, die aus Sonne und Wind erzeugt wird, bis 2050 die Hauptenergiequelle sein wird, muss ein Großteil davon in Moleküle (wie Wasserstoff) umgewandelt werden. Nur so können die Bedarfe der chemischen Industrie, der Düngemittelindustrie und anderer schwer zu versorgender Formen des Endverbrauchs gedeckt werden. Das Gassystem erlaubt es auch, grüne und CO2-neutrale Gase aus Biomasse und Importen aufzunehmen.

Gasunie und TenneT, die Gastransport- und Stromnetzbetreiber (TSOs) in Deutschland und den Niederlanden, haben sich zusammengeschlossen, um Fragen über das Energiesystem der Zukunft zu beantworten. Dabei geht es u.a. darum, wie die beiden Infrastrukturen zusammenwirken, welche Energie durch welchen Teil der Infrastruktur fließen wird und wie ein räumliches und zeitliches Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage erreicht werden kann. In der gemeinsamen Studie, die im Februar 2019 veröffentlicht wurde, konzentrierten sich Gasunie und TenneT auf die nationale Systemintegration, einschließlich der Kopplung von Gas- und Stromnetzen sowie auf die besondere Rolle von Wasserstoff dabei.

Systemintegration in den Niederlanden

Die auf Wind- und Solarenergie basierende Stromversorgung ist von Natur aus sehr volatil. Obwohl die erzeugte Energie die Nachfrage manchmal deutlich übersteigt, gibt es auch Zeiten, in denen die Energie aus Wind und Sonne sehr gering ist ("Dunkelflaute"), was zu einer dramatischen Unterversorgung führt. Die von uns durchgeführte Analyse zeigt, dass das Energiesystem durch die Kopplung von Strom- und Gasnetzen eine höhere Flexibilität, zusätzliche Transportkapazitäten und die Möglichkeit der saisonalen Speicherung erhält. Das bestehende Gastransportnetz verfügt über genügend Kapazität, um seine grundlegend veränderte Rolle im zukünftigen Energiesystem zu erfüllen, auch wenn aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Wasserstoff einige technische Anpassungen erforderlich sind. Unter der Voraussetzung, dass angemessene Leitlinien für den Standort von Power-to-Gas (P2G)-Anlagen gegeben werden können, kann die Kopplung von Strom- und Gasinfrastrukturen den langfristigen Erweiterungsbedarf für die Strominfrastruktur erheblich verringern.

Die Berücksichtigung von Investitionen für das Stromnetz (TenneT)

Aufgrund des steigenden Gesamtstrombedarfs in Kombination mit einem wachsenden EE-Angebot muss die Infrastruktur für die Stromübertragung bereits vor 2030 ausgebaut werden. In seinem aktuellen Investitionsplan hat TenneT bereits mehrere Hochspannungsleitungen von den Landepunkten für Offshore-Windenergie zu den Binnenmärkten sichergestellt inklusive einer Reihe neuer Leitungen zu Industriegebieten bis 2030.

Die Netzauslegung für 2030 wurde als Ausgangspunkt für die Analysegenutzt. Nach 2030 wird das Stromnetz weiter ausgebaut werden müssen. Der erwartete Ausbaubedarf nach 2030 ist in den Szenarien mit hoher Elektrifizierung (EL & RES und EL & RES+) am höchsten.

Die Berücksichtigung von Investitionen für das Gasnetz (Gasunie)

In allen Szenarien wird davon ausgegangen, dass ein hoher Anteil des Endenergiebedarfs durch Wasserstoff als Energieträger gedeckt wird. Um dies zu ermöglichen, muss ein EU-weites Wasserstoffnetz aufgebaut werden. Dies kann effizient durch die Umrüstung der bestehenden Infrastruktur für den Erdgastransport erfolgen. Gegenwärtig sieht Gasunie ein Wasserstoffnetz vor, das aus umgerüsteten Erdgasleitungen besteht, die die fünf großen Industriegebiete in den Niederlanden mit Wasserstoffspeichern im Nordosten des Landes und mit Industriegebieten in Belgien und Deutschland, z.B. im Ruhrgebiet, miteinanderverbindet.

Power-to-Gas wird in jedem umsetzbaren Szenario eine bedeutende Rolle spielen. Das Wasserstoffnetz von 2030 einschließlich seiner weiteren Ausdehnungen bis 2050 scheint perfekt ausgelegt zu sein, um den Transport und die Speicherung großer Wasserstoffmengen in Kavernen zu ermöglichen: Alle niederländischen Erdgasleitungen sind für den Wasserstofftransport geeignet. Aufgrund der abnehmenden Erdgasnachfrage und -versorgung in den Niederlanden wird eine große Anzahl von Pipelines verfügbar werden.

Die Bedeutung der bestehenden Strom- und Gasinfrastruktur für das Energiesystem der Zukunft

Wir haben festgestellt, dass Strom und Gas in künftigen Energiesystemen, in denen Wind- und Solarenergie die wichtigsten Primärenergiequellen sowohl für Deutschland als auch für die Niederlande sind, komplementäre Rollen spielen werden. In den Szenarien unserer Studie wird diese erneuerbare Energie hauptsächlich als Strom oder als grünes Gas an die Endverbraucher geliefert. Der Vorteil des direkten Stromtransportes in die Sektoren, in denen eine Elektrifizierung möglich ist, besteht darin, dass die Energieumwandlung und die damit verbundenen Energieverluste vermieden werden. Grüne Gase hingegen bieten eine Option für die Sektoren, in denen eine Elektrifizierung schwieriger umzusetzen ist.

Unsere Analyse zeigt, dass die Kopplung von Strom und Gas dem Energiesystem die nötige Flexibilität verleiht. Das bestehende Gastransportnetz verfügt über genügend Kapazität, um seine grundlegend veränderte Rolle im zukünftigen Energiesystem zu erfüllen, auch wenn aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Wasserstoff einige technische Anpassungen erforderlich sind. Vorausgesetzt, dass dieP2G-Standorte sinnvoll festgelegt werden, kann die Kopplung der Strom- und Gasinfrastrukturen den langfristigen Ausbaubedarf der Stromübertragungsnetze erheblich verringern. Aufgrund des zu erwartenden Nachfragewachstums bei den Endverbrauchern und der grundlegend veränderten, auf erneuerbaren Energiequellen basierende Energieversorgungsstruktur wird jedoch auch nach 2030 ein erheblicher Ausbau des Stromnetzes erforderlich sein.

Fazit ist, dass das Energiesystem der Zukunft ein stark integriertes Gas- und Elektrizitätsnetz benötigt, einschließlich den Speichereinrichtungen, um die Versorgung aller Formen des Endverbrauchs zu jedem Zeitpunkt sicherzustellen.

Die Vorreiterrolle der Gasspeicherung bei saisonalen Schwankungen

Ein Energiesystem, das auf Wind- und Solarenergie basiert, wird große Mengen an Speicher benötigen, um mit Angebotsschwankungen fertig zu werden, die von der "Frequenzwiederherstellung" bis zur "saisonalen Speicherung" reichen. Bedeutende installierte Kapazitäten der Stromspeicherung (z.B. Batterien, Pumpspeicher) wurden in verschiedenen Szenarien berücksichtigt. Das Energievolumen solcher Speichermöglichkeiten ist jedoch noch begrenzt. Bestehende unterirdische Gasspeicher hingegen können große Mengen erneuerbarer Energie für die saisonale und langfristige Speicherung durch P2G-Konvertierung aufnehmen. Während erschöpfte Gasfelder zur Verfügung stehen werden, wird erwartet, dass die Wasserstoffspeicherung hauptsächlich in Salzkavernen erfolgen wird. Aus den Berechnungen für die Szenarien geht hervor, dass mehrere Dutzend davon in den Niederlanden und/oder Deutschland gebaut werden müssen, um ausreichende Kapazität und Volumen bereitzustellen. Das Gas aus der Speicherung stellt die Hauptenergiequelle für das gesamte System während der "Dunkelflaute" dar. Als solche ergänzen sich auch Gas- und Stromspeicherung.

Die notwendige Abstimmung der P2G-Installationen mit den Netzwerkbetreibern

Die Kopplung der Infrastruktur für Strom- und Gastransport mit P2G-Installationen verleiht dem gesamten Energiesystem zusätzliche Flexibilität. Bei Szenarien mit einer hohen Durchdringung von Wind- und Solarenergie führt der Einsatz von P2G jedoch zu einem massiven Anstieg der elektrischen Spitzenlast, wodurch sich die infrastrukturellen Engpässe verschärfen können, wenn die Kapazitäten und Standorte dieser P2G-Installationen nicht richtig auf die Netze abgestimmt sind.

Unsere Analyse der Ergebnisse deutet darauf hin, dass die Ansiedlung von P2G-Installationen in der Nähe von Produktionsanlagen für erneuerbare Energien die Notwendigkeit des Ausbaus der Stromnetze verringern kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gesamtkapazität von P2G-Anlagen im Vergleich zu erneuerbaren Energien relativ hoch ist. Es ist jedoch keine Selbstverständlichkeit, dass P2G-Installationen immer Netzbeschränkungen entlasten. Erhebliche Einschränkungen der Strom- und Gasnetze können immer noch auftreten, wenn der Betrieb dieser Anlagen aus Netzperspektive suboptimal ist. Daher müssen geeignete Anreize für den Betrieb von P2G-Anlagen geschaffen werden, um einen effizienten Netzbetrieb zu gewährleisten.

Die Forderung nach öffentlicher und politischer Unterstützung

Zunehmende Nachfragespitzen im Stromnetz, wie es bei allen Szenarien, die in dieser Studie untersucht wurden, der Fall ist, werden zu einer verstärkten Nutzung oder sogar Überlastung der Übertragungsleitungen führen. Nach der für diese Studie gewählten Methodik kann dies dazu führen, dass zusätzlich zu den bereits technisch und politisch bestätigten langfristigen Maßnahmen bis 2030 weitere Stromnetzausbauten notwendig werden.

Wir haben zwei entscheidende Aspekte für die Realisierung und den Erfolg der Energiewende identifiziert: die politische Bereitschaft zum Bau neuer Stromübertragungsleitungen, um dem prognostizierten Nachfragewachstum der Endverbraucher Rechnung zu tragen, und die Schaffung eines klar unterstützenden regulatorischen Rahmens für die Integration von P2G-Anlagen und die Wasserstoffspeicherung in das System, um die Gesamtzahl der Netzausbauten zu minimieren.

Im letzten Blogbeitrag 2020, am 18. Dezember, schauen wir zurück

auf das erste Jahr des NEUMAN & ESSER BLOG.