VI – Strom zu Gas und Wärme

Kompetenz-Zentrum "Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme"

Förderer:

Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes NRW

Partner:

Forschungszentrum Jülich GmbH

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Gas-und Wärme-Institut Essen e.V.

Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH

Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH

Laufzeit:

November 2018 bis Oktober 2021

Das künftige Energieversorgungssystem muss flexibler ausgestaltet werden. Denn die Energiewende und der Ausbau der erneuerbaren Energien führen mittelfristig dazu, dass das zeitliche und örtliche Stromangebot nicht immer mit der Nachfrage übereinstimmt. Wie können also optimale Energiespeicher und Flexibilitätsoptionen in einem integrierten Strom-, Gas- und Wärme-System aussehen?

Das Projekt „Kompetenz-Zentrum Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme” ist ein Folgeprojekt des „Virtuellen Instituts – Strom zu Gas und Wärme”. Das Kompetenz-Zentrum ist in zwei Teilprojekte gegliedert: Die techno-, sozioökonomische und ökologische Systemanalyse sowie die experimentelle Forschungsinfrastruktur. Sie umfassen sowohl den Aufbau von Demonstrationsanlagen als auch die Bearbeitung systemischer Fragen:

Techno-, sozioökonomische und ökologische Systemanalyse

  • Systemmodellierung zur Identifikation von innovativen und zukunftsfähigen Anwendungen im NRW-Leitmarkt „Energie- und Umweltwirtschaft“
  • Life Cycle Assessment und Kritikalitätsanalyse von Einzeltechnologien und Technologiepfaden
  • Bewertung des Einsatzes und der Auswirkungen alternativer Kraftstoffe für die Entwicklung der künftigen regionalen Infrastruktur

Experimentelle Forschungsinfrastruktur

  • „Demonstration der Flexibilitätsoptionen“: Charakterisierung und Modellierung der Demonstrationsanlage, Optimierungsansätze zur Steigerung der Flexibilität
  • „Power-to-Heat im zukünftigen Energiesystem“: Erweiterung der Demonstrationsanlage um die Flexibilitäts-Option Power-to-Heat inkl. Analysen zur Integrierbarkeit in das nordrhein-westfälische Energiesystem
  • „Demonstration der Flexibilitätsoptionen“: Upscaling einer Power-to-Gas-Gesamtanlage in einen energiewirtschaftlich relevanten Maßstab
  • “Smart Heating“: Power-to-Heat-Systeme in Wohngebäuden
  • „Power2C4“: Entwicklung eines Power2X-Verfahrens zur Herstellung des Gases Butadien

Im Arbeitspaket „Systemmodellierung zur Identifikation von innovativen und zukunftsfähigen Anwendungen“ betrachtet das EWI gemeinsam mit seinen Partnern einzelne Flexibilisierungsoptionen in den Bereichen Power-to-Gas, Power-to-Heat, Power-to-Fuel (PtX) und Nachfragesteuerung (Demand-Side Management) nach Branchen und Sektoren. Hierbei entwickelt das Institut die techno-ökonomische Abbildung der verschiedenen Technologieoptionen in der sektorenübergreifenden Modelllandschaft weiter.

Damit wird die Basis für eine detaillierte Systembetrachtung der Flexibilitätsoptionen gelegt, mittels welcher die Konkurrenzsituation im Markt untersucht werden kann. Hierbei werden auch Investitionsstrategien in Industrie, privaten Haushalten sowie Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) sowie die Wettbewerbsfähigkeit einzelner innovativer Technologien im Gesamtsystem berücksichtigt.

Außerdem wird die räumliche Dimension hinsichtlich Standortwahl von Technologien vor dem Hintergrund des Ausbaus der erneuerbaren Energien und der notwendigen Stromnetz- bzw. Gasnetz-Verfügbarkeiten unter Berücksichtigung regionalspezifischer Vorteile des Bundeslandes NRW im Rahmen verschiedener Szenarien untersucht. Zudem werden dafür relevante Anwendungsfälle in NRW identifiziert sowie eine Roadmap für eine nachhaltige Transformation des Industriesektors in NRW unter Berücksichtigung von PtX-Technologien entwickelt.

Rolle des EWI im Kompetenz-Zentrum

Das EWI untersucht die Flexibilisierungsoptionen für den Strommarkt, die Sektorenkopplung sowie die alternativen Kraftstoffe, um zentrale Erkenntnisse für eine nachhaltige innovative Gestaltung von Strom-, Wärme- und Verkehrswende aus übergeordneter Perspektive zu leisten. Hierfür werden das EWI-Energiemarktmodell DIMENSION und das EWI-Gastransportnetzmodell TIGER erweitert:

  • Abbildung aller Energieverbrauchs-Sektoren (europaweit) mit modellendogener Erzeugung und Nachfrage nach PtX-Brennstoffen im EWI-Modell DIMENSION
  • Detaillierte Abbildung und Integration von mit PtX konkurrierenden Flexibilitätsoptionen inkl. Demand-Side Management (DSM), Power-to-Heat, Elektromobilität und Speichern im EWI-Modell DIMENSION
  • Erweiterung des DIMENSION-DSM-Moduls, um weitere Sektoren (GHD, Haushalte) und endogenen Ausbau (inkl. Investitionskosten) zu berücksichtigen
  • Modellierung der langfristigen sektorübergreifenden Interdependenzen im Gesamtsystem im EWI-Modell DIMENSION
  • Weiterentwicklung des EWI-Gastransportnetzmodells TIGER durch die Integration von Wasserstoff- und Power-to-Gas-Einspeisung sowie einer verbesserten Abbildung von Gasnetz und regionaler Gasnachfrage
  • Verknüpfung von PtX-Erzeugung und Erdgasangebot, -nachfrage und –handel
  • Kopplung der EWI-Modelle DIMENSION und TIGER über PtX- und Erdgas-Mengen, PtX-Kapazitäten und dem mit Hilfe des TIGER-Modells ermittelten Erdgaspreis
  • Iterative Simulation der Strom- und Gasnetzmodelle
  • Analyse der volkswirtschaftlich optimalen Allokation der PtX-Anlagen
  • Optimale Platzierung von PtX-Anlagen aus Stromnetzsicht gegenüber Gasnetzsicht

Ergebnisse aus dem Hauptprojekt