Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe

100 Pages·2017·2.05 MB·German

by  Agora Verkehrswende

Die zukünftigen Kosten strombasierter
synthetischer Brennstoffe
STUDIE
IMPRESSUM
Die zukünftigen Kosten strombasierter
synthetischer Brennstoffe
ERSTELLT IM AUFTRAG VON DURCHFÜHRUNG DER STUDIE
Agora Energiewende Frontier Economics Ltd.
www.agora-energiewende.de Im Zollhafen 24 | 50678 Köln
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Dr. Jens Perner, Dr. Michaela Unteutsch,
Agora Verkehrswende Andrea Lövenich
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Anna-Louisa-Karsch-Straße 2 | 10178 Berlin DANKSAGUNG
T +49. (0) 30 700 14 35-000
F +49. (0) 30 700 14 35-129 Wir danken Marius Backhaus, Jonathan Beierl,
Tobias Bischof-Niemz, Christian Breyer, Mahdi
Projektleitung: Fasihi, Andreas Graf, Peter Kasten, Alexandra
Dr. Matthias Deutsch, Agora Energiewende Langenheld, Kerstin Meyer, Christoph Pellinger,
[email protected] Frank Peter, Christoph Podewils, Stephanie
Ropenus, Oliver Schmidt, Lambert Schneider,
Dr. Urs Maier, Agora Verkehrswende Stephanie Searl, Oliver Then, Georg Thomaßen,
[email protected] Fritz Vorholz für hilfreiche Kommentare und allen
Teilnehmern des Expertenworkshops für die
Beiträge zur Diskussion. Die Verantwortung für
die Ergebnisse liegt ausschließlich bei Frontier
Satz: Economics und für die Schlussfolgerungen bei
INFOTEXT – Content & Grafikdesign Agora Energiewende und Agora Verkehrswende.
Lindenstraße 76 | 10969 Berlin
Titel: istock.com/surachetkhamsuk
Bitte zitieren als:
Agora Verkehrswende, Agora Energiewende
und Frontier Economics (2018): Die zukünftigen
Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe.
Fassung vom 19.03.2018
Die Zitationsempfehlungen für die Schlussfolge-
129/04-S-2018/DE rungen und für den Hauptteil finden Sie auf den
07-2018-DE Seiten 7 und 43.
Vorwort
Liebe Leserin, lieber Leser, benötigten erneuerbaren Stroms im In- und Ausland
zu untersuchen. Die Ergebnisse finden Sie in dem
gasförmige und flüssige synthetische Brennstoffe aus vorliegenden Bericht und in dem begleitenden Excel-
erneuerbar erzeugtem Strom stellen eine Ergänzung Tool auf unseren Webseiten. Mit dieser Veröffentli-
zu den energieeffizienteren direkt-erneuerbaren chung möchten wir außerdem eine Diskussion um
und direkt-elektrischen Dekarbonisierungsansätzen die Nachhaltigkeitsanforderungen an die Produktion
dar. Die Zahl der Szenarien mit einem umfangreichen synthetischer Brennstoffe und um mögliche Förder-
Einsatz solcher Brennstoffe und einer zugrunde- instrumente anstoßen.
gelegten massiven Kostensenkung nimmt gegen-
wärtig zu. Aber welche Annahmen stehen hinter Wir wünschen Ihnen eine anregende Lektüre!
dieser Kostensenkung? Um die weitere Diskussion
darüber möglichst transparent führen zu können, Ihr
haben Agora Verkehrswende und Agora Energie- Dr. Patrick Graichen,
wende Frontier Economics damit beauftragt, Kosten- Direktor Agora Energiewende
senkungspfade für synthetische Brennstoffe und Christian Hochfeld,
mögliche günstige Standorte für die Produktion des Direktor Agora Verkehrswende
Synthetische Brennstoffe werden eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung von Chemie,
Industrie und Teilen des Verkehrs spielen. Neben chemischen Grundstoffen und Hochtemperatur-
Prozesswärme geht es dabei um Flug- und Schiffsverkehr sowie möglicherweise um Teile des
1
Straßenverkehrs. Da synthetische Brennstoffe immer teurer sein werden als direkt genutzter
Strom, ist offen, wie groß ihre Bedeutung in anderen Sektoren sein wird.
Power-to-Gas- und Power-to-Liquid-Anlagen brauchen für einen wirtschaftlichen Betrieb günstigen
Erneuerbaren-Strom und hohe Volllaststunden. Sie können daher nicht mit Überschussstrom
betrieben werden. Stattdessen werden explizit für diesen Zweck Erneuerbare-Energien-Anlagen
2 gebaut werden müssen – entweder in Deutschland (Offshore-Windkraft) oder zum Beispiel in
Nordafrika beziehungsweise im Nahen Osten (Onshore-Windkraft und/oder Photovoltaik). Dies
würde Erdöl und Erdgas exportierenden Staaten auch eine Perspektive für ein postfossiles
Geschäftsmodell ermöglichen.
Synthetisches Methan und Öl kosten anfänglich in Europa etwa 20 bis 30 Cent pro Kilowattstunde.
Die Kosten können bis 2050 auf etwa 10 Cent je Kilowattstunde sinken, wenn die global
installierte Power-to-Gas-/Power-to-Liquid-Kapazität auf etwa 100 Gigawatt steigt. Die
3 avisierten Kostensenkungen bedingen erhebliche frühzeitige und kontinuierliche Investitionen
in Elektrolyseure und CO-Absorber. Diese sind ohne politische Intervention oder eine hohe CO-
2 2
Bepreisung nicht zu erwarten, denn die Herstellungskosten für synthetische Brennstoffe sind
dauerhaft höher als die Förderkosten ihrer fossilen Alternativen.
Wir brauchen einen Öl- und Gaskonsens, der den Ausstieg aus den Fossilen festlegt, effiziente
Substitution priorisiert und über verpflichtende Nachhaltigkeitsregeln sowie Anreizinstrumente
den Einstieg in synthetische Brennstoffe ermöglicht. Strombasierte Brennstoffe sind keine
4 Alternative, sondern eine Ergänzung zu Anwendungen mit geringeren Umwandlungsverlusten
wie Elektroautos oder Wärmepumpen. Anwendungsspezifische Ziele tragen dem Rechnung.
Verbindliche Nachhaltigkeitsregeln sichern den Klimavorteil von Power-to-Gas-/Power-to-Liquid-
Brennstoffen und schaffen Planungssicherheit.
3
Agora Verkehrswende und Agora Energiewende | Inhalt
4
Inhalt
Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe:
Schlussfolgerungen aus Sicht von Agora Verkehrswende und Agora Energiewende
1. Schlussfolgerungen 9
2. Quellen 35
Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe
Frontier Economics
3. Kurzfassung 45
4. Hintergrund, Zielsetzung und methodischer Ansatz der Studie 51
4.1 Hintergrund der Studie 51
4.2 Zielsetzung der Studie 53
4.3 Methodisches Vorgehen und Aufbau des Berichts 53
5. Stromerzeugung 55
5.1 B etrachtete Länder und Stromerzeugungstechnologien 55
5.2 A nnahmen zu Kosten, Volllaststunden und Lebensdauer von
Erneuerbaren Energien 56
5.3 Stromgestehungskosten 60
6. Umwandlungsprozesse 61
6.1 Wasserstoffelektrolyse 62
6.2 Methanisierung 66
6.3 Herstellung flüssiger Kraft stoffe
(Methanolsynthese und F ischer-Tropsch-Synthese) 72
7. Transport, Beimischung und Verteilung 77
7.1 Transport 77
7.2 Beimischung und Verteilung 78
8. Zusammenfassung der Kostenschätzung impor tierter synthetischer
Brennstoffe bis 2050 81
8.1 Übersicht der Kostenschätzungen 81
8.2 Wesentliche Kostentreiber 86
9. Diskussion von Nachhaltigkeitskriterien für die betrachteten Erzeugungsoptionen 91
10. Fazit und Ausblick 95
11. Quellen 96
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Agora Verkehrswende und Agora Energiewende | Schlussfolgerungen
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Die zukünftigen
Kosten strombasierter
synthetischer
Brennstoffe
Schlussfolgerungen aus Sicht von
Agora Verkehrswende und
Agora Energiewende
Bitte zitieren als:
Agora Verkehrswende und Agora Energiewende
(2018): Die zukünftigen Kosten strombasierter
synthetischer Brennstoffe: Schlussfolgerungen
aus Sicht von Agora Verkehrswende und Agora
Energiewende. In: Agora Verkehrswende, Agora
Energiewende und Frontier Economics (2018): Die
zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer
Brennstoffe.
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STUDIE | Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe
Synthetische Brennstoffe werden eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung von Chemie,
1
Industrie und Teilen des Verkehrs spielen.
Steigende Klimaschutzanforderungen machen den Bundesregierung sind erstmalig auch sektorenspe-
Einsatz von synthetischen Brennstoffen notwendig. zifische Emissionsminderungsziele bis 2030 formu-
liert: Im Gebäudesektor wird demnach eine Verrin-
Die Energieversorgung weiter Teile unserer Volks- gerung von 119 Millionen Tonnen CO-Äquivalenten
2
wirtschaft ist heute noch durch fossile Brennstoffe (2014) auf 70 bis 72 Millionen Tonnen CO -Äquiva-
2
geprägt. Wie Abbildung 1 illustriert, wird Öl insbe- lente bis 2030 und im Verkehrssektor von 160 Milli-
sondere in den Bereichen Verkehr und Wärme sowie onen Tonnen CO -Äquivalenten (2014) auf 95 bis 98
2
für nicht energetische Anwendungen in der Industrie Millionen Tonnen CO -Äquivalente erforderlich.1 Die
2
benötigt. Der größte Einzelposten ist dabei der Stra- wichtigsten energiepolitischen Strategien zur Zie-
ßenverkehr. Gas kommt vor allem in den Bereichen lerreichung bis 2030 bestehen für den Gebäude- und
Wärme und Stromerzeugung zum Einsatz. Verkehrssektor darin, die systemische und spezi-
fische Energieeffizienz zu steigern, die Sektoren zu
Deutschland hat sich zum Ziel gesetzt, die Treibhaus- elektrifizieren, den Anteil Erneuerbarer Energien aus-
gasemissionen bis 2030 um mindestens 55 Prozent zubauen sowie den Einsatz besonders CO-intensiver
2
und bis 2050 um 80 bis 95 Prozent gegenüber 1990
zu verringern. Mit dem Klimaschutzplan 2050 der 1 Bundesregierung (2016)
Verwendung von fossilem Öl und Gas in Deutschland im Jahr 2015 in Terawattstunden Abbildung 1
TWh
800
745
Öl Gas
sonstiger Verkehr
Luftverkehr 599
600
Straßenverkehr
400
Industrie
Gewerbe
232
Industrie 205 Haushalte
200 152
Gewerbe
Haushalte
31
2 14
0
Verkehr* Wärme: Industrie: Stromerzeugung
Haushalte, Gewerbe, nichtenergetischer und KWK
Industrie Verbrauch
* inklusive Kraftanwendungen im Gewerbe sowie Seeschifffahrt (Bunkerungen)
eigene Darstellung nach AGEB (2017)
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Agora Verkehrswende und Agora Energiewende | Schlussfolgerungen
fossiler Energieträger wie Kohle und Öl zu mindern.2 Strombasierte synthetische Brennstoffe5 – im Fol-
Damit kommt Erdgas als CO-emissionsärmsten fos- genden kurz: synthetische Brennstoffe – tragen dann
2
silen Energieträger bis 2030 für einige Anwendungen zur Dekarbonisierung bei, wenn sie aus erneuerbarem
eine wichtige Rolle als Brückentechnologie zur Errei- Strom erzeugt werden und gegebenenfalls benötigter
chung der Klimaschutzziele zu.3 Kohlenstoff klimaneutral bereitgestellt wird.6 Beson-
ders relevant sind dabei Wasserstoff als Ausgangsba-
Für den Zeitraum 2030 bis 2050 spielen in vielen sis sowie – darauf aufbauend – Methan und syn-
Szenarien, die eine Erreichung der Klimaschutzziele thetische Flüssigkraftstoffe. Offen ist jedoch, welche
modellieren, synthetische Brennstoffe eine wichtige Rolle sie spielen werden. Die Antwort auf diese Frage
Rolle. Je höher das Ambitionsniveau wird, desto mehr hängt in hohem Maße davon ab, zu welchen Kosten
Power-to-Gas (PtG) und Power-to-Liquid (PtL) wird Brennstoffe bis wann wie CO-arm werden können.7
2
benötigt – aber schon ein mittlerer Zielpfad, der auf Technische Fortschritte lassen es möglich erscheinen,
eine Emissionsminderung um 87,5 Prozent zusteuert, synthetische Brennstoffe in großem Maßstab zu ver-
erfordert signifikante Mengen. Hinzu kommen noch tretbaren Kosten zu produzieren, sodass sie ein signi-
jene Mengen, die der internationale Luft- und See- fikanter Teil der Lösung sein könnten.
schiffsverkehr benötigt.
Die Vorteile dieser Brennstoffe gegenüber der direk-
Der wesentliche Grund für die Bedeutung von PtG/PtL ten Nutzung von Strom bestehen in ihrer hohen
liegt darin, dass es nicht genügend nachhaltig erzeugte Energiedichte, der Speicherbarkeit und der zum Teil
Biomasse gibt, um überall da, wo Verbrennungs- bereits vorhandenen Infrastruktur – Eigenschaf-
prozesse eine Rolle spielen, die eingesetzten Ener- ten also, die sie mit fossilen Brennstoffen gemeinsam
gieträger Kohle, Öl oder Gas durch Holz, Biogas oder haben. Über entsprechende Technologien und damit
Biokraftstoffe zu ersetzen. Denn das Potenzial der verbundene Anwendungsmuster entstanden in den
Biomasse zur energetischen Nutzung in Deutschland Industriegesellschaften über einen langen Zeitraum
sowie global ist angesichts der Flächenkonkurrenz mit weitreichende Routinen im Alltag. Synthetische, kli-
Nahrungs- und Futtermitteln stark limitiert. Zudem maneutrale Brennstoffe würden es also ermöglichen,
ist das Mengenpotenzial von Biomasse aus Abfällen die Anwendungsroutinen und Energiestrukturen im
und Reststoffen, bei denen die Flächenkonkurrenzen Wesentlichen so zu belassen wie heute.
nicht auftreten, viel zu gering, um in ausreichender
Menge Kraftstoff für den Verkehr liefern zu können.4 Synthetische Brennstoffe haben einen großen
Nachteil: Die geringe Energieeffizienz. Erhebliche
Umwandlungsverluste erfordern große Strommen-
gen für ihre Produktion.
2 Agora Energiewende (2017b). Im Verkehrssektor ist zudem
die Mobilitätswende erforderlich, die eine Stärkung
von Bahn, Bus und Shared Mobility beinhaltet (Agora
Verkehrswende 2017). Zur Rolle der Energieeffizienz siehe
Langenheld/Graichen (2017). 5 Synthetische Heizstoffe werden zur Erzeugung von Wärme
eingesetzt, Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftmaschinen.
3 Zu den nicht zu ignorierenden Methanemissionen bei der
Sowohl im Heiz- als auch Kraftstoffbereich können flüssige
Erdgasförderung siehe IEA (2017b).
Brennstoffe (wie Heizöl, Benzin, Diesel) als auch gasförmige
4 Weltweit können Biokraftstoffe der zweiten Generation Brennstoffe (Wasserstoff, Erdgas, synthetisches Methan)
aus land- und forstwirtschaftlichen Reststoffen maximal eingesetzt werden.
zwischen 13 und 19 Exajoule Energie zur Verfügung stellen.
6 Solarthermische Prozesse ohne Stromerzeugung (DLR 2017)
Demgegenüber wird der weltweite Endenergieverbrauch
werden hier nicht betrachtet.
des Verkehrs auf 100 bis 170 Exajoule im Jahr 2050
geschätzt (INFRAS, Quantis 2015). 7 BDEW et al. (2016)
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