Kostenvergleich eines PV-Wind-Methan-Kraftwerkes gegen fossile Rohstoffe in Abhängigkeit vom globalen Standort

 

Wo auf der Erde ist ein 100-%-EE-Kraftwerk gegen fossile Energie konkurrenzfähig?

  

 
                Hybrides PV-Wind-Methankraftwerk als Baustein eines
                                nachhaltigen Energiesystems

rot Stromnetz, violett Wärme, schwarz mechanische Energie, gelb Methan, blau Wasserstoff, grau Kohlendioxid; RPM Methanherstellung, CHP Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung, CCS Kohlendioxidspeicherung
Quelle: Ch. Breyer et. al (2011) (1)
blauer Rahmen: Systemgrenze des Hybridkraftwerkes (Ergänzung durch G. Mair)

Zielsetzung
Die Studie von Ch. Breyer et al. (2011) (1), aus der im folgenden Teilergebnisse berichtet werden, prüft, wo auf der Erde ein PV-Windkraftwerk mit der notwendigen Methanerzeugung gegen fossile Kraftwerke kostenmäßig konkurrenzfähig wäre.

Annahmen
- der Energieeintrag von Wind und Sonne wird global raumaufgelöst betrachtet (Auflösung 1 Grad / 1 h).
- die Anlage besteht aus einer Kombination von PV, Windkraft, GuD (zweistufiges Gas- und Dampf-Kraftwerk) und Methanherstellung im notwendigen Maß, um konstante Stromlieferung zu gewährleisten. Siehe Schema rechts (Kraftwerks-komponenten blau umrahmt).
- Es werden nur die Kosten der Stromherstellung berücksichtigt (kein Wärmeverbund).

 
        Auswahl aus Kostenparametern für Systemkomponenten
                   und Ölpreiskopplung von Gas und Kohle

GuD Gas und Dampf; CCS (Carbon Capture and Storage) CO2-Speicherung, FK Fertigungskosten
Quelle: Daten übernommen aus Ch. Breyer et al. (2011) (1)

- die Kostenparameter (Bezugsjahr 2020) sind in der Tabelle rechts dargestellt, inklusive der Ausbeuten und der Annahmen zur Kopplung von Kohle- und Gaspreisen an den Ölpreis. Es wurde mit 6 % Kapitalkosten gerechnet.




 
                    Volllaststunden (VLh) für PV-Wind-Kraftwerke
blau: 1000 VLh bis rot: 5000 VLh
Quelle: Ch. Breyer et al. (2011) (1)


           Durchschnittskosten für PV-Wind-Kraftwerke im Jahr 2020
rot: 20 €/M Wh bis blau: 100 €/MWh (entsprechend 2 bis 10 Cent/kWh)
Quelle: Ch. Breyer et al. (2011) (1)
 
        Durchschnittskosten PV-Wind-Methan-GuD-Kraftwerke 2020
CO2-Gewinnung aus der Luft, 5000 Volllaststunden (bezogen auf die Stromkapazität der Kombianlage)
rot: 50 €/MWh bis blau: 450 €/MWh (entsprechend 5 bis 45 Cent/kWh)
Quelle: Ch. Breyer et al. (2011) (1)

Ergebnisse
Links oben sind die Volllaststunden (VLh) für PV-Wind-Kombinationen (je gleicher Kapazität) dargestellt, wobei die VLh zusammengezählt sind. Rechts oben entsprechend die durchschnittlichen Energiekosten dieser Anlagen. In guten PV-Lagen (z. B. Nordafrika) oder guten Wind-Lagen (z. B. Großbritannien) oder geeigneten Kombinationen (z. B. Nordwesteuropa) resultieren Kosten unter 5 Cent/kWh (rot bis gelb dargestellt).
Wird die notwendige Methanherstellung mit zugehörigem Speicher und GuD-Kraftwerk ergänzt (Abb. rechts), steigen die Kosten auf grob das Dreifache; die oben genannten Lagen erreichen dann Kosten von etwa 10-15 Cent/kWh (orange). 

Unten links ist dargestellt, in welchen Regionen ein EE-Kraftwerk gegen ein Kohle- oder fossiles Gaskraftwerk, beide mit CCS, konkurrenzfähig wäre (bei einem Ölpreis von 67 Eurocent/Liter).
Die Graphik unten rechts zeigt die Entfernung der Abnehmer. Beim oben genannten Ölpreis (rote Linie der Graphik) liegen mehr als 90 % der Erdbevölkerung innerhalb von etwa 800 km Reichweite der EE-Kraftwerke, ein Abstand, der noch mit Hochspannungs-Wechselstromtrassen überbrückt werden kann (darüber wird die Hochspannungs-Gleichstromübertragung ökonomischer).

 
     Niedrigstkosten EE-Anlage gegen Gas oder Kohle mit CCS 2020
blau: Kombination PV-Wind-Methan; grün: Wind-Methan; Kostenvergleich mit fossilem Gaskraftwerk mit CCS bzw. Kohlekraftwerk mit CCS; jeweils 5000 Volllaststunden
Ölpreis 150 US$/barrel (67 Eurocent/Liter)

Quelle: Ch. Breyer et al. (2011) (1)


   Versorgungspotenzial mit Niedrigstkosten-EE-Anlage (Mio. Menschen)
          gegen Entfernung (km), für verschiedene Ölpreise 2020
violett: 50 US$/barrel (22 Eurocent/Liter); bis blau: 250 US$/barrel (1,10 Euro/Liter)
Quelle: Ch. Breyer et al. (2011) (1)

Interpretation

  • Diese Studie betrachtet ausschließlich die Stromerzeugung. Eine Vermarktung der Abwärme würde die Kosten voraussichtlich senken.
  • Kurzzeitspeicher für Fluktuationen im Minutenbereich sind nicht berücksichtigt.
  • Der Niedrigstkostenvergleich (Graphik links oben) ist gegen fossile Kraftwerke mit CCS gerechnet. Heutige Kohlekraftwerke sind erheblich billiger, gegen diese würden EE-Kraftwerke erst im Bereich von 250 US$/barrel (1,12 €/Liter) die Kostenführerschaft übernehmen.
  • Erdgasgestützte PV-Windkraftwerke (bei denen also die Methanherstellung und Speicherung entfiele) würden dagegen Kohlekraftwerke bereits bei unter 100 US$/barrel und Erdgaskraftwerke im Bereich von 150 US/barrel kostenseitig unterbieten.
  • Aus den vorangehenden Seiten Kosten 100% EE Strom sowie Kosten 100% EE Strom + Wärme ist ersichtlich, dass dies etwa einer Konversion mit 70 % erneuerbarer Energie entsprechen würde.





Literatur:

(1) Ch. Breyer et al., "Hybrid PV-Wind-Renewable Power Methane Plants - an Economic Outlook", 6th International Renewable Energy Storage Conference (IRES 2011), Berlin (2011)