End-use sector coupling to better utilize rooftop PVs by producing and injecting green methane into the low-pressure natural gas grid

Abstract

Umweltschutzpolitik und allgemeine Klimaschutzverpflichtungen erfordern die Dekarbonisierung aller Wirtschaftssektoren, was eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts darstellt. Die Integration von Energiesystemen verschiedener Wirtschaftssektoren gilt als der geeignetste Weg, diese zu dekarbonisieren und den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Dieser Prozess wird als Sector Coupling bezeichnet und beschreibt das Konzept einer gezielten Verbindung und Interaktion von Energiesektoren zur Flexibilisierung von Angebot, Nachfrage und Speicherung.Ein weiterer wichtiger Weg zur Reduzierung der CO2-Emissionen ist die erweiterte Integration der dezentralen Erzeugung, die zur Dekarbonisierung des Stromvektors beiträgt, und des Gasvektors unter Verwendung von Kopplungskomponenten.In dieser Arbeit liegt der Fokus zunächst auf der Suche nach Parallelität zwischen Strom- und Gasnetz als Präambel für die Beschreibung und Gestaltung von Power-to-Gas-Technologien, also von Technologien, die als Lösung vorgeschlagen werden, um Strom in gasförmige Energieträger umzuwandeln. Anschließend wurde der Effekt der verteilten Energieeinspeisung in beide Netztypen untersucht, um zu verstehen, wie sich das Gasnetz verhält, wenn es mehrere und verteilte Energiequellen umfasst: Gasnetze werden traditionell nur in eine Richtung versorgt.Untersucht wurden das Strom-Niederspannungsnetz und das Niederdruck-Erdgasnetz, die verschiedene Privatkunden versorgen. Alle Privatkunden haben Photovoltaikanlagen auf dem Dach. Die Photovoltaik-Produktion wird zunächst zur Deckung der Stromlast des Kunden verwendet. Der Stromüberschuss wird zur Erzeugung von grünem Methan genutzt, indem Komponenten (Elektrolyseur und Methanisierungsreaktor) gekoppelt und verteilt in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die stationären Simulationen für beide Netze wurden mit SINCAL durchgeführt, während die Kopplungskomponenten in Python simuliert wurden.Die Ergebnisse zeigen, dass die Einspeisung von überschüssigem Strom in das Niederspannungsnetz in vielen Szenarien zu Spannungsproblemen führt. Damit ist der Stromverteilnetzbetreiber gezwungen, die weitere Installation von PV-Aufdachanlagen einzustellen. Während die alternative Lösung, d. h. die Produktion von grünem Methan durch Nutzung des Stromüberschusses und dessen Einspeisung in das Niederdrucknetz, keine Druckprobleme verursacht, zeigt dies, dass die technischen Grenzen der Gasnetze viel geringer sind. Der Nachteil besteht darin, dass Kompressoren an Druckreduziergruppen installiert werden müssen, um sie bidirektional zu machen.Ein weiterer großer Vorteil des Gasnetzes für den Gas-Prosumer ist neben der Vermeidung von Druckproblemen die Möglichkeit, den Linepack-Effekt, also die Speicherkapazität der Pipeline, auszunutzen. So kann ein Teil der thermischen Last auch abends gedeckt werden, ohne dass zusätzliche Kosten für die Anschaffung eines Speichers für jede Kundenanlage anfallen. Schließlich hängt ein weiterer Vorteil der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Lösung damit zusammen, dass CO2 benötigt wird, um den Methanisierungsprozess zu betreiben.Dies bedeutet, dass ein CO2-Markt entwickelt werden könnte, der große Kraftwerke dazu ermutigt, die CO2-Abscheidung einzuführen, und so dazu beiträgt, die Emissionen nicht nur auf Endverbraucherebene, sondern sogar auf Produktionsebene zu senken.Die ganzheitliche Betrachtung des Lösungsvorschlags wird die Möglichkeit schaffen, im Sommer, wenn die Strom- und Ökogasproduktion den Strom- und Gasbedarf übersteigt, die unterirdischen Speicher zu füllen, sodass zumindest für einige Zeit kein Gas mehr aus Ausland, z.B. Russland, importiert werden muss.

Environment protection policies and overall climate commitments require the decarbonisation of all sectors of the economy, which is one of the most significant challenges of this century. Integration Energy Systems of various economic sectors is considered the most suitable way to decarbonise them and reduce CO2 emissions. This process is known as Sector Coupling, and it describes the concept of a purposeful connection and interaction of energy sectors to increase the flexibility of supply, demand, and storing.Another keyway to reducing CO2 emissions is through expanded integration of distributed generation, which helps decarbonize the electricity vector, and gas vector using coupling components.In this work, the focus is firstly on finding parallelism between the electricity and gas grid as a preamble for the description and design of Power-to-Gas technologies, i.e., technologies proposed as a solution to transform electricity into gaseous energy carriers. Then, the effect of distributed injection of energy into both grid types was studied to understand how the gas network behaves when it includes multiple and distributed energy sources: Gas grids have traditionally been supplied only in one direction.The electricity low voltage grid and the low-pressure natural gas grid that supply different residential customers have been investigated. All residential customers have rooftop photovoltaic installations. The photovoltaic production is first used to cover the customer’s electricity load. The surplus of electricity is used to produce green methane by coupling components (electrolyser and methanation reactor) and injecting it in a distributed way into the natural gas grid. The steady-state simulations for both grids are made using SINCAL, while coupling components have been simulated in Python.Results show that injecting electricity surplus back into the low voltage grid in many scenarios creates voltage problems. Thus, the electricity distribution system operator is forced to stop further installing rooftop PV facilities. While the alternative solution, i.e., the production of green methane by exploiting the electricity surplus and its injection into the low-pressure grid, doesn’t create pressure problems showing that gas grids’ technical limitations are much lower. The disadvantage is that compressors must be installed at pressure reduction groups to make them bidirectional.The gas prosumer may use another great advantage offered by the gas network, in addition to the absence of pressure problems, is the possibility of exploiting the linepack effect, i.e., the pipeline storage capacity. It allows covering a part of the thermal load even in the evening without incurring additional costs to buy a storage tank for each customer plant. Finally, a further advantage of the solution proposed in this thesis is related to the fact that CO2 is needed to run the methanation process. This means that a CO2 market could be developed, encouraging big power plants to adopt carbon capture, thus helping to cut emissions not only from an end-user level but even from a production level.The holistic treatment of the proposed solution will create the possibility in summer, when the electricity and green gas production exceeds electrical and gas demand, to fill the underground storage plants so that, at least for some time, gas no longer needs to be imported from abroad, e.g. from Russia.