klimaschutz durch eine vollversorgung mit erneuerbaren...
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© Fraunhofer IWESFraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, Berlin
14. November 2009, Evangelische Akademie TutzingDr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid
Klimaschutz durch eine Vollversorgungmit erneuerbaren Energien
© Fraunhofer IWES
Inhalt
1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems
2) Das globale Potential erneuerbarer Energien
3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien
4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien
5) Die Transformation der Energiesysteme
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CO2 Emissionen pro Kopf – Stand heute
Quelle: WBGU, 2009
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CO2 Emissionen pro Kopf – Beispiele für verbleibende Budgets
Quelle: WBGU, 2009
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CO2 Emissionen pro Kopf – Ländergruppen
Quelle: WBGU, 2009
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CO2 Emissionen pro Kopf – Ländergruppen mit Emissionshandel
Quelle: WBGU, 2009
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“Kosten” des Emissionshandels & Rolle der Industrieländer
Gruppe EINS kauft z.B. 120 Gt CO2für insgesamt 1200-3600 Mrd. Euro
bei einem CO2 – Preis von 10 – 30 Euro pro t
Gruppe EINS umfasst 1,5 Mrd. MenschenInvestition pro Kopf im Mittel:
800-2400 Euro für 40 Jahrejährlich: 20-60 Euro
Industrieländer: vorbildliches Handeln ist Voraussetzung für eine Umsetzung von int. verbindlichen Klimaschutzzielen
Wirtschaftliche Entwicklung vom Emissionsausstoß entkoppelnSignalwirkung: Wirtschaftlich erfolgreiches Deutschland
auf Basis von erneuerbaren Energien
Quelle: WBGU, 2009
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Globale Emissionen & erforderliche Reduktionen
Energiesysteme(Strom, Wärme, Transport)
Landnutzung (Land- und Forstwirtschaft,
Abfall)
Jährliche Emissionen: 50 Gt CO2-eq.
Begrenzung der Erderwärmung auf 2°C
Budget bis 2050: 1,300 Gt CO2-eq.
Energie-Budget: ca. 700 Gt CO2-eq.
Quelle: Sterner, 2009
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Energiebedingte Emissionen zwischen 1750 und 2006
Quelle: Sterner, 2009
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(thermodynamisch umstritten, bzw. nicht korrekt) – Quelle: IEA, 2008, * other renewables
Globaler Primärenergiebedarf - Wirkungsgradmethode
Quelle: Sterner, 2009
Wasserkraft: 3110 TWhKernkraft: 2970 TWh
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(thermodynamisch korrekt) Quelle: BP, 2008; REN21, 2008; GWEC, 2008
Globaler Primärenergiebedarf - Substitutionsmethode
Quelle: Sterner, 2009
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Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (1)
EnergieeffizienzEnergieeinsparungen ohne Komforteinbußen
KernkraftEnergiebeitrag global: knapp 6%Verdoppelung spart im Idealfall 6% fossile Energieträger ein6% von 67% Emissionen sind 4%
4% Emissionsreduktion durch die Verdoppelung der KernkraftVerdoppelung der ungelösten Probleme(Ressourcenknappheit, Proliferation, GAU & Terror, Entsorgung)
Quelle: Sterner, 2009
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Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (2)
Saubere fossile Energie durch CCSNur etwa 80% können abgetrennt werdenFür nur etwa 50% der fossilen CO2-Emissionen praktikabel (50% aus verteilen & mobilen Quellen) maximal 40% CO2 (ca. 13% globaler THG) vermeidbarGlobal noch nicht verfügbar & Konkurrenz zu Geothermie & GasspeichernUngelöste „Endlagerung“ (begrenzte Speicher, Lecks, Kosten, Akzeptanz)
Wechsel von Kohle / Erdöl auf Erdgasbegrenzte Ressourcen und Potentiale (Kohleersatz - 10%; Ölersatz - 7%)
Quelle: Sterner, 2009
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Erneuerbare Energien – Wind / Solar / Wasserkraft / Meeresenergie:
„Direkt“ erzeugter Strom – ohne thermische Verluste
Nahezu „null“ Emissionen
Ausreichend Potential
Hauptproblem: meteorologische Abhängigkeit – Speicherung –Ausgleich
Erneuerbare Energien - Bioenergie:
Flexibel einsetzbar, speicherbar, geografisch gut verteilt
Potential begrenzt durch Nutzungskonkurrenzen (Nahrung, Futtermittel, Material, Chemie, Boden, Wasser, Biodiversität)
Klimaschutzwirkung nicht immer positiv:
Landnutzung Bioenergie Energie
Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (3)
Quelle: Sterner, 2009
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Optionen für eine emissionsarme Energieversorgung
Quelle: Sterner, 2009
© Fraunhofer IWES
Inhalt
1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems
2) Das globale Potential erneuerbarer Energien
3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien
4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien
5) Die Transformation der Energiesysteme
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Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit
Quellen: s. Abb.
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Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit
Quellen: s. Abb.
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Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit
Quellen: s. Abb.
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Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit
der globale Primärenergiebedarf kann durcherneuerbare Energien um ein Vielfaches gedeckt werden
Quellen: s. Abb.
© Fraunhofer IWES
Inhalt
1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems
2) Das globale Potential erneuerbarer Energien
3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien
4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien
5) Die Transformation der Energiesysteme
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Ziel: Vermeidung von Abwärme und Emissionen
Quelle: Sterner, 2009
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Effizienzsprung KWK und direkt erzeugter Strom aus EE
1) Energieeffizienz (trad. Biomasse, etc.)
Stromerzeugung
2) Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung
3) Ausbau der erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser)
Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
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Effizienzsprung regenerative Wärmepumpen (Geothermie)
Wärmebereitstellung
4) Nutzung von Elektrowärmepumpen
2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung
Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
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Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3 - 4
Verkehr
5) Umstieg auf Elektromobilität
2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung
Vorteile der Elektromobilität:- Abwärmenutzung möglich- CO2-Abtrennung möglich- kein Feinstaub in den Städten- weniger Lärm- Stromspeicher
Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
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Lösung: Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch EE
Quelle: Sterner, 2009
© Fraunhofer IWES
Inhalt
1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems
2) Das globale Potential erneuerbarer Energien
3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien
4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien
5) Die Transformation der Energiesysteme
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Regenerative Kombikraftwerke
Kombination von Windenergie, Photovoltaik, Biogas, Wasserkraft und Speichern zur stabilen Stromversorgung – Prognose Cluster Kombi-KW
EE bekommen Kraftwerkseigenschaften
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Fraunhofer IWES Studie zum Ausbau von EE (BEE-Szenario 2020) Woche der minimalen EE-Erzeugung
EE folgen in geschickter Kombination dem Strombedarf
Quelle: Saint-Drenan et al., 2009
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Fraunhofer IWES Studie zum Ausbau von EE (BEE-Szenario 2020) Bedarf nach Grundlastkraftwerken - davor und danach
Erneuerbarer Strom ist zu jedem Zeitpunkt vorhanden
Grundlastbedarf sinkt deutlich (weniger Kohle- und Kernkraftwerke notwendig)
Spitzenlastbedarf steigt (mehr Gaskraftwerke notwendig)
Konsequenz für Kraftwerksbau und -planung
0
10
20
30
40
50
60
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90
100
2007 2020
Req
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GW
Peak loadMedium loadBase load
Quelle: Saint-Drenan et al., 2009
16.1%
24.2%
59.7%
50.0%
22.7 %
27.4%
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Renewable Power (to) Methane – Renewables-to-SNGStromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz
Quelle: Specht et al, 2009Sterner, 2009
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Quelle: Sterner, 2009
Renewable Power (to) Methane – Renewables-to-SNG Energievektor für Wind und Solar in den Wärme- und Verkehrssektor
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Renewable Power (to) Methane – Renewables-to-SNG Kopplung mit einer Biogasanlage – Verdopplung des Ertrages
Quelle: Specht et al, 2009Sterner, 2009
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Vermeidung des Methanschlupfs
100% Kohlenstoffnutzung
Renewable Power (to) Methane – Renewables-to-SNG Kopplung mit einer Biogasanlage – Verdopplung des Ertrages
Quelle: Specht et al, 2009Sterner, 2009
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Quelle: Specht et al, 2009Sterner, 2009
Renewable Power (to) Methane – Renewables-to-SNG Autarke Produktion eines Erdgas-Substituts – CO2 recycling
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Renewable Power (to) Methane – Wind-to-SNG Erste Pilotanlage am ZSW Stuttgart von Solar-fuel Technology GmbH
CO2 Absorptionsleistung = 1,5 ha Genmais / aQuellen: Solar-fuel, 2009, Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009
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Simulation einer regenerativen Vollversorgung – StromSzenario BMU Leitstudie 2050 x 1.2 für Deutschland
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GW
Quelle: Sterner, 2009
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“carbon sinkenergy system”
Quelle: Sterner, 2009
Energiestruktur mit 100% erneuerbaren Energien
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Renewable Power (to) Methane Vorteile
Speicherung von EE im Erdgasnetz und flexibler Einsatz
Langzeitspeicher, „keine“ Speicherbegrenzung, vorhandene Infrastruktur
Stabile, sichere Stromversorgung mit EE
Regel- und Ausgleichsenergie für fluktuierende Stromerzeugung aus EE
CO2-neutraler kohlenstoff-basierter Energieträger für Verkehr (und Wärme)
hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite, keine Konkurrenz zu Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen
Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas
Erhöhung der Versorgungssicherheit
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Inhalt
1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems
2) Das globale Potential erneuerbarer Energien
3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien
4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien
5) Die Transformation der Energiesysteme – ein Szenario
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Quelle: BTM consult, windpower monthly, IWR, ISET M. Durstewitz,BWE, WWEA, March 2009
0
25.000
50.000
75.000
100.000
125.000
1990
1991
1992
1993
1994
1995
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1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
MW
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000World
Europe
Germany
German wind energy production
GWh
Entwicklung der Windenergienutzung – D, EU und global
© Fraunhofer IWES
Def. Reference Location according to EEG, BGBl 2004, No. 40, P. 1929: „Reference location is a location, which is defined by a Rayleigh distribution with a mean annual wind velocity of 5.5 meter each second in a height of 30 meter above ground, a logarithmical profile of the height and the roughness length of 0.1 meter.“
Progress Ratio = 90%
0,1000
1,0000
10 100 1000 10000 100000
Cumulated total installed capacity in MW
€ |20
00|/
kW
hR
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ence
Out
put
1991
1996
2006
Spec. WEA Price each kWh Annual Energy Yield (Reference Location)
2000
Kostenentwicklung der Windenergie - Lernkurve
Quelle: Hahn, 2007
© Fraunhofer IWES
Lernkurven für Stromgestehungskosten aus EEAnteil am globalen Stromverbrauch:
Solar Thermal Power Plants
Quelle: Schmid, WBGU, 2007
© Fraunhofer IWES
4.6 €ct/kWh
5,6 5,6 €€ctct/kWh/kWh
4.6 €ct/kWh
-1
11
23
Biomass
Fuel C
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Combined Cycle
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Hydropower
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Demand Manag.
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Wh]
-250
1250
2750
4250
5750
Ann
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Wh]
Annual Production by Type etc.Mean Costs of ElectricityCosts of Electricity: Produced within Region DK-DCosts of Electricity DK-D: Import Costs included (external surplus not included)Costs of Electricity by Type
Stromgestehungskosten aus “Desertec” mit heutigen Kosten
Quelle: Czisch, 2005
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Vergleich der Stromgestehungskosten
Quelle: IEA, IPCC, 2007
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IWES Szenario 100% EE für WBGU: Annahmen zum Energiebedarf
Quelle: WBGU 2, 2009
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Nach SubstitutionsmethodeQuelle: WBGU 2, 2009
IWES Szenario 100% EE für WBGU: Primärenergiebedarf (1)
Progressives Szenario das zeigt, was möglich wäre
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Nach WirkungsgradmethodeQuelle: WBGU 2, 2009
IWES Szenario 100% EE für WBGU: Primärenergiebedarf (2)
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Ca. 730 G t CO2 bis 2050
2°C Klimaziel mit einer Wahrscheinlichkeit von 66% erreicht,
dafür ist aber ein massiver Umbau des Energiesystems notwendig
Quelle: WBGU 2, 2009
IWES Szenario 100% EE für WBGU: Energiebedingte Emissionen
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Zusammenfassung
Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist
technisch möglich
ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht
ökologisch / klimatechnisch not-wendig
Herausforderungen
Umbau der Energieversorgungsstrukturen
Hoher Investitionsaufwand zu Beginn
Technologie- und Wissenstransfer
“Transformation” des Bewusstseins
Entscheidend
politischer Wille & Bewusstseinswandel Vielen Dank
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Quellen (1)
WBGU (2009): Kassensturz zum Weltklimavertrag – Der Budgetansatz. Sondergutachten 2009. Berlin: WBGU – Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. http://www.wbgu.de
WBGU 2 (2009): Green Growth - Dekarbonisierungspfade auf Basis von Energieeffizienz und erneuerbaren Energien. Work in progress. Berlin: WBGU –Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen.
WBGU (2008): Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung. Hauptgutachten 2008. Berlin: WBGU – Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. http://www.wbgu.de
WBGU (2007): Politikpapier 5. Berlin: WBGU – Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. http://www.wbgu.de
Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Universität Kassel, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2
Specht, M.; Sterner, M.; Stürmer, B.; Frick, V.; Hahn, B. (2009): Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz - Wind/PV-to-SNG. ZSW / IWES Konzept.
Solar-fuel (2009): Realisierung der Wind-to-SNG Pilotanlage. www.solar-fuel.com
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Quellen (2)
Saint-Drenan, Gerhardt, von Oehsen, Bofinger, Sterner, Rohrig (2009): Dynamische Simulation der Stromversorgung in Deutschland nach dem BEE-Szenario„Stromversorgung 2020“. Bundesverband erneuerbare Energien, Fraunhofer IWES, Berlin, Kassel.
(Harvard) Lu, X.; McElroya, M. B.; Kiviluomac, J. (2009): Global potential for wind-generated electricity. In: PNAS. http://www.pnas.org/content/early/2009/06/19/0904101106
(UNDP) Goldemberg, J. (2000): World Energy Assessment. Energy and the Challengeof Sustainability. 1. print. New York, NY: UNDP / UN-DESA / World Energy Council
(DLR) Teske, S.; Schäfer, O.; Zervos, A.; Beranek, J.; Tunmore, S.; Krewitt, W. et al. (2008): energy [r]evolution. A Sustainable Global Energy Outlook. Greenpeace und European Renewable Energy Council. Berlin. Online available at www.energyblueprint.info/
FAO (2008b): The State of Food and Agriculture 2008: Biofuels - Prospects, Risks and Opportunities. Rome: FAO
Czisch, G. (2005): Kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien. Universität Kassel: Dissertation.
ISET (2008): Präsentationen zur Netzintegration – Das Kombikraftwerk. Kassel: Fraunhofer IWES. http://www.iset.de
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Kontakt und Informationen
Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr. Jürgen Schmid
Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Königstor 59
34119 Kassel
Tel. +49 – 561 – 72 94 361
Email: msterner_at_iset.uni-kassel.de
www.iset.de
www.wbgu.de (Gutachten frei verfügbar)