Klimaschutz durch eine Vollversorgung mit erneuerbaren...

© 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

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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

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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


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(thermodynamisch umstritten, bzw. nicht korrekt) – Quelle: IEA, 2008, * other renewables

Globaler Primärenergiebedarf - Wirkungsgradmethode


Wasserkraft: 3110 TWhKernkraft: 2970 TWh

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(thermodynamisch korrekt) Quelle: BP, 2008; REN21, 2008; GWEC, 2008

Globaler Primärenergiebedarf - Substitutionsmethode


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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)


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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%)


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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



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Optionen für eine emissionsarme Energieversorgung


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Inhalt






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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.

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Inhalt






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Ziel: Vermeidung von Abwärme und Emissionen


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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


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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


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Lösung: Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch EE


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Inhalt






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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

70

80

90

100

2007 2020

Req

uire

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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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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


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Vermeidung des Methanschlupfs

100% Kohlenstoffnutzung

Renewable Power (to) Methane – Renewables-to-SNG Kopplung mit einer Biogasanlage – Verdopplung des Ertrages


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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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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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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

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2001

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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

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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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put

1991

1996

2006

Spec. WEA Price each kWh Annual Energy Yield (Reference Location)

2000

Kostenentwicklung der Windenergie - Lernkurve

Quelle: Hahn, 2007

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Lernkurven für Stromgestehungskosten aus EEAnteil am globalen Stromverbrauch:

Solar Thermal Power Plants

Quelle: Schmid, WBGU, 2007

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4.6 €ct/kWh

5,6 5,6 €€ctct/kWh/kWh

4.6 €ct/kWh

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11

23

Biomass

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Geothermal

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Wh]

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1250

2750

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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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Nach SubstitutionsmethodeQuelle: WBGU 2, 2009

IWES Szenario 100% EE für WBGU: Primärenergiebedarf (1)

Progressives Szenario das zeigt, was möglich wäre

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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)

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