Energiewende in der Region, für die Region, von der Region Wie wir uns in die Energiewende einbringen können.

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1 Energiewende in der Region, für die Region, von der Region Wie wir uns in die Energiewende einbringen können. Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg Raiffeisenbank Bad Abbach-Saal eg Vertreter- Versammlung 2014 Bad Abbach 21. Mai 2014

2 Inhalt 1) Energiewende Warum und wieso? 2) Stromwende Potentiale, Mythen, Speicher 3) Wärmewende Holz vor der Haustür 4) Kraftstoffwende An Ideen mangelt es nicht 5) Gesellschaft Kostendebatte & Chancen 6) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2

3 Grundgesetz: Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen Artikel 20a: Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen. Artikel 14(2): Eigentum verpflichtet. Sein Gebrauch soll zugleich dem Wohle der Allgemeinheit dienen. Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3

4 Die Wirtschaft ist & bleibt eine 100% Tochterfirma der Umwelt Quelle: Getty Images, Autobahnkreuz Deggendorf 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4

5 Ist der Klimawandel wirklich unsere Schuld? Bildquelle: Bormann, privat Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5

6 Quelle: Landesbeirat Holz NRW e. V., 2010 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6

7 Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende Jahrtausende vor Heute Quelle: nach Petit et al Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7

8 Quelle: Landesbeirat Holz NRW e. V., 2010 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8

9 Energiebedingte Emissionen zw und 2010 Quelle: National Oceanic and Atmospheric Administration Washington D. C., 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9

10 Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende Jahrtausende vor Heute Quelle: nach Petit et al Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10

11 Klimawandel kann neue Völkerwanderungen verursachen Kostet Geld Kostet Lebensraum Quelle: WBGU, 2007 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11

12 Klimawandel kostet Lebensraum auch in Deutschland Energiewende ist notwendig zum Schutz des Lebens PNP Juli 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12

13 Quelle: Gerhard Mester Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13

14 Das Ende des fossilen Zeitalters bringt die Energieversorgung wieder an die Oberfläche Vereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen Energieeffizienz Wind Solar Verbrauch Wind Solar Wasser Biomasse Wasser Biomasse Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14

15 Inhalt 1) Energiewende Warum und wieso? 2) Stromwende Potentiale, Mythen, Speicher 3) Wärmewende Holz vor der Haustür 4) Kraftstoffwende An Ideen mangelt es nicht 5) Gesellschaft Kostendebatte und Chancen 6) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15

16 Energiewende = Stromwende + Wärmewende + Mobilitätswende Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16

17 Klimaneutrale Hochtechnologien für Strom vs. Wir haben die Wahl Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17

18 regenerative Energien, wie Sonne, Wasser oder Wind können auch langfristig nicht mehr als 4 % unseres Strombedarfs decken. (2013: 25%) Badenwerk Karlsruhe * Bayernwerk München * EVS Stuttgart * Isar-Amperwerke München * Neckarwerke Esslingen * PreussenElektra Hannover * RWE Energie Essen * TWS Stuttgart * VEW Dortmund Anzeige SZ 1993 Nr. 152 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S

19 Fundamentaler Unterschied: erneuerbarer Strom und konventioneller Strom Nur 1/3 der Primärenergie wird gebraucht, um denselben Strom bereitzustellen Quelle: Sterner, Schmid, Wickert BWK 2008 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19

20 Strombedarf Deutschland Quelle: Sterner, Stadler, 2014, Daten aus BMU Langfristszenarien 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 20

21 Technisches Potential Windkraft 1% bay. Landesfläche kann 50% unseres Stroms decken Auf entsprechender Höhe Erträge wie im Norden & Westen Ausgereifte Technologie, geringe Lärmemissionen, Stand 2013: 652 Anlagen, 1,12 GW Potential bei 1000 m Abstand (ca. 5 H) Auf 2% der Fläche (Vorgabe BWE) Potential für 41 GW, 80 TWh ca Anlagen heute ausgeschöpft: ca. 3 % Auf 22% der Fläche: 316 GW (+ Wald & Schutzgebiete Abb.) Auf 8 % der Fläche: 115 GW (Flächen ohne Restriktionen) Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21

22 Windenergie in Deutschland Bayern trotz Landesgröße nach wie vor bei den Schlusslichtern Quelle: DEWI, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22

23 Wind hat großes Potenzial & ist kostengünstig Energie kommt je Anlage in 3-9 Monaten zurück Lärmemissionen minimal Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23

24 Standortanalyse Windkraft Markt Laaber Standort: Windgeschwindigkeit 4,5-5,4 m/s Nutzbare Fläche 0,2km 2 Beratzhausen: Windgeschwindigkeit 5,5 6,0 m/s Gebietskulisse Bayern nicht aussagekräftig Quelle: Bayernatlas und /media/professoren/ei/sterner/ pdf/energienutzungsplan_laaber_oth_regensburg_2013_bericht.pdf Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24

25 PV-Potentiale auf öffentlichen Liegenschaften Archiv Grund & Mittelschule Bauhof & Feuerwehrhaus Bildquelle: Bayernatlas Quelle: Energienutzungsplan Laaber, OTH Regensburg 2013 Download: /media/professoren/ei/sterner/pdf/ Energienutzungsplan_Laaber_OTH_Regensburg_2013_Bericht.pdf Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25

26 Mythos Solarstrom Energie kommt nicht zurück Energie kommt je Anlage in 2 3 Jahren zurück Hälfte des Solarstroms aus diffusem Licht Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26

27 Mythos Solarstrom Photovoltaik brennt, strahlt,... Brennende Photovoltaik war eine Solaranlage (Wärme) Ursache nicht Solar! Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27

28 Mythos Landschaftsverschandelung Einfluss Kohle, Öl, Gas, Atom auf Landschaftsbild & Umwelt Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28

29 Erneuerbarer Anteil an der bay. Stromversorgung Grundlage: Energiekonzept, 85,4 TWh Bruttostromverbrauch (2009) Technisches Potential in Bayern vielfach ausreichend, um die Stromwende in Bayern zu vollziehen Quelle: vorhergehende Folien Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29

30 Flächenverbrauch für den Ersatz aller 4 bay. AKW Bruttostromerzeugung: 42,9 TWh (2013) Fläche Bayern: 7,1 Mio. ha Biogas Ertrag: 20 MWh / ha (Biomethan-Mais) Bedarf: 2,15 Mio. ha Photovoltaik 30,4 % der Landesfläche Ertrag: 3 ha / MW 1000 Volllaststunden 333 MWh / ha (PV-Freifläche 15 % Wirkungsgrad) Bedarf: 0,13 Mio. ha Windenergie 1,8 % der Landesfläche Ertrag: 3,44 ha / MW 1950 Volllaststunden 567 MWh / ha (Windparks) Bedarf: 0,076 Mio. ha 1,1 % der Landesfläche Wind Biogas(mais) Flächenbedarf exemplarisch, Nicht maßstabsgetreu PV Quelle: Sterner, eigene Berechnungen auf Basis der Potentiale, 2014 & DBFZ, 2008, Fraunhofer IWES, Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30

31 Warum der Strom vom Norden in den Süden soll Windgeschwindigkeit Windenergieeinspeisung Leitungsauslastung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31

32 Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine Wir brauchen Flexibilitäten 1. Hoch flexible Kraftwerke 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher) Wind Solar Power-to-Gas Gasspeicher Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32

33 Netzausbau elementar, aber nicht die finale Lösung Was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Windenergie Photovoltaikanlagen Ballungszentrum Engpass Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2012, Stand 08/12, eigene Ergänzungen Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33

34 Entweder oder, Katz oder Koder Quelle: Gerhard Mester Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34

35 Was macht ein Speicher? Quelle: Sterner, FENES, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35

36 Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom Wärme) Quelle: N-Ergie 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36

37 Pumpspeicher als effizienter und etablierter Kurzzeitspeicher für Strom Quelle: Schluchseewerk, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 37

38 Batteriekraftwerke in Primärregelleistung + EE ersetzen Kohlekraftwerke Quelle: Younicos Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 38

39 Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 39

40 Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Technische Nachbildung der Photosynthese Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, Specht Specht et al, 2010 et al, 2010 Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40

41 Power-to-Gas als Langzeitspeicher Erstmalige Einspeisung in das Fernleitungsnetz Quelle: E-On, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41

42 Power-to-Gas als Stromkraftstoff 6 MW größte industrielle Power-to-Gas Kraftstoffanlage Source: Enertrag, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 42

43 Inhalt 1) Energiewende Warum und wieso? 2) Stromwende Potentiale, Mythen, Speicher 3) Wärmewende Holz vor der Haustür 4) Kraftstoffwende An Ideen mangelt es nicht 5) Gesellschaft Kostendebatte und Chancen 6) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43

44 Wärmebedarf Deutschland Quelle: Sterner, Stadler, 2014, Daten aus BMU Langfristszenarien 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 44

45 Mit erneuerbaren Energien heizen Bildquelle: Viessmann, Diverse Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 45

46 Energiespeicher Wald Zuwachs gleich dem bay. Heizölverbrauch Fläche: Zuwachs: Energie: 2,56 Mio. Hektar ca. 26 Mio. m 3 / a = ca. 1 m Festmeter Holz pro Sekunde ca GWh entspricht ca Mio. l Heizöl bei rein energet. Nutzung (max % realistisch) bay. Heizölverbrauch ca Mio. l Gegenwert ca Mio. EUR Holz als Energie (bei 90 EUR / 100 l Heizöl) Speicherleistung ca MW (mehr als alle bay. AKWs 2013 noch MW) der Wald ist Bayerns größter Speicher Quelle: Bundeswaldinventur 2, 2012, FNR, Carmen ev, TUM, eigene Berechnungen Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 46

47 Wann wird eine künstliche Anpflanzung notwendig? Wenn die natürliche Ordnung aus dem Gleichgewicht gerät X O Ausgleich durch künstliche / menschengemachte Jagd Falls mangelhaft System aus dem Gleichgewicht Gesetz Wald vor Wild Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 47

48 Technisches Potential der Biomasse Holz erweiterbar Viel ungenutzt Großes Potential in Wald-Wild-Gleichgewicht Nutzung - Laut Waldinventur nur 61 % des Zuwachses genutzt Nachwachsender Rohstoff Holz: - Natürlich Naturverjüngung fast kostenlos bis auf Waldpflege - Künstlich Anpflanzung Kosten: ca / ha ( Pflanzen, 400 m Zaun) Verbliebener Zuwachs 34% Natürl. Mortalität 5% Nutzung in Bayern 61% Vorteile eines Gleichgewichts von Wild & Wald: Mehr Ertrag, mehr Energie (ca % mehr Zuwachs) Mehr kostenloser Klimaschutz Robustere Wälder gegen Klimawandel Mehr kostenloser Hochwasserschutz Mehr Biodiversität Weniger Wildunfälle, Besserer Schutz für Tiere Geringere Personen- und Sachschaden Quellen: LWF Wissen 49, 2007, Hothorn et al., 2012 (LMU), StMELF, , Carmen e. V., 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 48

49 Inhalt 1) Energiewende Warum und wieso? 2) Stromwende Potentiale, Mythen, Speicher 3) Wärmewende Holz vor der Haustür 4) Kraftstoffwende An Ideen mangelt es nicht 5) Gesellschaft Kostendebatte und Chancen 6) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 49

50 Irene beim Tanken Welches Leistungsäquivalent liegt beim Tanken an? Irene kontrolliert gerade einen Leistungsfluss von 16 MW: Energieinhalt Benzin: 9 kwh/l = 32 MJ/l Durchflussmenge: 0,5 l/s Elektrisches Äquivalent von 10,5 x WKA Fröttmaning (à 1,5 MW) Quelle: FENES, C. Hoffmann - Siemens, 2011; Bildquelle: Wikipedia Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 50

51 Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz - Pflanzenkraftstoff für die Landwirtschaft (Haferprinzip) Elektromobilität - Reichweite - Kosten Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 51

52 Power-to-Gas: zu geringe Auslastung, zu teuer Energiewende: Not-in-my-backyard! Abhilfe: Meer nutzen & dem Wind folgen Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 52

53 Meer: Große ungenutzte Windpotentiale Quelle: auf Basis von Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 53

54 Konzept Segelenergie Prinzipielle Funktionsweise Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 54

55 Konzept Segelenergie Nicht nur ein Hirngespinst Bildquellen: maritime-connector.com, Voith Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 55

56 Segelenergie: Routen optimieren Beispiel 3 Monate-Fahrt insg h (80%) Auslastung Quelle: Patentiert Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 56

57 Kosten Interessant ab ca. 5 MW und ca. 120 m Schiffslänge Powerto- Gas Methan (Erdgas) Powerto- Liquid Methanol Marktpreise: Bioerdgas: 7 ct/kwh 1 Methanol: 7,41 ct/kwh 2 Grüner Wasserstoff: 30 ct/kwh 3 An der Tankstelle: 18 ct/kwh x 10 = 1,80 /l Benzinäquivalent vor Steuern; Benzin: ca. 10 kwh/l 1: BWK , S. 89 2: Börsenpreis 12/2012 3: Abnahmepreis Windgas Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 57

58 Inhalt 1) Energiewende Warum und wieso? 2) Stromwende Potentiale, Mythen, Speicher 3) Wärmewende Holz vor der Haustür 4) Kraftstoffwende An Ideen mangelt es nicht 5) Gesellschaft Kostendebatte und Chancen 6) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 58

59 Energiewende lohnt sich und kostet uns weniger als der konventionelle Pfad Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 59

60 Quelle: Gerhard Mester, 2012 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 60

61 Mythos: Ökostrom ist teuer Wind & Sonne gleichauf / am Günstigsten Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO 2 ) Wind PV Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft Gestehungskosten für neue Kraftwerke in cent / kwh 2013 Einspeisevergütung England neues AKW: 11,3 ct / kwh für 30 Jahre Quelle: Agora 2013, mit Daten vom Energiewirtschaftlichen Institut zu Köln EWI Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 61

62 Entwicklung Energiemix Studie Geschäftsmodell Energiewende Jährlicher Primärenergieverbrauch [TWh/a] Gesamt Kernenergie Braunkohle Steinkohle Erdgas Mineralöl EE-Strom Biomasse Geothermie Solarthermie Biokraftstoffe biogener Müll Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 62 Quelle: Gerhardt et al., 2013 (

63 Entwicklung der Ölpreise Fossile Energie als Hauptpreistreiber nicht Wind & Sonne! Quelle: Tecson, 2013 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 63

64 Deutschland importiert für 100 Milliarden Primärenergie jedes Jahr, v. a. Kohle, Öl und Gas. In 10 Jahren verbrennen wir 1000 Mrd. Investition in EE & Infrastruktur (Netze + Speicher) ist eine attraktive Kapitalanlage Quelle: Gerhardt et al., 2013 ( Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 64

65 Energiewende lohnt sich Rendite 4 7 % bis 2050 Studie Geschäftsmodell Energiewende Gutschrift durch Brennstoffeinsparungen PV Wind Onshore Wind Offshore Andere Erneuerbare Infrastrukturkosten E-Mobility Power2Gas und weitere Speicher Wärmepumpen Gebäudeisolation Kapitalkosten Deckungsbeitrag (inkl. Kapitalkosten) Kosten [Mrd. Euro] Szenariojahr Quelle: Gerhardt et al., 2013 ( Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 65

66 Wege mit der Gesellschaft Energiewende als Gemeinschaftswerk Verhalten / Vorbild Gesellschaftliche Voraussetzungen Beteiligung Akzeptanz Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 66

67 Chance regionale Energiewende Regionale Wertschöpfung durch regionale Versorgung Beispiel Nordhessen Geplanter Mix: 60% Wind 14% PV 5% Biomasse 8% Gas 13% Import Quelle: StadtwerkeUnion Nordhessen, 2011 Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 67

68 Chance regionale Energiewende Regionale Wertschöpfung durch regionale Versorgung Geld bleibt in der Region und sichert Umsatz & Arbeitsplätze Quelle: StadtwerkeUnion Nordhessen, 2011 Partizipation schafft Akzeptanz und Wohlstand Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 68

69 Inhalt 1) Energiewende Warum und wieso? 2) Stromwende Potentiale, Mythen, Speicher 3) Wärmewende Holz vor der Haustür 4) Kraftstoffwende An Ideen mangelt es nicht 5) Gesellschaft Chance und Herausforderung 6) Zusammenfassung Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 69

70 Zusammenfassung Dezentr. Energiewende (Effizienz + Erneuerbar) möglich Wind & Solar günstigste Quellen Bedarf an Ausgleich Regionale Erzeugung vor Netzausbau vor Speichern Das Land wird die Städte versorgen CO 2 Bepreisung als Treiber für Energiewende (Kauf: 100 / t CO 2 vs. Entsorgung in der Atmosphäre: 4 / t CO 2 ) Subventionen f. fossile Energie und Atomkraft beseitigen (EU: 100 Mrd. /a für fossil & nuklear vs. 30 Mrd. /a für Erneuerbare) Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 70

71 Weiterlesen Sterner, Stadler Energiespeicher 825 S., 400 Abb. Ab August 2014 im Springer-Verlag Quelle: Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 71

72 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) michael.sterner a oth-regensburg.de Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 72