Regenerative Energien

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1 Umweltringvorlesung Strahlender Strom Regenerative Energien - Notwendigkeit, Vor- und Nachteile - Referent: Dipl. Phys., Slide 1

2 Zur Person seit 2003 in Dresden : Diplom-Physik Studium Seit 2009: Doktorand am Institut für Angewandte Photophysik (TU Dresden), Themengebiet: Organische Solarzellenforschung (Prof. Leo) Seit 2010: Aufbau der Webseite Regenerative-Zukunft Ziel: Vorstellung der einzelnen fossile und erneuerbaren Energien und der Kernenergie Motivation: Unvollständige Diskussion der jeweiligen Energiearten Slide 2

3 Gliederung 1. Klimawandel & endliche Rohstoffe 2. Ein Gefühl für Energie 3. Aktuelle Lage 4. Erneuerbare Energiearten Wasserkraft Biomasse Windenergie Photovoltaik Solarthermie Geothermie 5. Ausblick Slide 3

4 1. Klimawandel und endliche Energierohstoffe Slide 4

5 1. Klimawandel Ursache? Klimamodellierung Natürliche Antriebskräfte reichen nicht aus um Erderwärmung zu erklären Anthropogener Klimawandel Quelle: IPCC Sachstandsbericht, 2007 Slide 5

6 1. Klimawandel Quelle: IPCC Sachstandsbericht, % des anthropogenen Treibhauseffektes durch CO2-Emissionen aus Verbrennung fossiler Rohstoffe Slide 6

7 1. Klimawandel je nach Entwicklungsszenario 2 bis 6 C Erwärmung bis 2100 Biodiversität, Küsten, Extremwetterereignisse, Wasserknappheit, Konflikte, Rückkopplungen Treibhausgasausstoß Treibhausgasausstoßstark starkverringern verringern!!!!!! A1: Wirtschaftsorientierte Globalisierung A2: Wirtschaftsorient. Regionalisierung B1: Globale Nachhaltigkeit B2: Regionale Nachhaltigkeit Quelle: IPCC Sachstandsbericht 2007 Slide 7

8 1. Klimawandel Jährliche CO2-Pro-Kopf-Emissionen im Jahr 2005 USA: 19,5 t D: 10,0 t Indien 1,2 t globales Mittel: 4,5 t Quellen: Abb: WBGU Sondergutachten "Der Budgetansatz", 2009 Werte: Slide 8

9 1. Klimawandel Globale energiebezogene CO2 Emission Slide 9

10 1. Endliche Rohstoffe Reserven Ressourcen geologisch bestätigte, mit heutiger Technik rentabel förderbare Vorkommen alle anderen Vorkommen können Reserven werden (Technik oder Preisanstieg) Statische Reichweite Dynamische Reichweite konstanter Verbrauch (= Reserven / Verbrauch) Berücksichtigung der Bedarfsentwicklung Reserven: statisch Steinkohle dynamisch 130 Jahre 60 Jahre (Wachstumsrate: 2,5 %/a) Erdöl 40 Jahre 30 Jahre (Wachstumsrate: 1,9 %/a) Erdgas 60 Jahre 35 Jahre (Wachstumsrate: 2,6 %/a) Uran 50 Jahre 50 Jahre (Wachstumsrate: 0 %/a) Quelle: IEA, World Energy Outlook 2006, 2007 Slide 10

11 1. Endliche Rohstoffe Rohstofffunde sind essentiell, nicht nur Reserven Kasp.Meer & Tiefsee Reichweiten sind zweitrangig, Fördermaximum ist kritisch Globale Erdölförderung Quelle: ASPO e.v., Dr.Zittel, Saena Symposium 2011 Slide 11

12 1. Endliche Rohstoffe Entwicklung des Rohölpreises (Sorte Brent) Steigender Rohölpreis v.a. durch steigende Nachfrage aus China und Indien Zeitalter des billigen Öls scheint vorbei! Quelle: Slide 12

13 1. Endliche Rohstoffe Weiteres Konfliktpotenzial: Ungleichmäßige Verteilung der Energierohstoffvorkommen Regionale Verteilung der Energierohstoffreserven Uran Slide 13

14 1. Endliche Rohstoffe Slide 14

15 1. Endliche Rohstoffe Deutschland stark abhängig von Energieimporten! 100% 0% 0% Quelle: AGEB 2009, BGR-Datenbank Slide 15

16 2. Ein Gefühl für Energie Slide 16

17 2. Ein Gefühl für Energie Energiebegriffe: Energieeinheiten & größenordnungen: 1 kwh = kg OE = 0,122 kg SKE 1 kwh reicht aus um - 50h am Laptop arbeiten (20 Watt) - 5h am PC arbeiten (200 Watt) - 75h Licht (Energiesparlampe 15Watt) - Eimer voll Wasser (10,75l) von 20 C auf 100 C erhitzen Heizwerte: Brennholz: 4 kwh/kg Erdgas: 10,5 kwh/m³= 5,8 kwh/kg Braunkohle: 5,5 kwh/kg Rohöl: 10,3 kwh/l = 12,4 kwh/kg Steinkohle: 8 kwh/kg Super-Benzin: 8,6 kwh/l = 11,5 kwh/kg Slide 17

18 2. Ein Gefühl für Energie (Deutschland zu 1/3 bewaldet) Quelle: Slide 18

19 3. Aktuelle Lage Slide 19

20 3. Aktuelle Lage Ressourcenverbrauch zunehmend durch anwachsende Weltbevölkerung Zuwachs von circa 80 Mio. Menschen pro Jahr, Wachstumsrate sinkend Slide 20

21 3. Aktuelle Lage Primärenergieverbrauch nimmt vor allem in Indien und China zu Grund: hohes Wirtschaftswachstum nur möglich durch steigenden Energieverbrauch Slide 21

22 3. Aktuelle Lage Anstieg im Kohlebedarf vor allem durch China leichter Anstieg in Erdgas und Erdöl Slide 22

23 3. Aktuelle Lage Globaler Primärenergieverbrauch 2010: Quelle: ASPO e.v., Dr.Zittel, Saena Symposium 2011 Slide 23

24 3. Aktuelle Lage Primärenergieverbrauch Deutschlands 2011 (2010): Strom, Wärme, Verkehr Verkehr & Wärme Strom Wärme & Strom Quelle: AGEB (AG Energiebilanzen 2011) Slide 24

25 3. Aktuelle Lage Slide 25

26 3. Aktuelle Lage Slide 26

27 4. Erneuerbare Energiearten Slide 27

28 Wasserkraft Slide 28

29 Wasserkraft Größte installierte Kapazität in China, Brasilien, Kanada, USA, Russland und Norwegen D: 3,2% am deutschen Stromverbrauch, konstant Zuwachs vor allem in Asien Pumpspeicherkraftwerk zur Energiebedarfsregelung ausgereifte Technologie geringe Stromgestehungskosten - wirtschaftlich Slide 29

30 Wasserkraft enormes Ausbaupotenzial in Afrika, Asien und Südamerika kein weiterer Ausbau in Deutschland, in Europa eher nur Norwegen Quelle: WBGU: Globale Potenziale der Wasserkraft, 2003 Slide 30

31 Wasserkraft Meeresströmungskraftwerk Meereskraftwerke: Pneumatische Kammer Seeschlange Quellen: Creative & Wikimedia Commons Slide 31

32 Bioenergie Slide 32

33 Bioenergie Global: traditionelle Biomassenutzung (Verbrennung von Holz und Reststoffen) Quelle: REN21, 2011, Renewables 2011 Global Status Report Slide 33

34 Bioenergiearten Moderne Biomassenutzung extrem vielseitig Slide 34

35 Bioenergie Energiepflanzen: 2 % der weltweiten Ackerfläche für Energiepflanzen (30Mio.ha) [FAO] In Deutschland: - 10,7 Mio ha Wald - 1,8 Mio ha Verkehrsflächen - 2,7 Mio ha Gebäude - 16,9 Mio ha landwirtschaftliche Nutzfläche 10% der Landwirtschaftsflächen Quelle: Potenzialatlas Erneuerbare Energien in Deutschland Slide 35

36 Bioenergie Reststoffverwertung: Slide 36

37 Bioenergie Nutzung zur Stromerzeugung in Bioenergieanlagen: Slide 37

38 Bioenergie Nutzung zur Wärmebereitstellung: Slide 38

39 Bioenergie Nutzung zur Biokraftstoffbereitstellung: Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 39

40 Bioenergie Globale Nutzung von Biokraftstoffen: l Bioethanol aus einem Zuckerrübenfeld 50 Milliarden Liter Bioethanol weltweit (2007): m² = 275km x 275km = 1/5 Deutschlands Quelle: BMU, Erneuerbare Energien - Innovationen für die Zukunft, 2004 Slide 40

41 Bioenergie Energieeffizienz (%) Energieeffizienz der einzelnen Biomassenutzungsketten: Quelle: Dissertation von Dr. Andreas König am IER, 2009 Slide 41

42 Bioenergie CO2-Äquivalent (g/kwh) Treibhausgasemission der einzelnen Biomassenutzungsketten: Quelle: Dissertation von Dr. Andreas König am IER, 2009 Slide 42

43 Windenergie Slide 43

44 Windenergie Leistung der Windenergieanlage ~ (Windgeschwindigkeit)³ und ~ (Rotordurchmesser)² große Nabenhöhe und Rotorblätter typisch: Offshore 5 MW, Onshore 2 MW Quelle: Bundesverband Windenergie Slide 44

45 Windenergie > 10 m/s 4 m/s Volllaststundenzahl von WEA in Deutschland: (1 Jahr = 8760h) - Durchschnitt: küstennahe Standorte Offshore bis 3700 erhofft Quelle: Fraunhofer ISE, Studie Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 45

46 Windenergie Im Jahr 2010 neu installierte Windleistung: China fast 50% (USA 14%, Indien 6%, Spanien und Deutschland 4%) [BMU] Slide 46

47 Windenergie Windenergieanlagen mit insgesamt 29 GWpeak in Deutschland im Jahre 2011 Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 47

48 Photovoltaik Slide 48

49 Photovoltaik Globale Verteilung der Globalstrahlung (Jahressumme) 1000kWh/m² 2000kWh/m² Photovoltaik in vielen Regionen der Erde rentabler als in Deutschland Slide 49

50 Photovoltaik Jährliche Globalstrahlung in Deutschland auf die horizontale Erdoberfläche 950 kwh/m²a auf die optimal ausgerichtete Fläche 1100 kwh/m²a >1200 kwh/m²a >1350 kwh/m²a Quelle: Slide 50

51 Photovoltaik Solarzellenarten: Marktanteile 2008 Slide 51

52 Photovoltaik 2011: 25 GWpeak installierte PV-Leistung in Deutschland (Wind: 29 GWpeak) Slide 52

53 Photovoltaik Quelle: BSW Solar Photovoltaik in Deutschland eine der teuersten erneuerbaren Energien ABER: enorme Kostensenkung in den letzten 10 Jahren und weiteres Potenzial Absenkung der EEG-Vergütung: 2005: 55 Cent/kWh, aktuell: 19 Cent/kWh Slide 53

54 Solarthermie Slide 54

55 Konzentrierte Solarthermie Sonnenlicht wird über Spiegel gebündelt Medium erwärmt nur direktes Sonnenlicht nutzbar perfekt für aride Regionen, in Deutschland unrentabel Paraboloid Parabolrinne Solarturm Slide 55

56 Konzentrierte Solarthermie Funktionsweise eines solarthermischen Kraftwerks: DESERTEC meeting Eck, DLR Slide 56

57 Konzentrierte Solarthermie Desertec Projekt bisher: nur vereinzelte CSP-Anlagen vor allem in Spanien und USA Slide 57

58 Kleinsolarthermieanlagen Flachplattenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren zum direkten Heizen (Wärmespeicher) auch in Deutschland rentabel Quelle: Wikimedia &Creative Commons Slide 58

59 Kleinsolarthermieanlagen Wärmebereitstellung (GWh) Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 59

60 Geothermie Slide 60

61 Geothermie Unterscheidung in oberflächennahe Geothermie tiefe Geothermie (Wärmepumpen) (30 C pro 1000 m Tiefe) Hydrothermal Petrothermal Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien: Potenzialatlas Deutschland, 2010 Slide 61

62 Geothermie Oberflächennahe Geothermie (Wärmepumpen und Erdwärmesonden) Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien: Potenzialatlas Deutschland, 2010 Slide 62

63 Geothermie Potenzial in Deutschland Stromerzeugung möglich bei Temperaturen > 100 C über Organic Rank Cycle tiefe Geothermie und nur bei Anomalien des Bodentemperaturgradienten generell kritisch: Dem Reservoir nicht zu viel Wärme entziehen Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien: Potenzialatlas Deutschland, 2010 Slide 63

64 Geothermie Installierte Leistung zur geothermischen Stromproduktion & Wärmenutzung Quelle: BGR, Energierohstoffe, 2009 Slide 64

65 5. Ausblick Slide 65

66 Regenerative Energieformen Slide 66 Quelle: BMU Erneuerbare Enerigen: Innovationen für nachhaltige Zukunft 2009

67 Entwicklung erneuerbarer Energien Anteil der erneuerbaren Energien steigt in allen Endendergiebereichen (sowohl in D als auch global) Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 67

68 Entwicklung erneuerbarer Energien und auch global Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 68

69 Treibhausgasemissionen Treibhausgasemissionen von erneuerbaren im Vergleich zu fossilen Energien gering (jedoch momentan noch nicht emissionslos (Strommix)) Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 69

70 Treibhausgasemissionen als Vergleich: Mio. Tonnen CO2-Äquivalentemissionen in D (2004) Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 70

71 Stromgestehungskosten Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 kwh/m²a 20 Jahre kwh/m²a 25 Jahre Volllaststunden 20 Jahre Strom aus Windenergie an guten Standorten konkurrenzfähig ohne Speicher, ohne externe Kosten Slide 71

72 Kostendegression Die Kosten für Strom aus Erneuerbaren Energien sinken, die aus fossilen steigen! Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 72

73 Kosten Aber bis dahin ist eine Förderung der Erneuerbaren Energien weiterhin notwendig vorerst steigende Stromkosten für den Endkunden Daten entnommen aus de.wikipedia.org/wiki/strompreis Slide 73

74 Herausforderungen Problem: Fluktuation der Stromerzeugung durch Wind- und Sonnenenergie Jahresgang Sonneneinstrahlung in D Jahresgang Windstromeinspeisung in D 1. Lösungsansatz: räumliche Mittelung der Schwankungen überregionaler Stromnetzausbau (EU) 2. Lösungsansatz: Regelkraftwerke ausbauen v.a. Erdgas und Biomasse 3. Lösungsansatz: Energiespeicher (v.a. Stromspeicher) ausbauen und entwickeln 4. Lösungsansatz: Intelligentes Lastmanagement (Smart Grid)

75 Zusammenfassung Wesentlich: sinnvolle Kombination aller erneuerbaren Energien Stromnetzausbau zwingend erforderlich Netzstabilität durch Ausbau von Energiespeichern garantieren Fossile Rohstoffe Regenerative Energien sehr hoch niedrig Ressourcen endlich unendlich Fluktuation nein ja niedrig hoch hoch niedrig THG Emission Erzeugungskosten External costs (außer Kernenergie) Vortrag als pdf herunterladbar auf Slide 75