Eine unsichtbare Energiewende wird es nicht geben Potenziale, Netze und Speicher, Kosten, Herausforderungen

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1 Eine unsichtbare Energiewende wird es nicht geben Potenziale, Netze und Speicher, Kosten, Herausforderungen Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al., FENES, OTH Regensburg Politischer Aschermittwoch der ÖDP Bayern Landshut 18. Februar 2015

2 OTH Regensburg seit 170 Jahren Lehrbetrieb Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg Über Studierende Ca Professoren, Mitarbeiter, Lehrbeauftragte 6 Technische Fakultäten, BWL, Sozialwesen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 2

3 Strom ist speicherbar & wird zur Primärenergie! Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3

4 Inhalt 1) Technische Potenziale erneuerbarer Energien in Bayern - Status Quo, Flächenverbrauch Wind und PV am Effizientesten 2) Netze und Speicher: Versorgungssicherheit, Stromtrassen, Preiszonen, Speicherbedarf, Speichertechnologien 3) Power-to-Gas als Schlüsseltechnologie Multiplayer Stromspeicher, Kraftstoff- und Wärmelieferant 4) Schlussfolgerung Energiewende ist sinnvoll und machbar Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4

5 Grundgesetz Artikel 20a: Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen. Quelle: Grundgesetz für die BRD vom 23. Mai 1949, zuletzt geändert Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5

6 Die Wirtschaft ist & bleibt eine 100% Tochterfirma der Umwelt Quelle: Getty Images, Autobahnkreuz Deggendorf 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6

7 Quelle: Gerhard Mester Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7

8 Energiebedingte Emissionen zw und 2010 Energiewende Nicht ob, sondern wann Quelle: National Oceanic and Atmospheric Administration Washington D. C., 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8

9 Natürlicher vs. menschengemachter Klimawandel CO 2 -Konzentration und Temperatur im Laufe der Jahrtausende Jahrtausende vor Heute Quelle: nach Petit et al Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9

10 Klimawandel kann neue Völkerwanderungen verursachen Kostet Geld Kostet Lebensraum Quelle: WBGU, 2007 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10

11 Quelle: Gerhard Mester Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11

12 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, OTHR, S. 12

13 Energiewende = Stromwende + Wärmewende + Mobilitätswende Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13

14 1. Schritt: Energieeffizienz Maßnahmen für Strom, Wärme, Verkehr Stand-By Verluste reduzieren Neue Effizienzstandards Neue Leuchttechnologien Sanierungstiefe & Sanierungsrate steigern Gebäudestandards weiterentwickeln Rechtliche Richtlinien zur Effizienz fortschreiben Effizientere Antriebe Alternative Kraftstoffe Güter verlagern auf Schiene und Schiff Intermodalität stärken Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14

15 Meine Energie-Ernährungspyramide oder das bayerische Energie-Reinheitsgebot : Wind, Sonne, Wasser, Biomasse, Luft sonst nicht s! Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15

16 Stromwende in Bayern Ist das technisch möglich? Potenziale & Versorgungssicherheit Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16

17 Strommix in Bayern Status Quo Bruttostromerzeugung 2012 (93,7 TWh) Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17

18 Nach dem Atomausstieg gibt es Lücken zu füllen! Bayerns Bedarf für 6 7 Mio. Menschen Quelle: Amprion, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18

19 Strommix in Bayern Status Quo Bruttostromerzeugung 2012 (93,7 TWh) Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19

20 Technisches Potenzial Photovoltaik Beste Strahlungswerte in Deutschland Ausgereifte Technologie, PV-Module keine el.-magn. Strahlung, energetische Amortisation < 2-3 Jahre Mythen: Energie kommt nicht zurück, PV strahlt und brennt Verteilung der installierten Photovoltaik Leistung in Deutschland (2010) Quelle: Fraunhofer IWES für BSW, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20

21 Technisches Potenzial Photovoltaik Quelle: Fraunhofer IWES für BSW, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21

22 Solarpotenziale auf öffentlichen Liegenschaften Einfache Integration in das Stromsystem in Kommunen Archiv Grund & Mittelschule Bauhof & Feuerwehrhaus Bildquelle: Bayernatlas Quelle: Energienutzungsplan Laaber, OTH Regensburg 2013 Download: / /professoren/ei/sterner/pdf/ Energienutzungsplan_Laaber_OTH_Regensburg_2013_Bericht.pdf Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22

23 Technisches Potenzial Windkraft Auf entsprechender Höhe Erträge wie im Norden & Westen Ausgereifte Technologie, geringe Lärmemissionen, energetische Amortisation < 1 Jahr Stand 2013: 1,12 GW Potenzial bei 1000 m Abstand (ca. 5 H) Auf 2% der Fläche (Vorgabe BWE) Potenzial für 41 GW, 80 TWh ca Anlagen heute ausgeschöpft: ca. 3 % Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23

24 Technisches Potenzial bei 5 H (!) Windkraft Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24

25 Mythos Landschaftsverschandelung Einfluss Kohle, Öl, Gas, Atom auf Landschaftsbild & Umwelt Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25

26 Technisches Potenzial Biomasse Rein Potenzial Energiepflanzen, Wald nicht enthalten Quelle Potenzial: StMWi Energiekonzept, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26

27 Flächenverbrauch für den Ersatz aller 4 bay. AKW Bruttostromerzeugung: 42,9 TWh (2013) Fläche Bayern: 7,1 Mio. ha: Betrachtet werden drei und/oder Optionen: 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 Potenziale, 2014 & DBFZ, 2008, Fraunhofer IWES, Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27

28 Energiespeicher Wald Zuwachs gleich dem bay. Heizölverbrauch Fläche: Zuwachs: Energie: 2,56 Mio. Hektar ca. 26 Mio. m 3 / a = ca. 1 m³ 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) der Wald ist Bayerns größter Speicher Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28

29 Mythos: Kein Potenzial an Bioenergie mehr vorhanden Viel ungenutzt Großes Potenzial 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, OTHR, S. 29

30 Erneuerbarer Anteil an der bay. Stromversorgung Grundlage: Energiekonzept, 85,4 TWh Bruttostromverbrauch (2009) Technisches Potenzial in Bayern vielfach ausreichend, um die Stromwende in Bayern zu vollziehen Quelle: vorhergehende Folien Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30

31 Überschüsse & Defizite Flexibilitätsbedarf Speicherbedarf Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 31

32 Warum der Strom vom Norden in den Süden soll Wind und Solar sind die günstigsten Stromquellen Windgeschwindigkeit Windenergieeinspeisung Leitungsauslastung % Quelle: IAEW, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32

33 Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine Wir brauchen Flexibilitäten 1. Hoch flexible Kraftwerke, BHKW 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher) Wind Solar Power-to-Gas Gasspeicher Quelle: Sterner, IWES, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33

34 Fehlende Stromtrassen Netzengpässe Handel beschränkt Was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Netzausbau mit Atomausstieg getaktet: Südlink ersetzt AKW Grafenrheinfeld Süd-Ost-Passage ersetzt AKW Gundremm. Ballungszentrum Ungeplante Stromflüsse 2011 & 12: Ringfluss von Ostdeutschland Polen CZ Bayern Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2014, Stand 11/14, eigene Ergänzungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34

35 Keine Trassen Neue Marktordnung Effekt von zwei Strompreiszonen in Dtl. Preisanstieg Quelle: Frontier economics, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35

36 Stromnetze sorgen für den überregionalen Ausgleich Netze notwendig für preiswerte und sichere Stromversorgung Offen: Umsetzung, das Wie? Quelle: Amprion, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36

37 Möglichkeiten für einen bürgerfreundlichen Netzausbau Gesellschaftlich 1. Bürgerbeteiligung: Beteiligung, Mitbestimmung, Information, sachliche Diskussion Technisch 1. Verkabelung 2. Deutlich kleinere Masthöhen 3. Umbau bestehender Trassen 4. Kombination mit bestehender Infrastruktur Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37

38 1. Option: Verkabelung Technik 380 kv Erdverkabelung Quelle: Amprion, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38

39 1. Option: Verkabelung 380 kv Kabel - Platzbedarf: 40 m, neue Trasse : 20 m Quelle: Amprion, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39

40 2. Option: Deutlich kleinere Masthöhen Quelle: Amprion, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40

41 2. Option: Deutlich kleinere Masthöhen Vgl. mit Fichte / Rotbuche können über 40 m wachsen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41

42 3. Option: Umbau einer bestehenden Trasse Alte 110 kv weg, neue HGÜ aufgestellt gleiche Höhe! Möglichkeit, Trasse weiter weg von Ortschaften zu stellen! Quelle: Amprion, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42

43 4. Option: Entlang bestehender Infrastruktur wie Autobahnen Kombination von Autobahn und Freileitungsaus-/ neubau und/oder Kabelsysteme 2011 vorgelegt vom Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43

44 Gaskraft als Lösung? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44

45 Gaskraft erfüllt nicht die energiewirtschaftlichen Ziele versorgungssicher umweltfreundlich bezahlbar Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 45

46 Die Gaskraft erfüllt nicht die energiewirtschaftlichen Ziele umweltfreundlich X X bezahlbar X versorgungs sicher Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 46

47 Wenn Gaskraft, dann dezentral & mit Wärmenutzung Blockheizkraftwerke, Gaskraftwerke als Backup grün über Biogas, Windgas, Solargas Bildquelle: MWM, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 47

48 Das Speicherproblem ist technisch gelöst Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 48

49 Batteriekraftwerk zur Netzstabilisierung sinnvoll Größter EU Speicher der Stadtwerke WEMAG & Younicos AG Source: Younicos AG Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 49

50 Batteriekraftwerk & Wind & PV können Kraftwerke ersetzen Diese Anwendung wirtschaftlich Heimspeicher nicht Quelle: Younicos AG Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 50

51 Pumpspeicher als effizienter Kurzzeitspeicher für Strom Problem: Standorte & Akzeptanz Quelle: Schluchseewerk, 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 51

52 Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom Wärme) Quelle: N-Ergie 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 52

53 Alle Speicher haben Ihren Platz Speicherkapazitäten vs. Ausspeicherdauern Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 53

54 Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls Speicherkapazität: ca. 230 TWh = 230 Mrd. kwh = ca. 50 Mrd. Hausbatteriespeicher (vereinfacht) 60 GW Gaskraft / BHKW 3 4 Monate Versorgung sichern (gesicherte Leistung, zusammen mit Netzausbau Ablösung AKW & Kohlekraft) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 54

55 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, OTHR, S. 55

56 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, OTHR, S. 56

57 VWL sinnvoll, aber BWL nicht darstellbar Erste Anlagen von E.ON & Audi Technik auch aus Bay. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 57

58 Eindrücke Audi Anlage im Emsland / Niedersachen Quelle: EWE Netz, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 58

59 Power-to-Gas-Anlage Audi (Werlte, Emsland) Elektrolyseure (3 x 2 MW) Methanisierung (Hersteller: McPhy (MAN Deggendorf) Quelle: Audi, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 59

60 Optionenvergleich zur Integration von Wind + Solar Technisch Wirtschaftlich Gesellschaftlich Netze Kraftwerke Speicher Umsetzung? regional leichter als national / europäisch Quelle: Sterner, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 60

61 Energiewende lohnt sich und kostet uns weniger als der konventionelle Pfad Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 61

62 Quelle: Gerhard Mester, 2012 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 62

63 Ausgaben für Energieforschung (von nichts kommt nichts): Fast die Hälfte geht nach wie vor in Atom Quelle: BEE, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 63

64 Mythos: Ökostrom ist teuer Industriestrompreis heute so günstig wie vor 10 Jahren Quelle: Stadtwerke Rosenheim 2014, Basis: EEX Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 64

65 Mythos: Ökostrom ist teuer Wind und Solar am Günstigsten Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO 2 ) Wind PV Biogas (EEG) Geothermie (EEG) Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft Gestehungskosten für neue Kraftwerke in cent / kwh 2013 Einspeisevergütung England neues AKW: 11,5 ct / kwh für 35 Jahre, inflationsbereinigt Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 65

66 Gibt es einen Markt für Wetter? Tenor in Berlin: Ern. Energien müssen in den Markt integriert werden Wind- und Solarstrom funktionieren nicht nach Angebot und Nachfrage Umgekehrt: Der Markt muss in EE integriert werden Wettervorhersage, Energievorhersage, Staumeldung Zudem: Externe Kosten (Entsorgung Atom, CO 2 ) konventioneller Energien im Markt kaum abgebildet Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 66

67 Entwicklung Energiemix Studie Geschäftsmodell Energiewende Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 67

68 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 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 68

69 Energiewende lohnt sich Rendite 4 7 % bis 2050 Studie Geschäftsmodell Energiewende Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 69

70 Persönliche Einschätzungen Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 70

71 Derzeitige Landespolitik & versch. BI Forderungen äußerst gefährlich 1. (Fast) Kein Wind 2. Keine Trassen 3. Keine Speicher 4. Nur unrentable Gaskraftwerke Konsequenz: (Fast) Keine Wertschöpfung in Bayern Nachteile für Wirtschaftsstandort Bayern (hohe Strompreise) Zurück zur Laufzeitverlängerung der Atomkraft Zukunft der kommenden Generationen wird verspielt Energiedialog war gut & wichtig Fortsetzen & Maßnahmen umsetzen: Konkretes, klares Konzept, bürgernah, ökologisch-ökonomisch sinnvoll Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 71

72 Energiewende Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 72

73 geht nicht ohne Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 73

74 Bewusst- seins- wende Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 74

75 Fazit Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 75

76 Zusammenfassung Dezentrale Energiewende möglich und wirtschaftlich! Wind & Solar günstigste Quellen Bedarf an Ausgleich Energieeffizienz & regionale Erzeugung vor Netzausbau vor Speichern Politische Rahmenbedingungen entsprechend setzen Bürgerenergie ermöglichen, nicht verhindern (Solarsteuer) 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, OTHR, S. 76

77 Was kann ich persönlich für die Energiewende tun? Energiewende Strom Effiziente Geräte installieren Ökostrom einkaufen, nicht Atom- oder Kohlestrom Ökostrom produzieren Energiewende Wärme Haus dämmen, Mit Vermieter sprechen Ökoheizung installieren Energiewende Verkehr Weniger unterwegs sein, Fahrgemeinschaft, ÖPNV, etc. Nachhaltig fortbewegen Einsetzen in Politik, Verbänden, Gemeinden für eine nachhaltige Lebens- und Wirtschaftsweise Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 77

78 Energiewende ist Gemeinschaftswerk Gesellschaftliche Voraussetzungen Beteiligung Verhalten / Vorbild Akzeptanz Für die Kommune Umsetzung auf kommunaler Ebene entscheidend! Für ganz Bayern: - Wohlstandssicherung - Wirtschaftlicher Erfolg - Gut für die kommenden Generationen Quelle: Sterner, Pehnt, et al; Fahrplan Energiewende, 2012 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 78

79 Energiewende Größte Herausforderung heute: Politik und Gesellschaft unser aller Engagement ist gefragt! Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 79

80 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 (0) michael.sterner a oth-regensburg.de Vielen Dank Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 80