Energiewende in Bayern Potenziale, Kosten, Netze und Speicher Chancen und Nutzen in der regionalen Umsetzung

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1 Energiewende in Bayern Potenziale, Kosten, Netze und Speicher Chancen und Nutzen in der regionalen Umsetzung Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg 10 Jahre Zukunft stiften! Energiewende Oberland EWO-Jubiläum Bad Tölz 04. November 2015

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

3 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 3 Inhalt 1) Notwendigkeit der Energiewende 2) Potenziale erneuerbarer Energien in Bayern 3) Netze und Speicher 4) Kosten der Energiewende 5) Schlussfolgerungen

4 Quelle: Getty Images, Autobahnkreuz Deggendorf 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 4 Die Wirtschaft ist & bleibt eine 100% Tochterfirma der Umwelt G-7: Dekarbonisierung der größten Industrienationen bis 2050

5 Flüchtlingskrise hat ihre Wurzeln auch in der Energieversorgung US Irak-Kriege um Öl, Katar Gas + Öl Geld für IS-Waffen Destabilisierung Klimawandel schwindender Lebensraum neue Völkerwanderungen Verhindern: CO 2 -Emissionen drastisch senken + heimischer Ressourcen nutzen Quelle: Klimawandel und Sicherheit Hauptgutachten - WBGU, 2007 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 5

6 Quelle: Grundgesetz für die BRD vom 23. Mai 1949, zuletzt geändert Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 6 Gesellschaftliche Strömungen Grundgesetz - Artikel 20a Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen. Papst Franziskus - Enzyklika Lauda tu si ein Verbrechen gegen die Natur zu begehen (Klimawandel), ist eine Sünde gegen uns selbst und gegen Gott Dalai Lama Ethik ist wichtiger als Religion Klimawandel ist nur global zu lösen. Egoismus, Nationalismus und Gewalt sind der falsche Weg. Wichtigste Frage: wie können wir einander dienen? The Guardian Divestment-Bewegung Fossile Energie De-investieren

7 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 7 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

8 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 8 Energiewende = Stromwende + Wärmewende + Mobilitätswende

9 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 9 Inhalt 1) Notwendigkeit der Energiewende 2) Potenziale erneuerbarer Energien in Bayern 3) Netze und Speicher 4) Kosten der Energiewende 5) Schlussfolgerungen

10 Bayerns große Aufgabe: Atomlücke schließen Bruttostromerzeugung 2013, Quelle: Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung, Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 10

11 3 Optionen zum Füllen der Lücke 1. Strom aus heimischen Quellen selbst erzeugen (+ speichern) 2. Strom über Stromtrassen importieren 3. Gespeicherte Energie importieren und verstromen Bewertung: technisch, wirtschaftlich, ökologisch, gesellschaftlich Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 11

12 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 Quelle: Fraunhofer IWES für BSW, Verteilung der installierten Photovoltaik Leistung in Deutschland (2010) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 12

13 Solarpotenziale auf öffentlichen Liegenschaften Einfache Integration in das Stromsystem in Kommunen Archiv Grund & Mittelschule Bauhof & Feuerwehrhaus Download: ht.pdf Quelle: Energienutzungsplan Laaber, OTH Regensburg 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 13

14 Technisches Potential Windkraft Auf entsprechender Höhe Erträge wie im Norden & Westen Ausgereifte Technologie, geringe Lärmemissionen, energetische Amortisation < 1 Jahr Potential: 41 GW, 80 TWh bei 1000 m Abstand (ca. 5 H) Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 14

15 Mythos Landschaftsverschandelung Einfluss Kohle, Öl, Gas, Atom auf Landschaftsbild & Umwelt Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 15

16 Flächenverbrauch für den Ersatz aller 4 bay. AKW 42,9 TWh (2013) Fläche Bayern: 7,1 Mio. ha: Betrachtet werden drei und/oder Optionen: Biogas: ca. 30 % der Landesfläche Ertrag: 20 MWh / ha (Biomethan-Mais) Bedarf: 2,15 Mio. ha Wind Photovoltaik: ca. 1,8 % der Landesfläche Ertrag: 3 ha / MW 1000 VLS und 333 MWh / ha (PV-Freifläche 15 % Wirkungsgrad) Bedarf: 0,13 Mio. ha Biogas(mais) PV Windenergie: ca. 1,1 % der Landesfläche Ertrag: 3,44 ha / MW 1950 VLS MWh / ha (Windparks) Bedarf: 0,076 Mio. ha Flächenbedarf exemplarisch, Nicht maßstabsgetreu Quelle: Sterner, eigene Berechnungen auf Basis der Potenziale, 2014 & DBFZ, 2008, Fraunhofer IWES, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 16

17 Wir hätten genügend heimische Ressourcen in Bayern Erneuerbarer Anteil an der Stromversorgung Technisches Potenzial in Bayern vielfach ausreichend, für eine 100 % Stromwende Größte Herausforderung: Versorgung der Ballungszentren Land versorgt die Städte Quelle: vorhergehende Folien Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 17

18 Bay. Energiekonzept 2015 = weitgehend wie 2011: wenig Defakto ambitioniert Wachstum erneuerbarer Energien auf +0,12 % p.a. reduzieren Mehr Einsatz auf Bundes- und Landesebene notwendig Trend der letzten Jahre ca. + 1 % p. a. Ziel StMWi für ,12 % p. a. Gesamte Energiewende: Strom, Wärme, Verkehr Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 18

19 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 19 Inhalt 1) Notwendigkeit der Energiewende 2) Potenziale erneuerbarer Energien in Bayern 3) Netze und Speicher 4) Kosten der Energiewende 5) Schlussfolgerungen

20 Quelle: Agora 2013, mit Daten vom Energiewirtschaftlichen Institut zu Köln EWI , EEG Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 20 Mythos: Ökostrom ist teuer Wind und Solar am Günstigsten auch global Schalter 30 umgelegt Nicht enthalten: Speicherkosten Externe Kosten (Entsorgung, CO 2 ) 0 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

21 Wind + Solar günstigste Quellen, aber mit Ausgleichsbedarf Flexibilitätsoptionen: 1. Hoch flexible Kraftwerke, BHKW 2. Flexible Verbraucher 3. Stromnetze 4. Speicher Kurzzeit (Pumpspeicher + Batterien) Langzeit (Gasnetz + Gasspeicher) Wind Solar Power-to-Gas Gasspeicher Quelle: Sterner, IWES, 2010 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 21

22 Wer ist langfristig der flexibelste Partner für Wind + Solar? Neue Anfahrgenehmigung 0 auf 100 %: 2-3 Tage träge und langsam Wind + Solar AKW unter einem gewissen Bereich: Abschaltung Gas-KW 0 auf 100 %: 30 min sehr schnell Steinkohle-KW 25 auf 100 %: 60 min auf Abruf 0 auf 100: 1 Tag! Atom-KW und neue Braunkohle-KW 60 auf 100 %: 30 min entworfen für Grundlast Quelle: Darstellung nach (RWE, 2009) angepasst, Bilder: google.de. Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 22

23 Fehlende Stromtrassen Netzengpässe Handel beschränkt Netzausbau mit Atomausstieg verbunden Verzögerte Planungen gefährden Ausstieg Heimatenergie: Was vor Ort hergestellt wird muss nicht transportiert werden Ballungszentrum Ungeplante Stromflüsse 2011 & 12: Ringfluss Ost-D. Polen CZ Bayern Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2014, Stand 11/14, eigene Ergänzungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 23

24 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 24 Paradigma Netzausbau günstigste Flex.option noch gültig? Verkabelung 1. Technisch schwierig 2. Gesellsch. besser akzeptiert? 3. Mehrkosten: + 15 Mrd. Weiter stockender Netzausbau: Mehrkosten Redispatch: heute ca. 500 Mio. - in wenigen Jahren: 1 Mrd.? Speicher als Lösungsoption nicht aufschieben, sondern angehen!

25 Was sind Energiespeicher? Pumpspeicher Kohlehalden Gasspeicher Wärmespeicher... viel mehr als Batterien! Source: Sterner, Stadler, 2014, add. pictures Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 25

26 Quelle: Younicos AG, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 26 Batteriekraftwerk + Wind + PV können fossile Kraftwerke ersetzen Batteriekraftwerke zur Netzstabilisierung sinnvoll

27 Quelle: Sonnenbatterie & Tesla, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 27 Hausbatteriesysteme Im Verbund netzdienlich Sonnenbatterie eco 4.5 mit 4,5 kwh Tesla Power Wall mit 7 kwh

28 Hausbatteriesysteme Zubau steigt, Preise fallen Zubau Hausspeicher heute Zubau Hausspeicher in Zukunft Preise fallen heute + in Zukunft Zubau E-mobilität in Zukunft Quelle: Sterner et al, Batteriestudie für BEE / HMI Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 28

29 Gasspeicher sind ausreichend vorhanden Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls Transportkapazität: km Gasleitungen vorhanden! Speicherkapazität: ca. 337 TWh Gasspeicher = 337 Mrd. kwh Batterien (42 Mio. Kfz (Theorie) = ca. 70 Mrd. Pumpspeicher Hausbatteriespeicher (vereinfacht) = ca x alle deutschen Pumpspeicher 66 GW Gaskraftwerke 3 Monate Versorgung sichern H 2 : 2 % möglich, perspekt. 10 %, verbrauchsabh. begrenzt Methan: 100 % bereits heute unbegrenzt möglich Quelle: FENES, Energy Brainpool, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 29

30 Quelle: Sterner, 2009 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 30 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

31 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. 31

32 Quelle: DVGW, 2013, Bildquellen: Audi AG, E-ON AG, Viessmann Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 32 Power-to-Gas volkswirtschaftlich sinnvoll, aber betriebswirtschaftlich derzeit nicht darstellbar

33 Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 33 Herausforderung Mobilität: Kraftstoffe wie Gas aus Wind + Solar Ergänzung zu Elektromobilität und Biokraftstoffe Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft

34 Netzstrukturen der Zukunft? 1 Option: Zellularer Ansatz Vernetzte Energiezellen Weitgehende Autarkie Überregionaler Ausgleich min. Ausregelung von Erzeugung und Verbrauch auf niedrigster Ebene Quelle: VDE, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 34

35 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 35 Inhalt 1) Notwendigkeit der Energiewende 2) Potenziale erneuerbarer Energien in Bayern 3) Netze und Speicher 4) Kosten der Energiewende 5) Schlussfolgerungen

36 Quelle: Gerhard Mester, 2012 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 36

37 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 37 Das eine bedingt das andere... Zu hohe Kosten Zu kleiner Markt Abhilfe: Anschubfinanzierung

38 1970er: Energiekrise Strategische fossile Reserven 20xx: Energiewende Strategische erneuerbare Reserven Reserven = Speicher = Versorgungssicherheit kwh Source: IGU, 2014, own additions Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 38

39 Quelle: Gerhardt et al., 2013 ( Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 39 Deutschland importiert für 100 Milliarden Primärenergie jedes Jahr, v. a. Kohle, Öl und Gas. In 10 Jahren verbrennen wir 1000 Mrd. Investition in erneuerbare Energien & Infrastruktur (Netze + Speicher) ist eine attraktive Kapitalanlage

40 Quelle: Studie Geschäftsmodell Energiewende Norman Gerhardt et al., 2013 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 40 Energiewende lohnt sich Rendite 4 7 % bis 2050 Kosten aller Sektoren inkl. Speicher enthalten

41 Quelle: StadtwerkeUnion Nordhessen, 2011 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 41 Chance regionale Energiewende Regionale Wertschöpfung durch regionale Versorgung Geld bleibt in der Region und sichert Umsatz & Arbeitsplätze Partizipation schafft Akzeptanz und Wohlstand Regionale Partner entscheidend!

42 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 42 Herzlichen Glückwunsch zum 10-jährigen Jubiläum!

43 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 43 Inhalt 1) Notwendigkeit der Energiewende 2) Potenziale erneuerbarer Energien in Bayern 3) Netze und Speicher 4) Kosten der Energiewende 5) Schlussfolgerungen

44 Zusammenfassung Energiewende ist notwendig und gesellschaftlich gewollt Klimawandel und Ressourcenknappheit drängen dazu Regionale Umsetzung durch Beteiligung schafft Akzeptanz Energiewende ist technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll Wind + Solar sind die günstigsten Quellen Ausgleich durch intelligente Netze, flexible Gaskraft und Speicher Gesellschaftliche Akzeptanz sichern durch Beteiligung und vorbildl. Verhalten Chancen für regionale Umsetzung Regionale Wertschöpfung schafft Arbeit und Wohlstand Nutzung heimischer Ressourcen sichert Zukunft kommender Generationen Politische Rahmenbedingungen sind zu setzen Klimapolitik: CO 2 adäquat bepreisen Energiepolitik: Heimische Nutzung erneuerbarer Energien ermöglichen, nicht blockieren, regionale Energiemärkte zulassen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 44

45 Energie- wende Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 45

46 geht Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 46

47 nicht Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 47

48 ohne Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 48

49 Bewusstseins- wende Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 49

50 Für was das ganze? Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 50

51 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 51 Pack ma s a! Wir schaffen das, wenn wir wollen! Egal ob Flüchtlingskrise oder Energiewende Es erscheint immer unmöglich, bis man es gemacht hat.

52 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 52 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

53 Mythos: Ökostrom ist teuer Industriestrompreis heute so günstig wie vor 10 Jahren Minderung des Strompreises an der Leipziger Strombörse Einsparung Jährl. 11 Mrd. Problem: Energieintensive Industrie profitiert von EEG, zahlt aber kaum dafür Quersubvent. Haushalte, GHD, normale Ind. zur energ.intens. Industrie Quelle: Stadtwerke Rosenheim 2014, Basis: EEX Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 54

54 Quelle: N-Ergie 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 56 Wärmespeicher über Power-to-Heat und KWK als kostengünstige Flexibilität (Strom Wärme) Begrenzung: Saisonale Verfügbarkeit / Wärmesenken

55 Quelle: Ostermeier, MAN, 2015 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 57 Grünes Gas: Bindeglied zwischen erneuerbarer und fossiler Welt Gas Fossile Infrastruktur De-karbonisierung Strom Wärme Mobilität Industrie Erhalt unserer Investitionen Vermeidung von neuem und Verwendung von vorhandenem CO 2 Strom Energiewende Gas Power-to-Gas Strom Wärme Mobilität Industrie Nutzung von Überschussstrom

56 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 58 Strombank Funktion Girokonto = Eigenverbrauch Solarstrom > Eigenverbrauch Kontostand nimmt zu Solarstrom < Eigenverbrauch Kontostand nimmt ab Einzige Installation: Messbox Neues Geschäftsmodell für regionale Energieversorger

57 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S 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

58 Erneuerbarer Strom wird zur Primärenergie Quelle: Sterner, Stadler, 2014 Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 61

59 Quelle: Bundeswaldinventur 2+3, 2014, FNR, Carmen ev, TUM, eigene Berechnungen Prof. Dr. Sterner, OTHR, S. 62 Energie- und Rohstoffquelle Wald für die Wärmewende Zuwachs gleich dem bay. Heizölverbrauch Fläche: Vorrat: Zuwachs: Energie: 2,61 Mio. Hektar Fm (1/3 Deutschlands) 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 Holz als Energie Speicherleistung ca Mio. EUR (bei 90 EUR / 100 l Heizöl) ca MW (mehr als alle bay. AKWs) der Wald ist Bayerns größter Speicher

60 Mythos: Kein Potenzial an Bioenergie mehr vorhanden Privatwald viel ungenutzt Großes Potenzial in Wald-Wild-Gleichgewicht Nachwachsender Rohstoff Holz: - Natürlich Naturverjüngung fast kostenlos bis auf Waldpflege - Künstlich Anpflanzung Kosten: ca / ha ( Pflanzen, 400 m Zaun) Vorteile eines Gleichgewichts von Wild & Wald: Mehr Ertrag, mehr Energie (kürzere Umtriebszeiten) Mehr kostenloser Klimaschutz (CO 2 -Bindung) Robustere Wälder gegen Klimawandel Mehr kostenloser Hochwasserschutz Mehr Biodiversität, Mehr Humus- und Nährstoffaufbau Weniger Wildunfälle (LK Passau: 45 %), 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. 63