Transformation am Beispiel der Energieerzeugung

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1 Transformation am Beispiel der Energieerzeugung Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen

2 Globale Situation und zukünftige Trends W e l t b e v ö l k e r u n g [ M i l l i a r d e n ] 1 3 W e l t e n e r g i e b e d a r f [ 1 0 k W h ] Globales Wachstum Bevölkerung, Energiebedarf, CO-K 2 onzentration Weltenergiebedarf CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre Weltbevölkerung C O - K o n z e n t r a t i o n [ p p m ] 2

3 Globale Situation und zukünftige Trends

4 Eisschwund in der Arktis 10 Eisfläche (September Minimum) [Millionen km 2 ] Messdaten Bandbreite der Modelle 2 0 Quelle: Prof. Dr. Stefan Rahmstorf, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung Jahr

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6 Anstieg des globalen Meeresspiegels Abweichungen gegenüber 1990

7 Abb 2.2-2a

8 Abb 2.2-2b

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10 Globale CO 2 -Emissionen

11 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit DLR / UNDP / Harvard Hoogwijk / DLR DLR FAO / WBGU UNDP / DLR UNDP / DLR UNDP Quellen: s. Abb.

12 Die Entwicklung geht weiter. 160 m Nabenhöhe in Laasow/Brandenburg

13 Floating Offshore Wind Source:NREL Vertiwind, FR BlueH, IT EDP, Principal Power, PT Sway, NO Hywind, NO HiPRWind Coordinated by Fh IWES

14 Beitrag erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung Deutschland Quelle: BMU, März 2012

15 Studie zum Potenzial der Windenergienutzung an Land

16 Leitstudie Deutschland: Entwicklung des Endenergieverbrauchs nach Sektoren und des Verbrauchs im Umwandlungsbereich im Szenario 2011 A

17 Effizienzsprung Kraft-Wärme-Kopplung und direkter Strom aus erneuerbaren Energien 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

18 Primärenergiebedarf für die Erzeugung von 1 kwh elektrische Energie Primärenergie Elektrische Energie Kohlekraftwerk 2,4 kwh 1 kwh GuD-Kraftwerk 1,7 kwh 1 kwh Wasserkraftwerk Windkraftanlage Photovoltaik Solarthermisches Kraftwerk 1 kwh 1 kwh Kernkraftwerk 3 kwh 1 kwh Kraftwerksmix Deutschland 2,4 kwh 1 kwh

19 Primärenergiebedarf bei versch. Arten der Stromgewinnung Entwicklung des Primärenergiebedarfs für den Einsatz von Elektromotoren bei zunehmender Umstellung auf direkte Stromerzeugung

20 Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen im Stromsektor Primärenergiebedarf co 2 PE CO 2 -Emissionen Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung [%]

21 Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3-4 Verkehr 5) Umstieg auf Elektromobilität 2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile der Elektromobilität: - Abwärmenutzung möglich - CO 2 -Abtrennung möglich - kein Feinstaub in den Städten - weniger Lärm - Stromspeicher Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

22 Primärenergiebedarf bei Verbrennungsmotoren und bei Elektromotoren pro Fahrkilometer

23 Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen für PKW mit Verbrennungsmotor und Elektromotor Primärenergiebedarf [kwh/km] co 2 PE heutige PKW-Flotte (Durchschnitt) CO 2 -Emissionen [gco 2 /km] Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung Elektromotor [%]

24 THG-Emissionen rein aus direkter / indirekter Landnutzungsänderung Quelle: Fritsche und Wiegmann, 2008

25 Absolute Minderung der THG Emissionen für temperate Energiepflanzen bezogen auf die Anbaufläche in t CO 2 -äq. je Hektar und Jahr Quelle: WBGU, 2008

26 Holzartige Biomasse als Erdölersatz

27 Primärenergiebedarf pro bereitgestellter kwh Nutzwärme bei Heizsystemen auf Verbrennungsbasis und bei Wärmepumpen mit verschiedenen Arten der Stromgewinnung

28 Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen für konv. Heizsysteme und elektr. Wärmepumpen Primärenergiebedarf [kwh/kwh th ] co 2 PE CO 2 -Emissionen [gco 2 /kwh th ] heutige Heizsysteme (Durchschnitt) Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung elektrische Wärmepumpe [%]

29 Energiekonzept 2050 Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100 % erneuerbaren Energien Juni 2010

30 Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 2050

31 Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien Nutzenergiebereitstellung Wärme aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Umweltwärme Kollektoren Biomasse/Erneuerbares Methan Gesamtnutzenergiebedarf für Wärme Quelle: ZSW

32 Entwicklung des Endenergiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Energien Endenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Benzinersatz (regenerativ) Dieselersatz (regenerativ) Flugtreibstoff (regenerativ) Erneuerbares Methan Wasserstoff Strom Gesamtbedarf Quelle: ZSW

33 Vergleich der Stromgestehungskosten US Cent kwh EuroCent kwh Coal Quellen: IEA Gas IEA IPCC 6 max. EPRI min. Nuclear Windenergie Micro Hydro Coal (sub-bit.) Emissions- Zertifikate plus 20 Euro je t New NGCC max. min. Neue Kohlekraftwerke New IGCC Coal (sub-bit.) New NGCC Quelle: IEA, IPCC, 2007 Quellen: IPCC, IWES max. min. Neue Kohlekraftwerke mit CO 2 - Abscheidung New IGCC

34 Weltweites Entwicklungspotential der Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien

35 Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung [Mio. Euro] EEG-Vergütungen (Quelle: Handelsblatt 148/2012, Übertragungsnetzbetreiber) Wasser Wind Photovoltaik Stromimport Biomasse/Erneuerbares Methan Geothermie Summe Quelle: ZSW in Energiekonzept 2050 des Forschungsverbundes Erneuerbare Energien (erstellt Anfang 2010)

36 Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Nutzwärmebereitstellung Differenzkosten der Nutzenergiebereitstellung für Wärme [Mio. Euro] Quelle: ZSW Wärmepumpen Biomasse/erneuerbares Methan Solarthermie Summe

37 Differenzkosten bis 2050 im Verhältnis zu den Gesamtausgaben für Energie in Deutschland

38 Leitstudie Deutschland 2009 ohne zusätzliche Verbraucher 2050 (meteorologische Basis 2007)

39 Verteilung der benötigten Spitzenlast der Restlast

40 Transport Stromverbünde

41 Das Regenerative Kombikraftwerk Deckung von 1/ der Lastkurve Deutschlands zu jedem Zeitpunkt Steuerung realer Anlagen Wind Solar Biogas Hydro Import/ Export 12,6 MW 5,5 MW 4,0 MW 1,0 MW 1,0 MW

42 Intelligente Verteilnetze Geschäftsmodelle und IT BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface

43 Tiefsee-Pump-Speicher

44 Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

45 Erneuerbares Methan für den Autoverkehr

46 Vision zur globalen regenerativen Energieversorgung bis 2050: Primärenergie nach Methode der direkten Energieäquivalente IEA World Energy Outlook Reference Scenario Nutzungseffizienzgewinne Effizienzgewinne durch: Quelle: WBGU

47 Zusammenfassung und Ausblick Erneuerbare Energien verbessern die Energieeffizienz des Gesamtsystems drastisch Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch notwendig Wichtig: Systemische Betrachtung der Dynamik des Gesamtsystems

48 Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Bremerhaven und Kassel advancing wind energy and energy system technology Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel Mitglied im Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen WBGU Tel Weitere Informationen:

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Bremerhaven und Kassel advancing wind energy and energy system technology Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien Gründung: Mitarbeiter: ca. 500 Personen Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Clemens Hoffmann Hervorgegangen aus: Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in Kassel

50 Entwicklungspotential Erneuerbare Energien

51 Globale Primärenergie EJ Primary Energy 800 Other renewables Hydro 700 Nuclear Gas Oil 600 Coal Biomass GEA -Efficiency GEA -Mix GEA-Supply RCP 3-PD REMINS-RECIPE REMINS-ADAM MERGE-ETL ETP BLUE POLES [r]evolution WEC-C1 WBGU

52 Schwimmende Windenergieanlagen: Konzeptbeispiele

53 Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050

54 IWES-Szenario 100% Erneuerbare Energien: Deckung Weltweiter Primärenergiebedarf bis 2050

55 Absolute Minderung der THG Emissionen bezogen auf den Energiegehalt der Roh-Biomasse in t CO 2 -äq. je Tonne Biomasse Quelle: WBGU, 2008

56 Globale Endenergienachfrage in transformativen Szenarien Quelle: WBGU 2011

57 Transformative Szenarien im Vergleich: Primärenergiebedarf Quelle: WBGU, auf Basis der Daten von Nakicenovic, 1998; EREC und Greenpeace, 2008, 2010; IEA, 2008b; Edenhofer et al., 2009a, 2010; IIASA, 2009; GEA, 2011

58 Relative Zusammensetzung von Primärenergie 2008 und 2050: transformative Szenarien im Vergleich Quelle: WBGU 2011