Reformstrategien für den produzierenden Bereich in Österreich - Ein Technology Wedges Approach

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1 Reformstrategien für den produzierenden Bereich in Österreich - Ein Technology Wedges Approach Michaela Titz 1, Hans Schnitzer 1, Daniela Kletzan-Slamanig 2, Claudia Kettner 2, Angela Köppl 2, Stefan Schleicher 2 1 Institut für Prozess- und Partikeltechnik, TU Graz, 8010 Graz, Inffeldgasse 25b, Tel.: , hans.schnitzer@tugraz.at, 2 Österreichisches Institut für Wirtschaftsforschung (WIFO) Kurzfassung: Motivation und zentrale Fragestellung Die EU 2020 Ziele für Treibhausgas-Emissionen und Erneuerbare Energien erfordern eine grundlegende Restrukturierung bestehender Energiesysteme aller Mitgliedsstaaten. Das betrifft alle Ebenen der Energiekaskade, angefangen von den Energiedienstleistungen bis hin zum für deren Bereitstellung erforderlichen End- und Primärenergiebedarf. Der Bereich der Produktion verbraucht derzeit mehr als ein Drittel der Endenergie in Österreich wenn man den Stromverbrauch mit einrechnet. Hierbei verbrauchen vier Sektoren ca. ¾ des gesamten Einsatzes. Ziel einer Umstrukturierung muss es sein, die benötigten Energiedienstleistungen weiterhin kostengünstig und sicher bereit zu stellen, ohne den hohen Grad an Treibhausemissionen beizubehalten. Methodische Vorgangsweise Dieses Paper präsentiert Emissionsreduktionsstrategien für den produzierenden Sektor in Österreich, die im Projekt EnergyTransition 1 identifiziert wurden. Dieses Forschungsprojekt analysierte Restrukturierungsoptionen für das österreichische Energiesystem im Rahmen eines erweiterten Technology Wedges Ansatzes. Die EnergyTransition Technology Wedges stellen eine Erweiterung der von Pacala und Socolow [1,2] entwickelten Stabilization Wedges dar. Jeder Wedge entspricht einer Technologieoption, durch die eine signifikante Energie- und/oder Emissionsreduktion bis 2020 erreicht werden kann. Ausgangspunkt für die einzelnen Technology Wedges sind dabei die Energiedienstleistungen in den Bereichen Mobilität, Gebäude und Industrie. Im Bereich Produktion muss die Definition der Energiedienstleistungen wegen der Vielzahl der unterschiedlichen Produktionsprozesse besonders sorgfältig vorgenommen werden. Um eine übersichtliche Handhabbarkeit zu erreichen wurde die Zahl der untersuchten Energiedienstleistungen auf die wichtigsten Grundoperationen (Stofftrennungen, Stoffvereinigungen, Stoffveränderungen, sonstige) eingeschränkt und auf drei exergetisch unterschiedlichen Niveaus definiert: 1 Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms "Energie der Zukunft" durchgeführt. Seite 1 von 10

2 Energiedienstleistungen im Niedertemperaturbereich (T 100 C) Energiedienstleistungen im Mitteltemperaturbereich (100 T < 400 C) Energiedienstleistungen im Hochtemperaturbereich (T > 400 C) Energiedienstleistungen durch Elektrizität Technisch gesehen kann die Energie im ersten Bereich durch flammenlose Technologien (KWK-Abwärme, Fernwärme, Wärmerückgewinnung, Solarwärme, ) abgedeckt werden, während im zweiten Bereich Feuerungen mit Dampf- bzw. Wärmeträgersystemen eingesetzt werden müssen. Die Energiezuführ im Hochtemperaturbereich erfolgt durch direkte Feuerungen (Öfen) oder Strom (Lichtbogen). Ausgehend von einem Referenzszenario für Energie und Emissionen werden die Einsparungspotentiale der Wedges bis 2020 ermittelt. Neben einer Analyse der Effekte der technologischen Veränderungen auf das Energiesystem erfolgt auch eine Analyse der Beschäftigungs- und Wertschöpfungseffekte der kombinierten Technology Wedges für den Gebäudebereich im Rahmen einer Input-Output-Analyse. Zusätzliche werden Kosteneffekte in der Betriebsphase diskutiert. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Aufbauend auf einer Analyse der Emissionsreduktionspotentiale im produzierenden Bereich wurden sieben Technology Wedges entwickelt, die einerseits auf eine Steigerung der Energieeffizienz und andererseits auf eine Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien abzielen. Die Wedges beinhalten auch die thermische Sanierung der Produktions- und Lagerhallen auf Niedrigenergiestandard, da hier ein großes Potential für Energieeinsparungen und den Einsatz erneuerbarer Energien besteht. Ein wesentlicher Wedge in allen Bereichen ist die Energieeinsparung durch Wärmeintegration, Prozessintensivierung und neue Technologien [3]. Besonders in den vier energieintensiven Sektoren ist hier das Potential zu sehen. Wichtig für eine Erhöhung der Energieeffektivität im produzierenden Bereich ist auch ein verstärkter Einsatz von Wärme-Kraft-Kopplungen. Die im Energieversorgungssektor (Elektrizitäts- und Wärmebereitstellung) hervorgerufenen Veränderungen, durch die Umsetzung dieser technologischen Lösungen werden anhand eines integrierten Energiestrukturmodells analysiert und separat dargestellt. In der Produktion können ca. 3 Mt CO 2 im Vergleich zum Referenzpfad reduziert werden, des Weiteren werden bis zu 4 Mt CO 2 im Bereich Energiebereitstellung aufgrund der Einsparungen an Elektrizität vermieden. Für die Realisierung dieser Emissionsreduktionspotentiale sind bis 2020 Investitionen von 6,3 Mrd. erforderlich; das entspricht einem Mehrbedarf an Investitionen von 6,2 Mrd. im Vergleich zum Referenzszenario. In der Betriebsphase lassen sich durch den reduzierten Energiebedarf zudem deutliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu den Referenztechnologien identifizieren. Keywords: Produktion, Technology Wedges, Treibhausgase, Energiesystem, Emissionsreduktion, 2020, Energiebedarf, Seite 2 von 10

3 1 Einleitung Die EU 2020 Ziele für Treibhausgas-Emissionen und Erneuerbare Energien erfordern eine grundlegende Restrukturierung der bestehenden Energiesysteme aller Mitgliedsstaaten. Ein solches Unterfangen ist jedoch nur möglich, wenn die Veränderungen sich über sämtliche Ebenen der Energiekaskade (siehe Abbildung 1) ausbreiten. E-DL Effektivität der Energiedienstleistung Nutzenergie Effizienz der Umwandlungstechnologie Endenergie Transformationsverluste Primärenergie Abbildung 1: Struktur der Energiekaskade (eigene Abbildung) Mittels des Technology Wedge Konzepts ist dies möglich, da nicht nur ein Sektor, in diesem Paper die Produktion, sondern ebenso die Wechselwirkungen zwischen den Sektoren, in die Bertachtungen einfließen können. Dadurch ist es möglich von der Effektivität der Energiedienstleistung bin hin zu den Transformationsverlusten im Rahmen der Umwandlung von Primärenergie das System zu optimieren. Nicht zuletzt ist dies auf die Aufteilung in die 4 Sektoren zurückzuführen: Energiebereitstellung Produktion Mobilität Gebäude Für die Produktion von Gütern und Waren wurden % des gesamten österreichischen Endenergiebedarfs verwendet. Dies führt dazu, dass dieser Sektor 27% der energetisch bedingten Emissionen verursacht. Über 70 % des energetischen Endverbrauchs der Produktion entfällt auf 4 Sektoren: Eisen und Stahlproduktion, Steine, Erden und Glas, Papier und Druck, Chemie und Petrochemie. Innerhalb dieser energieintensiven Sektoren ist der Energiebedarf durch die daraus resultierenden Kosten seit jeher relevant und nur durch weitgreifende Veränderungen der Versorgungsstrukturen sind namhafte Emissionsreduktionen realisierbar. Diese Umstrukturierung muss zum Ziel haben, dass die spezifischen Kosten der Energiedienstleitung sowie deren Energie- und Emissionsintensität, bei gleich bleibender Qualität sinken. Seite 3 von 10

4 2 Methodik Im Rahmen des Forschungsprojekts EnergyTransition 2 wurde die Methodik zu Ermittlung und Charakterisierung der Emissionsreduktionen entwickelt. Ziel des Projekts war es Restrukturierungsoptionen für das gesamte österreichische Energiesystem zu analysieren. Aus diesem Grund wurde ein auf alle vier Sektoren anwendbares Verfahren entwickelt. Das Technology Wedge Konzept, welches eine Erweiterung des von Pacala und Socolow erarbeiteten Stabilization Wedges Ansatzes ist, wurde speziell auf diese Betrachtungsweise hin zugeschnitten. Diese Wedges sind im Eigentlichen Technologieoptionen, mittels welcher eine signifikante Emissionsreduktion erreicht werden kann. Die Technologien können in zwei Kategorien unterschieden werden, zum einen eine Verringerung des Ausstoßes an THG- Gasen durch eine Reduktion des Energiebedarfs und zum anderen durch die Substitution von fossilen Energieträgern durch so genannte CO 2 neutrale 3 Energieträger. Ausgangspunkt für die Berechnungen sowie die Identifikation der einzelnen Technology Wedges sind dabei die Energiedienstleistungen. Die Energiedienstleistungen unterscheiden sich im Bereich Produktion deutlich von den anderen drei Sektoren. Aufgrund der Vielzahl von funktionellen Einheiten - sprich definierten Nutzen - welche als Energiedienstleistung im klassischen Sinne definiert werden (z.b.: Personenkilometer), wurde in der Produktion dazu übergegangen die untersuchten Energiedienstleistungen auf die wichtigsten Grundoperationen (Stofftrennungen, Stoffvereinigungen, Stoffveränderungen, sonstige) eingeschränkt zu beziehen. Abbildung 2 zeigt schematisch, die für die Produktion definierten Energiedienstleistungen. chemische E -DL thermische E - DL mechanische E- DL elektrische E -DL Abbildung 2: Energiedienstleistungen in der Produktion (eigene Abbildung) 2 Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms "Energie der Zukunft" durchgeführt. 3 dies bedeutet, dass der eingesetzte Energieträger erneuerbar ist und aus diesem Grund die bei der Nutzung entstehenden THG-Emissionen nicht in den Emissionsbilanzen verbucht werden Seite 4 von 10

5 Den größten Anteil bilden die thermischen Energiedienstleistungen. Diese wurden um das Potential der Wedges erheben zu können, in drei Temperaturniveaus unterteilt: Energiedienstleistungen im Niedertemperaturbereich (T<100 C) Energiedienstleistungen im Mitteltemperaturbereich (100 < T < 400 C) Energiedienstleistungen im Hochtemperaturbereich (T > 400 C) Der Bereich der elektrochemischen Energiedienstleistungen wurde in den Betrachtungen vernachlässigt. Die beiden nun verbleibenden Dienstleistungen mechanisch und elektrisch wurden nicht weiter aufgespaltet. Die Datenbasis zur Berechnung bildeten die Energiebilanzen sowie die Nutzenergieanalyse der Statistik Austria [4, 5]. Anhand der Aufteilung des Energiebedarfs nach Dienstleistungen und in weiterer Folge Energieträgern wurden die Potentiale der einzelnen Wedges ermittelt. Basierend auf einem Referenzszenario für Energie und Emissionen werden die Einsparungspotentiale der Wedges bis 2020 berechnet. Aus der Darstellung der Technology Wedges bezogen auf das Referenzszenario leitet sich auf der Name Wedges (Keile) ab, da Technologieoptionen mit linearer Diffusionsrate bezogen auf ein geglättetes Referenzszenario sich als Keil darstellen (siehe Abbildung 5). Innerhalb des Projektes wurden nicht nur die Auswirkungen auf das Energiesystem sondern auch die ökonomischen Effekte der Restrukturierung mittels einer Input Outputanalyse betrachtet und die Veränderungen durch die Betriebsphase diskutiert. 3 Ermittlung der Potentiale 3.1 Analyse des Energiebedarfs Der Wandel innerhalb der Produktionsstrukturen und die Steigerung der Effizienz mündeten in einer deutlichen Senkung der Energieintensität im Produktionsbereich. In der Produktion nahm im Zeitraum von 1990 bis 2007 die Energieintensität um 15 Prozentpunkte ab, im Vergleich dazu ging sie bezogen auf das gesamte Energiesystem nur um 9 Prozentpunkte zurück. Trotz dieser eindeutigen Anzeichen eines Wandels innerhalb der Struktur stieg der Energiebedarf in der Produktion im gleichen Zeitraum um 45% an. Im Jahr 2008 benötigte der Sektor Produktion 29% der Endenergie. Anteilsmäßig stellt Erdgas mit 104 TJ den am häufigsten eingesetzten Energieträger innerhalb dieses Sektors dar, dicht gefolgt wird von der elektrischen Energie. Der Trend zum vermehrten Einsatz von Gas basiert nicht nur auf der hohen Versorgungsdichte und den simplen Anwendungstechnologien, sondern durchaus auf den Emissionseinsparungen verglichen mit anderen fossilen Energieträgern. Abbildung 3 zeigt die Entwicklung des Energiebedarfs der Produktion. Darin ist der stetig wachsende Anteil an erneuerbaren Energieträgern zu erkennen, welcher ebenfalls auf die steigende Relevanz der Treibhausgasproblematik zurückgeführt werden kann. Der Energiemix ist innerhalb der Produktion in erster Linie von der Ausprägung der Produktionssektoren abhängig. Der hohe Anteil an energieintensiven Produktionssektoren in Österreich ist auf die traditionell verankerte Tendenz zur Schwerindustrie zurückzuführen. In Jahr 2008 betrug der energetische Endverbrauch des Sektors Produktion 311,835 TJ und über 70 % benötigten diese Sektoren: Eisen und Stahlproduktion Seite 5 von 10

6 Steine, Erden und Glas Papier und Druck Chemie und Petrochemie Erneuerbare Elektrische Energie Kohle Öl Gas Fernwärme Abbildung 3: Energetischer Endbedarf der Produktion nach Energieträgern (eigene Abbildung) [4] Die klassischen Schwerindustriesektoren hatten jedoch in den letzten Jahren keine namhaften Zuwächse. Deutlich hervorheben sich innerhalb der Produktion nur zwei Sektoren aufgrund ihrer überdurchschnittlichen Zuwachsraten. Dies sind eben die chemische Industrie, welche einen Energiebedarfszuwachs von 150% verglichen mit dem Basisjahr 1980 hatte und der Sektor Papier und Druck mit einem Wachstum von 75% innerhalb dieser Periode. 3.2 Technology Wedges Produktion Für die Produktion relevante Emissionsreduktionsmaßnahmen können in die in Abbildung 4 dargestellten Kategorien eingeteilt werden. Zu Beginn muss aber in die zwei möglichen Ansätze zur Reduktion unterteilt werden: a) Reduktion der Treibhausgase durch Einsparung des Energieträgers b) Einsparung von Treibhausgasen durch Wechsel des Energieträgers Diese Ansätze werden mittels Technologieportfolios umgesetzt. Im Falle der Einsparung an Energieträgern, sprich Effizienzsteigerung, sind diese in den Bereichen Endverbrauchs sowie der Bereitstellung und Umwandlung angesiedelt. Diese Betrachtungsweise erlaubt einen systematischen Zugang um die Effektivität der Energiedienstleistung zu erhöhen. Ist nun jedoch die Verringerung der Emissionsintensität pro Energiedienstleistung im Fokus der Betrachtungen, so erfolgt dies in erster Linie durch die Auswahl des verwendeten Energieträgers. Seite 6 von 10

7 Emissionsreduktion Verminderung des Energieeinsatzes für Energiedienstleistungen Auswahl von Energieträgern mit geringerer Treibhauswirkung Bereitstellung und Umwandlung Endverbrauchstechnologien Umstellung innerhalb der fossilen Energieträger Umstellung auf erneuerbare Energieträger Abwärmeverkauf Energetische Nutzung von Solarenergie PV und Biomasse Kohle Öl - Gas Passivhausstandard für Prozessintensivierung Effizienz der Stromanwend Prozessintegration Wärme- Kraft- Kopplung Abbildung 4: Emissionsreduktionen im Produktionsbereich (eigene Abbildung) Um nun die beiden Konzepte in die Analyse mit einbeziehen zu können, wurden die Wedges in die Kategorien Effizienzsteigerung Substitution der Energieträger unterteilt. Des Weiteren wurden sie zu Wedgepaketen zusammengefasst, um Wechselwirkungen zwischen den Emissionsreduktionspotentialen der Wedges berücksichtigen zu können Wedgepaket Effizienzsteigerung Effizienzsteigerungen und die damit verbunden Energieverbrauchs- und in weiterer Folge Emissionsreduktionen stellen das primäre Ziel in der THG - Emissionssenkung dar. Reduktionszielpfade können nur mittels einer Kombination unterschiedlicher technologischer und innerbetrieblicher Maßnahmen erreicht werden, weshalb eine klare Abgrenzung innerhalb des technologischen Portfolios nicht immer möglich ist. Des Weiteren ist im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung der Umstand der Effizienzsteigerung in Bezug auf den Terminus Ressourcenminderung ebenso relevant. Aufgrund der Analyse des Energiebedarfs könnten die folgenden Bereiche in welchen Handlungsbedarf besteht identifiziert werden Senkung des Energiebedarfs der Produktionsgebäude Thermische Sanierung beim Altbau Passivhausstandard im Neubau Effektive Beleuchtungssysteme Kraft-Wärme-Kopplung zur Prozesswärmebereitstellung Aufrüsten bereits vorhandener Anlagen Seite 7 von 10

8 Neuerrichtung Prozessintensivierung, Wärmerückgewinnung und Prozessintegration Restrukturierung sowie Optimierung der Prozesse Verminderung der Ressourcen sowie Energieeinsatzes Wärmetauschernetzwerke Abwärmenutzung Fernwärmeauskopplungen Beheizung sowie Klimatisierung durch Abwärmenutzung Abwärme aus Kühlungen Energieeffiziente Antriebe Regelbare Elektromotoren Energieeffiziente Motoren Frequenzumwandler Der Abgleich mit den vorhandenen Potentialen zeigte jedoch, dass nur vier Wedges namhafte Auswirkungen auf die Treibhausgasemissionen haben. Diese wurden im Weiteren erarbeitet und weiter analysiert. Technology Wedge P-1 Energiebedarf der Produktionsgebäude Technology Wedge P-2 Process Intensivierung, Process Integration und Abwärmenutzung Technology Wedge P-3 Energieeffiziente Antriebe Technology Wedge P-4 Kraft-Wärme-Kopplung Wedgepaket Substitution der Energieträger Die Substitution der Energieträger ist besonders dann sinnvoll, wenn zuvor der Energiebedarf gesenkt wurde. In der Realität verläuft die Umsetzung beider Konzepte jedoch fließend und parallel. Das Konzept geht davon aus, dass in diesem Maßnahmenbereich nur mehr der Ersatz des Energieträgers vorgenommen wird. Dies erfolgt jedoch ohne eine Reduktion des Energiebedarfs. Zum Teil gründet sich dieser Ansatz auf der Tatsache, dass die Effizienzsteigerung unweigerlich in einer Änderung des Energiemixes mündet. Die Verknüpfung der beiden Konzepte realisiert man durch Einführung einer Hierarchie in der Anwendung der Wedges. Um eine Restrukturierung der Energieversorgung des Produktionsbereichs zu erreichen, ist es jedoch unumgänglich, den Schritt des Energieträgerwechsels zu tun, da eine völlige Elimination des Anteils an fossilen Energieträgern mittels Effizienzsteigerung unmöglich ist. Die Analyse des Energiebedarfs zeigte, dass in den folgenden Bereichen Potentiale vorhanden sind. Diese Bereiche wurden im Weiteren näher untersucht. Switch fossil Seite 8 von 10

9 Substitution von Kohle durch Gas Substitution von Öl durch Gas Switch Nawaro Biomasse für Prozesswarme Energetische Nutzung von Abfällen Wiederverwertung von Reststoffen im Prozess Nutzung von Abfallen als Ersatzbrennstoff Switch Regenerativ Solare Prozesswarme Solare Hallenheizungen In der Umlegung der Technologien auf die Handlungsoptionen zeigte sich, dass aufgrund der geforderten Temperaturniveaus sowie Dienstleistungen nur drei Wedges umgesetzt werden können. Technology Wedge P-5 Substitution von Energieträger mit hohen Emissionsfaktoren durch fossile Energieträger mit geringeren Technology Wedge P-6 Biomasse für Prozesswärme Technology Wedge P-7 Solarthermie für Prozesswärme und Hallenheizungen 4 Ergebnisse und Schlussfolgerungen Das Ergebnis der Analyse war die Definition von 7 Technology Wedges für produzierenden Bereich. Durch diese ist eine maximale Einsparung von 3 Mio t CO 2 e bezogen auf die Referenzprognose Produktion im Jahr 2020 realisierbar. In Abbildung 5 sind die Emissionsreduktionen der Wedges dargestellt, jedoch ohne Berücksichtigung der Auswirkungen die in der Energiebereitstellung durch Einsparungen an elektrischer Energie hervorgerufen werden. Reduktionen in Mt CO 2 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Solare Prozesswärme und solare Hallenheizungen Biomassenutzung für Prozesswärme Substitution von Energieträgern mit hohen Emissionskoeffizienten energieeffiziente Antriebe Prozessintensivierung, Prozessintegration und Abwärmenutzung Energiebedarf der Produktionsgebäude KWK Abbildung 5: Emissionsreduktion durch Technology Wedges im Bereich der Produktion bis 2020(eigene Abbildung) Seite 9 von 10

10 Veränderungen, welche durch die Technology Wedges im Energieversorgungssektor hervorgerufen werden, fließen aufgrund der Analyse des integrierten Energiestrukturmodells ein. Diese als Wedges dargestellten Einsparungen an Elektrizität führen zu einer Reduktion von 4 Mio t CO 2 e im Bereich Energiebereitstellung. Um nun diese Wedges realisieren zu können müssen bis ,3 Mrd. investiert werden. Dies bedeutet eine Erhöhung des Investitionsvolumen verglichen mit den Referenzpfades um ,2 Mrd.. Für die Investitionen des Referenzpfads wurden als Grundlage die Kosten für kontinuierlichen Ersatz der Anlagen herangezogen. Aufgrund der Betriebskosten dieser bereits vorhandenen Technologien in Referenzpfad wurde auch die Kosteneinsparung in der Betriebsphase der Wedges berechnet. Es zeigte sich das in der Produktion mehr Potential vorhanden ist als zunächst vermutet. Der CO 2 -Ausstoss der Produktion im Jahr 2020 könnte durch diese Wedges um 20 % bezogen auf das Jahr 2008 reduziert werden. Die Umsetzung dieses Potentials hängt von vielerlei Faktoren ab, wobei die Entwicklung der Energiepreise sicher den größten Einfluss hat. Literatur [1] Pacala, S., Socolow, R., (2004), Stabilization Wedges: Solving the Climate Problem for the Nest 50 Years with Current Technologies. Science, 305, [2] Socolow, R., Hotinski, R., Greenblatt, J.B., Pacala, S., (2004), Solving the Climate Problem. Technologies Available to Curb CO2 Emissions, Environment, Vol. 46, p [3] IEA - International Energy Agency (2009), Energy Transitions for Industry. Strategies for the next industrial revolution. Paris [4] Statistik Austria, (2009), Energiebilanzen , Wien [5] Statistik Austria, (2009), Nutzenergieanalyse, Wien Seite 10 von 10