Wege zu einer klimaverträglichen Energieversorgung
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- Philipp Esser
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1 Wege zu einer klimaverträglichen Energieversorgung Dr. Carsten Pape & Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen
2 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. 240 Personen Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Jürgen Schmid Hervorgegangen aus: Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in Kassel
3 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
4 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
5 Weltbevölkerung [Milliarden] kwh CO 2 -Konzentrat ion [ppm] Globale Situation und zukünftige Trends Welt energiebedarf [ ] Globales Wachstum Bevölkerung, Energiebedarf, CO 2 -Konzentration Weltenergiebedarf CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre Weltbevölkerung
6 Globale Situation und zukünftige Trends Prognose des Wachstums des globalen Energiebedarfs bis 2030 (IEA). Quelle: FVEE, 2010
7 Globale Reserven und Ressourcen der Energievorkommen Quelle: WBGU, 2011
8 Globale Reserven und Ressourcen der Energievorkommen Quelle: WBGU, 2011
9 Eisschwund in der Arktis 10 Eisfläche (September Minimum) [Millionen km 2 ] Messdaten Bandbreite der Modelle Jahr Quelle: WBGU, 2009
10 Globale Situation und zukünftige Trends Sicherheitsrisiken durch Klimawandel: ausgewählte Brennpunkte Quelle: WBGU
11 Beispiele für globale Emissionspfade , um die 2 C-Leitplanke mit 67% Wahrscheinlichkeit einzuhalten Um diese Kurven einzuhalten, sind in den frühen 2030er Jahren jährliche Reduktionsraten von 3,7% (grün), 5,3% (blau) bzw. 9,0% (rot) notwendig (bezogen auf 2008). Max. Emissionsmenge global 750 Mrd. t CO 2 Quelle: WBGU, 2009
12 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
13 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit DLR / UNDP / Harvard Hoogwijk / DLR DLR FAO / WBGU UNDP / DLR UNDP / DLR UNDP Quellen: s. Abb.
14 Entwicklungspotential erneuerbare Energien
15 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
16 Nachfrageentwicklung Quelle: WBGU, 2011
17 Energiekonzept 2050 Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100% erneuerbaren Energien Juni 2010
18 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
19 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) Kohle Erdgas Uran Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
20 Transformation des Wärmesektors Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
21 Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3-4 Vorteile der Elektromobilität: - Abwärmenutzung möglich - CO 2 -Abtrennung möglich - kein Feinstaub in den Städten - weniger Lärm - flexibler Stromspeicher Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
22 Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch erneuerbare Energien Quelle: Sterner, 2009
23 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
24 Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 2050
25 Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050
26 Nutzenergiebereitstellung Wärme aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis Umweltwärme Kollektoren Biomasse/Erneuerbares Methan Gesamtnutzenergiebedarf für Wärme Quelle: ZSW
27 Endenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Entwicklung des Endenergiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis Benzinersatz (regenerativ) Flugtreibstoff (regenerativ) Wasserstoff Gesamtbedarf Dieselersatz (regenerativ) Erneuerbares Methan Strom Quelle: ZSW
28 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
29 Fluktuierende Erzeugung nach NREAP 2020 Deckungsanteil Strombedarf: ca. 38%
30
31 Problem: Phasen geringer Erzeugung regenerativen Stroms (Wetter- und Lastjahr 2007, Dezember) Quelle: Umweltbundesamt / IWES, 2010
32 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
33 Transport Stromverbünde
34 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
35 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
36 Intelligente Verteilnetze Geschäftsmodelle und IT BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface
37 Lastmanagement und regelbare Erzeugung Flexibilisierung strombasierter Wärmeanwendungen durch Einbindung von thermischen Speichern Wärmepumpen Klimatisierung Gesteuertes Laden von E-KFZ Zeitliche Entkoppelung der Gaserzeugung von der Verstromung durch Biomethananlagen und Holzvergasung die in das Erdgasnetz einspeisen Winter (Dezember) Sommer (August) Quelle: Umweltbundesamt / IWES, 2010
38 Regenerative Model Region Harz Virtuelle Power Plant Device Control Market Information Generation Controllable Loads Storages
39 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
40 Kapazitäten und Reichweiten verschiedener Speicher der größte vorhandene nationale Speicher ist das Erdgasnetz EE-Methan Quelle: Specht et al., 2010
41 Speicheroptionen Kapazität der deutschlandweit vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke: hoher Wirkungsgrad aber geringes Ausbaupotential (heute: 0,04 TWh) Batterien von E-KFZ werden über bidirektionale Ladegeräte angeschlossen (bei 45 Mio. E-KFZ mit je 10 kwh einsetzbarer Kapazität = 0,45 TWh) Adiabate Druckluftspeicher Umbau der Speicherkraftwerke in Norwegen zu Pumpspeicherkraftwerken Solarthermische Kraftwerke mit thermischen Speichern in Südeuropa und Nordafrika Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas (bis zu einem Anteil von ca. 5% möglich) Erneuerbares Methan
42 Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al., 2009 Sterner, 2009
43 Erneuerbares Methan Wirkungsgrade 60-65% Methan 35-40% Strom 50-60% KWK Vs. 0% durch Abregelung Quelle: Specht et al., 2009 Sterner, 2009
44 Inhalt Notwendigkeit von Veränderungen im Energieversorgungssystem Potentiale der erneuerbaren Energien Funktionsweise des Energieversorgungssystems 2050 Nachfrageentwicklung Effizienzsteigerung Mengengerüst des FVEE-Energiekonzepts Herausforderungen einer regenerativen Vollversorgung und Lösungsansätze Netzausbau und großräumige Vernetzung Regenerative Kombikraftwerke und Smart Grids Langzeitspeicherung Kosten einer regenerativen Vollversorgung
45 Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung [Mio. Euro] Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland Wasser Wind Photovoltaik Stromimport Biomasse/Erneuerbares Methan Geothermie Summe Quelle: ZSW
46 Coal Gas Nuclear Coal (sub-bit.) New NGCC New IGCC Coal (sub-bit.) New NGCC EPRI Vergleich der Stromgestehungskosten US Cent kwh EuroCent kwh Quellen: IEA IEA IPCC 6 max. min. Windenergie Micro Hydro Emissions- Zertifikate plus 20 Euro je t max. min. Neue Kohlekraftwerke Quelle: IEA, IPCC, 2007 Quellen: IPCC, IWES max. min. Neue Kohlekraftwerke mit CO 2 - Abscheidung New IGCC
47 Weltweites Entwicklungspotential der Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien Quelle: Schmid, WBGU, 2007
48 Differenzkosten der Nutzenergiebereitstellung für Wärme [Mio. Euro] Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Nutzwärmebereitstellung Wärmepumpen Biomasse/erneuerbares Methan Solarthermie Summe Quelle: ZSW
49 Differenzkosten bis 2050 im Verhältnis zu den Gesamtausgaben für Energie in Deutschland
50 Zusammenfassung und Ausblick Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist ökologisch / klimatechnisch notwendig technisch möglich ökonomisch auf lange Sicht vorteilhaft Herausforderungen Umbau der Energieversorgungsstrukturen Hoher Investitionsaufwand zu Beginn Technologie- und Wissenstransfer Transformation des Bewusstseins Entscheidend politischer Wille
51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik advancing wind energy and energy system technology Kontakt: Dr. Carsten Pape Tel Weitere Informationen:
52 Quellen (1) FVEE (2010): Energiekonzept 2050: Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100% erneuerbaren Energien ForschungsVerbund Erneuerbare Energien Specht, M.; Sterner, M.; Stürmer, B.; Frick, V.; Hahn, B. (2009): Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz - Wind/PV-to-SNG. ZSW / IWES Konzept. Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Universität Kassel, Dissertation. Sterner, M.; Schmid, J.; Wickert, M. (2008): Effizienzgewinn durch erneuerbare Energien. BWK. Das Energie-Fachmagazin 60, 6, S WBGU (2007): Politikpapier 5. Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. WBGU (2008): Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung. Hauptgutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. WBGU (2009): Kassensturz zum Weltklimavertrag Der Budgetansatz. Sondergutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen.
53 Quellen (2) WBGU (2011): Welt im Wandel Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation. Hauptgutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. Umweltbundesamt / IWES (2010): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen.
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