Nachhaltige Energieversorgung: Energietechniken auf dem Prüfstand

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1 Nachhaltige Energieversorgung: Energietechniken auf dem Prüfstand Prof. Dr.-Ing. Alfred Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Universität Stuttgart Ringvorlesung dipl.-ing. ikarus? Stuttgart, 9.November 2005

2 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung

3 Entwicklung des Primärenergieverbrauchs (nach Energieträgern) 16 [EJ/a] Jahr Braunkohle Kernenergie Erdgas Steinkohle Mineralöle Sonstige

4 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich

5 Durchschnittliche monatliche Stromrechnung eines Drei-Personen-Haushaltes (3.500 kwh/a) in Euro Quelle: VDEW 12/2004

6 Durchschnittlicher Strompreis für die Industrie in Cent/kWh (inkl. Stromsteuer) Quelle: VDEW 12/2004

7 EU Industrie-Strompreisvergleich (Stand: ) Litauen Norwegen Lettland Estland Tschechien Polen Großbritannien 1.3 1, , ,48 3, , ,45 4, GWh / 5000 h/a Luxemburg Finnland Schweden Griechenland Spanien Portugal , , ,76 4, ,04 5, Belgien Slowakei Ungarn Österreich Irland Deutschland Italien 5, ,91 5, , ,37 7, , Cent/kWh Quelle: Eurostat, VIK 12/2004 Quelle: Eurostat, VIK 12/2004

8 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich Bruttostromerzeugung

9 Entwicklung der Bruttostromerzeugung nach Energieträgern Bruttostromerzeugung insgesamt [TWh] Steinkohle Braunkohle Kernenergie Mineralöle Erdgas Wasserkraft Windenergie Andere Brennstoffe

10 Brutto-Stromerzeugung 2003 Kernenergie 27,6% gesamt 597 TWh Heizöl / sonstige 4,3 % Braunkohle 26,6% Erneuerbare Energien 7,5% Erdgas 9,5% Steinkohle 24,5%

11 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich Bruttostromerzeugung Liberalisierte und wettbewerbsorientierte Stromund Gasmärkte

12 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich Bruttostromerzeugung Liberalisierte und wettbewerbsorientierte Stromund Gasmärkte Subventionsgetriebene Investitionen

13 Förderung der erneuerbaren Energien Beispiel Windenergie Ende Windenergiekonverter MW e Windleistung GWh Windstromerzeugung kumulierte Förderung der Windenergie bis 2003 ~ 5,4 Mrd. Euro Reduktion des Listenpreises für Windenergieanlagen von /kw (1990) auf 900 /kw (2003) Kosten des Windstroms etwa 3 bis 4mal höher als aus konventionellen Kraftwerken

14 Entwicklung der Windenergienutzung jährlich installierte Leistung Leistung [MW] gesamt installierte Leistung Stromerzeugung Stromerzeugung [GWh] Quelle: Bundesverband WindEnergie e.v.

15 Windenergie: Kumulierte Fördersummen und spezifische Investitionskosten Förderung [Mio. 2001] Kumulierte Gesamtförderung Kumulierte Förderung FuE Spezifische Investitionskosten Spez. Investitionskosten [ 2001/kW]

16 Kosten des Windstroms - Erzeugungskosten 7 bis 12 ct / kwh (je nach Standort, bei Zinssatz von 8%) - Back-Up-Kosten für gesicherte Leistung 0,7 bis 1,8 ct / kwh - Netzausbau und Netzverluste ca. 0,2 ct / kwh Gesamtkosten 8 bis 14 ct / kwh

17 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich Bruttostromerzeugung Liberalisierte und wettbewerbsorientierte Stromund Gasmärkte Subventionsgetriebene Investitionen Erneuerungsbedarf im Kraftwerksbereich

18 Verbleibende Kapazität des Kraftwerksbestandes Wasser Wind MWel sonstige Therm. Öl Erdgas Steinkohle 0 Braunkohle Uran

19 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich Bruttostromerzeugung Liberalisierte und wettbewerbsorientierte Stromund Gasmärkte Subventionsgetriebene Investitionen Erneuerungsbedarf im Kraftwerksbereich CO 2 -Emissionen und Klimaschutz

20 Entwicklung der energiebedingten CO 2 -Emissionen (nach Energieträgern) Gase Mineralöle Braunkohle Steinkohle Energiebedingte Emissionen [Mill. t CO 2/a] Jahr

21 Erneuerbare Energien und Klimaschutz CO 2 -Vermeidungskosten [EUR / t CO 2 ] *) Wind Photovoltaik Erdgas ~ 0 Kernenergie ~ 0 Wirkungsgradsteigerung bei Kohlekraftwerken *) gegenüber Steinkohlekraftwerk

22 Energiesituation - Ausgangslage Primärenergieversorgung Hohe Energiepreise im europäischen Vergleich Bruttostromerzeugung Liberalisierte und wettbewerbsorientierte Stromund Gasmärkte Subventionsgetriebene Investitionen Erneuerungsbedarf im Kraftwerksbereich CO2-Emissionen und Klimaschutz Energieforschungsausgaben drastisch gesunken

23 Forschungs- und Entwicklungsausgaben des Bundes Fusionsforschung Inflationsbereinigte Ausgaben Mio. Euro (1995) Kerntechnik, Kernforschung Erneuerbare Energien, Rat. Energieanw. Fossile Energien, Kraftwerksforschung Jahr Quelle: ab 1995 Bundesministerium für Bildung und Forschung, Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft

24 Kernelemente der derzeitigen Energiepolitik Liberalisierung der Strom- und Gasmärkte Beendigung der Nutzung der Kernenergie Ausbau der erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung Reduktion der energiebedingten Treibhausgasemissionen Ökologische Steuerreform und Treibhausgas-Emissionsrechte- Handel Auf dem Weg zu einer Nachhaltigen Energieversorgung?

25 Nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development) Brundtland Kommission: Nachhaltige Entwicklung ist eine Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen können. Ziel Die Verbesserung der ökonomischen und sozialen Lebensbedingungen aller Menschen, der heute und zukünftig lebenden, mit der langfristigen Sicherung der natürlichen Lebensgrundlage in Einklang zu bringen.

26 "Nachhaltige Entwicklung" Konkretisierung des Leitbildes für den Energiebereich Naturwissenschaftliche Grundlagen Nachhaltigkeit und die Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen Nachhaltigkeit und Ökonomie

27 Naturwissenschaftliche Grundlagen 2. Hauptsatz der Thermodynamik => Leben sowie die Entfaltung wirtschaftlicher und kultureller Leistungen bedürfen ständiger Zufuhr von arbeitsfähiger Energie und Materie. Umweltbelastungen resultieren aus der mit der Stoffentwertung verbundenen Stofffreisetzungen in die Umwelt, d.h. aus nicht geschlossenen Stoffkreisläufen. Wachsendes Wissen (Gestaltungsfähigkeit) und die damit mögliche Weiterentwicklung von Technik sind die Basis zur Erhaltung bzw. Erweiterung der Entfaltungsspielräume kommender Generationen.

28 Nachhaltigkeit und die Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen Ist die Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen (z.b Erdöl und Kohle) mit dem Nachhaltigkeitsprinzip vereinbar? Die Bereitstellung von Energiedienstleistungen erfordert den Einsatz von Energieträgern, aber auch von nichtenergetischen Rohstoffen und Materialien. Eine Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen erfordert eine Gegenleistung => die Ausweitung der technisch-wirtschaftlich verfügbaren Ressourcenmenge. Stand der Technik bestimmt die technisch-wirtschaftlich verfügbare Energie- und Rohstoffbasis.

29 Entwicklung der sicher gewinnbaren Reserven Erdgas 18, Mrd. m 3 155, Erdöl 88,3 Mrd. t 164,5

30 Nachhaltigkeit und Ökonomie Haushälterischer Umgang mit knappen Ressourcen ist ein zentraler Aspekt von Nachhaltigkeit. Auch das allgemeine ökonomische Prinzip zielt auf die Minimierung des Ressourcenverbrauchs ab. => Kosten und Preise dienen dabei als Maß für die Ressourceninanspruchnahme. Kosten sind aber nur dann ein Maß für die relative Nachhaltigkeit von Energiesystemen wenn alle Kosten, auch die der Umweltinanspruchnahme erfasst sind. => Internalisierung externer Kosten

31 Nachhaltige Energieversorgung wenn Das Potential für die Bereitstellung wirtschaftlicher Energiedienstleistungen für die nächste Generation größer wird Ausweitung der wirtschaftlich nutzbaren Energie- und Rohstoffbasis Die mit der Energiedienstleistung verbundenen Stofffreisetzungen die Assimilationskapazität der Umwelt als Senke nicht überschreiten Die Risiken der Bereitstellung von Energiedienstleistungen für die menschliche Gesundheit kleiner sind als die durch sie vermiedenen natürlichen Risiken Die Energiedienstleistungen mit einer möglichst geringen Inanspruchnahme aller Ressourcen (Quellen und Senken) bereitgestellt werden Relative Nachhaltigkeit von Energiesystemen lässt sich messen am gesamten Ressourcenaufwand je Energiedienstleistung (Rohstoffe, Energie, Arbeit, Umwelt) Vollkosten (private plus externe Kosten)

32 Stromerzeugungstechniken auf dem Prüfstand der Nachhaltigkeit

33 Kumulierter Energieaufwand (KEA) und energetische Amortisationszeit (EAZ) KEA EAZ (ohne Brennstoff) [kwh Prim / kwh el ] [Monate] Steinkohle (43 %) 0,29 3,6 Braunkohle (40 %) 0,17 2,7 Erdgas GuD (57,6 %) 0,17 0,8 Nuklear (DWR, DirEnd.) 0,07 2,9 PV (5 kw) amorph poly 0,62 0, Wind (1 MW) 5,5 m/s 4,5 m/s 0,08 0,18 7,3 16,4 Wasser (3,1 MW) 0,05 13,7 Quelle: Marheineke 2002

34 Gesamter Rohstoff- und Materialaufwand Steinkohle (43 %) Braunkohle (40 %) Erdgas GuD (57,6 %) Nuklear (DWR, dir. Endlagerung) PV poly (5 kw) Wind (1 MW) Wasser (3,1 MW) amorph 5,5 m/s 4,5 m/s Eisen [kg / GWh el ] Kupfer [kg / GWh el ] Bauxit [kg / GWh el ] Quelle: Marheineke 2002

35 Kumulierte Emissionen [g /kwh] für CO2, [mg/kwh] für andere Emissionen CO2 SO2 NOx Staub Steinkohle (43%) Braunkohle (40%) Erdgas GuD (57,6%) Nuklear (DWR DirEnd.) PV (5 kw, poly) PV (5 kw, amorph) Wind (1 MW; 5,5 m/s) Wind (1 MW; 4,5 m/s) Wasser (3,1 MW) PV, poly, 2010 PV, amorph, 2010

36 Gesundheitsrisiken 50 [YOLL/TWh] vor- und nachgelagerte Prozesse Kraftwerksemissionen verlorene Lebensjahre Steinkohle (43%) Braunkohle (40%) Erdgas GuD (57,6%) Nuklear (DWR DirEnd.) PV (poly) PV (amorph) Wind (1 MW; 5,5 m/s) Wind (1 MW; 4,5 m/s) Wasser (3,1 MW)

37 Externe Kosten 3,0 [ -Cent/kWh] 2,5 2,0 1,5 1,0 Basis: CO 2 -Vermeidungskosten 19 Euro/t) Basis: Schadenskosten (2,4 Euro/t) Klimaschäden (Vermeidungskosten) Klimaschäden (Schadenskosten) Materialschäden Ernteverluste Gesundheitsschäden 0,5 0,0 Steinkohle 43% Dampf Braunkohle 40%, Dampf Erdgas GuD 57,6% DWR, DirEnd. poly, 5 kw amorph, 5 kw WEA 1,5 MW(5,5) WEA 1 MW(4,5) Laufwasser 3,1 MW 05/2005

38 Gestehungskosten und Externe Kosten der Stromerzeugung PV (5 kw) Wasser (3,1 MW) Wind (5,5 m/s) Wind (4,5 m/s) Steinkohle (43%) Erdgas GuD (57,6%) Braunkohle (40%) Nuklear (DWR) Stromgestehungskosten und Externe Kosten [ -Cent/kWh] Stromgestehungskosten Externe Kosten Back-up-Kosten

39 Politische Rahmenbedingungen und die zukünftige Entwicklung der Energieversorgung

40 Perspektiven der Entwicklung der Energieversorgung Deutschlands THG-Reduktionsziele: 2010: -21% 2020: -35% 2030: -50% Referenzszenario (REF) Fortschreibung der derzeitigen Energiepolitik Auslaufen der Kernenergienutzung keine Vorgabe von Klimaschutzzielen Präferenz Erneuerbare Energien (PEE) Anteil Erneuerbarer Energien am Nettostromverbrauch steigt auf 30 % Auslaufen der Kernenergienutzung Keine CO 2 -Abtrennung Clean Coal Technologies (CCT) CO 2 -Abtrennung u. Entsorgung zugelassen Auslaufen der Kernenergienutzung Effiziente Ressourcennutzung Kosteneffiziente Erreichung der Reduktionsziele Kernenergie: Laufzeitverlängerung (ERL) Kernenergie: Ausbau möglich (ERA)

41 Entwicklung des Primärenergieverbrauchs nach Energieträgern Primärenergieverbrauch [PJ] REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA Statistik Steinkohle Braunkohle Kernenergie Mineralöle Naturgase Importsaldo Strom Wasserkraft Windenergie Biomasse, Muell Umgebung, PV Geothermie

42 Entwicklung der Energieintensität des Bruttoinlandsproduktes PEV/BIP [MJ/Euro 2000] REF PEE CCT ERL ERA

43 Entwicklung der Treibhausgasemissionen nach Sektoren Energiebedingte THG-Emissionen [Mio. t CO2*] REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA Statistik 2010 (-21%) 2020 (-35%) 2030 (-50%) Energiegewinnung, -umwandl. Industrie Haushalte, GHD Verkehr CO2-Deponierung

44 Entwicklung der Stromerzeugungsstrukturen Nettostrombereitstellung [TWh] REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA Kohlen Kernenergie Heizöl Erdgas Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Geothermie Wasserstoff Biomasse, Müll REG-Import

45 Entwicklung der Kraftwerkskapazitäten Nettoengpassleistung [GWel] REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA REF PEE CCT ERL ERA Kohlen Kernenergie Heizöl Erdgas Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Geothermie Wasserstoff Biomasse, Müll Verbleibende Kapazität des Kraftwerksbestandes 2002

46 Kostenimplikationen Szenario Kumulierte Minderungskosten Marginale Minderungskosten Mittlere Stromgestehungskosten bis 2030 in 2030 in 2030 [Mrd. Euro 00 ] [Euro 00 /t] [Cent 00 /kwh] Referenzszenario (REF) 3,6 Präferenz Erneuerbare Energien (PEE) Clean Coal Technologie (CCT) Effiziente Ressourcennutzung: Laufzeitverlängerung (ERL) Effiziente Ressourcennutzung: Kernenergieausbau (ERA) , , , ,5

47 Schlussbemerkung

48 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

49 Brennstoffpreise - Grenzübergangswerte nach Deutschland 22 G renzübergangswerte im Quartal [EUR/M W h(hu)] Rohöl Erdgas Steinkohle

50 Strompreis 2005 Staatsanteil von 39 % Mehrwertsteuer 13,8 % Durchschnittspreis Privatkunden*: 15,55 kw/h Konzessionsabgabe** 9,6 % Öko-Stromsteuer 11,0 % KWK-Gesetz und EEG 4,7 % Erzeugung / Netze / Vertrieb 60,9 % Quelle: VDEW * Haushaltsstrom bei einer Jahresabnahme von kwh ** Konzessionsabgabensatz je nach Gemeindegröße 1,32 bis 2,39 Ct je KW/h

51 Spotmarktpreise Elektrizität (Tagesdurchschnittspreise) 180 Preis [EUR/MWh] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Quelle: EEX

52 Zubauoptionen aus wirtschaftlicher Sicht

53 Stromerzeugungkosten (life-cycle-cost) (realer Zinssatz 8%/a, Inbetriebnahmejahr 2010) 120 Kosten für Back-up max Stromerzeugungskosten in [ 2003/MWhel] Steinkohle DT (46%) 1) 1) 1) 1) 2) 3) BraunkohleDT (45%) Erdgas GuD (60%) Kernenergie EPR Wind 1,5 MW 5,5 m/s Wind 1,5 MW 6,5m/s Kosten für Back-up min Sonstige variable Betriebskosten Brennstoffkosten fixe Betriebskosten Kapitalkosten (Abschreibung + Stillegung) 1) 7446 Vollaststunden 2) 1504 Vollaststunden 3) 2022 Vollaststunden

54 Stromerzeugungkosten (life-cycle-cost) incl. CO 2 -Kosten (realer Zinssatz 8%/a, Inbetriebnahmejahr 2010) Stromerzeugungskosten in [ 2003/MWhel] Steinkohle DT (46%) 1) 1) 1) 1) 2) 3) BraunkohleDT (45%) Erdgas GuD (60%) Kernenergie EPR Wind 1,5 MW 5,5 m/s Wind 1,5 MW 6,5m/s Kosten für einen CO2- Zuschlag von 20 /t Kosten für einen CO2- Zuschlag von 10 /tco2 Kosten für Back-up max Kosten für Back-up min Sonstige variable Betriebskosten Brennstoffkosten fixe Betriebskosten Kapitalkosten (Abschreibung + Stillegung) 1) 7446 Vollaststunden 2) 1504 Vollaststunden 3) 2022 Vollaststunden

55 Einflussfaktoren auf Investitionsentscheidungen in der Elektrizitätswirtschaft Risiko von KW-Ausfällen Brennstoffpreisrisiken Mengenrisiken Stromnachfrage Strompreisrisiken Technikentwicklung: Kosten, Wirkungsgrade? KW-Investitionen Strategien der Wettbewerber Kernenergieausstieg Förderung Erneuerbare, KWK Klimaschutz Steuern und Abgaben Marktrisiken Politische Unsicherheiten

56 Entwicklung der Kosten von Windenergieanlagen Durchschnittlicher spez. Listenpreis [ 2001/kW] Durchschnittlicher spez. Listenpreis für in Deutschland installierte Windenergieanlagen inkl. Anlieferung und Montage Quelle: Neij 2003, Bundesverband WindEnergie e.v.

57 Lernkurve Windenergie (mittels Regression) Spez. Investitionskosten [ 2001/kW] Empirische Daten Progress Ratio = 0,895 Progress Ratio = 0,909 Progress Ratio = 0, Kumulierte installierte Windenergie-Leistung weltweit [MW]

58 Strompreis 2003 Staatsanteil von 41 % Mehrwertsteuer 14 % Konzessionsabgabe** 11 % Öko-Stromsteuer 12 % KWK-Gesetz und EEG 4 % Durchschnittspreis Privatkunden*: Quelle: VDEW * Haushaltsstrom bei einer Jahresabnahme von kwh ** Konzessionsabgabensatz in Städten zwischen und Einwohnern 17,12 ct/kwh Erzeugung / Netze / Vertrieb 59 %