Energieversorgung in einer globalisierten Welt. Beitrag der Forschung am KIT

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1 Energieversorgung in einer globalisierten Welt. Beitrag der Forschung am KIT Colloquium Fundamentale 2008 Erleuchtung oder Blackout? Energieversorgung der Zukunft Dr. Peter Fritz Mitglied des Vorstands und des Rektorats der Universität Karlsruhe (TH) 1 Colloquium Peter Fritz Fundamentale, Colloquium Universität Fundamentale Forschungszentrum Karlsruhe GmbH

2 Inhalt Einführung Szenarien verfügbarer, bisher genutzter Energiequellen Nutzung erneuerbarer Energiequellen CO 2 - Reduktionsziele / Regionale Szenarien Energieforschung am Karlsruhe Institute of Technology Ein Ausblick- 2 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

3 Milliarden 3 Peter Fritz Colloquium Fundamentale Quelle: WNA

4 Milliarden 4 Peter Fritz Colloquium Fundamentale Quelle: WNA

5 Milliarden 5 Peter Fritz Colloquium Fundamentale Quelle: WNA

6 Bevölkerungswachstum, Primärenergieverbrauch und Stromverbrauch Mrd. kwh Strom Primärenergie Weltbevölkerung Mrd. kwh 16 Mrd. t SKE 1 ) 21 Mrd. t SKE 1 ) 7.6Mrd. Weltbevölkerung 6.5 Mrd. Weltbevölkerung ) Steinkohleeinheiten Quelle: WNA, UN, IEA, Siemens PG 6 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

7 Energieverbrauch nach Weltregionen Mio. t Öläquivalent OECD Schwellenländer Mittlerer Osten China restliches Asien Lateinamerika Afrika Schifffahrt Quelle : IEA 7 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

8 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern 30 erneuerbare Energien 25 Wasserkraft Erdgas Milliarden t SKE Öl Kohle Kernkraft 90 % 70 % fossile Primärenergie Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 8 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

9 Szenarien verfügbarer, bisher genutzter Energiequellen 9 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

10 Öl 10 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

11 Konventionelles Erdöl - Welt - Gesamtpotential und Verfügbarkeit Ressourcen: Teil der Gesamtressourcen, der entweder nachgewiesen, aber derzeit nicht wirtschaftlich gewinnbar ist, geologisch indiziert wurde, als In situ-menge erfasst oder sonstig nicht dem Reservenbegriff zuzuordnen ist. Gt Ressourc 76 Gt Reserve 152 Gt Produktion 2025 bei Wachstum 0% 2% 4% 6% 100% 50 50% Reserven: Teil der Gesamtressourcen, der mit großer Genauigkeit erfasst wurde und mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden kann. Synonym sind gebräuchlich: bauwürdig ausbringbare Reserven, sicher und wahrscheinlich gewinnbare Vorräte Geförder 122 Gt 01/01/ /31/1999 0% Quelle : 11 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

12 Entwicklung des durchschnittlichen Energieverbrauchs pro Person in Indien Quelle : IEA 12 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

13 Ölbilanz in Indonesien Import Abhängigkeit % Mio. barrels / Tag Netto Export Netto Import Verbrauch Quelle: IEA Peter Fritz Colloquium Fundamentale

14 Das Gesamtpotenzial konventionellen Erdöls 2006 (392 Gt) differenziert nach Regionen Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (12/2007) 14 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

15 15 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

16 Entwicklung der Erdölpreise für OPEC Basket in $ und Euro je Barrel sowie der OPEC-10 Förderquote (Monatsmittel) 122 $ / b 76 / b 7. Mai 2008 Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (12/2007) 16 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

17 Historischer Verlauf von Ölfunden (erwiesen und wahrscheinlich) und -förderung 1) Steinkohleeinheiten 17 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

18 Die weltweite Erdölförderung von Peter Fritz Colloquium Fundamentale

19 Das Erdölzeitalter im Zeitfenster von 2500 Jahren Quelle:BGR 19 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

20 Gas 20 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

21 Konventionelles Erdgas - Welt - Gesamtpotential und Verfügbarkeit Produktion 2025 bei Wachstum 100% Ressource 222 Bill. Bill % 50% 100 Reserven 153 Bill. 0% 2% 4% Gefördert 65 Bill. 01/01/ /31/1999 0% Quelle : 21 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

22 Erdgasvorkommen 1999 Norwegen Großbritannien Russland km Niederlande km Deutschland km Kasachstan Ukraine Usbekistan Frankreich Rumänien Aserbaidschan Turkmenistan Datenquelle: Prof. Vahrenholt, RE Power Systems Algerien Libyen Ägypten 22 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

23 Erdgasvorkommen 2010 Norwegen Großbritannien Russland km Niederlande km km Kasachstan Ukraine Usbekistan Aserbaidschan Turkmenistan Datenquelle: Prof. Vahrenholt, RE Power Systems Algerien Libyen Ägypten 23 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

24 Erdgasvorkommen 2025 Russland km km km Turkmenistan Datenquelle: Prof. Vahrenholt, RE Power Systems 24 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

25 Erdgasversorgung Deutschlands aus dem Osten 25 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

26 Gesamtpotenzial konventionellen Erdgases 2006 differenziert nach Regionen Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (12/2007) 26 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

27 Länder mit Erdgasreserven > 1 Bill. m 3 Strategische Ellipse > 1 5 Billion m 3 > 5 10 Billion m 3 > 20 Billion m 3 mit ca. 70 % der Welterdölreserven und ca. 65 % der Quelle : 27 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

28 Kohle 28 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

29 Regionale Differenzierung des Gesamtpotenzials an Hartkohle 2006 Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (12/2007) 29 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

30 Zeitliche Entwicklung der Installation modernster Kohlekraftwerke EU: europäische Technologie (ohne Japan) Akkumulierte Leistung [MW] JP: Japan CL: China lokal Bestelljahr Quelle: Dr. Gasteiger; Alstom VGB-Kongress Okt Peter Fritz Colloquium Fundamentale

31 Regionale Differenzierung des Gesamtpotenzials an Weichbraunkohle 2006 Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (12/2007) 31 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

32 Uran 32 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

33 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern 30 erneuerbare Energien 25 Wasserkraft Erdgas Milliarden t SKE Öl Kohle Kernkraft 90 % 70 % fossile Primärenergie % Steigerung Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 33 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

34 Regionale Differenzierung des Gesamtpotenzials an Uran 2006 Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (12/2007) 34 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

35 Kernkraft weltweit (440 in Betrieb / 32 in Bau / > 70 in Planung) Kanada (18 / 0 / 2) Wiederinbetriebnahme von 6 stillgelegten KKW geplant; 8 neue KKW bis 2024 geplant Russland (31 / 7 / 8) 13 Reaktoren erhalten Lebensdauerverlängerung um 15 Jahre; Programm zum Bau von neuen KKW China (11 / 5 / 13) Planungen von bis zu 50 Neubauten bis 2020; Entwicklung und Bau eines Hochtemperaturreaktors bis 2010 USA (104 / - / unbestimmt) Bereits 40 Reaktoren mit Lebensdauerverlängerung; Novelliertes Genehmigungsverfahren; Programm Nuclear Power 2010 mit 1 Mrd. $ Förderung des Genehmigungsverfahrens Südafrika (2 / - / 1) Kugelhaufenreaktor Indien (17 / 6 / 4) Bau eines Schnellen Brutreaktors; Weitere KKW mit insgesamt 15 GW bis 2020 geplant Japan (55 / - / 11) Ziel ist Deckung von 60 % des Strombedarfs durch Kernenergie bis 2050 Südkorea (20 / 4 / 7) Programm zum Bau von 10 KKW bis 2011; Ziel: 40% des Stroms aus KKW Quelle: WirtschaftsWoche, 18. Februar Peter Fritz Colloquium Fundamentale

36 Kernkraft in Europa (in Betrieb / in Bau / in Planung) 36 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

37 Statische Reichweite von Energieträgern weltweit Erdöl konventionell konv. + nicht konv. Erdgas konventionell = Reserven =Ressourcen konv. + nicht konv. Uran konv Brüter-T. ~ ~ Steinkohle Braunkohle >200 >1000 Jahre Quelle : 37 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

38 Nutzung erneuerbarer Energiequellen 38 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

39 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern 30 erneuerbare Energien 25 Wasserkraft Erdgas Milliarden t SKE Öl Kohle Kernkraft 90 % 70 % fossile Primärenergie Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 39 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

40 Milliarden t SKE Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern erneuerbare Energien Wasserkraft Erdgas Öl Kohle Kernkraft Sonstige 0,5 % Biomasse 10,4 % Gezeiten 0,0004% Wind 0,0645% Solar 0,039% Geothermie 0,414% Wasserkraft 2,2 % Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 40 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

41 Windkraftwerke in Deutschland Fast die Hälfte des in der EU durch Windkraft erzeugten Stroms stammt aus Deutschland Ein Drittel des weltweit durch Windkraft erzeugten Stroms stammt aus Deutschland Quelle: ISET 41 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

42 EE-Erzeugungskosten und EE-Investitionen Maximale regionale Differenz > 12 ct / kwh Quelle: Prof. Bettzüge, Wintertagung des Deutschen Atomforums Peter Fritz Colloquium Fundamentale

43 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern Gezeiten 0,0004% Wind 0,0645% 30 erneuerbare Energien Sonstige 0,5 % Solar 0,039% Wasserkraft Erdgas Öl Kohle Geothermie 0,414% Milliarden t SKE Kernkraft Biomasse 10,4 % Wasserkraft 2,2 % Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 43 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

44 Solarthermisches Kraftwerk in Almeria, Spanien Zwei Solarkraftwerke mit jeweils 0,5 MW elektrischer Leistung Quelle: DLR 44 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

45 Solarstromerzeugung in Deutschland In Deutschland wurden in % aller weltweit installierten Photovoltaikanlagen betrieben betrug der Anteil der Solarstromerzeugung in Deutschland 0,21% der insgesamt erzeugten Strommenge. Steigerung in 2007 auf 0,3%. 45 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

46 EE-Erzeugungskosten und EE-Investitionen Maximale regionale Differenz > 30 ct / kwh Quelle: Prof. Bettzüge, Wintertagung des Deutschen Atomforums Peter Fritz Colloquium Fundamentale

47 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland % der Gesamtstromerzeugung in Deutschland 28,2 % 19,6 % 11,1 % 0 % 47 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

48 Kosten Erneuerbarer Energien Marktpreis Quellen: Erfahrungsbericht EEG 2007 (Auszüge) BMU, EnBW 48 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

49 EEG-Strommengen und Vergütungszahlungen Quellen: BDEW / VDN (Stand: Juni 2007), EnBW 49 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

50 Veränderung des weltweiten Energieerzeugung bis Peter Fritz Colloquium Fundamentale

51 Allensbach-Studie zur Energieversorgung und Energiepolitik Welche Energieform wäre nach Ihrer Meinung ideal als tragende Säule einer langfristigen Energieversorgung geeignet? (Mehrfachangaben möglich) Sonne Wind Wasserkraft Erdgas Kernenergie Erdöl Peter Fritz Colloquium Fundamentale

52 Allensbach-Studie zur Energieversorgung und Energiepolitik Welche Energieform wird nach Ihrer Meinung tatsächlich den den größten Beitrag zum Energiemix der nächsten 20, 30 Jahre leisten? (Mehrfachangaben möglich) Sonne Wind Erdgas Kernenergie Peter Fritz Colloquium Fundamentale

53 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern Gezeiten 0,0004% Wind 0,0645% 30 erneuerbare Energien Sonstige 0,5 % Solar 0,039% Wasserkraft Erdgas Öl Kohle Geothermie 0,414% Milliarden t SKE Kernkraft Biomasse 10,4 % Wasserkraft 2,2 % Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 53 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

54 Erdwärme - der Ofen unter unseren Füßen mehr als 99 % der Erdmasse sind wärmer als 1000 C 3 Temperaturanstieg je 100 m Tiefe (in der Erdkruste) Herkunft der Erdwärme: oberflächennah vor allem Sonnenenergie vor allem natürlicher radioaktiver Zerfall in Erdkruste und mantel (U, Sr, Th, Rb, ) zum Teil Gravitationsenergie aus der Bildungszeit der Erde (wird nicht ersetzt) Quelle: EnBW 54 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

55 Die Welt vom Peter Fritz Colloquium Fundamentale

56 Geothermie (38 MW thermisch / 3,4 MW elektrisch) Quelle: Handelsblatt (19. April 2008) 56 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

57 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern Gezeiten 0,0004% Wind 0,0645% 30 erneuerbare Energien Sonstige 0,5 % Solar 0,039% Wasserkraft Erdgas Öl Kohle Geothermie 0,414% Milliarden t SKE Kernkraft Biomasse 10,4 % Wasserkraft 2,2 % Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 57 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

58 58 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

59 Preisentwicklung von Nahrungsmitteln 59 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

60 Globaler Energieverbrauch nach Primärenergieträgern 30 erneuerbare Energien 25 Wasserkraft Erdgas 20 Öl Kohle Milliarden t SKE Kernkraft 90 % 70 % fossile Primärenergie Quelle: BP (bis 2003), World Energy Council 60 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

61 Mengenströme (pro Tag) für ein 700 MW Kraftwerk Kohle t Kalk 224 t 150 Wagons Konventionelles Kohlekraftwerk (η = 40%) SO 2 10,6 t 2 NO x 10,6 t Asche 605 t Gips 325 t CO t Basis: Steinkohle 73% C, 1,2% S, 10% Asche, Hu 25 MJ/kg Quelle: Uhde 61 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

62 Verwertungs- oder Entsorgungsmöglichkeiten für CO 2 Quelle: VGB Power Tech, CO 2 Capture and Storage, Peter Fritz Colloquium Fundamentale

63 CO 2 Speicherung im Sleipner-Feld 63 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

64 Effizienzsteigerung / Wirkungsgradverlust durch CO 2 Abtrennung spez. CO 2 -Emission t CO 2 MWh 1, Jahre Effizienzsteigerung 150 MW 300 MW 600 MW bis 2020 Effizienzsteigerung Status quo: BoA BoA-Plus 700 C + BoA Plus IGCC jenseits 2020 Hybrid-KW 0,5 CO 2 -Abtrennung/Lagerung BoA mit Wäsche Oxyfuel IGCC mit CO 2 -Abtrennung Wirkungsgrad in % Die CO 2 -Minderung durch Abtrennung bietet zusätzlich Potential, aber der Preis: kostet rd. 50 Jahre Effizienzsteigerung. ca. 1/3 höherer spez. Ressourcenverbrauch. etwa Verdoppelung der spez. Stromerzeugungskosten. Akzeptanzfrage der CO 2 -Lagerung. Quelle: RWE 64 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

65 Gesamt-FuE-Bundesmittel für Energieforschung in Deutschland (BMWA, BMBF, BMU, BMVEL) [Mio. ] Kernfusion - Nukleare Energieforschung - Erneuerbare und rat. Energieverw. - Kohle und andere fossile Energieträger Quelle: BMWA, Energiedaten 2004; 5. Energieforschungsprogramm Juni Peter Fritz Colloquium Fundamentale

66 EEG-Strommengen und Vergütungszahlungen Quellen: BDEW / VDN (Stand: Juni 2007), EnBW 66 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

67 CO 2 -Reduktionsziele / Regionale Szenarien 67 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

68 Reduktion der CO 2 -Emissionen in Deutschland Nur CO 2 Reduktion in % Ziele der Bundesregierung Deutschland Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov Peter Fritz Colloquium Fundamentale

69 Reduktion der CO 2 -Emissionen in Deutschland Nur CO 2 Reduktion in % Ziele der Bundesregierung Deutschland Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov Peter Fritz Colloquium Fundamentale

70 Reduktion der CO 2 -Emissionen in Deutschland Nur CO 2 Reduktion in % Ziele der Bundesregierung Deutschland Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov Peter Fritz Colloquium Fundamentale

71 Gefälle der Super Bleifrei (95) - Preise zu den Nachbarländern DK -0,10 Stand: 8. Mai 2008 Quelle: ADAC 71 Peter Fritz Colloquium Fundamentale NL +0,05 B -0,09 L -0,21 F -0,30 Deutschland 1,49 /l CH -0,27 CZ -0,34 A -0,20 PL -0,34

72 Laufzeiten der KKW in Deutschland Obrigheim Stade Biblis A Neckarwestheim-1 Biblis B Brunsbüttel Isar-1 Unterweser Philippsburg 1 Grafenrheinfeld Krümmel Grundremmingen B Grundremmingen C Grohnde Philippsburg 2 Brokdorf Isar 2 Emsland Neckarwestheim 2 (11. Mai 2005) (14. Nov. 2003)? 74 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

73 Energiesituation in Deutschland Quelle: Handelsblatt, Peter Fritz Colloquium Fundamentale

74 Aktuelle Kraftwerksprojekte (Inbetriebnahmen bis 2015) Quelle: Handelsblatt, Peter Fritz Colloquium Fundamentale

75 Entwicklung des Kraftwerksparks bis 2030 konstante Stromnachfrage + Atomausstieg Quelle: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) 83 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

76 Entwicklung des Kraftwerksparks bis 2030 konstante Stromnachfrage + Laufzeitverlängerung Quelle: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) 84 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

77 Energieforschung am Karlsruhe Institute of Technology - Ein Ausblick - 85 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

78 Energie- und Atmosphärenforschung 86 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

79 Rohstoffe der Kernfusion für den Jahresverbrauch einer Familie (Elektrizität) 75 mg Deuterium 225 mg Lithium zu finden in: 2 Litern Wasser und 250 g Gestein Energiegehalt: Millionen Joule entsprechend Litern Öl Quelle: Forschungszentrum Jülich 87 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

80 Brennstoffverbrauch und Ressourcen der Deuterium/Tritium-Fusion Jahresverbrauch für ein Fusionskraftwerk mit einer Leistung von 1000 MW 100 kg Deuterium und 150 kg Tritium 150 kg Tritium wird aus 300 kg 6 Li mit der Brutreaktion 6 Li + n 4 He + T gewonnen Steinkohlekraftwerk zum Vergleich: Tonnen Kohle pro Jahr Vorrat Verfügbarkeit bei heutigem Verbrauch Deuterium in Ozeanen 5 x kg 45 Milliarden Jahre Lithium in Landmasse kg Jahre Lithium in Ozeanen kg 30 Millionen Jahre Quelle: Forschungszentrum Jülich 88 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

81 Technologien für Fusionsreaktoren Kosten von ITER: Bau: Σ ~ 5. Mrd. / 10 Jahre - 32 % EU - 28 % Frankreich (Sitzstaat) - je 8 % USA, Rußland, China, Südkorea und Japan Betrieb: Σ ~ 5. Mrd. / 20 Jahre ITER, Cadarache, Frankreich 89 Peter Fritz Colloquium Fundamentale

82 Strategie auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der Fusionsenergie ITER-Bau ITER-Betrieb DEMO experimentelle Stromerzeugung PROTO Kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie Peter Fritz Colloquium Fundamentale

83 Im Verlauf dieses Vortrags wurden kwh Primärenergie verbraucht wurden t CO 2 in die Atmosphäre abgegeben wurden mehr als neue PKW und LKW produziert erhöhte sich die Weltbevölkerung um Menschen 91 Peter Fritz Colloquium Fundamentale