Herausforderung Energie: Sind wir auf dem Weg zu einer klimaverträglichen und nachhaltigen Energieversorgung?

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1 Herausforderung Energie: Sind wir auf dem Weg zu einer klimaverträglichen und nachhaltigen Energieversorgung? Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart Wissenschaft im Rathaus Stuttgart, 10. Juni 2009 Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie

2 Energiesituation - Ausgangslage Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

3 Entwicklung des Primärenergieverbrauchs und der Energieintensität in Deutschland Primärenergieverbrauch [PJ/a] Entwicklung der Energieintensität [1990=100] Steinkohlen Braunkohlen Kernenergie Mineralöle Naturgase Wasser/Wind Sonstige PEV/BIP Quelle: AG Energiebilanzen (2008), BMWi (2008), eigene Berechnungen Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

4 Bruttostromerzeugung in Deutschland Heizöl / Sonstige 5.7% Erdgas 6.5% Erneuerbare Energien 3.4% Steinkohle 25.6% Erdgas 11.9% Erneuerbare Energien 14.1% Steinkohle 22.3% Kernenergie 27.7% Braunkohle 31.1% Heizöl / Sonstige 5.2% Kernenergie 22.1% Braunkohle 24.4% Gesamt: 550 TWh Gesamt: 637 TWh Quelle: AG Energiebilanzen (2008) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

5 Energiesituation - Ausgangslage Energieversorgung CO 2 -Emissionen und Klimaschutz Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

6 CO 2 -Emissionen in Deutschland Steinkohle Braunkohle Mineralöle Gase Energiebedingte CO2-Emissionen in Deutschland [Mill. t CO2] Quelle: UNFCCC (2008), BMWI (2008), UBA (2008), AGEB (2007), eigene Berechnungen Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

7 CO2-Emissionen in Europa: Ausgewählte Länder (2006) CO2 je Einwohner [t/capita] ,3 4,9 9,7 4,0 8,0 energiebedingte CO2-Emissionen 2 je je Einwohner CO2-Emissionen 2 der Stromerzeugung je je Einwohner 6,1 5,9 5,2 2, ,7 0,9 0,22 Dänemark Deutschland EU-27 Frankreich Schweden Schweiz Quelle: Eigene Berechnungen nach EU-Kommission (2009) und EUROSTAT (2009). CO 2 der Stromerzeugung umfasst hier jeweils Emissionen aus öffentlicher Strom- u. Wärmeerzeugung Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

8 Energiesituation - Ausgangslage Energieversorgung CO 2 -Emissionen und Klimaschutz Energiepreise Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

9 Strompreis für Haushalte Durchschnittlicher Strompreis eines Drei-Personen-Haushaltes mit einem Jahresverbrauch von kwh/a in Cent/kWh 17,11 16,53 1,79 2,33 0,08 0,77 1,79 2,28 18,66 19,46 20,64 21,65 2,05 17,96 2,05 0,20 17,19 2,05 0,29 1,17 16,11 2,05 0,31 0,98 2,05 1,79 0,88 2,05 1,79 0,69 13,94 14,32 0,34 0,09 0,31 1,79 0,33 0,51 1,79 0,25 0,42 3,46 1,79 1,79 1,79 3,30 1,28 1,53 0,35 0,13 0,20 1,79 2,68 0,20 0,25 2,48 2,57 1,79 1,79 2,37 2,22 1,92 1,97 Stromsteuer KWKG* EEG Konzessionsabgabe MWSt Erzeugung, Transport, Vertrieb 12,91 11,60 8,62 8,58 9,71 10,23 10,82 11,22 11,75 12,23 12, Quelle: BDEW, Stand 7/2008 *Gesamtbelastung durch KWKG ab 2002, gesunken; durch Entlastung Industrie steigende Belastung für Haushalte Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

10 Industrie-Strompreise in der EU in 2007 Irland Deutschland Großbritannien Italien Niederlande Österreich Ungarn EU-27 Tschech. Rep. Polen Belgien Spanien Portugal Frankreich Finnland Schweden Strompreis ohne Steuern / Abgaben Steuern / Abgaben Quelle: Eurostat (2008), neue Erhebungsmethodik cent/kwh MWh < Jahresverbrauch < MWh Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

11 Optionen für die zukünftige Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

12 Entwicklungen der Windenergie in Deutschland Kumulierte Leistung Stromerzeugung Kumulierte Leistung [MW] / Stromerzeugung [GWh] Spezifische Investitionskosten Spez. Investitionskosten [ 07/kW] Quelle: Bundesverband Windenergie e.v. Wind Power Monthly, Jan Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

13 Kosten des Windstroms (onshore) Erzeugungskosten (je nach Standort) 7,6 bis 12,7 ct / kwh Back-up-Kosten für gesicherte Leistung 1,0 bis 2,0 ct / kwh Netzausbau und Netzverluste ca. 0,2 ct / kwh ca. 9 bis 15 ct / kwh Quelle: Voß et al. (2007) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

14 Lernkurve Windenergie Spez. Investitionskosten [ 2005/kW] Wirtschaftlichkeitsgrenze ca /kw rd Mrd. global Empirische Daten Lernkurve (PR = 0,902) ca GW Kumulierte Windenergie-Leistung weltweit [GW] ca GW GW Kraftwerksleistung weltweit (2006) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

15 Photovoltaik Mono- und multikristalline Si-Zellen heute marktbeherrschende Zelltypen i. Modulwirkungsgrade: % ii. Spez. Investitionskosten: /kwp (Freiflächenanlagen) /kwp (Dachanlagen) iii. Installierte Leistung (2008): ca. 5 GW P iv. Stromerzeugung (2008): ca. 4 TWh Kostenreduktion durch i. Verbesserte Herstellungsverfahren ii. Dünnschichtsolarzellen aus dünnem kristallinen Silizium Cadmiumtellurid CdTe Kupfer-Indium-Diselenid CIS Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

16 Biomassepotenziale und -nutzung 2007 Endenergiebereitstellung 2007 Kraftstoff 167 PJ Biodiesel Abfall gasförmig Pflanzenöl Ethanol flüssig fest fest 589 PJ Strom 82 PJ flüssig gasförmig Abfall Wärme 340 PJ *: Bei einer Fläche von 2,5 Mio. ha und einem Energiepflanzenmix, Nutzung im Jahr 2007: 1,7 Mio.ha Quelle: BMU 2009, Aretz und Hirschl 2007, Mantau 2007, Statistische Bundesamt 2009, FNR 2008 Technisches Gesamtpotenzial: PJ/a Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima PJ/a Biomassepotenzial Holz Technisches Potenzial Nutzung Energie- Pflanzen* Reststoffe/ Abfall 03/09

17 Gestehungskosten von Strom, Wärme und Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien Kraftstoffe Strom Wärme Gestehungskosten (EURct/kWh) Referenz: Diesel u. Benzin RME BTL Ethanol Wind (Onshore) Referenz: Fossile Kraftwerke PV Holz HKW (1-5 MW) Referenz: Zentralheizung Öl u. Erdgas Biogas Gülle BHKW Ztr.-Hzg. 15kW Solarkoll. (5-100m2) (0,1-0,5 MW) (Scheitholz- Pellets) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Solarkoll. mit sais. Speicher (2000m2) Quelle: FNR 2006, MWV 2009, Staiß /09

18 Fossile Kraftwerke: Technologische Weiterentwicklungen Wirkungsgradsteigerung: z.b. steinkohlebefeuerte Kraftwerke Ø EU heute 38% ΔCO 2 heute verfügbare Technik 45% -15% Ziel 2020 >50% -24% CCS Wirkungsgradverlust: 5 bis 14 %-Punkte CO 2 -Vermeidungskosten: 35 bis 50 /t CO 2 Bild zitiert nach VGB (2006) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

19 Weiterentwicklungen bei der Kernenergie Verbesserte Sicherheit ( katastrophenfreie KKW) Steigerung der Wirtschaftlichkeit Höhere Proliferationsresistenz Bessere Uranausnutzung Signifikante Reduktion der Langzeit-Radiotoxizität der Abfälle Generation I verschiedene Prototypen Generation II kommerzielle Leistungsreaktoren Generation III fortgeschrittene Leistungsreaktoren Gen III+ evolutionäre Konzepte Generation IV - Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox - LWR-DWR, SWR - CANDU - VVER/RBMK - ABWR - V N 4 - EPR - SWR CANDU-6/9 Einsatz ab Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

20 Nachhaltige Energieversorgung was ist darunter zu verstehen? Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

21 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 Lebensgrundlagen in Einklang zu bringen. Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

22 Nachhaltige Energieversorgung wenn das Potenzial für die Bereitstellung von Energiedienstleistungen für die nächste Generation größer wird Ausweitung der wirtschaftlich nutzbaren Energie- und Rohstoffbasis die mit der Energienutzung verbundenen Stofffreisetzungen die Assimilationskapazität der Umwelt als Senke nicht überschreiten die Energiedienstleistungen mit möglichst geringem Ressourcenaufwand, einschließlich der Ressource Umwelt bereitgestellt werden Relative Nachhaltigkeit von Energiesystemen lässt sich messen am gesamten Ressourcenverbrauch je Energieeinheit Vollkosten sind Maß für relative Nachhaltigkeit Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

23 Stromerzeugungssysteme auf dem Prüfstand der Nachhaltigkeit Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

24 Spezifischer kumulierter Energieaufwand (KEA) 1) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 [kwhprim/kwhel] Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD-Kraftwerk Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1 MW 1) Herstellung, Entsorgung und Brennstoffbereitstellung Quelle: IER 2005/07 Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

25 Gesamter Rohstoff- und Materialaufwand Eisen Kupfer Bauxit [kg/gwh el ] [kg/gwh el ] [kg/gwh el ] Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1 MW Quelle: IER 2005/07 Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

26 Kumulierte Emissionen 1200 CO 2 [g / kwh]; SO 2, NOx [mg / kwh] Kohlendioxid Schwefeldioxid Stickoxide Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1MW Quelle: IER 2005/07 Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

27 Externe Kosten 3,0 2,5 2,0 Basis: CO2-Vermeidungskosten 19 Euro/t Klimaschäden (Vermeidungskosten) Klimaschäden (Schadenskosten) Materialschäden Ernteverluste Gesundheitsschäden [ -Cent/kWh] 1,5 1,0 0,5 0,0 Steinkohle- Kraftwerk Braun kohle- Kraftwerk Erdgas GuD DWR mit dir. Endl. Holz-HKW PV poly 5 kw WEA 1500 kw (5,5) WEA 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1 MW Quelle: IER 2005/07 Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

28 Gesamtkosten der Stromerzeugung Zinssatz: 7,5% Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD DWR mit dir. Endl. Holz-HKW PV-Dachanlage WEA 1500 kw (4,5) WEA 1500 kw (5,5) Laufwasser 3,1 MW Stromgestehungskosten Externe Kosten (ohne Klimaschäden) Klimaschäden - Vermeidungskosten Back-up-Kosten Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima /2009

29 Wege zu einer nachhaltigen und klimaverträglichen Energieversorgung in Deutschland Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

30 Charakterisierung der Szenarien Referenzszenario (REF) Fortschreibung der derzeitigen Energiepolitik Auslaufen der Kernenergienutzung keine weiteren Klimaschutzziele THG- Reduktionsziele: 2010: -21% 2020: -40% 2030: -50% Präferenz Erneuerbare Energien Steigende Beiträge Erneuerbarer Energien i. Primärenergie 16% in 2020 ii. Stromerzeugung 25-30% in 2020 Auslaufen der Kernenergienutzung, keine CO 2 -Abtrennung CO 2 -arme Kohlenutzung CO 2 -Abtrennung u. Entsorgung zugelassen Auslaufen der Kernenergie (PEE) (CKN) Effiziente Ressourcennutzung (ER) Kosteneffiziente Erreichung der Reduktionsziele Kernenergie: Laufzeitverlängerung (ERL) Kernenergie: Ausbau möglich (ERN) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

31 Preisentwicklung fossiler Energieträger [ 2000/GJ] [$2007/bbl (Öläquivalent)] Erdöl Erdgas Steinkohle Erdöl Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

32 Primärenergieverbrauch nach Energieträgern Primärenergieverbrauch [PJ] REF PEE CKN ERL ERN REF PEE CKN ERL ERN Steinkohle Braunkohle Kernenergie Mineralöle Naturgase Importsaldo Strom Wasserkraft Windenergie Biomasse, Müll Geothermie Solar Photovoltaik Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

33 Energieintensität des Bruttoinlandsproduktes PEV/BIP [MJ/EUR2000] Anm.: PEV nach Wirkungsgradmethode REF PEE CKN ERL ERN Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

34 Nettostrombereitstellung nach Energieträgern 700 Nettostrombereitstellung [TWh] REF PEE CKN ERL ERN REF PEE CKN ERL ERN Steinkohle Braunkohle Kernenergie Heizöl Erdgas Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Geothermie Biomasse, Müll Importsaldo Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

35 Anteil der Importe fossiler Energieträger am Primärenergieverbrauch in Prozent Anteil am PEV [%] REF PEE CKN ERL ERN Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima

36 Kumulierte Treibhausgasminderungskosten und mittlere Stromgestehungskosten der verschiedenen Szenarien Szenario Referenzszenario (REF) CO 2 -arme Kohlenutzung (CKN) Präferenz Erneuerbare Energien (PEE) Effiziente Ressourcennutzung: Laufzeitverlängerung (ERL) Effiziente Ressourcennutzung: Kernenergieausbau / Laufzeitverlängerung (ERN) * Moderate Energiepreise Kumulierte Minderungskosten bis 2030 [Mrd. Euro 00 ] * Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima * 19* -56* Mittlere Stromgestehungskosten 2030 [Cent 00 /kwh] 4,8 5,5 7,1 4,6 3,3 4,7* 5,4* 5,8* 5,4* 2,1*

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima