Klimaschutz durch eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien

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1 Klimaschutz durch eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien 14. November 2009, Evangelische Akademie Tutzing Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, Berlin

2 Inhalt 1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems 2) Das globale Potential erneuerbarer Energien 3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien 4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien 5) Die Transformation der Energiesysteme

3 CO 2 Emissionen pro Kopf Stand heute Quelle: WBGU, 2009

4 CO 2 Emissionen pro Kopf Beispiele für verbleibende Budgets Quelle: WBGU, 2009

5 CO 2 Emissionen pro Kopf Ländergruppen Quelle: WBGU, 2009

6 CO 2 Emissionen pro Kopf Ländergruppen mit Emissionshandel Quelle: WBGU, 2009

7 Kosten des Emissionshandels & Rolle der Industrieländer Gruppe EINS kauft z.b. 120 Gt CO 2 für insgesamt Mrd. Euro bei einem CO 2 Preis von Euro pro t Gruppe EINS umfasst 1,5 Mrd. Menschen Investition pro Kopf im Mittel: Euro für 40 Jahre jährlich: Euro Industrieländer: vorbildliches Handeln ist Voraussetzung für eine Umsetzung von int. verbindlichen Klimaschutzzielen Wirtschaftliche Entwicklung vom Emissionsausstoß entkoppeln Signalwirkung: Wirtschaftlich erfolgreiches Deutschland auf Basis von erneuerbaren Energien Quelle: WBGU, 2009

8 Globale Emissionen & erforderliche Reduktionen Energiesysteme (Strom, Wärme, Transport) Jährliche Emissionen: 50 Gt CO 2-eq. Begrenzung der Erderwärmung auf 2 C Budget bis 2050: 1,300 Gt CO 2-eq. Energie-Budget: ca. 700 Gt CO 2-eq. Landnutzung (Land- und Forstwirtschaft, Abfall) Quelle: Sterner, 2009

9 Energiebedingte Emissionen zwischen 1750 und 2006 Quelle: Sterner, 2009

10 Globaler Primärenergiebedarf - Wirkungsgradmethode Wasserkraft: 3110 TWh Kernkraft: 2970 TWh (thermodynamisch umstritten, bzw. nicht korrekt) Quelle: IEA, 2008, * other renewables Quelle: Sterner, 2009

11 Globaler Primärenergiebedarf - Substitutionsmethode (thermodynamisch korrekt) Quelle: BP, 2008; REN21, 2008; GWEC, 2008 Quelle: Sterner, 2009

12 Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (1) Energieeffizienz Energieeinsparungen ohne Komforteinbußen Kernkraft Energiebeitrag global: knapp 6% Verdoppelung spart im Idealfall 6% fossile Energieträger ein 6% von 67% Emissionen sind 4% 4% Emissionsreduktion durch die Verdoppelung der Kernkraft Verdoppelung der ungelösten Probleme (Ressourcenknappheit, Proliferation, GAU & Terror, Entsorgung) Quelle: Sterner, 2009

13 Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (2) Saubere fossile Energie durch CCS Nur etwa 80% können abgetrennt werden Für nur etwa 50% der fossilen CO 2 -Emissionen praktikabel (50% aus verteilen & mobilen Quellen) maximal 40% CO 2 (ca. 13% globaler THG) vermeidbar Global noch nicht verfügbar & Konkurrenz zu Geothermie & Gasspeichern Ungelöste Endlagerung (begrenzte Speicher, Lecks, Kosten, Akzeptanz) Wechsel von Kohle / Erdöl auf Erdgas begrenzte Ressourcen und Potentiale (Kohleersatz - 10%; Ölersatz -7%) Quelle: Sterner, 2009

14 Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (3) Erneuerbare Energien Wind / Solar / Wasserkraft / Meeresenergie: Direkt erzeugter Strom ohne thermische Verluste Nahezu null Emissionen Ausreichend Potential Hauptproblem: meteorologische Abhängigkeit Speicherung Ausgleich Erneuerbare Energien - Bioenergie: Flexibel einsetzbar, speicherbar, geografisch gut verteilt Potential begrenzt durch Nutzungskonkurrenzen (Nahrung, Futtermittel, Material, Chemie, Boden, Wasser, Biodiversität) Klimaschutzwirkung nicht immer positiv: Landnutzung Bioenergie Energie Quelle: Sterner, 2009

15 Optionen für eine emissionsarme Energieversorgung Quelle: Sterner, 2009

16 Inhalt 1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems 2) Das globale Potential erneuerbarer Energien 3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien 4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien 5) Die Transformation der Energiesysteme

17 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Quellen: s. Abb.

18 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Quellen: s. Abb.

19 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Quellen: s. Abb.

20 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Quellen: s. Abb. der globale Primärenergiebedarf kann durch erneuerbare Energien um ein Vielfaches gedeckt werden

21 Inhalt 1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems 2) Das globale Potential erneuerbarer Energien 3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien 4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien 5) Die Transformation der Energiesysteme

22 Ziel: Vermeidung von Abwärme und Emissionen Quelle: Sterner, 2009

23 Effizienzsprung KWK und direkt erzeugter Strom aus EE 1) Energieeffizienz (trad. Biomasse, etc.) Stromerzeugung 2) Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung 3) Ausbau der erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser) Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

24 Effizienzsprung regenerative Wärmepumpen (Geothermie) Wärmebereitstellung 4) Nutzung von Elektrowärmepumpen 2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

25 Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3-4 Verkehr 5) Umstieg auf Elektromobilität 2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile der Elektromobilität: - Abwärmenutzung möglich -CO 2 -Abtrennung möglich - kein Feinstaub in den Städten - weniger Lärm - Stromspeicher Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

26 Lösung: Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch EE Quelle: Sterner, 2009

27 Inhalt 1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems 2) Das globale Potential erneuerbarer Energien 3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien 4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien 5) Die Transformation der Energiesysteme

28 Regenerative Kombikraftwerke Kombination von Windenergie, Photovoltaik, Biogas, Wasserkraft und Speichern zur stabilen Stromversorgung Prognose Cluster Kombi-KW EE bekommen Kraftwerkseigenschaften

29 Fraunhofer IWES Studie zum Ausbau von EE (BEE-Szenario 2020) Woche der minimalen EE-Erzeugung EE folgen in geschickter Kombination dem Strombedarf Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

30 Fraunhofer IWES Studie zum Ausbau von EE (BEE-Szenario 2020) Bedarf nach Grundlastkraftwerken - davor und danach Required capacity in GW % 24.2% 59.7% Peak load Medium load Base load 27.4% 22.7 % Erneuerbarer Strom ist zu jedem Zeitpunkt vorhanden Grundlastbedarf sinkt deutlich (weniger Kohle- und Kernkraftwerke notwendig) Spitzenlastbedarf steigt (mehr Gaskraftwerke notwendig) Konsequenz für Kraftwerksbau und -planung % Quelle: Saint-Drenan et al., 2009

31 Renewable Power (to) Methane Renewables-to-SNG Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

32 Renewable Power (to) Methane Renewables-to-SNG Energievektor für Wind und Solar in den Wärme- und Verkehrssektor Quelle: Sterner, 2009

33 Renewable Power (to) Methane Renewables-to-SNG Kopplung mit einer Biogasanlage Verdopplung des Ertrages Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

34 Renewable Power (to) Methane Renewables-to-SNG Kopplung mit einer Biogasanlage Verdopplung des Ertrages Vermeidung des Methanschlupfs 100% Kohlenstoffnutzung Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

35 Renewable Power (to) Methane Renewables-to-SNG Autarke Produktion eines Erdgas-Substituts CO 2 recycling Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

36 Renewable Power (to) Methane Wind-to-SNG Erste Pilotanlage am ZSW Stuttgart von Solar-fuel Technology GmbH Quellen: Solar-fuel, 2009, Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009 CO 2 Absorptionsleistung = 1,5 ha Genmais / a

37 Simulation einer regenerativen Vollversorgung Strom Szenario BMU Leitstudie 2050 x 1.2 für Deutschland Überschuss Stromverbrauch (Last) in GW Quelle: Sterner, 2009

38 Energiestruktur mit 100% erneuerbaren Energien carbon sink energy system Quelle: Sterner, 2009

39 Renewable Power (to) Methane Vorteile Speicherung von EE im Erdgasnetz und flexibler Einsatz Langzeitspeicher, keine Speicherbegrenzung, vorhandene Infrastruktur Stabile, sichere Stromversorgung mit EE Regel- und Ausgleichsenergie für fluktuierende Stromerzeugung aus EE CO 2 -neutraler kohlenstoff-basierter Energieträger für Verkehr (und Wärme) hohe Energiedichte, keine Begrenzung der KFZ-Reichweite, keine Konkurrenz zu Nahrung bzw. landwirtschaftlichen Nutzflächen Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas Erhöhung der Versorgungssicherheit

40 Inhalt 1) Klimaschutz durch eine Dekarbonisierung des Energiesystems 2) Das globale Potential erneuerbarer Energien 3) Energieeffizienz durch erneuerbare Energien 4) Lösungsansätze zur Integration erneuerbarer Energien 5) Die Transformation der Energiesysteme ein Szenario

41 Entwicklung der Windenergienutzung D, EU und global MW World Europe Germany GWh German wind energy production Quelle: BTM consult, windpower monthly, IWR, ISET M. Durstewitz,BWE, WWEA, March 2009

42 Kostenentwicklung der Windenergie - Lernkurve 1,0000 Spec. WEA Price each kwh Annual Energy Yield (Reference Location) 2000 / kwh Reference Output 1991 Progress Ratio = 90% Def. Reference Location according to EEG, BGBl 2004, No. 40, P. 1929: Reference location is a location, which is defined by a Rayleigh distribution with a mean annual wind velocity of 5.5 meter each second in a height of 30 meter above ground, a logarithmical profile of the height and the roughness length of 0.1 meter. 0, Cumulated total installed capacity in MW Quelle: Hahn, 2007

43 Lernkurven für Stromgestehungskosten aus EE Anteil am globalen Stromverbrauch: Solar Thermal Power Plants Quelle: Schmid, WBGU, 2007

44 Stromgestehungskosten aus Desertec mit heutigen Kosten Annual Production by Type etc. Mean Costs of Electricity Costs of Electricity: Produced within Region DK-D Costs of Electricity DK-D: Import Costs included (external surplus not included) Costs of Electricity by Type 5,6 ct ct/kwh 4.6 ct/kwh ct/kwh Biomass Fuel Cell Energy Towes Fusion Geothermal Combined Cycle Solar Thermal Photovoltaics Hydropower Windpower Total Production Total Transport Transport Losses Pump Storage Surplus Production Total Consumption Demand Manag Quelle: Czisch, 2005 Costs of Electricity [ ct/kwh] Annual Production [TWh]

45 Vergleich der Stromgestehungskosten Quelle: IEA, IPCC, 2007

46 IWES Szenario 100% EE für WBGU: Annahmen zum Energiebedarf Quelle: WBGU 2, 2009

47 IWES Szenario 100% EE für WBGU: Primärenergiebedarf (1) Progressives Szenario das zeigt, was möglich wäre Quelle: WBGU 2, 2009 Nach Substitutionsmethode

48 IWES Szenario 100% EE für WBGU: Primärenergiebedarf (2) Quelle: WBGU 2, 2009 Nach Wirkungsgradmethode

49 IWES Szenario 100% EE für WBGU: Energiebedingte Emissionen Ca. 730 G t CO 2 bis C Klimaziel mit einer Wahrscheinlichkeit von 66% erreicht, dafür ist aber ein massiver Umbau des Energiesystems notwendig Quelle: WBGU 2, 2009

50 Zusammenfassung Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch not-wendig Herausforderungen Umbau der Energieversorgungsstrukturen Hoher Investitionsaufwand zu Beginn Technologie- und Wissenstransfer Transformation des Bewusstseins Entscheidend politischer Wille & Bewusstseinswandel Vielen Dank

51 Quellen (1) WBGU (2009): Kassensturz zum Weltklimavertrag Der Budgetansatz. Sondergutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. WBGU 2 (2009): Green Growth - Dekarbonisierungspfade auf Basis von Energieeffizienz und erneuerbaren Energien. Work in progress. Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. WBGU (2008): Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung. Hauptgutachten Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. WBGU (2007): Politikpapier 5. Berlin: WBGU Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Universität Kassel, Dissertation. 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. Solar-fuel (2009): Realisierung der Wind-to-SNG Pilotanlage.

52 Quellen (2) Saint-Drenan, Gerhardt, von Oehsen, Bofinger, Sterner, Rohrig (2009): Dynamische Simulation der Stromversorgung in Deutschland nach dem BEE-Szenario Stromversorgung Bundesverband erneuerbare Energien, Fraunhofer IWES, Berlin, Kassel. (Harvard) Lu, X.; McElroya, M. B.; Kiviluomac, J. (2009): Global potential for windgenerated electricity. In: PNAS. (UNDP) Goldemberg, J. (2000): World Energy Assessment. Energy and the Challenge of Sustainability. 1. print. New York, NY: UNDP / UN-DESA / World Energy Council (DLR) Teske, S.; Schäfer, O.; Zervos, A.; Beranek, J.; Tunmore, S.; Krewitt, W. et al. (2008): energy [r]evolution. A Sustainable Global Energy Outlook. Greenpeace und European Renewable Energy Council. Berlin. Online available at FAO (2008b): The State of Food and Agriculture 2008: Biofuels - Prospects, Risks and Opportunities. Rome: FAO Czisch, G. (2005): Kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien. Universität Kassel: Dissertation. ISET (2008): Präsentationen zur Netzintegration Das Kombikraftwerk. Kassel: Fraunhofer IWES.

53 Kontakt und Informationen Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Königstor Kassel Tel msterner_at_iset.uni-kassel.de (Gutachten frei verfügbar)