Die Nutzung globaler Gemeinschaftsgüter: Politökonomische Herausforderungen für die globale Klimapolitik

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1 Die Nutzung globaler Gemeinschaftsgüter: Politökonomische Herausforderungen für die globale Klimapolitik Die Zukunft der Energieversorgung: Atomausstieg, Versorgungssicherheit und Klimawandel Bayerische Akademie der Wissenschaften München, 25. Januar 2012 Prof. Dr. Ottmar Edenhofer

2 Das vorindustrielle Erdsystem eine Skizze Atmosphäre Fossile Ressourcen (Kohle, Öl, Gas) Land Ozean Nach Lenton (2011) 2

3 Von der Sonnenenergie zur fossilen Bestandsökonomie Atmosphäre Fossile Ressourcen Gesellschaft Ressourcenextraktion Interaktion Governance Land Ozean Nach Lenton (2011) und Ostrom (2011) 3

4 7000 Per Capita GDP (1990$) Edenhofer et al Emissions Population Per Capita GDP Year Emissions (GtC/yr) Population (Billions)

5 Ignoranz, Mitigation oder Adaption? 5

6 Wir sind noch nicht auf dem richtigen Weg: Renaissance der Kohle Kaya Dekomposition der globalen CO 2 Emissionen. SRREN (IPCC, 2011) 6

7 Die BAU Szenarien übersteigen das 600ppm Niveau an Treibhausgasen (~4 C Temperaturanstieg) SRREN (IPCC, 2011) 7

8 Die Atmosphäre als globales Gemeinschaftsgut ( Global Common ) Atmosphäre: Begrenzte Senke ~ 230 GtC Ressourcenextraktion > GtC 8

9 Ergebnisse von Durban 1. Ad Hoc Working Group on the Durban Platform for Enhanced Action (AWG-DPEA) develop a protocol, another legal instrument or an agreed outcome with legal force under the UNFCCC applicable to all Parties Verhandlungen bis 2015 / COP 21 Implementierung ab Kyoto zweiter Verpflichtungszeitraum Abstimmung zu Dauer (2017 oder 2020?) und Umfang (konkrete Ziele der Vertragspartner) aufgeschoben COP 18 in Qatar 3. Operationalisierung der Cancun Beschlüsse Aufbau des Green Climate Fund 9

10 Auslaufen der Unterscheidung in Entwicklungs- und Industrieländer Durban AWG-KP Zweiter Verpflichtungszeitraum unter Kyoto Wahrscheinliche Vertragspartner: EU, Norwegen, Schweiz AWG-LCA (bis 2012) und später AWG-DPEA bis 2015 gilt es ein Ergebnis mit Rechtskraft und gültig für alle Verhandlungsparteien zu schaffen 2020 Internationales Abkommen Sowohl für Industrie- als auch Entwicklungsländer 10

11 Operationalisierung des Green Climate Fund US$ 100 bn Langfristige Klimafinanzierung 10 bn Schnellstart Finanzierung (FSF) Aufbauphase Jahr Für 2010 haben die Industrieländer 12 US$ Milliarden vorgesehen (WRI 2011)

12 Die große Transformation Beiträge zur Mitigation Drei Säulen: Endenergieeffizienz / Erneuerbare / Biomasse + CCS AME Project Luderer et al

13 13

14 Das technische Potenzial erneuerbarer Energie IPCC SRREN

15 Die Kosten der Erneuerbaren sind zwar oft noch höher als bei konventioneller Energie SRREN, Edenhofer et al. (2011) 15

16 ...aber einige EE Technologien sind bereits wettbewerbsfähig Kraft-Wärme-Kopplung (Dampfturbine) Binäres Kombikraftwerk Pellet-Heizsystem in Haushalten Palmöl Biodiesel SRREN, Edenhofer et al. (2011) 16

17 Entwicklungsschub in den letzten Jahren Biomasse Wasserkraft Primärenergie [EJ/a] Biosprit Windenergie Geothermie Solarthermie Abfallstoffe Solar PV Gezeitenenergie IPCC SRREN (2011) 17

18 Das jetzige globale Energiesystem wird von fossiler Energie dominiert Anteile der Energiequellen am globalen Gesamtprimärenergieangebot im Jahr SRREN (IPCC, 2011) 18

19 Deutschland: Zukünftiger Ausbau der Erneuerbaren Energien Leitstudie

20 Das heutige Marktsystem: Merit Order Preisbildung Grenzkosten Stromnachfrage Preis ohne Atomenergie Preis mit Atomenergie Atomausstieg RE EE NE LC LC HC HC CC GT CC GT Kapazität (Performance) Grenzkosten Stromnachfrage Preis ohne Auswechslung Preis mit Auswechslung Steigende Marktdurchdringung Erneuerbarer RE EE RE LC HC HC CC GT CC GT LC Kapazität (Performance) 20

21 Großmarktpreise Sind gut konstruierte Kapazitätsmärkte notwendig? Der Merit-Order Effekt bei ansteigenden Anteilen der Erneuerbaren: Sinkende Strompreise Knopf et al

22 Integrationsmöglichkeiten für Erneuerbare Verbesserte Wettervorhersagen Bessere Planung der Stromeinspeisung durch Erneuerbare Nachfragesteuerung Anpassung der Nachfrage an die Einspeisung der Erneuerbaren Wichtige Optionen der Angebotssteuerung Flexible Kraftwerke Bereitstellung der Residuallast Netzausbau Großflächige Zusammenlegung unkorrelierter Schwankungen (>300km): Import / Export zwischen Ländern Energiespeicherung Stromspeicherung wenn viel Erneuerbare Energie generiert wird und Stromeinspeisung wenn wenig generiert wird 22

23 Einfluss der Berücksichtigung von Schwankungen in einem Energiesystemmodel Deutschlands Die meisten Modelle berücksichtigen Schwankungen nicht explizit: Dasselbe Szenario wenn Schwankungen berücksichtigt werden: Stromproduktion (TWh) Nuclear Coal Lignite Vermeidungskosten steigen um 20% wenn die Nuclear Schwankungen der Erneuerbaren berücksichtigt werden! PV Geo Wind-offshore Wind-onshore Bio & Hydro StromproduktionTWh) PV Geo Wind-offshore Coal Wind-onshore Bio & Hydro Lignite Gas Turbine 100% Erneuerbare 80% Erneuerbare Szenario: 80% inländische CO 2 Emissionsreduktionen im Jahr 2050 vs Ueckerdt et al

24 Integrationsmöglichkeiten für Erneuerbare Verbesserte Wettervorhersagen Bessere Planung der Stromeinspeisung durch Erneuerbare Nachfragesteuerung Anpassung der Nachfrage an die Einspeisung der Erneuerbaren Flexible Kraftwerke Bereitstellung der Residuallast Netzausbau Großflächige Zusammenlegung unkorrelierter Schwankungen (>300km): Import / Export zwischen Ländern Energiespeicherung Stromspeicherung wenn viel Erneuerbare Energie generiert wird und Stromeinspeisung wenn wenig generiert wird 24

25 Aggregierte Übertragungskapazitäten im Jahr 2050 in einem Stromsektormodel Europas Baseline, keine Klimapolitik: 90% CO 2 Reduktion im Stromsektor: Haller et al. 2011, submitted 25

26 Deutschland 2050: Stromproduktion mit Netzausbau (Europäische Verbindungen) Time slices (characteristic days): ca. 50% der Nachfragemenge ist importiert Nachfrage GW Speicherung outflow Import Produktion Export Speicherung inflow Große Kapazitäten von Gaskraftwerken werden benötigt, insbesondere im Winter Szenario: 90% CO 2 Emissions- Reduktion im Stromsektor Stunden Haller et al. 2011, submitted 26

27 Integrationsmöglichkeiten für Erneuerbare Verbesserte Wettervorhersagen Bessere Planung der Stromeinspeisung durch Erneuerbare Nachfragesteuerung Anpassung der Nachfrage an die Einspeisung der Erneuerbaren Flexible Kraftwerke Bereitstellung der Restleistung Netzausbau Großflächige Zusammenlegung unkorrelierter Schwankungen (>300km): Import / Export zwischen Ländern Energiespeicherung Stromspeicherung wenn viel Erneuerbare Energie generiert wird und Stromeinspeisung wenn wenig generiert wird 27

28 Germany 2050: Stromproduktion ohne Netzausbau (Deutschland autark) Time slices (characteristic days): Große Speicherkapazitäten werden benötigt Nachfrage GW Speicherung outflow Import Produktion Export Speicherung inflow Große Kapazitäten von Gaskraftwerken werden benötigt, insbesondere im Winter Szenario: 90% CO 2 Emissions- Reduktion im Stromsektor Stunden Haller et al. 2011, submitted 28

29 Zwischenfazit Es werden große Back-up Kapazitäten an flexiblen Gaskraftwerken benötigt um die Residuallast bereitzustellen, wenn über längere Zeiträume nur geringe Stromproduktion aus Erneuerbaren vorhanden ist (europäischer Winter) sogar bei einem integrierten europäischen Stromnetz sogar bei großen Tag/Nacht oder mittelfristigen Speicherkapazitäten (z.b. Pumpspeicherkraftwerken) Was bedeutet das für den Strommarkt, für die CO 2 Emissionen im Stromsektor, und welche Rolle könnte möglicherweise Methanisierung spielen? 29

30 Das Marktsystem der Zukunft? Merit Order Preisbildung mit hohen Anteilen Erneuerbarer und flexiblen Gaskraftwerken Grenzkosten Preis ohne EE Einspeise vergütung Preis bei hoher EE Einspeisevergütung Grenzkosten Stromnachfrage Gasturbine RE RE RE RE RE Große Preisschwankungen, wetterabhängig Gasturbine Situationen ohne mit hoher EE Einspeisevergütung EE Stromnachfrage Große Reservekapazitäten Kapazität (Performance) RE RE RE RE RE Gasturbine Kapazität (Performance) EE Überproduktion 30

31 Die Rolle der klassischen Speicher (z.b. Pumpspeicherwerke) Grenzkosten Stromnachfrage Ohne Speicher Stromnachfrage mit Speicher Preis bei hoher EE Einspeise vergütung Grenzkosten Preis bei geringer EE Einspeise vergütung RE RE RE RE RE Stromnachfrage SPEICHERUNG SPEICHERUNG RE RE Gas Turbine Gasturbine Gasturbine In Zeiten hoher EE Produktion & niedrigen Strompreisen, kaufen die Besitzer von Speicherwerken Strom Gas Turbine Kapazität (Performance) In Zeiten niedriger EE Produktion & hohen Strompreisen verkaufen die Besitzer von Speicherwerken Strom Kapazität (Performance) 31

32 Kapazität der existierenden Pumpspeicherwerke in Europa reicht nicht aus Preis bei geringer EE Einspeise vergütung Stromnachfrage Gas Turbine RE Speicher Gasturbine Kapazität (Performance) Pumpspeicherkapazitäten in Europa sind begrenzt Gasturbinen müssen die Residuallast bereitstellen sobald Erneuerbare die Nachfrage nicht mehr decken können Erdgas verursacht CO 2 Emissionen Erdgas ist eine knappe Ressource, deren Preis in Zukunft stark steigen kann 32

33 Grenzkosten Preis bei hoher EE Einspeise vergütung Stromproduktion Das Potenzial von Methanisierung Stromnachfrage Ohne Methanisierung Gasturbine RE RE RE RE RE CO 2 + CH 4 Erneuerbarer Strom Stromnachfrage mit Methanisierung Bereitstellung flexibler Gasturbinen mit CO 2 - neutralem Gas, wenn kein (oder wenig) EE Strom eingespeist wird (z.b. Speicher outflow) Wärme für Haushalte Wärme für Industrie Transportsektor Gas Turbine Wenn viel EE produziert wird und geringe Methan kann über Strompreise die bestehende Infrastruktur Besitzer von gespeichert Methanisierungsanlagen und verteilt werden kaufen Strom, und produzieren Methan (z.b. Speicher inflow) Kapazität (Performance) 33

34 Das Potenzial von Methanisierung Grenzkosten Preis bei geringer EE Einspeise vergütung Stromnachfrage Gasturbine Turbine Stromproduktion CH 4 Durch Lerneffekte und Skaleneffekte der Methanisierung könnten die variablen Kosten (z.b. Brennstoffpreise) langfristig vorhersehbarer werden und sogar sinken Es müssen große Gasturbinenkapazitäten gebaut werden um die Residuallast bei Schwankungen der Erneuerbaren zu decken Gibt es Anreize auf dem Markt in diese Kapazitäten zu investieren? Kapazität (Performance) Wärme für Haushalte Wärme für Industrie Transportsektor 34

35 Methanisierung könnte das Blatt entscheidend wenden Was kostet Methanisierung? Ist sie in globalem Maßstab umsetzbar? Wie ist die Emissionsbilanz? 35

36 Carbon Capture and storage (CCS) (Abscheidung und Speicherung von CO 2 ) Atmosphärisches CO 2 Bio+CCS / Air Capture Verbrennun g +CCS Kohlenstoff in fossilen Ressourcen Geologischer Kohlenstoffspeicher Nicht vollständig nachhaltig 36

37 Carbon Capture and use (CCU) Atmosphärisches CO 2 Verbrennun g +CCS Brennstoffe (Gas oder flüssig), z.b.ch 4 Strom aus Erneuerbaren Kohlenstoff in fossilen Ressourcen Geologischer Kohlenstoffspeicher Übergang 37

38 Carbon Capture and cycling (CCC) (Kreislaufwirtschaft) Atmosphärisches CO 2 Bio+CCS / Air Capture Verbrennun g Strom aus Erneuerbaren Brennstoffe (Gas oder flüssig), z.b.ch 4 Geologische oder biologische Kohlenstoffspeicherung, z.b. Holzkohle Nachhaltig 38

39 Die deutsche Energiewende muss im europäischen Kontext gedacht werden 39

40 Die deutsche Energiewende muss im europäischen Kontext gedacht werden EU Energy Roadmap als Basis für die Entwicklung eines langfristigen Europäischen Rahmens Graue Balken: Bandbreite der 5 Dekarbonisierungs- Szenarien EC Energy Roadmap (Dez. 2011) 40

41 Europa profitiert von frühzeitiger EE-Politik Global alle in 2010 Verzögert, starke EE-Politik Verzögert, starke EE-Politik Verzögert, starke EE-Politik Verzögert bis 2020 Vor-Kopenhagen-Denke EE-Politik als Zwischenschritt Ergebnis von Durban Bauer et al. (2011) Eine frühzeitige Erneuerbare-Politik kann die Kosten senken und als kurzfristiges Substitut für einen globalen CO 2 Preis dienen Weitere Ergebnisse zeigen: Europa profitiert von einer Vorreiterrolle 41

42 Die deutsche Energiewende muss im europäischen Kontext gedacht werden Es kommt aber nicht nur auf Europa an, sondern auch auf Bayern 42