Energiewende Grüne Energien für eine sichere, bezahlbare und klimaverträgliche Energieversorgung?

Transkript

1 Energiewende Grüne Energien für eine sichere, bezahlbare und klimaverträgliche Energieversorgung? Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart Göppinger Technikforum 24. Oktober 212 Prof. Dr.-Ing. A. Voß Göppinger 11 Technikforum

2 Auf uns rollt ein Kosten-Tsumami zu (FAZ ) Die große Illusion Ein Jahr nach der Energiewende steht Angela Merkels Projekt vor dem Scheitern. Die Bürger scheuen die horrenden Kosten, die Wirtschaft fürchtet einen Blackout (Focus 25/212) 2

3 EEG-Umlage für Umlagebetrag für 213: 2,3 Mrd. - EEG-Umlage ohne privilegierte Letztverbraucher: ~ 4,23 Cent/KWh 3

4 Weitere Strompreissteigerungen zu erwarten Netznutzungsentgelte Offshore-Haftungsumlage Kapazitätsreserve: gesetzliche Regelung zur Vermeidung der Stilllegung systemrelevanter Kraftwerke 4

5 Inhaltlicher Fokus Technisch und ökonomische Herausforderungen des Transformationsprozesses zu einer primär auf erneuerbaren Energien beruhenden Energieversorgung Wie grün oder wie nachhaltig ist die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien? 5

6 Energiewendekonzept 211 Weg in das Zeitalter der erneuerbaren Energien. Die erneuerbaren Energien sollen zukünftig den Hauptanteil der deutschen Energieversorgung bereitstellen. Der Energieverbrauch soll deutlich gesenkt und die Energieeffizienz erhöht werden. Mit sicherer, bezahlbarer und umweltschonender Energie ins Jahr 25 Deutschland soll in Zukunft bei wettbewerbsfähigen Energiepreisen und hohem Wohlstandsniveau eine der energieeffizientesten und umweltschonendsten Volkswirtschaften der Welt werden. Dabei setzt die Bundesregierung auf eine ideologiefreie, technologieoffene und marktorientierte Energiepolitik. 6

7 Energiewendekonzept quantitative Zielvorgaben, unter anderem bis 25: Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8 bis 95% (gegenüber 199) 8% Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch 6% Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch Reduktion des Primärenergieverbrauches um 5% Reduktion des Stromverbrauchs um ca. 25% 7

8 Deutschland auf dem Weg in ein neues Energiezeitalter Energieeffizienz BIP/PEV (Mio. 21 / PJ) 5 4 Zeitalter der Energieeffizienz Energiekonzept DEU DEU DEU DEU Zeitalter der Erneuerbaren Anteil Erneuerbare am Bruttostromverbrauch (Prozent) BMWi, IIIC2

9 Bioenergienutzung 211 und Bioenergiepotenziale Energiewende: steigende Biomassenutzung bis ca. 2.3 PJ/a in 25 Strom Wärme Kraftstoffe auf 2,1 Mio. ha Biogas Kraftstoffe Energiepflanzen auf 3,3 Mio. ha Holz a. d. Forstwirtschaft Altholz Industrie restholz Rückst. u. Abf. Stroh Gras Prof. Dr.-Ing. A. Voß Göppinger 99 Technikforum

10 Beitrag der Erneuerbaren Energien zur Energieversorgung in Deutschland Primärenergieverbrauch PJ Bruttostromerzeugung TWh,4%,8% 5,2% 8,2% 3,2% 7,6%,5% 1,3% 3,1%,5% Wasser Wind PV Biomasse Sonstige Quelle: AG Energiebilanzen 212 1

11 Entwicklung der installierten Windleistung und der spezifischen Investitionskosten von Windenergieanlagen 5. Kumulierte Leistung 2.5 Kumulierte Leistung [MW] / Stromerzeugung [GWh] Stromerzeugung Spezifische Investitionskosten Spez. Investitionskosten [ 11 /kw] Quellen: Bundesverband Windenergie e.v.; BMU

12 Entwicklung der installierten PV-Leistung und der spezifischen PV-Modulpreise Kumulierte Leistung Kumulierte Leistung [MW] / Stromerzeugung [GWh] Stromerzeugung Spezifischer PV-Modulpreis Spezifischer PV-Modulpreis [ 11 /W]

13 Stromgestehungskosten Wind Onshore 8,3 bis 11,9 ct / kwh (je nach Standort) Wind Offshore 11 bis 15 ct / kwh (ohne Netzanschlusskosten) Photovoltaik 16 bis 21 ct / kwh 13

14 EEG-Förderung der erneuerbaren Energien 211 EEG-Einspeisung 211 [GWh] EEG-Einspeisevergütungszahlungen [Mio. ] EEG-Förderung 211 [Mio. ] 23 EEG Wasserkraft 2.397,2 231,1 159, EEG Deponiegas, Grubengas, Klärgas 487,3 35,9 21,3 27 EEG Biomasse , , , 28 EEG Geothermie 18,8 3,9 3, EEG Windkraft , , , EEG Solare Strahlungsenergie , , ,9 Summe , , ,3 angesetzter Marktwert des Stroms: 3, Ct/kWh Quelle: BDEW

15 Förderung der Photovoltaik 211 gemäß EEG EEG-Einspeisung [GWh] EEG-Förderung [Mio. ] , , ,9 * angesetzter Wert des Stroms: 3, Ct/kWh Kumulierte Förderung der Photovoltaik gemäß EEG Kumulierte Förderung FuE [Mrd. ] Kumulierte EEG-Förderung* [Mrd. ] bis Ende 211 ca. 2, 2,7 bis Ende 231 (aufgrund EEG-Verpflichtung ) * ca. 2, 15,9 * Berechnung unter Annahme, dass kein weiterer Ausbau mehr nach 211 Quellen: BDEW, VDN

16 Kumulierte EEG-Förderung Photovoltaik (bei Zubaustopp nach 211) Kumulierte EEG-Förderung Photovoltaik ohne weiteren Zubau nach 211 [Mrd. ] angesetzter für Wert des Stroms: 3, Ct/kWh 211: ca. 21 Mrd. 231: ca. 151 Mrd

17 Förderung der Windenergie 211 gemäß EEG EEG-Einspeisung [GWh] EEG-Förderung [Mio. ] , ,6 * angesetzter Wert des Stroms: 3, Ct/kWh Kumulierte Förderung der Windenergie gemäß EEG Kumulierte Förderung FuE [Mrd. ] Kumulierte EEG-Förderung* [Mrd. ] bis Ende 211 ca.,85 21,7 bis Ende 231 (aufgrund EEG-Verpflichtung ) * ca.,85 6,5 * Berechnung unter Annahme, dass kein weiterer Ausbau mehr nach 211 Quellen: BDEW, VDN

18 Kumulierte EEG-Förderung Windenergie (bei Zubaustopp nach 211) Kumulierte EEG-Förderung Windenergie ohne weiteren Zubau nach 211 [Mrd. ] angesetzter Wert des Stroms: 3, Ct/kWh 211: ca. 21,5 Mrd. 231: ca. 6,5 Mrd

19 Lerninvestitionen Windenergie 1. Empirische Daten Spez. Investitionskosten Windenergieanlagen [ 11 /kw] 1. Wirtschaftlichkeitsgrenze ca /kw rd Bio. global Lernkurve (PR =,931) ca. 3. GW ca GW Kumulierte Windenergie-Leistung weltweit [GW] 4.8 GW Kraftwerksleistung weltweit (29) 19

20 Lerninvestitionen Photovoltaik 1, Spez. PV-Modulpreis Deutschland [ 11 /W P ] 1, 1,,4,5 /W p 8-9 Ct/kWh Stromgestehungskosten * Empirische Daten Lernkurve (PR =,849) rd Bio. global ca GW,1 1 MW 1 MW 1 MW Kumulierte Weltprodukion an Solarzellen [GW P ] 4.8 GW Kraftwerksleistung weltweit (29) * Annahme:,35 /W p für Wechselrichter, Montage u. Netzanschluss 2

21 Last / Einspeisung [GW] Nachfragelast und Einspeisungen von Wind und PV in Deutschland (Januar April 211) Einspeisung [GW] Wind & PV Wind PV Wind & PV Wind PV Last Quellen: ENTSO E, dt. ÜNB

22 Integration fluktuierender Stromerzeugung (Wind und PV) Systemanpassungen für eine bedarfsgerechte Stromversorgung : Back-up -Kapazitäten Kraftwerke mit hoher betrieblicher Flexibilität Stromspeicher zur Integration der Überschussproduktion Ertüchtigung und Ausbau der Stromübertragungs- und verteilnetze Demand Side Management zur Glättung der Residuallast 22

23 Kraftwerksstandorte in Deutschland Quelle: Vortrag Stephan Kohler: Das Energiekonzept der Bundesregierung Herausforderung an die Netzinfrastruktur. Veranstaltung Energie im Dialog: Die energiewirtschaftlichen Herausforderungen der Energiewende in Deutschland. Berlin, Dezember 211

24 Räumliche Verteilung der Leistungen von Wind und Photovoltaik Wind Leistungsbilanz 222 [MW] Photovoltaik

25 Ausbaubedarf Übertragungsnetz bis 222 Netzausbau: i. Wechselstrom-Trassenneubau: 17 km ii. iii. iv. Neue Leitungen auf bestehenden Wechselstrom-Trassen: 28 km Wechselstrom-Umbeseilung: 13 km Gleichstrom-Übertragungskorridore: 21 km Investitionen: 2 Mrd. Szenario 222: i. Wind offshore: 13, GW ii. iii. iv. Wind onshore: 47,5 GW Photovoltaik: 54, GW Anteil erneuerbare Energien an Stromerzeugung: 5 % Quelle: Übertragungsnetzbetreiber (Hrsg.): Netzentwicklungsplan Strom 212. Szenario B222. Berlin, Dortmund, Bayreuth, Stuttgart, Mai 212

26 Struktur des Elektrizitätsnetzes und Einspeisung erneuerbaren Stroms Installierte Leistung [GW] Einspeiseleistung erneuerbare Energien 21 38/22 kv 11 kv 2 kv,4 kv Übertragungsnetzebene Verteilnetzebene Biomasse Erdwärme Gase PV Wasserkraft Windkraft Quelle: BMWi Quelle: Übertragungsnetzbetreiber (Hrsg.): EEG- Anlagenstammdaten. September, 211

27 Ausbaubedarf der Verteilnetzebene bis 22 Netzausbau aufgrund Wind und Photovoltaik: i. Leitungen: km ii. konventionelle Transformatoren: 63. MVA Investitionen: bis 27 Mrd. Installierte Leistung: i. Wind (onshore): 35,8 GW ii. Photovoltaik: 51,8 GW Quelle: CIGRE (Hrsg.): Exemplarisches ländliches Verteilungsnetz der Mittelspannungsebene, September 25 Quelle: BDEW (Hrsg.): Abschätzung des Ausbaubedarfs in deutschen Verteilungsnetzen aufgrund von Photovoltaik- und Windeinspeisungen bis 22. Bonn/Aachen, März 211

28 Integrationsoption Speicher Ausgleichsfunktion im Stromerzeugungssystem Aufnahme von Überschussstrom und Glättung von Erzeugungsspitzen Bereitstellung von Regel- und Reserveleistung Speicheroptionen Pumpspeicherkraftwerke Druckluftspeicher (adiabat und diabat) Wasserstoffspeicher Power to Gas -Speicher Batteriespeicher (Warmwasserpseicher Power to Heat ) 28

29 Stromnetz Gasnetz Wind Sonne GuD / BHKW Verstromung Stromspeicherung CO 2 Elektrolyse / H 2 -Tank CO 2 CO 2 CO 2 -Tank H 2 H 2 Gasspeicher Methanisierung CH 4 Quelle: Simon Schwarz, Johannes Salzer: Wasserstoffspeicherung und Power-to-Gas Verfahren. In: Niklas Hartmann, Ludger Eltrop, Johannes Salzer, Nikolaus Bauer, Simon Schwarz, Maike Schmidt: Stromspeicherpotenziale für Deutschland; IER, IHS, ZSW; Zentrum für Energieforschung (ZfES) e. V.,

30 Optionen zur Stromspeicherung 8% 54-7% 9% 4-45% 36% 8% 54-7% 9% 4-45% 36% Ƞ Speicher 3

31 Optionen zur Stromspeicherung 8% 54-7% 4-45% 36% 8% 54-7% 4-45% 36% Ƞ Speicher Quelle: Stromspeicherpotenziale für Deutschland; IER, IHS, ZSW, gefördert durch das Zentrum für Energieforschung (ZfES) e.v. 31

32 Systemintegrationskosten verschiedener Stromerzeugungsoptionen Germany System Costs at the Grid Level (USD/MWh)* Technology Nuclear Coal Gas On-shore wind Offshore wind Solar Back-up Costs (Adequacy),,4, 8,84 8,84 19,71 Balancing Costs,35,, 6,41 6,41 6,41 Grid Connection 1,9,93,54 6,37 15,71 9,44 Grid Reinforcement and Extension Total Grid-Level System Costs,,, 22,23 11,89 47,4 2,25,97,54 43,85 42,85 82,95 * Penetration level 3% Quelle: NEA/IEA 32

33 Ein Stromerzeugungssystem mit 5% bzw. 8% Anteil der Erzeugung aus erneuerbaren Energien 33

34 Nachfrage- und Residuallast 5% Anteil erneuerbare Energien Nachfrage- und Residuallast [GW] Demand load Residual load Stunde [h]] Leistungsüberschuss Wind und PV bis zu 27 GW Überschusserzeugung ~ 2 TWh, ~ 1% der Stromerzeugung durch Wind und PV Erforderliche Speicherkapazität 25 GWh derzeitige Speicherkapazität ~ 4 GWh

35 Nachfrage- und Residuallast 8% Anteil erneuerbare Energien Nachfrage- und Residuallast [GW] Demand load Residual load Stunde [h] Leistungsüberschuss Wind und PV bis zu 78 GW Überschusserzeugung ~ 43 TWh, ~ 13 % der Stromerzeugung durch Wind und PV Erforderliche Speicherkapazität ~ 64 GWh derzeitige Speicherkapazität ~ 4 GWh

36 Nachfragelast und Residuallast 1 % EE Nachfragelast und Residuallast [GW] Nachfragelast Residuallast Stunde [h] Überschussleistung: max. 139 GW Überschussenergie ~ 149 TWh, ca. 3 % der erneuerbaren Elektrizitätserzeugung durch Windenergie- und Photovoltaikanlagen Speicherkapazitätsbedarf zur vollständigen Integration der erneuerbaren Energien: 83 TWh 36

37 Windjahr in Prozent zum langjährigen Mittel Windjahr in Prozent zum langjährigen Mittel BWE

38 Kraftwerkskapazitäten und Stromerzeugung bei unterschiedlichen Anteilen erneuerbarer Energien Photovoltaik Wind Pumpspeicher Biomasse Wasserkraft Erdgas GT Erdgas GuD Kohlen Kernbrennstoff Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Jährliche Elektrizitätserzeugung [TWh] Erzeugungskapazitäten [GW] EE 15% EE 5% EE 8% EE 15% EE 5% EE 8%

39 Speicherleistung [GW] Leistungs- und Kapazitätsbedarf an Speichern % EE 8 % EE 1 % EE.25*.25* vollst. Integration 11 inkl. Curtailment,4,3,2,1 Speicherkapazität [TWh] Speicherleistung [GW] ,4 vollst. Integration 66 5,4 inkl. Curtailment Speicherkapazität [TWh] Speicherleistung [GW] vollst. Integration inkl. Curtailment Speicherkapazität [TWh] Speicherleistung Speicherkapazität Heutige Pumpspeicherwerke zuzüglich den Bezugsrechten an Pumpspeichern im Ausland sowie den in Planung befindlichen Anlagenprojekten: Speicherleistung ca. 11 GW (bezogen auf die Ausspeicherleistung) Speicherkapazität ca.,38 TWh * keine Reduktion der Speicherkapazität aufgrund der Annahme bzgl. der verfügbaren Speicherkapazität in Deutschland 39

40 Kosten der Elektrizitätsversorgung bei unterschiedlichen Anteilen erneuerbarer Energien Jährliche Systemkosten [Mrd. ] Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 EE 15% EE 5% EE 8% Verteilnetze, zus. Investitions und fixe Betriebskosten Speicher, Investitionskosten Erneuerbare Energien, Investitionskosten Konv. Kraftwerke, Investitionskosten Konv. Kraftwerke, Kosten CO2 Emissionszertifikate Übertragungsnetz, zus. Investitions und fixe Betriebskosten Erneuerbare Energien, fixe Betriebskosten Konv. Kraftwerke, fixe Betriebskosten Konv. Kraftwerke, sonstige variable Betriebskosten Konv. Kraftwerke, Brennstoffkosten

41 Dauerlinie der Nachfragelast und Residuallast Dauerline der Nachfragelast und Residuallast [GW] Nachfragelast Residuallast 5EE -1 Residuallast 8EE Residuallast 1EE Stunden [h] Negative Residuallast: i. 5 % EE in ca. 275 Stunden ii. 8 % EE in ca Stunden iii. 1 % EE in ca. 474 Stunden 41

42 Ein weiterer Systemeffekt: Konventionelle Kraftwerke lassen sich nicht mehr wirtschaftlich betreiben Elektrizitätspreis [ /MWh] Stunde [h] EE 15%_Nuklear 21 EE 35%_Nuklear 21 EE 8%_Nuklear 21 Höhere Anteile (subventionierter) Stromerzeugung erneuerbarer Energien reduzieren die verbleibende durch konventionelle Kraftwerke zu deckende Stromnachfrage Bei einer grenzkostenorientierten Preisbildung am Großhandelsmarkt lassen sich keine auskömmlichen Deckungsbeiträge für die Investitionskosten mehr erwirtschaften fehlende Anreize für Investitionen in Back-up - Kraftwerke

43 Ressourcenverbrauch und ökologischer Fußabdruck Ist die Stromerzeugung aus Wind und Sonne grün, öko oder nachhaltig?

44 Nachhaltige Energieversorgung was ist darunter zu verstehen?

45 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.

46 Nachhaltige Energieversorgung wenn das Potenzial für die Bereitstellung von Energiedienstleistungen für die nächste Generation größer wird Ausweitung der wirtschaftlich nutzbaren Energiebasis die mit der Energienutzung verbundenen Stofffreisetzungen die Assimilationskapazität der Umwelt als Senke nicht überschreiten Energiedienstleistungen mit möglichst geringem Ressourcenaufwand bereitgestellt werden Relative Nachhaltigkeit wird bestimmt durch den gesamten Ressourcenverbrauch je Energieeinheit Vollkosten sind Maß für relative Nachhaltigkeit

47 Spezifischer kumulierter Energieaufwand (KEA) (ohne Brennstoff),35,3 [KEA in kwh Primär-eq. /kwh],25,2,15,1,5, Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

48 Rohstoff- und Materialaufwand 1% 9% relativ zu Solar (PV - poly. Freifläche) 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Eisen Kupfer Aluminium Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

49 Kumulierte Emissionen [g CO 2 /kwh] [mg NO X /kwh, mg SO 2 /kwh] Kohlendioxid Schwefeldioxid Stickoxide Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

50 Risiken für das menschliche Leben und die Gesundheit Gesundheitsrisiken von Energiesystemen Jede Produktion von Gütern und Dienstleistungen, und damit auch die Bereitstellung elektrischer Energie ist mit Gesundheitsrisiken verbunden ~ 1.9 tödliche Arbeitsunfälle in Deutschland (Mittelwert der letzten 2 Jahre) ~ 48. verlorene Lebensjahre (YOLL) in Deutschland durch Luftschadstoffe (jährlich) Gefahren und Risiken der Elektrizitätserzeugung - Umweltrisiken - Arbeitsbedingte Risiken - Risiken schwerer Unfälle

51 Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungssysteme (ohne schwere Unfälle) Gesundheitsrisiken [YOLL pro GWh el ],15,1,5 Unfallrisiken Kernenergie Arbeitsbedingte Risiken (ohne schwere Unfälle) Arbeitsbedingte Emissionen aus Risiken vor- und (ohne nachgelagerten schwere Unfälle) Prozessen Emissionen Kraftwerksemissionen aus vor- und nachgelagerten Prozessen Kraftwerksemissionen, Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

52 Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungssysteme (mit schweren Unfällen bei der Kernenergie) Gesundheitsrisiken [YOLL pro GWh el ],15,1,5 Unfallrisiken Kernenergie Arbeitsbedingte Risiken (ohne schwere Unfälle) Emissionen aus vor- und nachgelagerten Prozessen Kraftwerksemissionen, Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

53 Externe Kosten Externe Kosten [ 27 /MWh el ] Unfälle Klimawandel (34 /t CO2) (11 /t CO2) Gesundheitsrisiken Materialschäden, Ernte- und Biodiversitätsverluste 1 5 Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

54 Vollkosten 3 Externe Kosten, CO2-eq. Diskontrate 7,5 % 25 Externe Kosten, ohne CO2-eq. Lebenszykluskosten [ 27 /MWh] Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

55 Stuttmann: Riskantes Manöver 55