Vortrag. Uni-Colleg Duisburg. Die EU verfolgt im Bereich Energie 4 Strategien. Intelligenter Umgang mit Energie

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1 Titel Sauber, verfügbar Folie 1 Universität Vortrag 10. Dezember 2008 EU-Strategien Die EU verfolgt im Bereich Energie 4 Strategien Intelligenter Umgang mit Energie - ohne Einschränkung des Lebensstandards - Energieeffizienzoffensive in NRW Erneuerbare Energien - in allen Leistungsbereichen - alle zur Verfügung stehenden Technologien CO 2 -arme Energiebereitstellung - in allen Leistungsbereichen - alle zur Verfügung stehenden Technologien Kernenergieeinsatz Folie 2 Dr. Linkohr, EU-Berater, VGB Kraftwerke 2005, Krakau

2 Inhalt Zentrale Erzeugung Brennstoffportfolio Technologieentwicklung CO 2 -Minderungstechnologien Dezentrale Erzeugung Virtuelles Kraftwerk Mikro-KWK-Technik Technologieentwicklung Folie 3 KN KWT NRW Energiebedarf Energiebedarf Erzeugungskapazitäten weltweit Folie 4

3 Energiebedarf Kopplung von Bruttosozialprodukt Stromerzeugung Installierte Stromerzeugungskapazität [GW] Weltweites Bruttosozialprodukt Installierte Stromerzeugungskapazität Inst. Kap. Steigerung 3 %/a Reale Steigerung BSP 3 % Stromerzeugungskapazität Jahr Bruttosozialprodukt BSP [Trilion USD] Bruttosozialprodukt: Jährliche Wachstumsraten Folie 5 Quelle: Alstom, Schimkat, 2007 Energiebedarf Weltweit erwarteter Energiebedarf bzw. Stromerzeugung Energiebedarf [Mtoe] Energiebedarf Stromerzeugung [TWh] Stromerzeugung Jahr [-] Jahr [-] Folie 6 Quelle: IEA WEO 2006, Referenz-Szenaro

4 Energiebedarf Primärenergienachfrage weltweit Erneuerbare Energien* Kernenergie Erdgas Kohle Mineralöl 14,4 12,4 10,7 16,3 Mrd. t OE Folie * inkl. Abfall Differenzen durch Rungen Quelle: IEA, World Energy Outlook 2005 Energiebedarf Weltweit erwarteter Stromerzeugung Neue Kraftwerkskapazitäten alle Primärenergieträger Stromerzeugung [TWh] Folie 8 Quelle: IEA WEO 2006, Referenz-Szenario

5 Energiebedarf Weltweit erwarteter Kapazitätszuwachs Für erneuerbare Energien Kapazität [GW] Folie 9 Biomasse Wind Geothermie Sonne Gezeiten & Abfall & Wellen Quelle: IEA WEO 2006, Referenz-Szenario Energiebedarf Erzeugungskapazitäten Europa (EU 15) Folie 10

6 Prognostizierter Zubau- Ersatzbedarf (EU-15) Folie 11 Installierte Leistung [GW] EU Übrige Gas Kohle Nuklear Wasser Installierte Leistung jünger als 40 Jahre Gesamtbedarf: 300 GW bis 2020 Zusatzbedarf Ersatzbedarf Zum Vergleich: China hat im Jahr GW KW-Leistung geordert Deutschland hat eine Bruttostromerzeugungskapazität von ca. 120 GW Deckung des Zubau- Ersatzbedarfs (EU-15) Folie 12 Strombedarf [TWh] EU-15 Quelle: VGB Übrige Gas Kohle Nuklear 167 Kernkraftwerksblöcke mit je MW oder Wasser 2660 Braunkohleblöcke mit je MW oder Gesamtbedarf: TWh bis 2020 Zusatzbedarf (1.000 TWh) Ersatzbedarf (1.000 TWh) Steinkohleblöcke 2005 mit 2010 je 600 MW 2015 oder GuD-Kraftwerks mit je 400 MW oder WEA mit je 5 MW + Reservekapazität (80%) z.b. 355 Steinkohleblöcke oder 532 GuD-Kraftwerke Basisannahmen: Mittl. Ausnutzungsdauer h/a für therm. KW h/a für WEA (onshore offshore)

7 Energie- bereitstellung Wirt- schaft- lichkeit Ver- sorgungs- sicherheit Umwelt- verträg- lichkeit Folie 13 Energiebereitstellung im Spannungsfeld Erwartungshorizont für 2020 (weltweit) Folie 14 Quelle: SIEMENS, Thementag Energie, Dr. Riedle

8 CO 2 -Minderung Motivation Folie 15 Motivation für eine CO 2 -Minderung CO 2 -Konzentrationen Temperaturen Folie 16 Quelle:, RUB, LEAT, Prof. Scherer

9 Motivation für eine CO 2 -Minderung Prognosen zur Klimaerwärmung Folie 17 Quelle:, RUB, LEAT, Prof. Scherer Motivation für eine CO 2 -Minderung Weltweite CO 2 -Quellen USA Europa China & Indien Folie 18 Stromerzeugung Industrie Transport Haushalte & Betriebe Andere

10 Motivation für eine CO 2 -Minderung Freigesetzte CO 2 -Emissionen 2005 für ausgewählte Regionen bzw. Länder Region / Land Welt USA Asien Ozeanien China Europa Deutschland CO 2 -Emission t t t t t t Folie 19 Quelle: BMWi, 2006 Motivation für eine CO 2 -Minderung Freigesetzte CO 2 -Emissionen 2005 in Deutschland nach Verursachern 12,1% 13,6% 6,1% 5,5% 42,5% Energiewirtschaft Verkehr Haushalte Verarbeitendes Gewerbe Übrige Kleinverbraucher 20,1% Absolute CO 2 -Emissionen der Energiewirtschaft in Deutschaland 2004: Folie t CO 2 Zum Vergleich: CO 2 -Emissionen der 3 RWE Braunkohlestandorte in NRW t CO 2 Zum Vergleich: CO 2 -Emissionen eines 600 MW SK-Grlast-Kraftwerks t CO 2

11 CO 2 -Minderung CO 2 - Minderung Kraft- Wärme- Kopplung Wirkungs- grad- steigerung Brenn- stoff- wechsel CO 2 - Seque- strierung Folie 21 CO 2 -Minderung Möglichkeiten der CO 2 -Emissions-Minderung bei der Stromerzeugung Effizienzsteigerung Ressourcenschonung Direkte Reduzierung der spez. CO 2 -Emission pro kwh el Klassische non regret -Strategie Brennstoffwechsel Reduzierung der spez. CO 2 -Emission pro kwh el Geostrategisch kritische Ressourcenallokation Verschiebung des Energiemixes (Versorgungssicherheit) CO 2 -Abtrennung Speicherung CCS Zielgröße ist ein Abtrenngrad von 90 % Geeignet für Neu- teilweise für Altanlagen Transport Speicherung ist noch nicht abschließend klar Folie 22

12 CO 2 -Minderung - Forschungsprogramme COORETEC: Ziele Nutzungspotenzial auf der Zeitskala Vision gering DKW η=50% GuD η>60% Werkstoffe 700 C Schutzschichten Leckageminimierung Werkstoffe Auslegungsverfahren Strategielinie: Effizienz DKW η=55% GuD η=65% CO 2 /H 2 - Turbine mittel Werkstoffe 800 C CO 2 - Wäsche Hybridkraftwerke IGCC- Demo Oxyfuel- Demo Abtrennung mit Membranen Speicherstätten Kraftwerk Nahe-Null- Emissionen Strategielinie:CO2-Speicherung hoch Forschungs- Entwicklungsrisiko Folie 23 CO 2 -Minderung - Kraft-Wärme-Kopplung CO 2 - Minderung CO 2 - Seque- strierung Kraft- Wärme- Kopplung Wirkungs- grad- steigerung Brenn- stoff- wechsel Details Folie 24

13 CO 2 -Minderung - Kraft-Wärme-Kopplung Kennzahlen der Kraft-Wärme-Kopplung W B P el Folie 25 Kraftwerks-Prozess Q N CO 2 -Minderung - Kraft-Wärme-Kopplung WB WB WB Kraftwerk Heizkraftwerk Heizkraftwerk 39,5 Verluste 60,5 Verluste 39,5 34,2 26,3 29,2 48,2 Verluste 22,6 Folie 26 Pel Pel QN Pel QN

14 CO 2 -Minderung - Wirkungsgradsteigerung CO 2 - Minderung Motivation Wirkungs- grad- steigerung Brenn- stoff- wechsel CO 2 - Seque- strierung Details Folie 27 CO 2 -Minderung - Wirkungsgradsteigerung Folie 28 Brennstoff- bzw. CO2-Einsparung [%] Ausgangswirkungsgrad eta 35 % eta 40 % eta 45 % angehobener Wirkungsgrad [%] Weltweit liegt das CO 2 -Einsparungspotential bei der Stromerzeugung bei ca. 35 %.

15 Spezifische CO2-Emission [g CO2/kWhel] CO2-Minderung - Wirkungsgradsteigerung Folie 29 Netto-Wirkungsgrad [%] Quelle:Alstom, 2006 CO2-Minderung - Wirkungsgradsteigerung Weitere Infos Effizienzsteigerung Folie 30 Der weltweite CO2-Ausstoss bei der zentralen Stromerzeugung in fossilen Kraftwerken von derzeit 5,5 Mrd. t/a könnte um 35%, das entspricht 2,9 Mrd. t/a, reduziert werden, würde man alle diese mit einem mittl. Wirkungsgrad von 29% durch moderne Kraftwerke, die heute schon 45% im Durchschnitt erreichen, ersetzen.. Quelle: VGB PoweTech 2005

16 CO 2 -Minderung - Brennstoffwechsel CO 2 - Minderung Motivation Wirkungs- grad- steigerung Brenn- stoff- wechsel CO 2 - Seque- strierung Folie 31 CO 2 -Minderung - Brennstoffwechsel Brennstoffumsatz Kohle: C + O N 2 CO N 2 Öl: C x H 2x+2 + y O 2 + 4y N 2 x CO 2 +(x+1) H 2 O + 4y N 2 Erdgas: CH O N 2 CO H 2 O + 8 N 2 CO 2 im Abgas von Kraftwerken Kohle (DT): % Folie 32 Öl (GT): 4 6 % Erdgas (GT): 3 4 % Verbrennung von Luft führt immer zu einer Mischung von CO 2 mit N 2 ( H 2 O, O 2 für λ > 1) Quelle:, RUB, LEAT, Prof. Scherer

17 CO 2 -Minderung - Brennstoffwechsel Optionen bei einem Kraftwerksneubau Folie 33 Quelle: SIEMENS, Thementag Energie, Dr. Riedle CO 2 -Minderung - Brennstoffwechsel Folie 34 Spez. CO spez. CO2-Emission [kg CO2/kWhel] 2 [kg CO 2 el ] 1,61 1,41 1,21 1,01 0,81 0,61 0,41 0,21 0, Kraftwerkswirkungsgrad [%] Basis: SK: BK EG: 0,333 kg CO 2 /kwh th 0,407 kg CO 2 /kwh th 0,197 kg CO 2 /kwh th Stand der Technik Braunkohle Steinkohle Erdgas Braunkohle CO2 reduziert Steinkohle CO2 reduziert Erdgas CO2 reduziert Annahmen: - Basiswirkungsgrad 45 % SK - 10 %-Punkte Wirkungsgradeinbuße durch CO 2 -Rückhaltung -CO 2 -Rückhaltegrad 90 % - Energetischer Aufwand je kg CO 2 ist konstant

18 Brennstoffportfolio Erdgas Folie 35 Erdgasreserven der Welt (Stand 2005) Nordamerika 7,4 Südamerika 7,1 Westeuropa 5,5 13,5 71,4 Afrika 55,3 Mittel- u. Nahost GUS/ Zentraleuropa Fernost/ Pazifik 10,9 1 m³ = 11,5 kwh Sicher gewinnbare Erdgasreserven gesamt: 171,1 Billionen m³ Folie 36 Quelle: e.on Ruhrgas

19 Welterdgasreserven -förderung Reserven Mrd. m³ Mrd.-m 3 Förderung Mrd.-m 3 3% 4% 4% 6% 8% 42% 5% 28% Europa Nordamerika Lateinamerika Fernost/Pazifik Afrika Mittel Nahost übrige GUS Russland % 9% 12% 6% 2% 4% 7% 19% 5% 28% Fernost/ Pazifik Mittel- Nahost Europa Afrika Lateinamerika Mexiko Kanada USA übrige GUS Russland Folie 37 Quelle: e.on Ruhrgas Erdöl Erdgas Zum Vergleich Der Erdgastransport aus Sibirien nach Europa benötigt eine installierte Leistung von ca MW Folie 38 Quelle: Siemens Basis Leitungslänge ca km 2 Stränge á 6 Rohre Verdichterstation alle km Quelle: e.on Internet-Dokumentation

20 Erdöl Erdgas Versorgungssicherheit Folie 39 Brennstoffportfolio Kohle Folie 40

21 Kohlereserven der Welt (Stand 2006) Folie 41 Hauptseehandelsströme der Welt in Mio-t (Stand 2006) Hauptkohleexportstaaten Folie 42

22 CO 2 - Minderung Motivation Wirkungs- grad- steigerung Brenn- stoff- wechsel CO 2 - Seque- strierung Folie 43 CO 2 -Sequestrierung Folie 44 Spez. CO spez. CO2-Emission [kg CO2/kWhel] 2 [kg CO 2 el ] 1,61 1,41 1,21 1,01 0,81 0,61 0,41 0,21 0, Kraftwerkswirkungsgrad [%] Basis: SK: BK EG: 0,333 kg CO 2 /kwh th 0,407 kg CO 2 /kwh th 0,197 kg CO 2 /kwh th Stand der Technik mit CO 2 - Abtrenn Braunkohle Steinkohle Erdgas Braunkohle CO2 reduziert Steinkohle CO2 reduziert Erdgas CO2 reduziert Annahmen: - Basiswirkungsgrad 45 % SK - 10 %-Punkte Wirkungsgradeinbuße durch CO 2 -Rückhaltung -CO 2 -Rückhaltegrad 90 % - Energetischer Aufwand je kg CO 2 ist konstant

23 CO 2 -Sequestrierung Post-Combustion-Capture Luft Brennstoff Kessel Gasreinigung atmosphärisch CO 2 - Abtrennung Oxy-Combustion-Capture Luft Gasreinigung Luftzerleg. Brennst. Kessel H 2 O- Kondensat. CO 2 atmosphärisch CO 2 Pre-Combustion-Capture Luft Vergasung Luftzerleg. Brennst. Gasreinig. CO-Shift CO 2 - Abtrennung druckaufgeladen Folie 45 GuD mit H 2 -Turbine CO 2 CO 2 -Sequestrierung Möglicher Zeitplan auf dem Weg zur CO 2 -Sequestrierung Jahr Post-Combustion Oxy-Combustion Pre-Combustion (O 2 /H 2 O-Vergasung GuD) Oxy-Gasification Oxy-Combustion (O 2 /CO 2 -Vergasung GuD) Folie 46

24 Technologie- entwicklung Gas- kraft- werk Steinkohle- kraft- werk Braunkohle- Kraft- werk Andere Folie 47 Dezentrale Erzeugung Virtuelles KW Mikro-KWK Topologie eines virt.. KW Dezentrale Wärmeerz. + Strom Techno- logien System- anforde- rungen Folie 48

25 Dezentrale Erzeugung - Virtuelles Kraftwerk Einbindung von Mikro-KWK-Anlagen Virtuelles = dezentrale + zentrale Kraftwerk KWK-Anlagen Einsatzplanung Folie 49 Dezentrale Erzeugung - Virtuelles Kraftwerk Zentrale Einsatzplanung Folie 50 Quelle: Fa. Schmack

26 Dezentrale Erzeugung - Virtuelles Kraftwerk Elektrische Netzbilanz Arbeit [kwh] Nachfragedeckung z.b. dezentrale Erzeugung oder allgemein durch Mikro-KWK-Anlagen Folie 51 Quelle: Fa. Schmack Dezentrale Erzeugung - Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (μ-kwk) Energiebedarf für Gebäude 12,0% 9,0% Raumwärme Warmwasser Strom 79,0% Primärenergieverbrauch Strom- / Raumwärmebedarf: 1 / 9 30,0% 28,0% Wohnen Industrie Gewerbe Verkehr 16,0% 26,0% Folie 52 Quelle:

27 Dezentrale Erzeugung - Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (μ-kwk) Vorteile der μ-kwk-technologie Konv. Strom- Wärmebereitstellung 100% Primärenergie-Input 60% Verluste 40% elektr. Wirkungsgrad 3% Verluste 37% Übertragungsverluste Nur 37 % der eingesetzten Primärenergie werden im Gebäude genutzt Folie 53 Dezentrale Mikro- KWK-Technologie 100% Primärenergie-Input Quelle: microgen 10% Verluste 90% höher Gesamtwirkungsgrad Über 90% der eingesetzten Primärenergie werden genutzt Dezentrale Erzeugung - Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (μ-kwk) Technologieentwicklung H H 2 -Brennstoffzelle 2 -Brennstoffzelle Aufbau H Aufbau H 2 -Infrastruktur 2 -Infrastruktur Vorbereitung Marktreife Technologieentwicklung Marktverfügbare Technologien Primärenergie-btr. Wärmepumpe Primärenergie-btr. Wärmepumpe Wärmepumpentechnik Wärmepumpentechnik Solarthermie Solarthermie Geothermie Geothermie Mikro-KWK Mikro-KWK KWK/Nahwärmenetze KWK/Nahwärmenetze Brennwerttechnik Brennwerttechnik Fossile Brennstoffzelle Fossile Brennstoffzelle Langzeit-Wärmespeicher Langzeit-Wärmespeicher Folie 54 Quelle: BDH

28 Dezentrale Erzeugung - Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (μ-kwk) Technologische Entwicklungsstufen Sinkender Wärmebedarf erfordert kleine hocheffiziente Gasgeräte Stand der Technik Brennwerttechnik Motorisches BHKW Brückentechnologie Gasbetriebene Wärmepumpe Folie 55 Zukunftstechnologien Mikro-KWK-Technologien (langfristig) - Stirlingmotoren, dampfbetriebene gasmotorisch betriebene KWK-Anlagen - Mikro-Gasturbinen - Brennstoffzelle Dezentrale Erzeugung - Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (μ-kwk) Technisch / wirtschaftliche Anforderungen Wärmemanagement Energieeffizienz Elektrische Leistung Leistung in kw [kw] Deckung des Strombedarfs Bedarf BZA Folie :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 Ein Tag im Januar Trotz Stromerzeugung über Bedarfsmenge beträgt der Deckungsgrad nur 43,5 % Quelle: GWI Anlage A (840 W el ) 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

29 Zusammen- fassung Folie 57 Zusammenfassung Primärenergiemix sollte ausgewogen bleiben Zentrale Erzeugung Zentrale Erzeugung wird weiter wichtigste Rolle spielen Nur ein breiter Mix an regenerativen Energien kann einen wesentlichen Beitrag zur Energiebereitstellung leisten Verfügbarkeit von Brennstoffen gewinnt an Bedeutung Effizienzsteigerung ist Basis für weitere Entwicklungen CO 2 -Thematik wird zunehmend in den Fokus rücken Gesamtemissionen bei Kohlekraftwerken sind auf einem akzeptablen Niveau Folie 58

30 Zusammenfassung Dezentrale Erzeugung Dezentrale Erzeugung wird an Bedeutung gewinnen (auf begrenztem Niveau) Nur ein breiter Mix an regenerativen Energien kann einen wesentlichen Beitrag zur Energiebereitstellung leisten Mikro-KWK-Technologien bieten ein attraktives Potential Folie 59 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 60

31 Koordinaten Universität Fakultät Ingenieurwissenschaften Abteilung Maschinenbau Leimkugelstraße Essen Tel.: +49 (0) Fax.: +49 (0) Mail http: Folie 61 Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Tel.: +49 (0) Mail Kraftwerksneubau Deutschland Folie 62