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1 Leipziger Institut für Energie Energielandschaften Kulturlandschaften der Zukunft? Vortrag 3 Technologien zur Produktion regenerativer Energie Potenziale und Standortanforderungen Vilm, 19. Juni 2012 Matthias Reichmuth und Alexander Schiffler Leipziger Institut für Energie GmbH Lessingstraße Leipzig Telefon /

2 Energielandschaften Vortrag 3 Technologien zur Produktion regen. Energien Inhalt 1) Einführung 2) Technologien ohne relevanten Flächenbedarf 3) Biomasse 4) Solarenergie 5) Windenergie 6) Technologievergleich und Fazit 1

3 1) Einführung Inhalt Erneuerbare Energien im Energiesystem Grundbegriffe Optionen der Energiespeicherung Quelle: Dr. Klaus-Uwe Gerhardt / pixelio.de Gliederung nach Flächenbedarf 2

4 Erneuerbare Energien im Energiesystem Beschränkung auf den Stromsektor Zentrale Unterscheidung: Stetige und fluktuierende Energieträger Zunehmende Rolle der fluktuierenden Energieträger, dadurch: Netzausbau und überörtlicher Ausgleich der Schwankungen Speicherung und zeitlicher Ausgleich der Schwankungen Mengenmäßige Vollversorgung ohne fossile / nukleare Energieerzeugung leicht denkbar, ganzjährige Versorgungssicherheit bei hohem Anteil fluktuierender Energiequellen noch problematisch EINFÜHRUNG Rainer Sturm / pixelio.de 3

5 Grundbegriffe Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Erneuerbare Energien im Sinne des EEG sind: Wasserkraft einschließlich der Wellen-, Gezeiten-, Salzgradienten- und Strömungsenergie, Windenergie, solare Strahlungsenergie, Geothermie, Energie aus Biomasse einschließlich Biogas, Biomethan, Deponiegas und Klärgas sowie aus dem biologisch abbaubaren Anteil von Abfällen aus Haushalten und Industrie nicht dabei, obwohl im EEG enthalten: Grubengas Angela Parszyk / PIXELIO EINFÜHRUNG 4

6 Grundbegriffe Leistung von Anlagen Ist die elektrische Wirkleistung, die die Anlage bei bestimmungsgemäßem Betrieb ohne zeitliche Einschränkung unbeschadet kurzfristiger geringfügiger Abweichung technisch erbringen kann. Angela Parszyk / PIXELIO Vollbenutzungsstunden und Auslastung Vollbenutzungsstunden bzw. Volllaststunden: Rechnerischer Wert zur Ausnutzung der Anlage max h sind theoretisch möglich, wenn ganzjährig Betrieb in Volllast. Wind hat z. B. ca h Auslastung bzw. Nutzungsgrad: Anteil der Vollbenutzungsstunden an allen Stunden (für Wind z. B.: 1.800h/8.760h = 20,5 %) EINFÜHRUNG 5

7 Optionen der Energiespeicherung Unterteilung in Kurzzeitspeicher und Langzeitspeicher Kurzeitspeicher zur Ausgleichung von Schwankungen im Bereich von Stunden Kleinere Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher, verschiedene Batterietechnologien: (stationär oder mobil Elektrofahrzeuge) Langzeitspeicher mit Reichweiten von mehreren Tagen bis Monaten Größere Pumpspeicherkraftwerke (Norwegen, Alpenländer) Nutzung überschüssigen Stroms zur Erzeugung von Wasserstoff (Speicherung in Tanks oder Kavernen bzw. direkt Einspeisung ins Erdgasnetz) Methanisierung (über Zwischenschritt Wasserstoff), Erdgasqualität EINFÜHRUNG 6

8 Gliederung nach Flächenbedarf Anlagen erneuerbarer Energien mit und ohne relevanten Flächenbedarf Mit relevanten Flächenbedarf: Biomasse (Anbau), Photovoltaik- Freiflächen und Windenergie Ohne relevanten Flächenbedarf: Wasserkraft, Deponiegas, Klärgas, Geothermie, Meeresenergien, Biomasse aus Reststoffen und PV-Dachanlagen Im Sinne flächensparsamer Energieerzeugung sollte den Energieträgern ohne relevanten Flächenbedarf Vorrang eingeräumt werden. EINFÜHRUNG 7

9 2) Technologien ohne relevanten Flächenbedarf Inhalt Wasserkraft Geothermie Klärgas EnBW Kraftwerke AG Ich / pixelio.de Peter Smola / pixelio.de Bernd Sterzl / pixelio.de Deponiegas Meeresenergien 8

10 Wasserkraft Technologie: Ausgereifte Technologie im Gegensatz zu anderen Anlagen Bau neuer Anlagen nur an vorhandenen Querverbauungen (Wasserhaushaltsgesetz, Wasserrahmenrichtlinie, Naturschutzrecht), daher keine Änderung der vorhandenen Flächennutzung Genutztes und ungenutztes Potenzial Potenzial gilt als weitgehend erschöpft (2011: 19,5 TWh Strom) Zubau über Modernisierungen, Ausbau bestehender Anlagen oder vereinzelt Neubau an bestehenden Querbauwerken. Zusätzlich könnten 3,4 TWh/a gewonnen werden EnBW Kraftwerke AG Potenziale vorwiegend in Bayern und Mittelgebirgsregionen, an großen Flüssen durch Modernisierung und an wenigen noch ungenutzten Wehren FLÄCHENSPARENDE TECHNOLOGIEN 9

11 Geothermie Technologie: Unterscheidung in hydrothermale (mit Aquifer) und petrothermale (Hot- Dry-Rock) Tiefengeothermie. Stromerzeugung ab 100 C Wassertemperatur, Nebenprodukt der Wärmeerzeugung, Wärme sonst auch ohne Stromerzeugung. Genutztes und ungenutztes Potenzial Ich / pixelio.de 2011 erzeugten Anlagen mit 7,5 MW Leistung 0,02 TWh el Strom und 0,3 TWh th Wärme (nur tiefe Geothermie, ohne Wärmepumpen) Hydrothermales Potenzial: 26 TWh/a, 4 % des aktuellen Strombedarfs Petrothermal wesentlich größeres Potenzial: ca TWh/a (600- facher deutscher Strombedarf), Technik aber nicht ausgereift Standorte ohne Wärmeabsatz bleiben unrentabel, weil bei jeder Bohrung Wärmepotenzial höher als Stromerzeugungspotenzial ist FLÄCHENSPARENDE TECHNOLOGIEN 10

12 Klärgas, Deponiegas Technologie Klärgas: BHKW-Verbrennung des Methans Nur 6 % der verstromten Klärgasmenge wird EEG-Strom Größter Teil des erzeugten Stroms wird vor Ort selbst verbraucht Technologie Deponiegas: s. o., aber seit 2005 keine neuen Deponien mehr, nur noch Ausgasungsprozess der vorhandenen Deponien (nutzbar ab Deponie-Schließung) Genutztes und ungenutztes Potenzial Peter Smola / pixelio.de 2011 Erzeugung von 1,7 TWh el (insgesamt beide Gas-Arten) Bei Klärgas Austausch bei größeren bestehenden Anlagen (500 kw), dadurch bei Austausch älterer Motoren 0,7 TWh bis 2,9 TWh zusätzlich, Energieeffizienz senkt Eigenbedarf, damit mehr Stromverkauf Bei Deponiegas rückläufiges Potenzial (Ausgasung), Downsizing FLÄCHENSPARENDE TECHNOLOGIEN 11

13 Meeresenergien Technologien: Gezeitenenergie, Gezeitenströmungsenergie, Wellenenergie, Osmosekraftwerke, ozeanothermisches Gradient-Kraftwerk Nutzung in Deutschland steht noch völlig am Anfang. International vereinzelt Prototypen und Demonstrationsanlagen. Genutztes und ungenutztes Potenzial Sterzl / pixelio.de Bisher keine Nutzung zur Stromgewinnung in Deutschland. Potenzial der Gezeitenkraftwerke sehr gering, zu kleiner Tidenhub oder Mündungen für Schifffahrt erforderlich (z. B. Hamburger Hafen) Potenzial durch Gezeitenströmung, aber Strömungsgeschwindigkeiten zu niedrig. Gewisse Potenziale bei Wellenenergie und Meeresströmung, bisher nicht genau quantifiziert FLÄCHENSPARENDE TECHNOLOGIEN 12

14 3) Biomasse Inhalt Technologien Potenziale JuwelTop / pixelio.de Standortanforderungen 13

15 Technologien - Biomasse JuwelTop / pixelio.de Fest - Verbrennung biogener Festbrennstoffe Biomasse-HKW, Holzvergaser (Dampfkraftprozess und ORC-Prozess) Naturbelassene Hölzer (Waldrestholz, Sägerestholz, Rinde sowie Landschaftspflegeholz), Althölzer, Reste der Papier- und Zellstoffindustrie Flüssig - Verbrennung biogener flüssig Brennstoffe Pflanzenöl-BHKW (Palmöl, Rapsöl): Rückgang, seit 2012 vom EEG ausgeschlossen Gasförmig - Biogas Biogasanlagen mit KWK vorwiegend Nassfermentation Mais, Gras, Gülle, Ganzpflanzensilage, Getreidekorn, Hirse etc. Biomethananlagen: Aufbereitung Biogas zur Einspeisung ins Erdgasnetz Bioabfallanlagen Bio- und Grünabfall, Lebensmittelindustrie Ruth Rudolph / pixelio.de BIOMASSE 14

16 Potenziale JuwelTop / pixelio.de Derzeitige Nutzung (2011) ca. 30 TWh/a, davon: Feste Biomasse - 11,3 TWh el (+93,0 TWh th ) Flüssige Biomasse - 1,4 TWh el (+ 7,7 TWh th ) Gasförmige Biomasse - 17,5 Twh el (+16,5 TWh th ) Anlagen ca MW BIOMASSE 15

17 Potenziale JuwelTop / pixelio.de Annahmen zu den Rahmenbedingungen: Maximal 30% der Acker- und 20% der Grünlandflächen für Bioenergie 30 bis 50% der energetisch nutzbaren Biomasse für Stromerzeugung (ansonsten: um 40% Wärmenutzung und ca. 25% für Kraftstoffe) Ungenutzte Potenziale Reststoffe Waldrestholz, Stroh, Gülle, Bioabfall, biogene Industrieabfälle etc.: bei Waldrestholz noch Potenzial, ansonsten überwiegend genutzt, Nachrüstung von Kompostierungsanlagen etc. noch möglich Anbau-Biomasse Bei Annahme einer langfristigen Steigerung der Stromerzeugung aus Bioenergie (insgesamt) von 30 TWh/a (2011) auf 60 TWh/a: überwiegender Zuwachs durch Anbau-Biomasse. BIOMASSE 16

18 Standortanforderungen JuwelTop / pixelio.de Flächenbedarf für den Anbau: 50 bis 100 ha/gwh*a bei Biogasnutzung 30 bis 45 ha/gwh*a bei Feststoffverbrennung aus Kurzumtriebsplantagen (Energieholz-Anbau) abhängig von Wirkungsgrad und Größe der Anlagen Sehr unterschiedliche Standortbedingungen, je nach eingesetztem Substrat für Biogasanlagen Bestimmt durch Fruchtfolgen auf Äckern, Konkurrenz mit anderen Anbaukulturen. Flächenbedarf für Anlagen: eher zu vernachlässigen Standort von Biogasanlagen vorrangig in der Nähe von Stallanlagen Wärmeabnehmer vor Ort, um KWK sinnvoll zu nutzen, oder Methan-Aufbereitung und Einspeisung ins Erdgasnetz BIOMASSE 17

19 4) Solarenergie Inhalt Dachanlagen versus Freiflächen Potenziale IE Leipzig Standortanforderungen von Freiflächenanlagen 18

20 Dachanlagen versus Freiflächen Dachanlagen auf Wohngebäuden und Nichtwohngebäuden: Kein gesonderter Flächenbedarf Rund 38% aller Dachflächen geeignet (Rest: nördlich geneigt, schwache Statik, kein Bestand über 20 Jahre ) IE Leipzig Energieverbrauch teilweise vor Ort (versch. Eigenverbrauchsanteile) Freiflächenanlagen innerhalb der (vom jeweils aktuellen) EEG zugelassenen Flächenkategorien: Optimal nach Süden ausgerichtet, Ertrag i. d. R. höher als bei Dachanlagen IE Leipzig Erzeugter Strom kommt über Stromnetz zu allen Verbrauchern, noch keine Parität mit Börsenstrompreis SOLARENERGIE 19

21 Potenziale Dachanlagen Potenzialabschätzung nach Gebäudestatistik möglich, Teilflächen für Solarthermie reservieren Ertrag hängt von Standort (Globalstrahlung) und Ausrichtung ab Auf 38% der Dachflächen in Deutschland können 89 GW PV-Anlagen sowie ausreichend Solarthermie-Anlagen installiert werden (oder 150 GW ohne Solarthermie). Stromertrag ca. 80 TWh/a, Überschuss in Spitzenz. Ob investiert wird, hängt von Rentabilität und Image (Außenwirkung) der Anlage sowie Zukunftsperspektive der Immobilienbesitzer ab. Freiflächenanlagen Potenzial abhängig Flächenkulisse, auf der nach EEG vergütet wird. Potenzial in den EEG-fähigen Streifen der Verkehrswege: ca. 21 GW (Schätzung d. wiss. Begleitforschung zum EEG-Erfahrungsbericht 2011), Stromertrag ca. 20 TWh/a, dazu sonstige Flächen (Deponien etc.) SOLARENERGIE 20

22 Standortanforderungen (Freiflächen) Aufstellwinkel und Reihenabstand bestimmen den Flächenbedarf 25 Aufstellwinkel und Südausrichtung sind Standard, steilere Winkel brächten mehr Ertrag, aber weniger Module pro Fläche Annahme: Modulwirkungsgrad bei 15 % (Stand der Technik) Bei Beachtung der Verschattung im Dezember können zwischen 450 kw/ha (Flensburg) und 610 kw/ha (Freiburg) installiert werden, dazu Wege, Trafohaus, Zäune, Randflächen, daher 2 bis 2,5 ha/mw Je nach Globalstrahlung 885 bis Vollbenutzungsstunden Flächenbedarf: 1,65 bis 4 ha/gwh*a (starke regionale Unterschiede) Bauweise auch flacher und/oder enger möglich, aber bei geringen Pachtkosten für Flächen weniger rentabel. Nachgeführte Anlagen durch aufwändige Gestelle heute nicht rentabel SOLARENERGIE 21

23 5) Windenergie Inhalt Onshore versus Offshore Potenziale (Onshore) Rainer Sturm / pixelio.de Standortanforderungen (Onshore) 22

24 Onshore versus Offshore Rainer Sturm / pixelio.de Onshore in Deutschland seit rund 20 Jahren zunehmend Flächenausweisung, Planungsvorlauf, Windgeschwindigkeit norbert weiß / pixelio.de Katharina Wieland Müller / pixelio.de Offshore in Deutschland erst seit ca. 2 Jahren Logistik, Netzanbindung, Finanzierung Fläche steht zur Verfügung Wesentliches Element der Energiewende WINDENERGIE 23

25 Potenziale (Onshore) I Rainer Sturm / pixelio.de Derzeitige Nutzung - Unterliegt Schwankung Windangebot jährlich verschieden fluktuierende Energiequelle WINDENERGIE 24

26 Potenziale (Onshore) II Rainer Sturm / pixelio.de Potenziale IWES-Potenzialstudie für UBA: Anlagen bis 722 GW Leistung Fast 25-fache Leistung des derzeitigen Bestands (29 GW Windenergie) km² WINDENERGIE 25

27 Standortanforderungen (Onshore) Rainer Sturm / pixelio.de Technisches Potenzial greift nur in ausgewiesenen Eignungsgebieten Windgeschwindigkeit beeinflusst Bauweise der Anlage: bei Starkwind kürzere Rotoren Bauweise beeinflusst Flächenbedarf: Im Windpark werden 4 Rotordurchmesser Abstand empfohlen, teilweise aber auch unterschritten. Mittelwert in Deutschland: 5 ha/mw Bei Vollbenutzungsstunden (Neuanlagen): 2,5 ha/gwh In windschwachen Gebieten höherer Flächenbedarf Sofern keine Höhenbeschränkung: Weiter wachsende Nabenhöhen, dadurch bei gleicher Leistung auf gleicher Fläche höherer Ertrag, dazu wachsende Rotordurchmesser aber technische Grenzen (z. B. Logistik der Lieferung und der Errichtung) WINDENERGIE 26

28 6) Technologievergleich und Fazit Inhalt Rainer Sturm / pixelio.de Technologievergleich zum Potenzial Technologievergleich zum Flächenbedarf Fazit 27

29 Technologievergleich zum Potenzial Potenziale erneuerbarer Energien in Deutschland im Vergleich: TWh Strom p. a Potenzial mit Landflächenbedarf Potenzial ohne Landflächenbedarf 2011 genutzt Wasserkraft Biomasse Geothermie Wind (onshore) Wind (offshore) Photovoltaik Abbildung: IE, Datenquelle: BMU, erneuerbare Energien in Zahlen, IE-Zuordnung Flächenbedarf. Biomasse einschl. Klärgas, Deponiegas, Müllverbrennung, PV-Potenzial an geeigneten Dach, Fassaden- und Siedlungsflächen TECHNOLOGIEVERGLEICH UND FAZIT 28

30 Technologievergleich zum Flächenbedarf Jahresertrag pro ha Fläche im Vergleich MWh/a*ha Maximalertrag Minimalertrag Anbau Biomasse für Biogas Anbau feste Biomasse PV-Freifläche Windenergie PV-Freiflächenanlagen können (im Süden) Fläche am besten ausnutzen Bei Windenergie kann die Flächen innerhalb der Windparks zusätzlich landwirtschaftlich genutzt werden TECHNOLOGIEVERGLEICH UND FAZIT 29

31 Technologievergleich zum Flächenbedarf Flächenbedarf für 1 GWh Jahresertrag im Vergleich ha Fläche für 1 GWh/a Anbau Biomasse für Biogas Anbau feste Biomasse PV - Freifläche Maximalfläche Minimalfläche Windenergie Kehrwerte der ersten Grafik zeigen deutliche Unterschiede beim Biomasseanbau. TECHNOLOGIEVERGLEICH UND FAZIT 30

32 Fazit Gesamteinschätzung Eine vollständig regenerative Stromversorgung ist möglich. Vorrang sollte die Erschließung von Potenzialen ohne Flächenbedarf haben: Wasserkraft, Klärgas, Geothermie, PV-Dachflächen, Biomasse aus Reststoffen und Abfällen, Meeresenergien (einschl. Offshore-Wind), bei der Prioritätensetzung sind zudem Kosten wichtig. Sofern Flächen benötigt werden, sprechen die vorhandenen Potenziale und die gute Ausnutzung der Fläche für Wind- und Solarenergie Wind- und Solarenergie sind fluktuierende Energieträger. Im Energiesystem werden daher entweder sehr große Speicher oder grundlastfähige (stetige) Energieträger benötigt, um die Versorgungssicherheit auch bei Dunkelheit und Windstille herzustellen Ohne Speicherung, Netzausbau und Regelkraftwerke mit begrenzter Nutzungsdauer (z. B. auf Gasbasis) stoßen fluktuierende erneuerbare Energien an Systemgrenzen, stetige Energieträger (Biomasse, Wasserkraft, Geothermie) sind einstweilen unverzichtbar. TECHNOLOGIEVERGLEICH UND FAZIT 31

33 Leipziger Institut für Energie Energielandschaften Kulturlandschaften der Zukunft? Vortrag 3 Technologien zur Produktion regenerativer Energie Potenziale und Standortanforderungen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Matthias Reichmuth Telefon: / Alexander Schiffler Telefon: / Leipziger Institut für Energie GmbH Lessingstraße Leipzig Telefon /

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