100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen Wie gelingt die Energiewende zur Nachhaltigkeit?

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1 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen Wie gelingt die Energiewende zur Nachhaltigkeit? Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid 0 Emissions Cities Rathaus Wien Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Standorte Bremerhaven und Kassel Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für alle Formen der erneuerbaren Energien Jahresbudget: rund 15 Mio. Euro Personal: ca. 220 Personen Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Jürgen Schmid 1

2 Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung CO 2 Emissionen pro Kopf Stand heute Kostet Geld Kostet Lebensraum 1999 Quelle: WBGU,

3 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 Energiebedingte Emissionen zwischen 1750 und 2006 Städte: 2/3 des Primärenergieverbrauchs bei 50% der Population Quelle: Sterner,

4 Anfang und Ende des fossilen Zeitalters vereinfachte Darstellung Einzelne Quellen Alle fossilen Quellen Verbrauch Wind Solar Solar Zeit Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung 4

5 Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (1) Energieeffizienz und Energieeinsparungen Kernkraft Globale Verdoppelung spart im Idealfall 6% fossile Energieträger ein 6% von 67% energiebedingten Emissionen sind 4% 4% Emissionsreduktion durch die Verdoppelung der Kernkraft Verdoppelung der ungelösten Probleme (Ressourcenknappheit, Proliferation, GAU & Terror, Entsorgung) 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) Quelle: Sterner, 2009 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Ausreichend Potential Herausforderungen: Speicherung, Transport, Recycling 5

6 Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma (2) Wind Solar Erneuerbare Energien: Direkt erzeugter Strom ohne thermische Verluste Nahezu null Emissionen Ausreichend Potential Hauptproblem: meteorologische Abhängigkeit Speicherung Ausgleich Wasser, Meer Erneuerbare Energien: 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 Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung 6

7 Städte: Was brauchen wir zum Leben? Was geht rein und raus? Wasser Produkte Stadt ENERGIE Nahrung Abfall Wie können wir erneuerbare Energien in Städten nutzen? Wind Solar Wasser, Meer Stadt Um welche Stadt handelt es sich? 2 Extrembeispiele: Güssing ländliche Stadt Wien Urbane Metropole 7

8 Typ ländliche Stadt Güssing Fläche: 50 km² Bevölkerung: 3,800 Bevölkerungsdichte: 76 Einwohner je km² Üppige Biomasseressoucen autark Typ urbane Metropole Wien Fläche: 415 km² 8 x Güssing Bevölkerung: x Güssing Bevölkerungsdichte: Einwohner je km² 54 x Güssing Selbstversorgung nur durch Import von regen. Energien möglich 8

9 Wie können wir erneuerbare Energien in Städten nutzen? Wind Solar Wasser, Meer Stadt 9

10 Effizienzsprung über direkt erzeugten Strom aus Wind, Solar, Wasser Stromverbrauch - Energieeinsparungen (neue Motoren, elektrische Antriebe, Standby, etc.) Stromerzeugung - Ausbau der erneuerbaren Energien - Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008; WBGU, 2008 Transport und Speicherung als Kernproblem von Wind und Solar Kapazität Pumpspeicher heute: 0,04 TWh Speicherbedarf bei 85% EE-Strom: ca. 30 TWh el Quelle: Nitsch, Sterner, et al (BMU Leitszenarien Zwischenbericht) IfnE Ingenieurbüro für neue Energien 10

11 Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: 0,5-2%! Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2 Erneuerbares Gas Strom-zu-Gas Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2010 Sterner,

12 Erneuerbares Gas Strom-zu-Gas Kopplung mit einer Biogasanlage Verdopplung des Ertrages Quelle: Specht et al, 2010 Sterner, 2009 Erneuerbares Gas Strom-zu-Gas 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 Mais / a 12

13 Gesucht: Gefunden: Dicke Leitungen und große Speicher Im Gasnetz Deutsche Speicherkapazitäten Pumpspeicher: ca. 0,04 TWh el Reichweite: x Minuten Elektrofahrzeuge: (45 Mio.) ca. 0,45 TWh el Reichweite: 6 Stunden Gasnetz: ca. 130 TWh el Reichweite: 2 Monate Übertragungskapazitäten der Gasnetze viel größer als von Stromnetzen Strom-zu-Gas vs. Pumpspeicher Wirkungsgrad nur halb so groß Kapazität 3000x größer Langzeitspeicherung im Gasnetz Standard 13

14 Holzartige Biomasse als Erdölersatz CO 2 -Prioritäten für den Einsatz von Bioenergie zuerst für Kohle im Kraftwerk und Öl im Keller, erst dann im Verkehr für Langstrecken und Heavy Duty Wärmepumpen Effizienzsteigerung um Faktor 3 4 Allerdings nur mit regenerativem Strom! 14

15 Regenerative Wärmeoptionen Energieeinsparungen Regenerative Architektur, Sanierung, Wärmedämmung Kraft-Wärme-Kopplung mit regenerativer Energie Bioenergie Holzheizkraftwerke vs. Pelletheizungen Wärmepumpen Effizienzsprung mit regenerativem Strom Solarkollektoren Ergänzend zu Gasthermen Regeneratives Gas aus Wind / Solar / Wasser / Biomasse Nutzung von vorhandenen Gasthermen und Speichern Städteplanung: Luftschneisen als natürliche Klimatisierung 15

16 Mobilität grundlegend neu denken v.a. in der Städteplanung Verkehrsvermeidung Kombiniertes Arbeiten / Wohnen / Einkaufen Kurze Wege Lokale Produktion lokaler Konsum weniger Güterverkehr (fair & local trade) Öffentliche und intelligente Verkehrskonzepte 1960er: Autofreundliche Städte jetzt Menschen- und klimafreundlich Öffentlich / Gemeinschaft statt Individual Schiene statt Straße IT und Verkehr Mitfahrzentralen für Personen und Güter Energieeffizienz im Fahrzeugbau Aerodynamik, Gewicht Effiziente Antriebe 16

17 Elektrisch fahren Effizienzsprung Faktor 3-4 aber nur mit erneuerbaren Energien Vorteile der Elektromobilität: - Abwärmenutzung möglich -CO 2 -Abtrennung möglich - weniger Feinstaub in den Städten - weniger Lärm - häuslicher Stromspeicher Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008; WBGU, 2008 Elektromobilität - Beispiele Individualverkehr: E Autos / E Zweirad Öffentlicher Transport: Trams und Busse Langstrecken: Elektrische Eisenbahnen 17

18 Regenerative Kraftstoffe aus Wind, Solar und Bioenergie mit hoher Energiedichte für lange Stecken aus Biomasse Regeneratives Gas aus Wind und Solar Biogas-Bus in der Schweiz Windgas-Auto in Deutschland Optionen für regenerative Antriebe Biokraftstoffe + hohe Energiedichte lange Reichweiten + (meist) infrastrukturkompatibel - hohe Landnutzungskonkurrenzen gesellschaftliche Akzeptanz - begrenztes Potential Elektromobilität + effizient, Feinstaub, Lärm + unbegrenztes nachhaltiges Energiepotential - Fahrzeugtechnologie noch zu entwickeln - begrenzte Reichweite Erneuerbares Gas aus erneuerbarem Strom + keine Begrenzung von Potential und Reichweite + infrastrukturkompatibel + Fahrzeugtechnologie vorhanden - Strom-zu-Gas Technologie noch am Anfang 18

19 Biokraftstoffe und Wind- und Solarkraftstoffe Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t_benzin_äq je Hektar u. Jahr Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES, LBST & ISI, EWI, DBFZ und Sterner, 2010 (FVEE Jahrestagung) Global 100% erneuerbare Energien: Primärenergie Quelle: WBGU,

20 Global 100% erneuerbare Energien: Energiebedingte Emissionen 2 C Klimaziel erreicht, dafür ist aber ein massiver Umbau des Energiesystems notwendig Quelle: WBGU, 2009 Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung 20

21 Zusammenfassung - Urbanisierung Urbanisierung: eine Frage von Energiedichten Energieeffizienzpotentiale schöpfen: Strom aus Wind, Solar, Wasser Kraft-Wärme-Kopplung mit guten Wärmenutzungskonzepten Regenerative Architektur und Wärmedämmung Verkehrsvermeidung und intelligente Stadtplanung Energieversorgung Wind, Solar, Wasser, Bioenergie als Hauptquellen Erneuerbares Gas als Speicher und Transportmedium Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Langzeitspeicherung von EE im Erdgasnetz ohne Begrenzung Energieträger für Verkehr (und Wärme) Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas und Transportstaus Zusammenfassung global 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 (EE und konv. Energiewirtschaft zusammenbringen & Menschen mitnehmen) Entscheidend politischer Wille und Bewusstseinswandel Vielen Dank 21

22 Kontakt Feedback willkommen! Dr.-Ing. Michael Sterner Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse msterner_at_iset.uni-kassel.de (Gutachten frei verfügbar) 22