Energie und wir. Zwei Welten treffen aufeinander. Prof. Dr. Harald Lesch. LMU & HfPh

Transkript

1 Energie und wir Zwei Welten treffen aufeinander Prof. Dr. Harald Lesch LMU & HfPh

2 German Watch 10. Dez. 2018

3 3/118

4 4/118

5

6 Gefährliche Kipppunkte durch die Globale Erwärmung Quelle: GermanWatch nach Schellnhuber, Potsdam Institut für Klimafolgenforschung, 2006

7 Klimawandel: Krisen, Kriege, Wanderungen

8

9 Temperaturprognose Quelle: DKRZ/MPI-M; Prof. Dr. M. Latif, Februar Münchener Rück Stiftung

10 Klimawandel und Hitzerisiko: Die Grenzen menschlicher Wärmeregulierung Geographische Verteilung tödlicher Klimazustände unter verschiedenen Emissionsszenarien Mora et al., 2017, Nature Climate Change

11 Kann das globale Klima stabilisiert werden, bevor der unkontrollierbare Wandel Bedingungen schafft, die für die menschliche Zivilisation zu heiß und für die meisten Arten tödlich sind?

12 Figueres, Schellnhuber et al. 2017, Nature

13 Die Integralfalle

14 14/118

15 15/118

16 16/118

17 Quelle:

18 Klimawandel und Energiewende Erwärmung der Erdoberfläche Erwärmung der Meere: Meeresspiegelanstieg, Strömungsveränderungen Abschmelzen der Polkappen Gletscherschmelze extreme Wetterlagen: Wirbelstürme, Regenfälle, Überschwemmungen Expansion der Wüsten

19 Quelle: Umwelt-Prognose-Institut (UIP) 2000 Klimawandel und Energiewende

20 Schema des Transports elektrischer Energie Speicherbecken; Fluss Wasser; (Wind) Kraftwerksverbund: Nachtstrom der Wärmekraftwerke => Pumpspeicherkraftwerke Turbine Generator Transformator: Hochspannung, niedrige Stromstärke Dampf Kernkraft; Kohle; (Gas; Müll) Der Transport elektrischer Energie kann entweder mit hoher Spannung (Isolierung!) und niedriger Stromstärke oder mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke (dicke Leitung!) erfolgen. Die Umwandlung erfolgt in Transformatoren. Diese arbeiten nur mit Wechselstrom bzw. spannung. Daher haben wir ein Wechselspannungsnetz. Hoch- und Höchstspannungsnetz P = U I Transformator: Niederspannung, hohe Stromstärke Verbraucher Verbraucher

21 Elektrokraftwerke Hauptsächliche Quelle elektrischer Energie: Wärme: Umwandlung der Bewegungsenergie von Wasserdampf mit Hilfe der Induktion

22 Elektrokraftwerke Nutzung mechanischer Energie: Wasser: Laufwasser Speicher Pumpspeicher Gezeiten Wind

23 Elektrokraftwerke Solarelektrische Direktumwandlung

24 Elektrokraftwerke Brennstoffzelle: Direktumwandlung chemischer in elektrische Energie Sauerstoff Wasserstoff O 2 -> 2 O* 2 H 2 -> 4 H + +4e - O -- 2H + Wasser H 2 O I

25 Wertschöpfungskette Umwandlung Primärenergie Transport Transport Verteilung Verbrauch Entsorgung 25/118

26 Arten der Energiewandlung Primärenergiearten: Wasser Chemisch (und physikalisch) gebundene Energie (Kohle, Öl, Gas, NaWaRo, Geothermie) Wind Solare Strahlung Umwandlung nutzt (i. A.) folgende Schritte: Direkte Umwandlung Brennstoffzelle Photozelle Primärenergie Nutzenergie Indirekte Umwandlung Linearbewegung chemische Energie Strahlung Wärme Rotation 26/118

27 Arten der Energiewandlung Primärenergiearten: Wasser Chemisch (und physikalisch) gebundene Energie (Kohle, Öl, Gas, NaWaRo, Geothermie) Wind Solare Strahlung Umwandlung nutzt (i. A.) folgende Schritte: Direkte Umwandlung Brennstoffzelle Photozelle Primärenergie Nutzenergie Indirekte Umwandlung Linearbewegung chemische Energie Strahlung Wärme Rotation 27/118

28 Arten der Energiewandlung Primärenergiearten: Wasser Chemisch (und physikalisch) gebundene Energie (Kohle, Öl, Gas, NaWaRo, Geothermie) Wind Solare Strahlung Umwandlung nutzt (i. A.) folgende Schritte: Direkte Umwandlung Brennstoffzelle Photozelle Primärenergie Nutzenergie Indirekte Umwandlung Linearbewegung chemische Energie Strahlung Wärme Rotation 28/118

29 Arten der Energiewandlung Primärenergiearten: Wasser Chemisch (und physikalisch) gebundene Energie (Kohle, Öl, Gas, NaWaRo, Geothermie) Wind Solare Strahlung Umwandlung nutzt (i. A.) folgende Schritte: Direkte Umwandlung Brennstoffzelle Photozelle Primärenergie Nutzenergie Indirekte Umwandlung Linearbewegung chemische Energie Strahlung Wärme Rotation 29/118

30 Rationeller Energienutzung Minimierung des energetischen Aufwandes für ein Energiesystem in dessen Lebenszeit Möglichkeiten 1. Erhöhung der Effizienz bei Umwandlung 2. Erhöhung der Effizienz bei Anwendung von Energieströmen Minimierung der Verluste Mehrfachnutzung und Energierückgewinnung Energie einsparen, Regenerative Erzeugung 30/118

31 Energieformen Primärenergie: Endenergie (Nutzenergie) Sonne Wind Wasser Organische Substanzen Wärme / Kälte Strom (Kraft, Licht) Informationen Gezeiten, Strömungen, Wellen Geothermie Braunkohle Steinkohle Erdgas inkl. unkonv. Vorkommen Öl inkl. unkonventioneller Vorkommen Uran 31/118

32 Quelle: Michael Scharp, IZT Überblick zu Eneuerbaren Energien (EE)

33 O. Schwarz 33/118

34 Herausforderung Klimawandel Dekarbonisierung 2-Grad Ziel Aufnahmefähigkeit der Atmosphäre 210 Gt C Fossile Industriegesellschaft Fossile Reserven 800 Gt C 80% 50% 30% Fossile Ressourcen Gt C Quellen: Meinshausen et al. 2009, WBGU 2009, BGR 2011, Nature 2015, eigene Berechnungen. 34

35 Kohlendioxid Rohgas Erneuerbare Strom Wandel in der Energieversorgung Power to All Power, Heat, Gas, Liquid Strom 2,1 % Bodenfläche Speicherung Strom Wasserstoff Elektrolyse Speicherung Wärme 4,5 % Landwirtschaftsfläche H 2 CO 2 Konversion Transport Kohlenwasserstoffe Verkehr CO 2 -Abscheidung Grundstoffe 35

36 Biomasse NaWaRo Kohlendioxid Rohgas Erneuerbare Strom Wandel in der Industrie Dekarbonisierung der Grundstoffindustrie Metalle Chemie Strom Speicherung Stahl Chlor Aluminium Natronlauge Elektrolyse Speicherung Wasserstoff Metalle Baustoffe H 2 CO 2 Kohlenwasserstoffe Eisen Zement Konversion CO 2 -Abscheidung Zink Metalle Kalk Chemie Biokohle, Biokoks Gusseisen Ethen CO Pyrolyse 2 -Abscheidung Silizium Propen 36

37 Nachhaltige Industriegesellschaft Notwendiger Strukturwandel Fossile Industriegesellschaft Bevölkerung Wirtschaft Ungebrochene Wachstumsdynamik Metalle Fossile Rohstoffe CO 2 -Konzentration Planetare Grenzen Notwendige Entkopplung Zukunft gestalten! Energiewende 100 % regenerativ Infrastrukturen Dienstleistungen Lebensstile Ressourcenwende 100 % Recycling (Innerhalb thermodynam. Grenzen) Nachhaltige Industriegesellschaft 37

38 38/118

39 Leistung im Erdsystem Kleidon 2012, PhiuZ 39/118

40 Erde und erneuerbare Energien 40/118

41 Grenzen der Windenergie 41/118

42 42/118

43 43/118

44 44/118

45 Solarthermie Das Projekt Desertec: Strom aus der Sahara Ein zentraler Einwand ist: Bevor dieses Projekt zum Tragen gebracht werden kann wird der weitere Ausbau der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien in Deutschland zu niedrigeren Kosten und Preisen möglich sein als der Solarstromimport aus Nordafrika. (Eurosolar) Welt Europa Mittlerer Osten Nordafrika Quelle: (bearbeitet Rolf Behringer, Solare Zukunft e.v.

46 DESERTEC Konzept für EU-MENA Studies by DLR for EUMENA region MED-CSP & TRANS-CSP for German government CLUB OF ROME WhiteBook Skizze eine möglichen Infrastruktur für eine nachhaltige Energieversorgung für EUrope, the Middle East and North Africa (EU-MENA)

47 Die Windparks werden an der Nordsee mit den großen Wasserspeichern Norwegens gekoppelt, ihre Energie steht faktisch rund um die Uhr bereit. Sie decken dann auch die Grundlast ab. Eine ähnliche Verbindung mit 700 MW besteht seit 2008 zwischen den Niederlanden und Norwegen. Bislang halten die vier großen deutschen Erzeuger in Deutschland, RWE, Eon, Vattenfall und EnBW, an neuen Kohlekraftwerken zur Grundlastversorgung fest. Das Kabel verändert diese Situation: Wenn die deutschen Energieversorger nicht bald aufwachen, erleiden sie in einigen Jahren ein ähnliches Schicksal wie heute General Motors. Alfred Richmann vom Verband der Industriellen Energie- und Kraftwirtschaft: Das ist ein Beitrag, um die verkrusteten Erzeugungsstrukturen in Deutschland aufzubrechen. 47/118 Quellen: Neue Energie 6/2009, Rheinischer Merkur, und powernews vom

48 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Das intelligente Netz muss ein HGÜ-Netz sein: HGÜ verursacht über große Entfernungen viel kleinere Verluste, ist viel billiger, braucht viel weniger Material und viel kleinere Schneißen als die Übertragung der gleichen Energie mit Wechselstrom- Hochspannung. Photo source: G. Czisch, Barcelona, /118

49 Handlungsmöglichkeiten Rolle des Einzelnen: Deutschland heute: 10 t CO2 pro Person und Jahr Langfristig klimagerechtes Jahresbudget eines Erdenbürgers: 2 t CO2 pro Jahr - grünen Strom beziehen - beim Neukauf von Elektrogeräten besonders effiziente Modelle kaufen - Flugreisen weitestgehend vermeiden oder kompensieren - durch nachhaltige Geldanlagen Mikrokreditsysteme und Klimaschutztechnologien unterstützen

50 Zum Optimismus gibt es keine Alternative! Wind Sonne Wasser Vernunft Solidarität - Verzicht Ressourcen, die schon immer da waren, clever nutzen. Den gesunden Menschenverstand einsetzen für ein würdiges Leben aller.