Wege der Energiewirtschaft zu einer nachhaltigen Energieversorgung

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1 Wege der Energiewirtschaft zu einer nachhaltigen Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart VDI-Frühlingstreffen 14. Mai 2011, Neckarwestheim Prof. Dr.-Ing. A. Voß Wege der Energiewirtschaft

2 Energiesituation - Ausgangslage Energieversorgung

3 Entwicklung des Primärenergieverbrauchs und der Energieintensität in Deutschland Entwicklung der Energieintensität [1990=100] Primärenergieverbrauch [EJ/a] Quelle: BMWi (2011), eigene Berechnungen Jahr Steinkohle Braunkohle Kernenergie Mineralöle Erdgas Wasser/Wind Sonstige PEV/BIP Prof. Dr.-Ing. A. Voß Wege der Energiewirtschaft

4 Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Deutschland Bruttostromerzeugung [TWh] Steinkohle Braunkohle Mineralöl Erdgas Kernenergie Wasserkraft Windkraft Sonstige Anteil Erneuerbarer Energien Prof. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing A. Voß A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima % 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Anteil Erneuerbarer Energien an der Bruttostromerzeugung Zunahme des Stromverbrauchs um 16 % Entwicklung der CO 2 - Emissionen der öffentl. Strom- und Wärmeerzeugung 1990: 336 Mio. t 2000: 310 Mio. t 2008: 317 Mio. t Quelle: BMWI (2010): Energiedaten und UNFCCC (2010)

5 Bruttostromerzeugung in Deutschland Erdgas 6,5% Heizöl / Sonstige 5,7% Erneuerbare Energien 3,4% Steinkohle 25,6% Erneuerbare Energien 16,6% Steinkohle 18,7% Erdgas 13,6% Kernenergie 27,7% Braunkohle 31,1% Heizöl / Sonstige 5,7% Kernenergie 22,6% Braunkohle 23,7% Gesamt: 550 TWh Gesamt: 621 TWh Quelle: BMWi (2011) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Wege der Energiewirtschaft

6 Energiesituation - Ausgangslage Energieversorgung CO 2 -Emissionen und Klimaschutz

7 Steinkohle Braunkohle Mineralöle Gase CO 2 -Emissionen in Deutschland Energiebedingte CO2-Emissionen in Deutschland [Mill. t CO2/a] Quelle: UNFCCC (2008), BMWI (2010), UBA (2008), AGEB (2007), eigene Berechnungen Prof. Dr.-Ing. A. Voß Wege der Energiewirtschaft

8 CO 2 -Emissionen in Europa: Ausgewählte Länder (2008) CO 2 -Emissionen je Einwohner [t/capita] ,2 9,1 3,9 3,9 Energiebedingte CO2-Emissionen 2 je Einwohner je Einwohner CO2-Emissionen 2 der der Stromerzeugung je Einwohner je Einwohner 7,6 2,6 Prof. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing A. Voß A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima ,8 4,8 0,7 0,8 Dänemark Deutschland EU-27 Frankreich Schweden Schweiz Quelle: UNFCCC (2010) und EUROSTAT (2010), eigene Berechnungen; CO 2 der Stromerzeugung umfasst hier jeweils die Emissionen aus der öffentlichen Strom- und Wärmeerzeugung 5,6 0,3

9 Energiesituation - Ausgangslage Energieversorgung CO 2 -Emissionen und Klimaschutz Energiepreise

10 Strompreis für Haushalte Durchschnittlicher Strompreis eines Drei-Personen-Haushaltes mit einem Jahresverbrauch von kwh/a in Cent/kWh 2,05 0,23 1,2 17,96 2,05 0,20 17,19 2,05 0,291,17 1,79 2,05 0,98 0,08 16,11 2,05 0,31 1,79 0,88 1,79 0,77 1,79 0,09 2,05 0,69 3,71 1,79 1,79 13,94 14,32 0,31 0,34 1,79 0,33 0,51 3,46 2,33 1,79 1,79 0,25 0,42 1,79 3,30 1,28 1,53 0,35 2,28 0,13 0,201,79 2,68 0,20 0,25 2,48 2,57 1,79 1,79 2,37 2,22 1,92 1,97 17,11 16,53 23,21 21,65 20,64 2,05 18,66 19,46 Stromsteuer KWKG* EEG Konzessionsabgabe MWSt Erzeugung, Transport, Vertrieb 12,91 11,60 8,62 8,58 9,71 10,23 10,82 11,22 11,75 12,23 12,98 14, Quelle: BDEW, Stand 10/2009 *Gesamtbelastung durch KWKG ab 2002, gesunken; durch Entlastung Industrie steigende Belastung für Haushalte

11 Industrie-Strompreise in der EU in 2009 (1. Hj) Dänemark 19,73 Deutschland 11,85 Niederlande 11,80 Ungarn 11,69 Großbritannien 11,24 Tschech. Rep. 10,35 Belgien 10,27 Österreich 10,21 Irland 9,76 EU-27 9,67 Polen 8,97 Spanien 8,44 Frankreich Portugal Finnland Schweden 4,95 7,25 6,74 6,63 Strompreis ohne Steuern / Abgaben Steuern / Abgaben Quelle: Eurostat (2010), neue Erhebungsmethodik cent/kwh MWh < Jahresverbrauch < MWh

12 Erneuerbare Energien

13 Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland im Jahr 2009 (1990) Primärenergie [PJ/a] Elektrizität [GWh/a] Wasserkraft Wind 59 0,1 68,4 136, Biomasse inkl. Deponie- u. Klärgas Geothermie 150 k.a. 793,7 20, solare Strahlung < 0,1 42, Gesamt 209, , (2,2 % * ) (8,0 % * ) (3,4 % ** ) (16,1 % ** ) * Anteil am Primärenergieverbrauch ** Anteil am Bruttostromverbrauch Quelle: BMU

14 Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: BMU

15 Entwicklung der installierten Windleistung und der spezifischen Investitionskosten von Windenergieanlagen Kumulierte Leistung [MW] / Stromerzeugung [GWh] Kumulierte Leistung Stromerzeugung Spezifische Investitionskosten Spez. Investitionskosten [ 08/kW] Quellen: Bundesverband Windenergie e.v.; Staiß et al. 2008; BMU

16 Kosten des Windstroms Onshore Erzeugungskosten (je nach Standort) 8,3 bis 11,9 ct / kwh Back-up-Kosten für gesicherte Leistung 1,0 bis 2,0 ct / kwh Netzausbau und Netzverluste ca. 0,2 ct / kwh ca. 9,5 bis 14 ct / kwh

17 Lerninvestitionen Windenergie Spez. Investitionskosten [ 08/kW] Wirtschaftlichkeitsgrenze ca /kw rd Mrd. global Empirische Daten Lernkurve (PR = 0,920) ca GW ca GW Kumulierte Windenergie-Leistung weltweit [GW] GW Kraftwerksleistung weltweit (2009)

18 Windenergie Offshore (Deutschland) Technisches Erzeugungspotenzial TWh/a* Offshore-Windparks (Anfang 2011) - Alpha Ventus: 60 MW - Baltic I: 48,3 MW - BARD Offshore 1: 40 MW** Investitionskosten EUR/kW el Stromerzeugungskosten - ~ 15 Cent/kWh el Quelle "BARD-Gruppe" *Wassertiefe:> 10 m; mittlere Wassertiefe: ca. 40 m; maximale Entfernung von der Küste: 30 km; **am Netz angeschlossen

19 Gestehungskosten von Strom, Wärme und Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien Kraftstoffe Strom Wärme Gestehungskosten (EURct/kWh) Referenz: Diesel u. Benzin RME BTL Ethanol Wind (Onshore) Referenz: Fossile Kraftwerke PV Holz HKW (1-5 MW) Referenz: Zentralheizung Öl u. Erdgas Biogas Gülle BHKW Ztr.-Hzg. 15kW Solarkoll. (5-100m2) (0,1-0,5 MW) (Scheitholz- Pellets) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Wege der Energiewirtschaft Solarkoll. mit sais. Speicher (2000m2) Quelle: FNR 2006, MWV 2009, Staiß /09

20 CO 2 -Vermeidungskosten 2009 der Stromerzeugung aus EE CO 2 -Vermeidung EEG-Förderung 2009 [Mio. ] 2008 [Mio. t] Windenergie 27, Biomasse 22, Photovoltaik 3,

21 Nachhaltige Energieversorgung was ist darunter zu verstehen?

22 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

23 Naturwissenschaftliche Grundlagen 2. Hauptsatz der Thermodynamik Leben sowie die Entfaltung wirtschaftlicher und kultureller Leistungen bedürfen ständiger Zufuhr von arbeitsfähiger Energie und Materie. Wachsendes Wissen (Gestaltungsfähigkeit) und die damit mögliche Weiterentwicklung von Technik sind die Basis zur Erhaltung bzw. Erweiterung der Entfaltungsspielräume kommender Generationen. Energiebedingte Umweltbelastungen resultieren aus der mit der Stoffwandlung verbundenen Stofffreisetzungen in die Umwelt

24 Nachhaltigkeit und die Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen Ist die Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen (z.b Erdöl und Kohle) mit dem Nachhaltigkeitsprinzip vereinbar? Die Bereitstellung von Energiedienstleistungen erfordert neben dem Einsatz von Energieträgern immer auch den von nichtenergetischen Rohstoffen und Materialien. Stand der Technik bestimmt die technisch-wirtschaftlich verfügbare Energie- und Rohstoffbasis. Eine Nutzung vorratsbegrenzter Ressourcen erfordert eine Gegenleistung: die Ausweitung der technisch-wirtschaftlich verfügbaren Ressourcenmenge

25 Entwicklung der sicher gewinnbaren Reserven 200 Mrd. t 10 3 Mrd. m Erdöl Erdgas

26 Effiziente Ressourcennutzung und Ökonomie Haushälterischer Umgang mit knappen Ressourcen ist ein zentraler Aspekt von Nachhaltigkeit. Auch das allgemeine ökonomische Prinzip zielt auf die Minimierung des Ressourcenverbrauchs ab. Kosten und Preise dienen dabei als Maß für die Ressourceninanspruchnahme. Vollkosten, die die Umweltinanspruchnahme erfassen, sind ein Maß für den gesamten Ressourcenverbrauch. relative Nachhaltigkeit

27 Nachhaltige Energieversorgung wenn das Potenzial für die Bereitstellung von Energiedienstleistungen für die nächste Generation größer wird Ausweitung der wirtschaftlich nutzbaren Energie- und Rohstoffbasis die mit der Energienutzung verbundenen Stofffreisetzungen die Assimilationskapazität der Umwelt als Senke nicht überschreiten die Energiedienstleistungen mit möglichst geringem Ressourcenaufwand, einschließlich der Ressource Umwelt bereitgestellt werden Relative Nachhaltigkeit von Energiesystemen lässt sich messen am gesamten Ressourcenverbrauch je Energieeinheit Vollkosten sind Maß für relative Nachhaltigkeit

28 Stromerzeugungssysteme auf dem Prüfstand der Nachhaltigkeit Ressourcenverbrauch und ökologischer Fußabdruck verschiedener Stromerzeugungstechniken

29 Spezifischer kumulierter Energieaufwand (KEA) (ohne Brennstoff) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 [kwhprim/kwhel] Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD-Kraftwerk Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1 MW Quelle: IER 2005/

30 Gesamter Rohstoff und Materialaufwand Eisen Kupfer Bauxit [kg/gwh el ] [kg/gwh el ] [kg/gwh el ] Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1 MW Quelle: IER 2005/

31 Gesamter Rohstoff und Materialaufwand Material- und Rohstoffbedarf relativ zu Photovoltaik Eisen /Kupfer [%]; Bauxit [ ] Eisen Kupfer Bauxit Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1 MW Quelle: IER 2005/

32 Kumulierte Emissionen 1200 CO 2 [g / kwh]; SO 2, NOx [mg / kwh] Kohlendioxid Schwefeldioxid Stickoxide Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kw Wind 1500 kw (5,5) Wind 1500 kw (4,5) Laufwasser 3,1MW Quelle: IER 2005/

33 Risiken für das menschliche Leben und die Gesundheit - Gesundheitsrisiken von Energiesystemen Die Produktion von Gütern und Dienstleistungen, und damit auch die Bereitstellung elektrischer Energie ist mit Gesundheitsrisiken verbunden tödliche Arbeitsunfälle in Deutschland (Mittelwert der letzten 20 Jahre) verlorene Lebensjahre (YOLL) durch Luftschadstoffe in Deutschland Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungssysteme (im Normalbetrieb) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

34 Naturkatastrophen 1976 China, Tangshan Erdbeben: Tote 1985 Kolumbien, Ausbruch des Vulkans Nevado del Ruiz: etwa Tote 1991 Bangladesh, Zyklon: etwa Tote 1995 Japan, Erdbeben in Kobe: 6400 Tote 2004 Indischer Ozean, Erdbeben und Tsunami: etwa Tote 2010 Haiti, Erdbeben: etwa Tote 2011 Japan, Tohoku Erdbeben: ca Tote, Vermisste Schwere Unfälle 1975 China, Banqiao Staudammbruch: Tote 1984 Indien, Chemieunfall in Bhopal: 5000 Tote 1986 Ukraine, Reaktorunfall in Tschernobyl, 31 unmittelbare Tote, bis zu geschätzte latente Todesfälle 1993 Haiti, Fährunglück: ca Tote 1998 Nigeria, Explosion Benzinpipeline: ca. 900 Tote 2011 Japan, Reaktorunfall Fukushima:? Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

35 Häufigkeiten und Todesfälle durch große Unfälle ( ) OECD Non- OECD Hohe Unfallwahrscheinlichkeit bei LPG (liquid petrol gas) und bei Kohleminen in China. Dammbrüche in Entwicklungsländern können Tausende Tote verursachen; letzter Dammbruch in OECD Ländern > 1000 Tote in Vaiont, Italien; 1917 Tote im Jahre 1963) (Hirschberg, PSI 2008) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

36 Unfallrisiken der Kernenergie Kernschadenshäufigkeit in [1/a] Deutscher Kernkraftwerke im Vergleich zu Reaktoren in anderen OECD-Länder deutsche KKW sonstige OECD (Niehaus 1995, BfS 2002) spez. Gesundheitsrisiken = Häufigkeit des Unfalls Gesundheitsschäden Gesundheitsrisiken [YOLL-eq./GWh] Häufigkeit großer Freisetzungen etwa um den Faktor fünf bis zehn geringer als die Kernschadenshäufigkeit h = Kernschaden h = Freisetzung 1, , , , Normalbetrieb 1, Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

37 Unfallrisiken der Kernenergie Kernschadenshäufigkeit in [1/a] Deutscher Kernkraftwerke im Vergleich zu Reaktoren in anderen OECD-Länder deutsche KKW Schäden Unter Berücksichtigung von Gesundheitsrisiken, Wertschöpfung und Umsiedlung spez. Erwartungswert des Schaden = Häufigkeit des Unfalls Schaden sonstige OECD (Niehaus 1995, BfS 2002) Erwartungswert des Schadens Häufigkeit großer Freisetzungen etwa um den Faktor fünf bis zehn geringer als die Kernschadenshäufigkeit h = Kernschaden h = Freisetzung [Euro/MWh] 1, , , , Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

38 Externe Kosten Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

39 Vollkosten 350 Externe Kosten, CO2-eq. Externe Kosten, ohne CO2-eq 300 Lebenszykluskosten Diskontrate 7,5 % Vollkosten in [ 2007 /MWh] Steinkohle (PCC) Braunkohle (PCC) Erdgas GuD Kernenergie (LWR) Wind onshore Wind offshore Solar (PV) Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

40 Szenarien der Entwicklung der Energieversorgung

41 Szenarien zur Entwicklung der Elektrizitätserzeugung Szenario PEE Beschreibung Präferenz Erneuerbare Energien - Wachsende Anteile Erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung (2030 ~40 %, 2050 ~60 %) - Kernenergieausstieg (32 Jahre) THG- PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE Wie PEE, aber höherer Stromanteil Erneuerbarer Energien (2030 ~50%, 2050 ~80%) Wie PEE, aber mit Kernenergie- Laufzeitverlängerung auf 44 Jahre Wie PEE, aber mit Kernenergie- Laufzeitverlängerung auf 60 Jahre Effizienter Klimaschutz in Europa - kosteneffiziente Treibhausgasreduktion - Kernenergiezubau möglich Reduktion bis % ggü (EU-weit)

42 Primärenergieverbrauch und Energieproduktivität in Deutschland Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Wege Energiewirtschaft und Klima

43 Nettostrombereitstellung in Deutschland % Stromimportsaldo Nettostrombereitstellung [TWh] PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE % 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% Anteil Erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch Sonstige / nichtern. Abfall Sonstige Erneuerbare Energien Biomasse / ern. Abfall Solar Photovoltaik Wind Wasser Kernenergie Erdgas Heizöl Braunkohle Steinkohle Anteil Erneuerbarer Energien

44 Stromerzeugungskapazitäten in Deutschland 250 Sonstige / nicht ern. Abfall Installierte Nettoleistung [GW] Sonstige Erneuerbare Energien Biomasse / ern. Abfall Solar Photovoltaik Wind Wasser Kernenergie Erdgas PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE Heizöl Braunkohle Steinkohle

45 Importabhängigkeit fossiler Energieträger in Deutschland Anteil Importe fossiler Energieträger am PEV 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE 0%

46 Treibhausgasemissionen in Deutschland Gesamt [Mio.tCO 2 e] PEE 605,5 437,9 290,1 181,4 PEE + 606,1 416,8 275,0 198,1 PEE_KL44 602,8 402,4 276,3 181,5 PEE_KL60 604,1 423,4 264,3 178,8 EKE 616,6 421,0 270,7 181,7 Öffentliche Stromund Wärmeerzeugung [Mio.tCO 2 e] PEE 192,5 96,1 17,7 11,7 PEE + 193,1 76,9 10,0 8,2 PEE_KL44 193,4 74,4 15,2 11,9 PEE_KL60 201,0 92,5 8,9 8,9 EKE 205,3 85,5 8,3 6,

47 Treibhausgasemissionen in Deutschland PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE Übrige Sektoren Öffentliche Strom- und Wärmeerzeugung Treibhausgasemissionen [Mt CO2e]

48 Strompreise (langfristige Grenzkosten) PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE Strompreise (langfristige Grenzkosten) [EUR00/MWh]

49 Durchschnittliche Stromerzeugungskosten PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE PEE PEE + PEE_KL44 PEE_KL60 EKE Durchschnittliche Stromerzeugungskosten [EUR00/MWh]

50 Systemkosten für Deutschland Veränderung gegenüber PEE PEE + PEE_ KL PEE_ KL60 EKE PEE + PEE_ KL44 PEE_ KL60 EKE jährliche Systemkosten [Mrd. EUR 00 ] kumulierte Systemkosten (ab 2010) [Mrd. EUR 00 ]

51 Systemkosten für die EU-27 Veränderung gegenüber PEE PEE + PEE_ KL PEE_ KL60 EKE PEE + PEE_ KL44 PEE_ KL60 EKE jährliche Systemkosten [Mrd. EUR 00 ] kumulierte Systemkosten (ab 2010) [Mrd. EUR 00 ]

52 Volkswirtschaftliche Effekte von Laufzeitverlängerungen auf 40 bzw. 60 Jahre BIP-Abweichung zur Referenz [in %] 1,0% 0,9% 0,8% 0,7% 0,6% 0,5% 0,4% 0,3% 0,2% 0,1% 0,0% Absolute BIP-Abweichung zur Referenz (Ra) in Mrd a (Rc) 60a (Rb) a (Rc) 60a (Rb) a (Rc) a (Rb) +4 40a (Rc) a (Rb) +4 40a (Rc) a (Rb) Positive Auswirkungen einer Laufzeitverlängerung auf gesamtwirtschaftliche Entwicklung und Beschäftigte (kumulierte Steigerung des BIP um +295 Mrd ) Günstigere CO 2 -Zertifikatsund Strompreise wirken über volkswirtschaftliche Verflechtungen multiplikativ (Rückkopplung) BIP [Mrd ] Zusätzliche Beschäftigte [Tsd.] [gegenüber der Referenz (Ra)]

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!