Zukunft der Energie Energie der Zukunft Systemische Ansätze für eine gesicherte Energieversorgung

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1 Zukunft der Energie Energie der Zukunft Systemische Ansätze für eine gesicherte Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart Berliner Wissenschaftsgespräche Energieforschung März 2009, Berlin Prof. Dr.-Ing. A. Voß 1

2 Was können Energiesystemanalysen zur Ableitung tragfähiger Strategien für die Ausgestaltung der zukünftigen Energieversorgung Einordnung der Rolle und Bedeutung von Energietechniken und Energieträgern Fundierung energiepolitischer Konzepte, Maßnahmen und Rahmensetzungen leisten? Was sind ihre Grenzen? Klima März

3 Energieversorgung ist heute und zukünftig nicht eine einzelne Energietechnik sondern ein komplexes System miteinander vernetzter Energietechniken zur Gewinnung und Umwandlung, zum Transport und zur Verteilung, zur Speicherung und zur Nutzung von Energieträgern, um Energiedienstleistungen im gewünschten Umfang an den jeweiligen Orten bereitzustellen Anforderungen i. technisch zuverlässig und versorgungssicher ii. wirtschaftlich iii. umwelt- und klimaverträglich iv. ressourcenschonend v. nachhaltig vi. Klima März

4 Kategorien von Energiemodellen Endogenisierung der Nachfrage Top-Down Modelle Ökonometrische Modelle Gleichgewichtsmodelle Volkswirtschaft Hybrid Energietechnologien Accounting Optimierung Bottom-Up Modelle Energiesystem Klima März

5 Bottom-Up Modelle: Wesentliche Merkmale Ingenieursansatz Prozess- bzw. technologieorientierte Modellierung Energiesystemperspektive: Gewinnung, Umwandlung, Transport, Speicherung, Energienutzung, Bereitstellung von Energiedienstleistungen (Energy Services) Produktions- und Investitionsentscheidungen werden (1) exogen vorgegeben Accounting Framework ( Energiesystemischer Taschenrechner ) (2) im Rahmen einer systemübergreifenden Optimierung determiniert (z.b. Minimierung der Gesamtsystemkosten) Energiesystemmodelle (mit interner Ressourcenallokation) Klima März

6 Energiesystem: Netzwerkdarstellung Primary energy supply Lignite resources Oil resources Oil import Coal resources Coal import Gas resources Gas import Residual wood Area PV, Solarthermal, Energy crops Area Wind Wind Hard coal Lignite Oil Natural gas Biomass Conversion sector Coal processing Refinery Gas processing Elec sector Coal cond. PP Lignite cond. PP Coal IGCC PP Gas CC PP Wind converter CHP sector Coal CHP Gas CC CHP Biomass CC CHP Electrolysis Gasification Coal CHP CH2 Liquefication Coke Electricity Diesel District Heat Gasoline Gas LH2 Steam End-use sectors Residential Gas heating Oil heating Elc. heating Local heat grid Gas water boiler Elc. water boiler Elc. heat pump Insulation Commercial Room heat boilers Process heat boilers Warm water boilers Industry Industrial boilers Transport Gasoil car Gasoline car LH2 car Busses Trucks Process heat Warm water Warm water PKM TKM Room heat Room heat NPV Energy services Home Space Heating Lighting Air Conditioning Goods and Services Person Transport Freight Transport Klima März

7 Energiesystem: Netzwerkdarstellung Primary energy supply Lignite resources Oil resources Oil import Coal resources Coal import Gas resources Gas import Residual wood Area PV, Solarthermal, Energy crops Area Wind Wind Hard coal Lignite Oil Natural gas Biomass Conversion sector Coal processing Refinery Gas processing Elec sector Coal cond. PP Lignite cond. PP Coal IGCC PP Gas CC PP Wind converter CHP sector Coal CHP Gas CC CHP Biomass CC CHP Electrolysis Gasification Coal CHP CH2 Liquefication Coke Electricity Diesel District Heat Gasoline Gas LH2 Steam End-use sectors Residential Gas heating Oil heating Elc. heating Local heat grid Gas water boiler Elc. water boiler Elc. heat pump Insulation Commercial Room heat boilers Process heat boilers Warm water boilers Industry Industrial boilers Transport Gasoil car Gasoline car LH2 car Busses Trucks Process heat Warm water Warm water PKM TKM Room heat Room heat NPV Energy services Home Space Heating Lighting Air Conditioning Goods and Services Person Transport Freight Transport Klima März

8 Energiesystem: Netzwerkdarstellung Primary energy supply Lignite resources Oil resources Oil import Coal resources Coal import Gas resources Gas import Residual wood Area PV, Solarthermal, Energy crops Area Wind Wind Hard coal Lignite Oil Natural gas Biomass Conversion sector Coal processing Refinery Gas processing Elec sector Lignite cond. PP Coal IGCC PP Gas CC PP Wind converter CHP sector Coal CHP Gas CC CHP Biomass CC CHP Electrolysis Gasification Coal cond. PP Coal CHP CH2 Liquefication Coke Electricity Diesel District Heat Gasoline Gas LH2 Steam Technologiewettbewerb gesteuert durch Technologiekosten Nutzungsgrade Emissionsfaktoren Brennstoff- / Energieträgerpreise End-use sectors Residential Gas heating Oil heating Elc. heating Local heat grid Gas water boiler Elc. water boiler Elc. heat pump Insulation Commercial Room heat boilers Process heat boilers Warm water boilers Industry Industrial boilers Transport Gasoil car Gasoline car LH2 car Busses Trucks Process heat Warm water Warm water PKM TKM Room heat Room heat NPV Energy services Home Space Heating Lighting Air Conditioning Goods and Services Person Transport Freight Transport Klima März

9 Energiesystemmodelle sind dabei als dynamische mathematische Optimierungsmodelle formuliert i. zeitintegrale Zielfunktion (z.b. Minimierung der Gesamtkosten des Energiesystems über den Betrachtungszeitraum) Dies erlaubt eine explizite Erfassung der Kapazitätszu- und abbauten von Energietechnologien, z.b. Kraftwerken Politische Rahmenbedingungen, z.b. angestrebte Marktanteile von Energietechnologien bzw. Energieträgern oder angestrebte Treibhausgasreduktionsziele, lassen sich über Nebenbedingungen explizit modellieren Klima März

10 Energiesystemmodelle Preise der Importenergien, Energiepreise, Ressourcenverfügbarkeit Kosten-/Emissionsbilanzen Einheimische Quellen Importe Primärenergie Erneuerbare Energiequellen Raffinerie Stromerzeugung und -transport KWK-Anlagen und Fernwärmeverteilung Gasnetze Preise Kapazitäten Endenergie Energieflüsse Industrie Gewerbe, Handel Dienstleistungen Haushalte Verkehr Kosten Emissionen BIP Prozesswärme Wohnfläche Bevölkerung Licht Kommunikation Kraft Personenkilometer Güterkilometer Dienstleistung Nachfrage Energiedienstleistungsbedarf Klima März

11 Nationale Energiesystemmodelle - Input Derzeitiger Bestand an Energiewandlungs-, Energietransportund Energienutzungstechnologie (Kapazitäten, Alterstruktur, Wirkungsgrade, ) Charakterisierung zukünftiger Technologieoptionen i. Wirkungsgrade, technische Lebensdauer, ii. Investitionskosten, O&M Kosten, Verfügbarkeit, iii. Schadstoffemissionsfaktoren Verfügbarkeit von Energieressourcen: Mengen und Kosten Preise und Mengen der Importenergien Entwicklung der Energiedienstleistungsnachfrage Klima März

12 Energiesystemmodelle Werkzeug für eine szenariogestützte Zukunftsanalyse keine Prognose konsistente systemare Beschreibung möglicher Entwicklungen der Energieversorgung, um sie im Hinblick auf das energiepolitische Zielviereck i. Versorgungssicherheit ii. Umwelt- und Klimaverträglichkeit iii. Wirtschaftlichkeit iv. Nachweltverträglichkeit einordnen und bewerten zu können Klima März

13 Wege zu einer klimaverträglichen Energieversorgung in Deutschland- Ein Modellexperiment Klima März

14 Entwicklung des Primärenergieverbrauchs und der Energieintensität in Deutschland Primärenergieverbrauch [PJ/a] Entwicklung der Energieintensität [1990=100] Steinkohlen Braunkohlen Kernenergie Mineralöle Naturgase Wasser/Wind Sonstige PEV/BIP Quelle: AG Energiebilanzen (2008), BMWi (2008), eigene Berechnungen Klima März

15 Bruttostromerzeugung in Deutschland Heizöl / Sonstige 5.7% Erdgas 6.5% Erneuerbare Energien 3.4% Steinkohle 25.6% Erdgas 11.9% Erneuerbare Energien 14.1% Steinkohle 22.3% Kernenergie 27.7% Braunkohle 31.1% Heizöl / Sonstige 5.2% Kernenergie 22.1% Braunkohle 24.4% Gesamt: 550 TWh Gesamt: 637 TWh Quelle: AG Energiebilanzen (2008) Klima März

16 CO 2 -Emissionen in Deutschland Steinkohle Braunkohle Mineralöle Gase Energiebedingte CO2-Emissionen in Deutschland [Mill. t CO2] Quelle: UNFCCC (2008), BMWI (2008), UBA (2008), AGEB (2007), eigene Berechnungen Klima März

17 CO 2 -Emissionen in Europa: Ausgewählte Länder (2006) ,3 9,7 CO2 energiebedingte Emissionen CO der 2 -Emissionen Energieumwandlung je Einwohner je Einwohner CO2 2 -Emissionen der Stromerzeugung je je Einwohner CO 2 je Einwohner [t/capita] ,9 4,0 8,0 2,8 6,1 5, ,7 0,9 0 Dänemark Deutschland EU-27 Frankreich Schweden Quelle: Eigene Berechnungen nach EU-Kommission (2009) und EUROSTAT (2009). CO 2 der Stromerzeugung umfasst hier jeweils Emissionen aus öffentlicher Strom- u. Wärmeerzeugung Klima März

18 Charakterisierung der Szenarien THG-Reduktionsziele: 2010: -21% 2020: -40% 2030: -50% Referenzszenario (REF) Fortschreibung der derzeitigen Energiepolitik Auslaufen der Kernenergienutzung keine weitergehenden Klimaschutzziele Präferenz Erneuerbare Energien (PEE) Steigende Beiträge Erneuerbarer Energien - Primärenergie 16% in Stromerzeugung 25-30% in 2020 Auslaufen der Kernenergienutzung, keine CO 2 -Abtrennung CO 2 -arme Kohlenutzung (CKN) CO 2 -Abtrennung u. Entsorgung zugelassen Auslaufen der Kernenergienutzung Effiziente Ressourcennutzung (ER) Kosteneffiziente Erreichung der Reduktionsziele Kernenergie: Laufzeitverlängerung (ERL) Kernenergie: Ausbau möglich (ERN) Klima März

19 Preisentwicklung fossiler Energieträger [ 2000/GJ] [$2007/bbl (Öläquivalent)] Erdöl Erdgas Steinkohle Erdöl Klima März

20 Primärenergieverbrauch nach Energieträgern Primärenergieverbrauch [PJ] REF PEE CKN ERL ERN REF PEE CKN ERL ERN Steinkohle Braunkohle Kernenergie Mineralöle Naturgase Importsaldo Strom Wasserkraft Windenergie Biomasse, Müll Geothermie Solar Photovoltaik Klima März

21 Energieintensität des Bruttoinlandsproduktes 10,0 9,0 8,0 PEV/BIP [MJ/EUR2000] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2, Anm.: PEV nach Wirkungsgradmethode REF PEE CKN ERL ERN Klima März

22 Nettostrombereitstellung nach Energieträgern 700 Nettostrombereitstellung [TWh] REF PEE CKN ERL ERN REF PEE CKN ERL ERN Steinkohle Braunkohle Kernenergie Heizöl Erdgas Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Geothermie Biomasse, Müll Importsaldo Klima März

23 Anteil der Importe fossiler Energieträger am Primärenergieverbrauch in Prozent Anteil am PEV [%] REF PEE CKN ERL ERN Klima März

24 Kumulierte Treibhausgasminderungskosten und mittlere Stromgestehungskosten der verschiedenen Szenarien Szenario Referenzszenario (REF) CO 2 -arme Kohlenutzung (CKN) Präferenz Erneuerbare Energien (PEE) Effiziente Ressourcennutzung: Laufzeitverlängerung (ERL) Effiziente Ressourcennutzung: Kernenergieausbau / Laufzeitverlängerung (ERN) * Moderate Energiepreise Kumulierte Minderungskosten bis 2030 [Mrd. Euro 00 ] * 242* 19* -56* Mittlere Stromgestehungskosten 2030 [Cent 00 /kwh] 4,8 5,5 7,1 4,6 3,3 4,7* 5,4* 5,8* 5,4* 2,1* Klima März

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Klima März