Forschungsvorhaben F K Z gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, und Reaktorsicherheit.

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1 Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland Bearbeitungsteam: Forschungsvorhaben F K Z gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, und Reaktorsicherheit DLR -Institutfür Technische Thermodynamik, Stuttgart Joachim Nitsch,W olfram Krewitt, Michael Nast, Peter Viebahn Institut für Energie- und Umweltforschung (ifeu),heidelberg Sven Gärtner, Martin Pehnt, Guido Reinhardt, Regina Schmidt, AndreasUihlein unter Mitarbeit von KarlScheurlen (IUS Potsdam) W uppertalinstitutfür Klima, Umweltund Energie, Wuppertal Claus Barthel,M anfred Fischedick, Frank Merten Bearbeitungszeitraum: Juni 21 - Dezember 23

2 Einbindung der Untersuchung inden BM U -Forschungsschwerpunkt Monitoring Biomasseverordnung (IE) Erneuerbare Energien und Umwelt in Zahlen (ZSW) Stoffstromanalyse der energetischen Nutzung von Biomasse (Öko-Institut) Solarthermische Stromerzeugung - Studien Programm SOKRATES (DLR) Naturschutzaspekte bei der Nutzung erneuerbarer Energien (IFEU) Ökologisch optimierter Ausbau erneuerbarer Energien (DLR) Ausbau der Windenergienutzung im Hinblick auf den Klimaschutz (DEWI) Ökologische Begleitforschung Windenergienutzung Offshore (AWI) Umweltauswirkungen, Marktpotenziale stationärer Brennstoffzellen (DLR) Geothermische Stromerzeugung - Vernetzung u. Bewertung (IE)

3 Wesentliche Zielsetzung des Forschungsvorhabens Technische, ökonomische und potenzialbezogene Charakterisierung aller relevanten Technologien zur Strom- und Wärmeerzeugung und (eingeschränkt) zur Kraftstoffbereitstellung Ermittlung und Bewertung aller Umweltwirkungen dieser Technologien mittels (dynamischer) Ökobilanzen unter Einbeziehung wesentlicher Naturschutzaspekte Ökologische und ökonomische Bewertung verschiedener Ausbaupfade erneuerbarer Energien im Rahmen der Weiterentwicklung des gesamten Energiesystems und Ableitung von Empfehlungen für eine optimale Ausbaustrategie Analyse der energiepolitischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und Formulierung möglicher Maßnahmen und Handlungsempfehlungen zur Umsetzung der Ausbaustrategie

4 Ö kologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland Forschungsvorhaben gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, und Reaktorsicherheit Ergebnisse der Szenarioberechnungen und Schlussfolgerungen DL R-InstitutfürTechnische Thermodynamik, Stuttgart Abt.Systemanalyse und Technikbewertung; Institutfür Energie- und U m weltforschung, Heidelberg; W uppertal-institutfür Klima, Umweltund Energie, GmbH. Fachtagung des Bundesumweltministeriums Berlin,12. Mai 24

5 Zielsetzung der Szenarienerstellung Ermittlung zweckmäßiger Ausbaupfade der EE biszum Jahr 25 W echselwirkungen der Strategien Nutzungseffizienz, Um wandlungseffizienz und A usbau Erneuerbarer Energien abbilden; Berücksichtigung von Potenzialrestriktionen und erreichbaren Zubaugradienten; zeitliche Entwicklung der EE-Beiträge und strukturelle Veränderungsnotwendigkeiten getrennt nach Strom-, Wärme- und Kraftstoffmarkt darstellen Ökologische Bewertung der Ausbauszenarien Strukturelle Auswirkungen der aus Naturschutzsicht reduzierten Potenziale darstellen; vermiedene Klimagasemissionen, erforderlicher Ressourceneinsatz, Flächenbedarf nach Sektoren im zeitlichen Verlaufermitteln Ökonomisch -strukturelle Bewertung der Ausbauszenarien Ermittlung volkswirtschaftliche Wirkungen: Spezifische K osten der Stro m erzeugung und Gesamtkosten der Stro m nutzung im Vergleich, spezifische Wär me- und Kraftstoffkosten Investitionsvolumina und Differenzkosten des Ausbaus aller erneuerbarer Energien Strategie für einen ökologische optimierten Ausbaupfad erneuerbarer Energien unter Beachtung volkswirtschaftlicher und sozialeraspekte

6 Rahmenbedingungen fürden Ausbau erneuerbarer Energien A) Minderung von C O 2 und weiteren Treibhausgasen: -21 % bis ;-4 % bis 22; -8% bis25 B) Kernenergie: Ausstieg bis223 Teilstrategie 1: Deutliche Steigerung der Energieproduktivitätin allen Verbrauchssektoren PEV/BIP (2 = 1): 22 = 54 (67), 25 = 24 (4) STROM/BIP (2 = 1): 22 = 62 (77), 25 = 4 (53) Teilstrategie 2: Modernisierung HKW (Fernwärme);deutlicher Ausbau der dezentralen K W K (Nahwärme, Einzelobjekte) AnteilStro m: 2 = 14 %, 22 = 3 (16), 25 = 45 (19) Anteil Wärme: 2 = 12 %, 22 = 17 (11), 25 = 27 (13)

7 Wirkungen der Teilstrategie Nutzungseffizienz Endenergie Strom, [TWh/a] "Effizienz" Haushalte Industrie GHD Verkehr Stro m Endenergieeinsatz [PJ/a] "Effizienz" Warmwasser alle Prozesswärme GHD + Haush. Prozesswärme Industrie Raumwärme GHD + Ind. Raumwärme Haushalte oeko\waerme-2; Wärme Endenergie, [ PJ/a ] "Effizienz" Güterverkehr Schiene, Schiff Güterverkehr Straße Flugverkehr Öffentlicher Personenverkehr Mot. Individualverkehr oeko/verkehr2; Verkehr Effizienz gegenüber: REF 2 Stro m = - 45 PJ (25 % 27 %) Wärme = -189 PJ (4 % 33 %) Kraftstoffe = -117 PJ (51 % 43 %) Endenergie = -33 PJ (4 % 34 %) Primärenergie= -46 PJ ( 41 % 31 %)

8 Steigerung der U m w a ndlungseffizienz KWK-Strom- und Wärmeerzeugung, [TWh/a] Ausbau und Modernisierung der KWK s =,447,586,716,829,965 1,26 W S Brennstoffersparnis durch KWK (% von PEV): 2 = 3,2% 25 = 13,1% Wirkungsgradsteigerung von Kondensations- Kraftwerken: 37 % (2) 47 % (25) CO 2 -Vermeidung bis25: 6 Mio.t/a Fernwärme Nahwärme Objekte Industrie oeko\kwkstru; 3.1.4

9 W esentliche Gestaltungsbedingungen für den Ausbau der EE Potenziale: Beachtung aller Naturschutzkriterien; zulässige Ausschöpfung aller begrenzten heimischen Potenziale (Wasserkraft, Wind - Onshore,Biomasse) Strukturelle Bedingungen: Stromerzeugung: Balance zwischen dezentralem Einsatz und großräumiger Vernetzung; jederzeitige Versorgungssicherheitsicherstellen; Wärmeerzeugung: Nutzungsmöglichkeiten von K W K- Wärme; Anteilvon Nahwärmenetzen; Konkurrenz KW K EE; Hochtemperaturwärme; Kraftstoffe: Nutzungskonkurrenz Biomasse (Fallunterscheidung Iund II) Verfügbarkeit von Anbauflächen (insgesamt, zeitlich) Ökonomische Bedingungen: Vorrangige Ausnutzung kostengünstiger Potenziale M arktvolumina sollen aber auch Kostensenkungspotenziale aller EE mobilisieren; europäische Vernetzung;globale Märkte

10 Struktur des Kraftwerkzubaus (ab 21) in den Szenarien - Szenario Referenz - - Szenario NaturschutzPlus I - Installierte Leistung, GWel ,3 32,9 47,7 68,3 88,2 98,8 19,9 131,1 125,4 119,7 Installierte Leistung, GWel Kond. - KW Kohle BHKW +BZ Gas Kond. - KW Gas BHKW+BZ Biomasse HKW Kohle Wind EE von 6 % (2) auf 19 % (25) CO 2 von 335 auf 33 M io.t/a HKW Gas Übrige Erneuerbare Kond-KW (Kohle, Gas) Wind - Offshore HKW (Kohle, Gas) Fotovoltaik BHKW + BZ (Gas) Wasser, Geothermie BHKW + BZ (Biomasse) Import Erneuerbare EE von 6 % (2) auf 68 % (25) CO 2 von 335 auf 75 Mio.t/a Wind - Onshore

11 Kraftwerksneubauten (Ersatz und Zubau) im Zeitraum 2 bis 22 - Basis: Alterstruktur 2; Abbau Kernenergie, Szenario Naturschutzplus I - Bruttoleistung (GW) Kohlen Erdgas EE Gesamt Kondensations Kraftwerke 5,1 6,9 12, Öffentliche Heizkraftwerke 6,2 3,3 9,5 Industrielle Heizkraftwerke (> 1 MW) 3,3 2,9 6,2 Dezentrale Block-Heizkraftwerke 7, 4,7 11,7 Summe thermische Kraftwerke 14,6 2,1 4,7 39,4 Windenergie 32,2 Übrige Erneuerbare Energien 7,4 Gesamte Leistung 14,6 2,1 44,3 79, Stromerzeugung 22 (TWh/a) Stromerzeugung 2 (TWh/a) Differenz 22 2 *) (TWh/a) *) T W h/a K ernenergie; 66 T W h/a vermieden wegen erhöhter Nutzungseffizienz 495*) 561*)

12 Strukturelle Veränderung in der Wärmeversorgung - Szenario NaturschutzPlus II Endenergieeinsatz [PJ/a] ,3 14,3 16,7 21, 24, 26,7 % 2,6 4,5 9,4 17,5 27,3 35, % "Effizienz" gegenüber REF Gas direkt Öl/Kohle direkt KWK mit H2 Strom direkt Erdwärme Kollektoren Biomasse ohne KWK Industrielle KWK Nahwärme - und Objekt - KWK Fernwärme - KWK oeko\waer-np2; KWK einschl. Biomasse EE ohne Biomasse-KWK Starker Strukturwandelerforderlich 2: Einzelvers. 85,7 % Fernwärme 13, % Nahwärme, Objekt-K W K 1,3 % 25: Einzelvers. 43, % Fernwärme 13,7 % Nahwärme, Objekt-K W K 43,3 %

13 Beiträge erneuerbarer Energien im W är m emarkt - Szenario Referenz - - Szenario NaturschutzPlus II *) Anteil Nahwärme 1.2 *) Anteil Nahwärme 73,8 % 76,4 % KWK mit H2 Nahwärme Geothermie Endenergie, [ PJ/a ] ,5 % 4, % 44,1 % 48,8 % 53,5 % Endenergie, [ PJ/a ] ,7 % 61,1 % 7,1 % Kollektoren Nahwärme Kollektoren Einzelanlagen Biomasse Nahwärme Biomasse Einzelheiz. oeko/regwae-np2; % *) 2 25 % *) E E von 3 % (2) auf 8 % (25) CO 2 von 34 auf 254 Mio. t/a E E von 3 % (2) auf42 % (25) CO 2 von 34 auf 87 Mio. t/a

14 Struktur der Kraftstoffbereitstellung und Beiträge der EE - Szenario Referenz - - Szenario NaturschutzPlus I "Effizienz" Wasserstoff Bio- Kraftstoffe Endenergie, [ PJ/a ] Endenergie, [ PJ/a ] Erdgas Kerosin Diesel Benzin Strom oeko/verk-np1; ,8,8,9 1,2 3,9 7,6 % Anteil EE ,8 1,2 2,3 5,2 1,9 25,5 % Anteil EE

15 Beiträge der dreiteilstrategien zur CO2 - Minderung CO2-Minderung ab 2, Mio t. CO2/a REF gegenüber 2 Erneuerbare Energien KWK + effizientere KW Nutzungseffizienz Verkehr Nutzungseffizienz Wärme Nutzungseffizienz Strom

16 Kostenverlauf neuer EE- Referenzanlagen (Technologiegruppen),16 23:,186 EUR/kWh 23:,71 EUR/kWh Wasser Stromgestehungskosten, EUR/kWh,14,12,1,8,6 Wind Photovoltaik Geothermie Stromimport Biomasse Biogas Mittelwert BASIS I oeko/kost2; ,

17 Bandbreiten zukünftiger Stromkosten des Mixes an EE (Neuanlagen) Stromgestehungskosten, [EUR/kWh],16,15,14,13,12,11,1,9,8,7,6 - Bandbreite verschiedener Szenariovarianten - Ist REF BASIS / NPLUS II NPLUS I PV minimal kein Import, Deutliche Kostendegression möglich und bereitseingetreten: 199 2: V on ca. 17 ct/kw h auf knapp 1 ct/kw h 2-22: von knapp 1 ct/kwh auf 6,5 bis 7 ct /k W h Bis 25 erreichbare Werte: 5,5 ct/kwh ( nichtoptimal nur bis 7 ct/kw h ) oeko/ko-reg-1;

18 CO 2 Vermeidungskosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 2 - "mittlere" Preisentwicklung fossiler Energien EUR/t CO2 Fotovoltaik Wind Onshore Wind Offshore 1) Wasser > 1 MW Wasser < 1 MW Geothermie Solartherm. KW -4 Biomasse-HKW oeko/co2-ver;

19 CO 2 Vermeidungskosten der W ärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien 2 - "mittlere" Preisentwicklung fossiler Energien EUR/t CO Kollektoren WW Sol. Heizungsunterst Sol. Nahwärme Holzpellets Bio-Heizwerk

20 Kostenverlauf fossiler Neukraftwerke (jeweiliger Mix)und des EE-Anlagenmixes - Neuanlagen: fossiler Mix und Ausbau EE; einschl. HS-Verteilung - Stromgestehungskosten, ct/kwh 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, Vier Preisvarianten unten und mittel : Korridor zukünftiger Brennstoffpreise oben : zusätzlich 15 /t CO 2 ab 21 CO 2 -arm : CO 2 -freie Kohle Kond. Kraftwerke ab 22 3, Ausbau unt. Var. Ausbau mittl. Var. Ausbau ob. Var. REF unt. Var. REF CO2-arm EE neu 2, oeko/ko-foss;

21 Kostenverlauf der gesamten Stromversorgung 1, -Jeweiliger Mix fossilund erneuerbar; einschl. HS-Verteilung - Stromgestehungskosten, ct/kwh 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 335 *) CO 2 - Rückhaltung Obere Preisvariante Untere Preisvariante Referenz (Dominanz fossil) Effizienz + Erneuerbare *) CO2 -Emissionen , oeko/ko-vergl;

22 Jahresdurchschnittliche Gesamtkosten (21 25)der Strombereitstellung Mittlere Gesamkosten, Mrd. EUR/a ,2 - Erzeugung, Nutzungseffizienz, HS-Verteilung - Untere Var. Mittlere Var. Obere Var. 31,6 32,2 33,2 35,6 34,5 39,3 REF BASIS REF BASIS REF BASIS REF, CO2-arm Effizienzsteigerung Erzeugung Mittlere Kosten der Stromeinsparung: 5, cts/k Wh Mittlere spez. Stromkosten (MS) (ct/kwh) 5,7 5,35 5,4 5,68 5,96 5,95 6,58 oeko/strom-kos;

23 Differenzkosten deree- Technologien für Strom- und Wärmebereitstellung - Ausbauszenarien; obere Preisvariante Strom Wärme Differenzkosten, Mio EUR/a Wasser Wind Fotovoltaik Import Kollektoren Erdwärme Biomasse Summe Biomasse Geothermie Summe oeko/dif-tech;

24 Investitionen in strom- und wärmeerzeugende Anlagen bis25 Jährliche Investitionen, Mio. EUR/a Szenario REFERENZ - Wasser Wind Fotovoltaik EE-Import Kollektoren Biomasse Geothermie oeko/inv-ref; verhaltenes W achstum (REF) führt zum Zusam menbruch von Märkten Jährliche Investitionen, Mio. EUR/a Längerfristigstabile (Inlands-) Märkte zwischen 12 und 14 Mrd. /a - Szenario NaturschutzPlus I - Wasser Wind Fotovoltaik EE-Import Kollektoren Biomasse Geothermie oeko/inv-np1;

25 Verlauf der spezifische Differenzkosten für diejeweiligen Sektoren Spezifische Differenzkosten, cts/kwh,8,6,4,2 -,2 -,4 - Szenario NaturschutzPlus I, obere Preisvariante - Strom Wärme Kraftstoffe Kraftstoffe BASIS II -, oeko/spezdif2;

26 Verlauf der sektoralen Differenzkosten in 1-Jahres-Perioden - Szenario NaturschutzPlus I; Obere Preisvariante ,1 (26,2) 51,1 (32,2) 36,2 (14,6) 5,4 (2,4) - 37,3 (- 5,8) Jahreskosten der Energiebereitstellung: 23 Mrd. /a (2). Differenzkosten, Mrd. EUR : 87,6 (69,7) Durchschnitt: 1,75 (1,4) Strom Wärme Kraftstoffe Zeitabschnitt von... bis oeko\grafiken\dif-nap5; Mittlerer Anteilder Differenzkosten im Zeitraum ,6 2,5 % K u m ulierte Diff.kosten bis 22: 85Mrd. Ku mulierteinvestitionen Bis 22: 17 M rd. Kostenminderung 25: 3 bis 4 Mrd. /a

27 Fahrplan für den Ausbau erneuerbarer Energien indeutschland Anteile am jeweiligen Verbrauch, (%) Strom Brennstoffe Kraftstoffe PEV (WM) PEV (SM) oeko/fahrplan;

28 E mpfehlungen aus den Szenarioanalysen hinsichtlich des EE-Ausbaus Strenge Naturschutz-Kriterien nutzen den EE (erhöhte Akzeptanz; bei Potenzialen bestehen Ausweichmöglichkeiten; Kostenerhöhung marginal); Kraftwerkszubau bis 22 aufalle Optionen gleichgewichtig verteilen; Daten zu Strom aus Geothermie baldmöglichst absichern (potentiell Grundlast ); Rechtzeitige Einbindung in eine europäische EE-Nutzung (Strom ab 215) einschließlich Mittelmeerraum vorbereiten; Zubaudynamik Wärme markt muss deutlich gesteigert werden, Förderung mitk W K verknüpfen;nahwärmeanteilesteigern (von heute < 1 % auf > 3 % in 25); Biomasse vorwiegend für stationäre Nutzung einsetzen (65 % bis75 %); Biokraftstoffenicht zu massiv forcieren (Vorrang der Effizienz; Differenzkosten hoch) Zügig (bis 22) große Marktvolumina aller Technologien erreichen, sonst zu langsame und insgesamt zu geringe Kostendegression; Erforderliche flankierende Entwicklungen: Deutlich verbesserte Effizienz (1,5 bis2-fach bis 22; 3,5 bis4-fach bis 25) Ausbau der KW K bis 23 deutlich steigern (2-fach bis 22; 3-fach bis 23); Effizienzsteigerung bei neuen Kondensationskraftwerken; Vorrang für Gas

29 Kosten- und Mengenverlauf der W indenergieim Szenario BASIS I,12 24.,24 42.,1 2.,2 35. Stromkosten, EUR/kWh,8,6, ,16,12, Install. Leistung, MW,2 4., Leistung Land Leistung Offshore Kosten Land Kosten Offshore Gesamt Mix Gesamt Neu Leistung oeko/wind-k2;

30 Kostenverlauf und Leistung der Biom asse-referenztechniken,12 - Referenztechnologien Biomasse; Mix und Leistung Szenario BASIS I - 1. Stromgestehungskosten, EUR/kWh,11,1,9,8,7,6, Leistung, MWel, oeko/biom-kos; KW Turbine HKW Turbine BHKW Motor BHKW BZ Biogas Einzel Biogas gross Mittelwert Neu Kumulierte Leistung

31 Spezifische Differenzkosten der Stro merzeugung aus EE 1,8 - Szenario NaturschutzPlus I - Kumulierte Differenzkosten ( Mrd. EUR),6 Differenzkosten, ct/kwh,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8-1 -1,2 Untere Variante Mittlere Obere CO2-arm -1,

32 Differenzkosten von Bio-Kraftstoffen und von Wasserstoff alskraftstoff - Kraftstoffe, obere Preisvariante - Differenzkosten, Mio. EUR/a EU - Ziel 21 zusätzlich kumulierte CO2-Minderung bis 25: 3 Mio. t = 2% BASIS I BASIS II NA-Plus I NA-Plus II BASIS II - U oeko/dif-ver2;

33 Ausgewählte Szenarienpfade der Biomassenutzung Kraftstoffe (flüssig, gasförmig), PJ/a % /5 % EU - Ziel 21 Potenziale 25: Basis Naturschutz Reststoffe (PJ/a) 9 72 Anbaufläche (Mio. ha) 6,1 4,15 Energiepflanzen 1% mobil Basis II NatPlus II Basis I NatPlus I oeko/bio-inv2; Brennstoffe (Fest, Biogase), PJ/a

34 Kostenverlauf verschiedener Gruppen von Kraftwerken - Basisszenario; obere Preisvariante, einschl. HS-Verteilung - 1, Stromgestehungskosten, ct/kwh 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, Fossil neu REG neu Gesamt neu Altkraftwerke Insgesamt 2, oeko/ko-bas-15;