Zukünftige Energiesysteme

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1 Zukünftige Energiesysteme Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen

2 W e l t b e v ö l k e r u n g [ M i l l i a r d e n ] k W h C O 2 - K o n z e n t r a t i o n [ p p m ] Globale Situation und zukünftige Trends W e l t e n e r g i e b e d a r f [ ] Globales Wachstum Bevölkerung, Energiebedarf, CO-Konzentration 2 Weltenergiebedarf CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre Weltbevölkerung

3 Eisschwund in der Arktis 10 Eisfläche (September Minimum) [Millionen km 2 ] Messdaten Bandbreite der Modelle 2 0 Quelle: Prof. Dr. Stefan Rahmstorf, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung Jahr

4 Anstieg des globalen Meeresspiegels Abweichungen gegenüber 1990

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6 Abb 2.2-2a

7 Abb 2.2-2b

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11 Abb 2.2-1a

12 Abb 2.2-1b

13 Ökosysteme, die von einem Temperaturanstieg von 3 C betroffenen sind

14 Sicherheitsrisiken durch Klimawandel: ausgewählte Brennpunkte

15 Globale CO 2 -Emissionen

16 Beispiele globale Emissionspfade , um die 2 C-Leitplanke mit 67 % Wahrscheinlichkeit einzuhalten Um diese Kurven einzuhalten, sind in den frühen 2030er Jahren jährliche Reduktionsraten von 3,7 % (grün), 5,3 % (blau) bzw. 9,0 % (rot) notwendig (bezogen auf 2008). Max. Emissionsmenge global 750 Mrd. t CO 2 Quelle: WBGU

17 Abb 5.3-1

18 Tabelle 5.3-1

19 Projektion Primärenergienachfrage BAU: Der Pfad in den gefährlichen Klimawandel Quelle: WBGU nach Daten von GEA, 2011

20 Transformative Szenarien im Vergleich: Primärenergiebedarf Quelle: WBGU, auf Basis der Daten von Nakicenovic, 1998; EREC und Greenpeace, 2008, 2010; IEA, 2008b; Edenhofer et al., 2009a, 2010; IIASA, 2009; GEA, 2011

21 Relative Zusammensetzung von Primärenergie 2008 und 2050: transformative Szenarien im Vergleich Quelle: WBGU 2011

22 Potenziale erneuerbarer Energien Vision auf Basis fortgeschriebener aktueller Ausbauraten erneuerbarer Energien.Den erneuerbaren Energien wird Priorität im Energiesystem eingeräumt, so dass die Nutzung bestehender konventioneller Energieträger verdrängt wird. Hierbei bleiben die Ökonomie bestehender Infrastrukturen und die Verfügbarkeit von Schlüsselwerkstoffen unbeachtet. Quelle: WBGU

23 [GWh] Beitrag erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung in Deutschland Beitrag der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung in Deutschland Wasserkraft Biomasse * Windenergie Photovoltaik EEG: Januar EEG: April 2000 EEG: August Novelle BauGB: November StromEinspG: Januar März * feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; Strom aus Geothermie aufgrund geringer Strommengen nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: Dezember 2010; Angaben vorläufig

24 Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit DLR / UNDP / Harvard Hoogwijk / DLR DLR FAO / WBGU UNDP / DLR UNDP / DLR UNDP Quellen: s. Abb.

25 Die Entwicklung geht weiter. 160 m Nabenhöhe in Laasow/Brandenburg

26 Floating Offshore Wind Source:NREL Vertiwind, FR BlueH, IT EDP, Principal Power, PT Sway, NO Hywind, NO HiPRWind Coordinated by Fh IWES

27 Effizienzsprung Kraft-Wärme-Kopplung und direkter Strom aus erneuerbaren Energien 1) Energieeffizienz (trad. Biomasse, etc.) Stromerzeugung 2) Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung 3) Ausbau der erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser) Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

28 Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3-4 Verkehr 5) Umstieg auf Elektromobilität 2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile der Elektromobilität: - Abwärmenutzung möglich - CO 2 -Abtrennung möglich - kein Feinstaub in den Städten - weniger Lärm - Stromspeicher Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

29 Transformation Wärmesektor

30 Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch erneuerbare Energien Quelle: Sterner, 2009

31 Primärenergiebedarf für die Erzeugung von 1 kwh elektrische Energie Primärenergie Elektrische Energie Kohlekraftwerk 2,4 kwh 1 kwh GuD-Kraftwerk 1,7 kwh 1 kwh Wasserkraftwerk Windkraftanlage Photovoltaik Solarthermisches Kraftwerk 1 kwh 1 kwh Kernkraftwerk 3 kwh 1 kwh Kraftwerksmix Deutschland 2,4 kwh 1 kwh

32 Primärenergiebedarf bei versch. Arten der Stromgewinnung Entwicklung des Primärenergiebedarfs für den Einsatz von Elektromotoren bei zunehmender Umstellung auf direkte Stromerzeugung

33 Primärenergiebedarf pro bereitgestellter kwh Nutzwärme bei Heizsystemen auf Verbrennungsbasis und bei Wärmepumpen mit verschiedenen Arten der Stromgewinnung

34 Primärenergiebedarf bei Verbrennungsmotoren und bei Elektromotoren pro Fahrkilometer

35 Bioenergie im Verkehr - Wirkungsgrade Quelle: WBGU, 2008

36 Elektromobilität - Reichweite von PKW Quelle: WBGU, 2008

37 THG-Emissionen rein aus direkter / indirekter Landnutzungsänderung Quelle: Fritsche und Wiegmann, 2008

38 Absolute Minderung der THG Emissionen für temperate Energiepflanzen bezogen auf die Anbaufläche in t CO 2 -äq. je Hektar und Jahr Quelle: WBGU, 2008

39 Holzartige Biomasse als Erdölersatz

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41 Energiekonzept 2050 Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100 % erneuerbaren Energien Juni 2010

42 Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 2050

43 Nutzenergiebereitstellung Wärme aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien Umweltwärme Kollektoren Biomasse/Erneuerbares Methan Gesamtnutzenergiebedarf für Wärme Quelle: ZSW

44 Endenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] Entwicklung des Endenergiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Energien Benzinersatz (regenerativ) Flugtreibstoff (regenerativ) Wasserstoff Gesamtbedarf Dieselersatz (regenerativ) Erneuerbares Methan Strom Quelle: ZSW

45 Coal Gas Nuclear Coal (sub-bit.) New NGCC New IGCC Coal (sub-bit.) New NGCC EPRI Vergleich der Stromgestehungskosten US Cent kwh EuroCent kwh Quellen: IEA IEA IPCC 6 max. min. Windenergie Micro Hydro Emissions- Zertifikate plus 20 Euro je t max. min. Neue Kohlekraftwerke Quelle: IEA, IPCC, 2007 Quellen: IPCC, IWES max. min. Neue Kohlekraftwerke mit CO 2 - Abscheidung New IGCC

46 Weltweites Entwicklungspotential der Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien

47 Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung [Mio. Euro] Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland Wasser Wind Photovoltaik Stromimport Biomasse/Erneuerbares Methan Geothermie Summe Quelle: ZSW

48 Spotmarktpreis [ /MWh] Windenergieeinspeisung [GW] Korrelation zwischen den Strompreisen an der Börse und der Windstromeinpeisung in Deutschland Last [GW] 4 2

49 Differenzkosten der Nutzenergiebereitstellung für Wärme [Mio. Euro] Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Nutzwärmebereitstellung Wärmepumpen Biomasse/erneuerbares Methan Solarthermie Summe Quelle: ZSW

50 Differenzkosten bis 2050 im Verhältnis zu den Gesamtausgaben für Energie in Deutschland

51 German Lead Study 2009 without additional Consumers 2050 (meteorological basis 2007)

52 Bedarf an konventionellen Kraftwerken davor und danach

53 Verteilung der benötigten Spitzenlast der Restlast

54 Transport Stromverbünde

55 Das Regenerative Kombikraftwerk Deckung von 1/ der Lastkurve Deutschlands zu jedem Zeitpunkt Steuerung realer Anlagen Wind Solar Biogas Hydro Import/ Export 12,6 MW 5,5 MW 4,0 MW 1,0 MW 1,0 MW

56 Intelligente Verteilnetze Geschäftsmodelle und IT BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface

57 Tiefsee-Pump-Speicher

58 Kapazitäten und Reichweiten von verschiedener Speicher der größte vorhandene nationale Speichersee ist das Erdgasnetz EE-Methan Quelle: Specht et al, 2010

59 Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

60 Erneuerbares Methan (Power-to-Gas) Wirkungsgrade 60-65% Methan 35-40% Strom 50-60% KWK Vs. 0% durch Abregelung Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009

61 Erneuerbares Methan für den Autoverkehr

62 Die Schlüsselrolle von Methan in zukünftigen Energiestrukturen

63 Vision zur globalen regenerativen Energieversorgung bis 2050: Primärenergie nach Methode der direkten Energieäquivalente Quelle: WBGU

64 Zusammenfassung und Ausblick Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch notwendig Auswirkungen auf den Verkehrssektor Elektromobilität erhöht die Effizienz drastisch Lastmanagement für Elektrofahrzeuge stabilisieren Netze Speicher und Stromübertragungssysteme müssen verbessert werden Erneuerbares Methan wird bedeutender Treibstoff Entscheidend politischer Wille und Bewusstseinswandel