Energieverbrauch und Klimawandel: Wie sieht die Energieversorgung der Zukunft aus?

Transkript

1 Energieverbrauch und Klimawandel: Wie sieht die Energieversorgung der Zukunft aus? F. Schüth MPI für Kohlenforschung, Mülheim

2 Peak Oil? B. Cramer, H. Andruleit, Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen, BGR 2010 Recently published estimate for peak: 2014 (Energy&Fuel 24, 1788 (2010)) R.A. Kerr, Science 331, 1511 (2011)

3 Ölfunde gehen zurück Campbell Laherrere, Petrotech 2003

4 Zusätzliche Herausforderung: Klimawandel Errechnete Temperaturdifferenz zwischen und für zwei unterschiedliche Szenarien (Quelle: MPI für Meteorologie)

5 Energie und Leistung Leistung gemessen in Watt, W (kw = 1000 W, MW = 1 Mio. W, GW = 1 Mrd. W) Energie gemessen in Kilowattstunden, kwh, oder Joule, J (1 kwh = J) 1 J erhitzt zehn Liter Wasser um etwa C 1 kwh erhitzt zehn Liter Wasser um etwa 86 C Ein AKW-Kraftwerksblock (1200 MW) produziert in einer Stunde 1.2 Mio. kwh, d.h. bei Strompreis von 0.2 /kwh für etwa Energie Eine große Windturbine (5 MW) produziert in einer Stunde 5000 kwh, d.h. für etwa 1000 Energie Deutschlands Primärenergieverbrauch: ~ 14 EJ (etwa 3.9 Bio. kwh) Weltprimärenergieverbrauch: ~ 435 EJ (etwa 120 Bio. kwh)

6 Haben wir genug Leistung ohne Kernkraftwerke? Bericht der Bundesnetzagentur,

7 Analyse für Winterreferenztag RC-ARM Export capacity Different scenarios Import capacity Resultat: RC-ARM winter GW, summer GW Bericht der Bundesnetzagentur,

8 Deutschlands Regelzonen

9 Windpower [MW] Windenergiefluktuationen in der 50 Hertz Regelzone Windpower in 50 Hertz control area April 2011 Data downloaded from 50 Hertz webpage

10 Regionenmodell Stromtransport 2008, Amprion et al. Netzstabilität Stromleitungen für regional nicht balancierte Produktion und Verbrauch elektrischer Energie fehlen Große Kraftwerke fehlen für Blindleistungsregelung Detailanalyse der Bundesnetzagentur zeigt, dass ein außergewöhnliches Fehlerereignis und gleichzeitig Ausfall von entweder Brokdorf oder Philippsburg gerade noch beherrscht werden könnten.

11 Spezifischer CO 2 -Ausstoß [kg CO 2 /MJ] Schon noch einige Jahrzehnte: Fossile Energieträger Spezifischer CO 2 -Ausstoß unterschiedlicher fossiler Energieträger, Heizwert, ohne Umwandlungsverluste Methan (Erdgas) Fl. Kohlenwasserstoffe (Benzin, Diesel) Kohlenstoff (Kohle)

12 Verfügbare Energie: Erdgas BP: 187 Bill. m 3 Quelle: BGR, Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen (2010)

13 Unkonventionelles Gas Schiefergas Kohleflözgas Tight Gas (aus Formationen geringer Durchlässigkeit) Quelle: BGR, Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen (2010)

14 Eine große Ressource: Gashydrate Water molecules Gas molecules In Permafrostböden und auf dem Ozeanboden Quelle: BGR, Commodity Top News No. 28, 2008

15 Zusätzliche Herausforderung: Klimawandel Errechnete Temperaturdifferenz zwischen und für zwei unterschiedliche Szenarien (Quelle: MPI für Meteorologie)

16 Carbon dioxide capture und sequestration (CCS) als Lösung? Bild mit freundlicher Genehmigung von CO2CRC Drei Projekte > 10 6 t: Norwegen (saliner Aquifer), Kanada (EOR), Algerien (Gasfeld) Abtrennung durch Aminwäsche oder Adsorption Neue Kraftwerkstypen (Oxyfuel, IGCC) und Abtrennung

17 Im Prinzip haben wir weltweit ausreichend Energie Sahara Tag und Nacht Durchschnitt, 10 % Effizienz: Sahara-Tag, Sonne 1 m 10 m ca. 835 km world EU D Quelle: LBST km 2 Wüstenfläche (Deutschland: km 2 ) reichen, um 7 Milliarden Menschen auf den EU-Energiestandard zu bringen (Primärenergie)

18 und wo ist dann das Problem? Unsere Infrastruktur muss völlig umgestellt werden Solarenergie ist relativ verdünnt Regenerative Energie fließt unstetig Regenerative Energie wird primär als elektrische Energie geerntet Elektrische Energie lässt sich schlecht speichern Die Kosten sind zu hoch

19 Verfügbarkeit von Biomasse für energetische Zwecke Quelle: IFEU 2007

20 Kraftstoffe aus Biomasse Biokraftstoffe der 1. Generation» Zweifelhafte CO 2 Bilanz» Konkurrenz zu Nahrungsund Futtermitteln Foto: Ch. Pagenkopf Biokraftstoffe der 2. Generation» Hochtemperaturprozesse zur Erzeugung von Synthesegas, anschließend Fischer- Tropsch-Synthese oder Methanolsynthese» Depolymerisation von Cellulose zu Zucker, dann Vergärung Quelle: Choren

21 Lignocellulose als Quelle für Energie und Rohstoffe Cellulose 6 O H O H O H H O 5 O O H O H O 4 O O 4 1 H O 2 O 3 O H O H O H n O H Lignin Hemicellulose Foto: Keanu Nuno

22 Mechanisch unterstützte katalytische Depolymerisation von Cellulose

23 Lignocellulose wird direkt zu wasserlöslichen Produkten N. Meine, R. Rinaldi, F. Schüth, ChemSusChem 2012 and patent pending

24 Ein wichtiges Ziel: Solarzellen zu niedrigen Kosten Wesentliches Hindernis für den großflächigen Einsatz von Solarzellen sind die Kosten Multilayer Zellen mit adaptierten Bandgaps werden die Effizienz verbessern Entwicklung von kostengünstigen Zellen hängt von einfach prozessierbaren organischen Materialien ab Foto: Georg Slickers

25 Photovoltaik: Rekordeffizienzen

26 Deutschland kein optimaler Standort

27 Dennoch Installierte Leistung GW, 2011 ca. 25 GW Prognose 2015 knapp 40 GW Schwierig vorhersehbar aufgrund politischer Rahmenbedingungen Aber: Netzparität in Sicht Berücksichtigen: Nicht gesicherte Leistung Photovoltaik 90%!

28 Deutschland kein optimaler Standort

29 Solarthermische Kraftwerke Nicht-gesicherte Leistung PV: 90% Solarthermische Kraftwerke Parabolrinnenkraftwerk Andasol I t 60% NaNO 3 /40% KNO 3 für Wärmespeicherung zwischen 386 C und 292 C 1010 MWh thermisch, 7.5 h Betrieb einer 50 MW Turbine

30 The Desertec-concept Needs 2000 Andasol-units, i.e. about 50 Mio. t of salt

31 Windturbinen Onshore: bis 7.5 MW, Rotordurchmesser 127 m (Enercon E 126) Offshore: alpha-ventus» RePower 5 M» 5 MW» 126 m rotor diam.» m/s wind» Multibrid M5000» 5 MW» 116 m rotor diam.» m/s wind Hans Hillewaert / CC-BY-SA-3.0 Offshore park Thornton Banks

32 Wie viele große Turbinen benötigen wir? Installierte Leistung derzeit etwa 30 GW Zielgröße 2020 etwa 50 GW Erfordert 4000 Turbinen der 5 MW-Klasse Flächenbedarf etwa 7 ha/mw km 2 (Deutschland km 2 ) Kosten etwa 1 M /MW (Land, offshore etwa x3) Mrd. Berücksichtigen: Nicht gesicherte Leistung Wind 94 %!

33 Genügend Energie scheint gewinnbar

34 aber: wir haben ein Speicherproblem Solarenergie Windenergie in November der Vattenfall in der Vattenfall-Regelzone Fluktuation beherrschbar durch Kombination von Netzausbau, Reservekapazität, Demand Side Management und Speicherung

35 Energy content [%] Optionen für Energiespeicherung Pumpspeicher» Effizient» Relativ günstig» Niedrige Kapazität Druckluftspeicher» Mittlere Effizienz» Mittlere Kosten» Mäßige Kapazität Batterien» Effizienz» Derzeit teuer» Mittlere Kapazität Chemische Speicher» Niedrige Effizienz Water electrolysis Fuel cell Storage» Sehr hohe Kapazität» Teuer Process steps direct electricity high pressure H 2 Liquid H 2

36 Norwegen als Europas Batterie: Verbindung mit Hochspannungs-Gleichstromleitung Norwegen erzeugt etwa 130 TWh Hydroelektrizität Potential vermutlich etwa doppelt so hoch Pumpspeicherkapazität etwa GW Transport nach Europa mittels HVDC Leitungen Relativ verlustarm (typisch 2-3 % / 1000 km) High Voltage Direct Current Transmission, Siemens AG,

38 Druckluftspeicher Compressed air energy storage (CAES) Energieeffizienz etwa 50 % Adiabatischer Betrieb bis 70 % BBC brochure Huntorf Air Storage Gas Turbine Power Plant, GK E

40 Natrium-Schwefel-Batterie Electricity Storage Association C 34 MW installed at 51 MW Rokkasho Windfarm in Japan, 245 MWh, 2700 m 2 Source: NGK

41 Electrolyte tank Electrolyte tank Redox-flow Batterien: Vanadium als Beispiel Membrane Electrode V(II)/V(III) V(V)/V(IV) charge/discharge 8 MWh entspricht 600 t Elektrolyt, 28 t stack und einem Flächenbedarf von 240 m 2 d.h. Energiedichte is niedriger als 1/10 von Li-Ionenbatterien

43 Speichereffizienz [%] Vergleich unterschiedlicher Speicheroptionen Kondensator EDLC Supral. Spule Schwungrad Stahl Carbon Batterie Pumpspeicher Druckluft Flüss. Wasserstoff Speicherdichte [kwh/t]

44 Electrische Energie H 2 nach Elektrolyse H bar Energieinhalt Elektrische Energie nach Brennstoffzelle Batterie in/out Hydrogen economy: Wasserstoff aus elektrischer Energie? Deutliche Verbesserungen in allen Elementen der Wasserstoffkette erforderlich

45 Speicherung in Salzkavernen F. Crotogino et al., Abstracts of 18th World Hydrogen Energy Conference 2010

46 Windpower [MW] Speicherkapaztiät Wasserstoff in Kavernen appr. 11 Huntorf caverns Huntorf m bar Druck Nm 3 H 2 12 MJ/m 3 = 3.3 kwh/m 3 50 % Effizienz: MWh Siemens: 2012 Demonstrator Elektrolyseur 300 kw

47 Enertrag Hybridkraftwerk Source:

48 Ein Schritt weiter: Methanisierung Gasspeicher in Deutschland: 20 bln. m 3 + pipelines Entspricht etwa 200 TWh (thermisch) Speicherkapaztität CO H 2 CH H 2 O (Sabatier Prozeß) Zusätzliche Energieverluste über die Wasserstoffbereitstellung hinaus CO 2 Abtrennung benötigt ebenfalls Energie Möglicherweise sinnvoll an Biogasanlagen Aber: vorhergesagte dumped energy 2032 = 2.3 TWh = 500 Mio. m 3 hydrogen = 2.5 % im Gasnetz

49 Synthesis gas based chemistry Natural gas Coal biomass hydrogen H 2 + CO Synthesis 2 H 2 O gas + CO CO Acetic acid olefins H 2 + CO oxoalcohols FT fuels methanol formaldehyde Higher alcohols Lower olefins MTBE Established processes Under development

50 typical time scale [s] Size and time scales of storage options 10 8 Chemical compounds grid scale 1 year 10 6 Li-ion (electronics) Engine fuel Redox-Flow Li-ion Pb battery (traction) NaS battery CAES (pumped) hydro 1 month 1 day hour 10 2 Flywheel capacitors 1 1 Wh 1 kwh 1 MWh 1 GWh 1 TWh typical size scale

51 ...und dann war da noch Peak Oil Quelle: BGR, Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen (2010)

52 Wie treiben wir dann Autos an? 400 kwh chemical energy U. Eberle, M. Felderhoff, F. Schüth, Angew.Chem.Int.Ed. 48, 6608 (2009)

53 Langfristige Hoffnung: Fusionsenergie Alexander Bradshaw, IPP

54 noch immer in 40 Jahren? Alexander Bradshaw, IPP

55 Entscheidend: Der magnetische Einschluß Tokamak-Prinzip Stellarator Alexander Bradshaw, IPP

56 So könnte ein Kraftwerk aussehen Alexander Bradshaw, IPP

57 Die Radioaktivität Alexander Bradshaw, IPP