Nachhaltige Energieversorgung Perspektiven in Deutschland

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1 Nachhaltige Energieversorgung Perspektiven in Deutschland Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart 15. Dezember 2011

2 Energiewendekonzept 2011 Grundentscheidung, die Energieversorgung in Zukunft aus erneuerbaren Quellen zu decken. Das Zeitalter der erneuerbaren Energien soll 2050 erreicht sein. Schnellerer Ausstieg aus der Kernenergie: Beendigung der Kernenergienutzung bis Ende 2022 Moderne konventionelle Kraftwerke sind die neuen Brückentechnologien Deutschland soll in Zukunft bei wettbewerbsfähigen Energiepreisen und hohem Wohlstandsniveau eine der energieeffizientesten und umweltschonendsten Volkswirtschaften der Welt werden. 2

3 Energiewendekonzept 2011 Handlungs- und Technologieziele Senkung der Treibhausgasemissionen (gegenüber 1990). 40% bis 2020; 55% bis 2030; 80-95% bis Senkung des Primärenergieverbrauchs (gegenüber 2008) 20% bis 2020 und 50% bis 2050 Senkung des Stromverbrauchs (gegenüber 2008) 10% bis 2020 und 25% bis 2050 Senkung des Wärmebedarfs der Gebäude um 20% bis Klimaneutrale Gebäude bis 2050 Eine Million Elektroautos bis 2020 und sechs Millionen bis Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch 35% in 2020; 50% in 2030; 80% in

4 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.

5 Nachhaltige Energieversorgung was ist darunter zu verstehen?

6 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.

7 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

8 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

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

10 Referenzkraftwerke Kraftwerke Netto- Netto-Wirk- Spez. Investi- Volllastbenut- leistung ungsgrad tionskosten zungsstunden [MW el ] [%] [ 2007 /kw] [h/a] Steinkohle (PCC) Braunkohle (PCC) Erdgas-Kombi (GuD) Kernenergie (LWR) Wind Onshore Wind Offshore Solar (PV) 0,5 12 1) ) Systemwirkungsgrad

11 Spezifischer kumulierter Energieaufwand (KEA) (ohne Brennstoff) 0,35 0,30 [KEA in kwh Primär-eq. /kwh] 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

12 Rohstoff- und Materialaufwand 100% 90% relativ zu Solar (PV - poly. Freifläche) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Eisen Kupfer Aluminium Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

13 Kumulierte Emissionen [g CO 2 /kwh] [mg NO X /kwh, mg SO 2 /kwh] Kohlendioxid Schwefeldioxid Stickoxide Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

14 Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungssysteme Gesundheitsrisiken [YOLL pro GWh el ] 0,15 0,10 0,05 Unfallrisiken Kernenergie Arbeitsbedingte Risiken (ohne schwere Unfälle) Emissionen aus vor- und nachgelagerten Prozessen Kraftwerksemissionen 0,00 Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

15 Externe Kosten Externe Kosten [ 2007 /MWh el ] Unfälle Klimawandel (34 /t CO2) (11 /t CO2) Gesundheitsrisiken Materialschäden, Ernte- und Biodiversitätsverluste Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

16 Vollkosten 300 Externe Kosten, CO2-eq. Diskontrate 7,5 % 250 Externe Kosten, ohne CO2-eq. Lebenszykluskosten [ 2007 /MWh] Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)

17 Energy Outlook Comparison of three pathways to a low-carbon energy system 17

18 Scenario Characterisation EKO-2010 Energy Concept 2010 Nuclear phase out in Germany by 2035 (44 a lifetime) Increasing share of renewable energies e.g. electricity Germany: 35% in 2020 / 80% in 2050 EU: ~ 30% in 2020 / ~ 60% in 2050 GHG-Reduction Germany: 40% in % in 2050 EWE-2011 Energiewende Concept 2011 Nuclear phase out in Germany by 2022 Increasing share of renewable energies (as in EKO-2010) EU-27 20%(30) in % in 2050 Efficient climate protection in Europe Lifetime extension to 60a and nuclear capacity extension possible in Germany and other EU-countries Moderate expansion of renewable energies (targets refer to Kyoto base year 1990) 18

19 Phase out of nuclear plants in Germany 2011 Isar 1 Neckarwestheim 1 Philippsburg 1 Unterweser Biblis A Biblis B Brunsbüttel Krümmel Energiewende 2011 Energiekonzept Grafenrheinfeld Gundremmingen B Philippsburg 2 Gundremmingen C Grohnde Brokdorf Isar Neckarwestheim 2 Emsland

20 Challenges of integrating high shares of variable renewables Increased Balancing requirements more flexible plants and reserve Installed capacity [MW] capacity Electricity grid extension and reinforcement Increased storage requirements Spatial distribution of wind power plants (source: dena Grid Study II, share of 27 % in annual electricity demand) Source: Apfelbeck, J.: Simultaneous optimization of the generation and transmission expansion using the example of Germany. 11th IAEE European Conference, Vilnius 2010

21 Demand load and residual load - 80 % share of RES Excess renewable power up to 78 GW Renewable surplus production ~ 43 TWh, about 13 % of the electricity production by wind and photovoltaics Storage capacity requirement ~ 6,4 TWh 21

22 Electricity wholesale prices Electricity price [ /MWh] RES-15%-NUCL-41 (Annual average: /MWh) RES-50%-NUCL-21 (Annual average: /MWh) RES-80%-NUCL-21 (Annual average: /MWh) Hour [h]

23 Primary energy consumption in Germany Primary energy consumption [PJ] Net electricity imports Others Other renewable energies Hydro, Wind, Solar Nuclear Natural gas 0 Oil EKO-2010 EWE-2011 EKO-2010 EWE EKO-2010 EWE-2011 EKO-2010 EWE-2011 Lignite Coal 23

24 Share of imports of fossil energies of total primary energy comsumption in Germany 70% Share of imports of fossil energies of total primary energy consumption 60% 50% 40% 30% 20% 10% EKO 2010 EWE %

25 Electricity supply in Germany Net electricity [TWh] % 90% 75% 60% 45% 30% 15% 0% Share of renewable energies of gross consumption Electricity storage (excl. pump storage) Solarstomimporte Desertec Net Imports Others / Waste nonren. Other Renewables Biomass / Waste ren. Solar Wind offshore Wind onshore Hydro incl. pump storage Nuclear Gas CCS Gas w/o CCS Oil EKO-2010 EWE-2011 EKO-2010 EWE-2011 EKO % EWE-2011 EKO-2010 EWE Lignite CCS Lignite w/o CCS Coal CCS Coal w/o CCS Share of renewable energies 25

26 Impact of the 2011 nuclear moratorium on the import/export of electricity in Germany moratorium 4000 h W G in rt 3000 o p x e d 2000 n a rt o p 1000 im ity 0 tric c le e ly th n o M January February March April May June July August Import Export Net Import Source: entso-e 26

27 Interregional net electricity trade of Germany in 2020 in the scenarios EKO-2010 and EWE-2011 Net import: -41 TWh Net import: +4 TWh 27

28 Cost of electricity supply in Germany Average levelised costs of generating electricity [EUR 2000 /MWh] EKO EWE EKO EWE EKO EWE

29 Annual energy system costs compared to EKO-2010 in Germany Delta system costs comp. to EKO-2010 [Bln EURO 2000 ] EWE-2011 EWE-2011 EWE-2011 EWE-2011 Transboundary Carbon transport/storage Certificate costs Biofuel Trade Electricity Trade Costs Investment Costs Variable Costs Fix Costs Total costs

30 Cumulated energy system costs differences Germany and EU-27 Cumulated system costs compared to EKO-2010 [Bln 2000 ] EWE * 65* * 75* * EU-27 GHG reduction target: -30% by

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 32