Umweltringvorlesung Strahlender Strom Regenerative Energien - Notwendigkeit, Vor- und Nachteile - Referent: Dipl. Phys., 22.05.2012 Slide 1
Zur Person seit 2003 in Dresden 2003-2008: Diplom-Physik Studium Seit 2009: Doktorand am Institut für Angewandte Photophysik (TU Dresden), Themengebiet: Organische Solarzellenforschung (Prof. Leo) Seit 2010: Aufbau der Webseite Regenerative-Zukunft Ziel: Vorstellung der einzelnen fossile und erneuerbaren Energien und der Kernenergie Motivation: Unvollständige Diskussion der jeweiligen Energiearten www.regenerative-zukunft Slide 2
Gliederung 1. Klimawandel & endliche Rohstoffe 2. Ein Gefühl für Energie 3. Aktuelle Lage 4. Erneuerbare Energiearten Wasserkraft Biomasse Windenergie Photovoltaik Solarthermie Geothermie 5. Ausblick Slide 3
1. Klimawandel und endliche Energierohstoffe Slide 4
1. Klimawandel Ursache? Klimamodellierung Natürliche Antriebskräfte reichen nicht aus um Erderwärmung zu erklären Anthropogener Klimawandel Quelle: IPCC Sachstandsbericht, 2007 Slide 5
1. Klimawandel Quelle: IPCC Sachstandsbericht, 2007 56% des anthropogenen Treibhauseffektes durch CO2-Emissionen aus Verbrennung fossiler Rohstoffe Slide 6
1. Klimawandel je nach Entwicklungsszenario 2 bis 6 C Erwärmung bis 2100 Biodiversität, Küsten, Extremwetterereignisse, Wasserknappheit, Konflikte, Rückkopplungen Treibhausgasausstoß Treibhausgasausstoßstark starkverringern verringern!!!!!! A1: Wirtschaftsorientierte Globalisierung A2: Wirtschaftsorient. Regionalisierung B1: Globale Nachhaltigkeit B2: Regionale Nachhaltigkeit Quelle: IPCC Sachstandsbericht 2007 Slide 7
1. Klimawandel Jährliche CO2-Pro-Kopf-Emissionen im Jahr 2005 USA: 19,5 t D: 10,0 t Indien 1,2 t globales Mittel: 4,5 t Quellen: Abb: WBGU Sondergutachten "Der Budgetansatz", 2009 Werte: http://www.co2-emissionen-vergleichen/ Slide 8
1. Klimawandel Globale energiebezogene CO2 Emission Slide 9
1. Endliche Rohstoffe Reserven Ressourcen geologisch bestätigte, mit heutiger Technik rentabel förderbare Vorkommen alle anderen Vorkommen können Reserven werden (Technik oder Preisanstieg) Statische Reichweite Dynamische Reichweite konstanter Verbrauch (= Reserven / Verbrauch) Berücksichtigung der Bedarfsentwicklung Reserven: statisch Steinkohle dynamisch 130 Jahre 60 Jahre (Wachstumsrate: 2,5 %/a) Erdöl 40 Jahre 30 Jahre (Wachstumsrate: 1,9 %/a) Erdgas 60 Jahre 35 Jahre (Wachstumsrate: 2,6 %/a) Uran 50 Jahre 50 Jahre (Wachstumsrate: 0 %/a) Quelle: IEA, World Energy Outlook 2006, 2007 Slide 10
1. Endliche Rohstoffe Rohstofffunde sind essentiell, nicht nur Reserven Kasp.Meer & Tiefsee Reichweiten sind zweitrangig, Fördermaximum ist kritisch Globale Erdölförderung Quelle: ASPO e.v., Dr.Zittel, Saena Symposium 2011 Slide 11
1. Endliche Rohstoffe Entwicklung des Rohölpreises (Sorte Brent) Steigender Rohölpreis v.a. durch steigende Nachfrage aus China und Indien Zeitalter des billigen Öls scheint vorbei! Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/ölpreis Slide 12
1. Endliche Rohstoffe Weiteres Konfliktpotenzial: Ungleichmäßige Verteilung der Energierohstoffvorkommen Regionale Verteilung der Energierohstoffreserven Uran Slide 13
1. Endliche Rohstoffe Slide 14
1. Endliche Rohstoffe Deutschland stark abhängig von Energieimporten! 100% 0% 0% Quelle: AGEB 2009, BGR-Datenbank Slide 15
2. Ein Gefühl für Energie Slide 16
2. Ein Gefühl für Energie Energiebegriffe: Energieeinheiten & größenordnungen: 1 kwh = 0.086 kg OE = 0,122 kg SKE 1 kwh reicht aus um - 50h am Laptop arbeiten (20 Watt) - 5h am PC arbeiten (200 Watt) - 75h Licht (Energiesparlampe 15Watt) - Eimer voll Wasser (10,75l) von 20 C auf 100 C erhitzen Heizwerte: Brennholz: 4 kwh/kg Erdgas: 10,5 kwh/m³= 5,8 kwh/kg Braunkohle: 5,5 kwh/kg Rohöl: 10,3 kwh/l = 12,4 kwh/kg Steinkohle: 8 kwh/kg Super-Benzin: 8,6 kwh/l = 11,5 kwh/kg Slide 17
2. Ein Gefühl für Energie (Deutschland zu 1/3 bewaldet) Quelle: http://regenerative-zukunft/energieverbrauch Slide 18
3. Aktuelle Lage Slide 19
3. Aktuelle Lage Ressourcenverbrauch zunehmend durch anwachsende Weltbevölkerung Zuwachs von circa 80 Mio. Menschen pro Jahr, Wachstumsrate sinkend Slide 20
3. Aktuelle Lage Primärenergieverbrauch nimmt vor allem in Indien und China zu Grund: hohes Wirtschaftswachstum nur möglich durch steigenden Energieverbrauch Slide 21
3. Aktuelle Lage Anstieg im Kohlebedarf vor allem durch China leichter Anstieg in Erdgas und Erdöl Slide 22
3. Aktuelle Lage Globaler Primärenergieverbrauch 2010: Quelle: ASPO e.v., Dr.Zittel, Saena Symposium 2011 Slide 23
3. Aktuelle Lage Primärenergieverbrauch Deutschlands 2011 (2010): Strom, Wärme, Verkehr Verkehr & Wärme Strom Wärme & Strom Quelle: AGEB (AG Energiebilanzen 2011) Slide 24
3. Aktuelle Lage Slide 25
3. Aktuelle Lage Slide 26
4. Erneuerbare Energiearten Slide 27
Wasserkraft Slide 28
Wasserkraft Größte installierte Kapazität in China, Brasilien, Kanada, USA, Russland und Norwegen D: 3,2% am deutschen Stromverbrauch, konstant Zuwachs vor allem in Asien Pumpspeicherkraftwerk zur Energiebedarfsregelung ausgereifte Technologie geringe Stromgestehungskosten - wirtschaftlich Slide 29
Wasserkraft enormes Ausbaupotenzial in Afrika, Asien und Südamerika kein weiterer Ausbau in Deutschland, in Europa eher nur Norwegen Quelle: WBGU: Globale Potenziale der Wasserkraft, 2003 Slide 30
Wasserkraft Meeresströmungskraftwerk Meereskraftwerke: Pneumatische Kammer Seeschlange Quellen: Creative & Wikimedia Commons Slide 31
Bioenergie Slide 32
Bioenergie Global: traditionelle Biomassenutzung (Verbrennung von Holz und Reststoffen) Quelle: REN21, 2011, Renewables 2011 Global Status Report Slide 33
Bioenergiearten Moderne Biomassenutzung extrem vielseitig Slide 34
Bioenergie Energiepflanzen: 2 % der weltweiten Ackerfläche für Energiepflanzen (30Mio.ha) [FAO] In Deutschland: - 10,7 Mio ha Wald - 1,8 Mio ha Verkehrsflächen - 2,7 Mio ha Gebäude - 16,9 Mio ha landwirtschaftliche Nutzfläche 10% der Landwirtschaftsflächen Quelle: Potenzialatlas Erneuerbare Energien in Deutschland Slide 35
Bioenergie Reststoffverwertung: Slide 36
Bioenergie Nutzung zur Stromerzeugung in Bioenergieanlagen: Slide 37
Bioenergie Nutzung zur Wärmebereitstellung: Slide 38
Bioenergie Nutzung zur Biokraftstoffbereitstellung: Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 39
Bioenergie Globale Nutzung von Biokraftstoffen: 6.600 l Bioethanol aus einem Zuckerrübenfeld 50 Milliarden Liter Bioethanol weltweit (2007): 75.000m² = 275km x 275km = 1/5 Deutschlands Quelle: BMU, Erneuerbare Energien - Innovationen für die Zukunft, 2004 Slide 40
Bioenergie Energieeffizienz (%) Energieeffizienz der einzelnen Biomassenutzungsketten: Quelle: Dissertation von Dr. Andreas König am IER, 2009 Slide 41
Bioenergie CO2-Äquivalent (g/kwh) Treibhausgasemission der einzelnen Biomassenutzungsketten: Quelle: Dissertation von Dr. Andreas König am IER, 2009 Slide 42
Windenergie Slide 43
Windenergie Leistung der Windenergieanlage ~ (Windgeschwindigkeit)³ und ~ (Rotordurchmesser)² große Nabenhöhe und Rotorblätter typisch: Offshore 5 MW, Onshore 2 MW Quelle: Bundesverband Windenergie Slide 44
Windenergie > 10 m/s 4 m/s Volllaststundenzahl von WEA in Deutschland: (1 Jahr = 8760h) - Durchschnitt: 1200 - küstennahe Standorte 2700 - Offshore bis 3700 erhofft Quelle: Fraunhofer ISE, Studie Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 45
Windenergie Im Jahr 2010 neu installierte Windleistung: China fast 50% (USA 14%, Indien 6%, Spanien und Deutschland 4%) [BMU] Slide 46
Windenergie 30.000 Windenergieanlagen mit insgesamt 29 GWpeak in Deutschland im Jahre 2011 Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 47
Photovoltaik Slide 48
Photovoltaik Globale Verteilung der Globalstrahlung (Jahressumme) 1000kWh/m² 2000kWh/m² Photovoltaik in vielen Regionen der Erde rentabler als in Deutschland Slide 49
Photovoltaik Jährliche Globalstrahlung in Deutschland auf die horizontale Erdoberfläche 950 kwh/m²a auf die optimal ausgerichtete Fläche 1100 kwh/m²a >1200 kwh/m²a >1350 kwh/m²a Quelle: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/ Slide 50
Photovoltaik Solarzellenarten: Marktanteile 2008 Slide 51
Photovoltaik 2011: 25 GWpeak installierte PV-Leistung in Deutschland (Wind: 29 GWpeak) Slide 52
Photovoltaik Quelle: BSW Solar Photovoltaik in Deutschland eine der teuersten erneuerbaren Energien ABER: enorme Kostensenkung in den letzten 10 Jahren und weiteres Potenzial Absenkung der EEG-Vergütung: 2005: 55 Cent/kWh, aktuell: 19 Cent/kWh Slide 53
Solarthermie Slide 54
Konzentrierte Solarthermie Sonnenlicht wird über Spiegel gebündelt Medium erwärmt nur direktes Sonnenlicht nutzbar perfekt für aride Regionen, in Deutschland unrentabel Paraboloid Parabolrinne Solarturm Slide 55
Konzentrierte Solarthermie Funktionsweise eines solarthermischen Kraftwerks: DESERTEC meeting Eck, DLR Slide 56
Konzentrierte Solarthermie Desertec Projekt bisher: nur vereinzelte CSP-Anlagen vor allem in Spanien und USA Slide 57
Kleinsolarthermieanlagen Flachplattenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren zum direkten Heizen (Wärmespeicher) auch in Deutschland rentabel Quelle: Wikimedia &Creative Commons Slide 58
Kleinsolarthermieanlagen Wärmebereitstellung (GWh) Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 59
Geothermie Slide 60
Geothermie Unterscheidung in oberflächennahe Geothermie tiefe Geothermie (Wärmepumpen) (30 C pro 1000 m Tiefe) Hydrothermal Petrothermal Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien: Potenzialatlas Deutschland, 2010 Slide 61
Geothermie Oberflächennahe Geothermie (Wärmepumpen und Erdwärmesonden) Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien: Potenzialatlas Deutschland, 2010 Slide 62
Geothermie Potenzial in Deutschland Stromerzeugung möglich bei Temperaturen > 100 C über Organic Rank Cycle tiefe Geothermie und nur bei Anomalien des Bodentemperaturgradienten generell kritisch: Dem Reservoir nicht zu viel Wärme entziehen Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien: Potenzialatlas Deutschland, 2010 Slide 63
Geothermie Installierte Leistung zur geothermischen Stromproduktion & Wärmenutzung Quelle: BGR, Energierohstoffe, 2009 Slide 64
5. Ausblick Slide 65
Regenerative Energieformen Slide 66 Quelle: BMU Erneuerbare Enerigen: Innovationen für nachhaltige Zukunft 2009
Entwicklung erneuerbarer Energien Anteil der erneuerbaren Energien steigt in allen Endendergiebereichen (sowohl in D als auch global) Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 67
Entwicklung erneuerbarer Energien und auch global Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 68
Treibhausgasemissionen Treibhausgasemissionen von erneuerbaren im Vergleich zu fossilen Energien gering (jedoch momentan noch nicht emissionslos (Strommix)) Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 69
Treibhausgasemissionen als Vergleich: 1.000 Mio. Tonnen CO2-Äquivalentemissionen in D (2004) Quelle: BMU, Entwicklung der erneuerbare Energien in Deutschland in 2011 Slide 70
Stromgestehungskosten Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 kwh/m²a 20 Jahre kwh/m²a 25 Jahre Volllaststunden 20 Jahre Strom aus Windenergie an guten Standorten konkurrenzfähig ohne Speicher, ohne externe Kosten Slide 71
Kostendegression Die Kosten für Strom aus Erneuerbaren Energien sinken, die aus fossilen steigen! Quelle: Fraunhofer ISE: Studie Stromgestehungkosten Erneuerbare Energien, 2010 Slide 72
Kosten Aber bis dahin ist eine Förderung der Erneuerbaren Energien weiterhin notwendig vorerst steigende Stromkosten für den Endkunden Daten entnommen aus de.wikipedia.org/wiki/strompreis Slide 73
Herausforderungen Problem: Fluktuation der Stromerzeugung durch Wind- und Sonnenenergie Jahresgang Sonneneinstrahlung in D Jahresgang Windstromeinspeisung in D 1. Lösungsansatz: räumliche Mittelung der Schwankungen überregionaler Stromnetzausbau (EU) 2. Lösungsansatz: Regelkraftwerke ausbauen v.a. Erdgas und Biomasse 3. Lösungsansatz: Energiespeicher (v.a. Stromspeicher) ausbauen und entwickeln 4. Lösungsansatz: Intelligentes Lastmanagement (Smart Grid)
Zusammenfassung Wesentlich: sinnvolle Kombination aller erneuerbaren Energien Stromnetzausbau zwingend erforderlich Netzstabilität durch Ausbau von Energiespeichern garantieren Fossile Rohstoffe Regenerative Energien sehr hoch niedrig Ressourcen endlich unendlich Fluktuation nein ja niedrig hoch hoch niedrig THG Emission Erzeugungskosten External costs (außer Kernenergie) Vortrag als pdf herunterladbar auf www.regenerativezukunft Slide 75