Transformation am Beispiel der Energieerzeugung Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen
Globale Situation und zukünftige Trends 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 ] 1 3 W e l t e n e r g i e b e d a r f [ 1 0 k W h ] 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Globales Wachstum Bevölkerung, Energiebedarf, CO-K 2 onzentration Weltenergiebedarf CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre Weltbevölkerung 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 370 360 360 340 330 320 310 300 290 C O - K o n z e n t r a t i o n [ p p m ] 2
Globale Situation und zukünftige Trends
Eisschwund in der Arktis 10 Eisfläche (September Minimum) [Millionen km 2 ] 8 6 4 Messdaten Bandbreite der Modelle 2 0 Quelle: Prof. Dr. Stefan Rahmstorf, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung 1900 1950 2000 2050 2100 Jahr
Anstieg des globalen Meeresspiegels Abweichungen gegenüber 1990
Abb 2.2-2a
Abb 2.2-2b
Globale CO 2 -Emissionen
Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit DLR / UNDP / Harvard Hoogwijk / DLR DLR FAO / WBGU UNDP / DLR UNDP / DLR UNDP Quellen: s. Abb.
Die Entwicklung geht weiter. 160 m Nabenhöhe in Laasow/Brandenburg
Floating Offshore Wind Source:NREL Vertiwind, FR BlueH, IT EDP, Principal Power, PT Sway, NO Hywind, NO HiPRWind Coordinated by Fh IWES
Beitrag erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung Deutschland 1990-2011 Quelle: BMU, März 2012
Studie zum Potenzial der Windenergienutzung an Land
Leitstudie Deutschland: Entwicklung des Endenergieverbrauchs nach Sektoren und des Verbrauchs im Umwandlungsbereich im Szenario 2011 A
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
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
Primärenergiebedarf bei versch. Arten der Stromgewinnung Entwicklung des Primärenergiebedarfs für den Einsatz von Elektromotoren bei zunehmender Umstellung auf direkte Stromerzeugung
Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen im Stromsektor Primärenergiebedarf co 2 PE CO 2 -Emissionen 25 80 100 Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung [%]
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
Primärenergiebedarf bei Verbrennungsmotoren und bei Elektromotoren pro Fahrkilometer
Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen für PKW mit Verbrennungsmotor und Elektromotor Primärenergiebedarf [kwh/km] co 2 PE heutige PKW-Flotte (Durchschnitt) CO 2 -Emissionen [gco 2 /km] 25 80 100 Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung Elektromotor [%]
THG-Emissionen rein aus direkter / indirekter Landnutzungsänderung Quelle: Fritsche und Wiegmann, 2008
Absolute Minderung der THG Emissionen für temperate Energiepflanzen bezogen auf die Anbaufläche in t CO 2 -äq. je Hektar und Jahr Quelle: WBGU, 2008
Holzartige Biomasse als Erdölersatz
Primärenergiebedarf pro bereitgestellter kwh Nutzwärme bei Heizsystemen auf Verbrennungsbasis und bei Wärmepumpen mit verschiedenen Arten der Stromgewinnung
Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen für konv. Heizsysteme und elektr. Wärmepumpen Primärenergiebedarf [kwh/kwh th ] co 2 PE CO 2 -Emissionen [gco 2 /kwh th ] heutige Heizsysteme (Durchschnitt) 25 80 100 Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung elektrische Wärmepumpe [%]
Energiekonzept 2050 Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100 % erneuerbaren Energien Juni 2010
Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 2050
Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien Nutzenergiebereitstellung Wärme aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] 1.400.000 1.200.000 1.000.000 800.000 600.000 400.000 200.000 0 Umweltwärme Kollektoren Biomasse/Erneuerbares Methan Gesamtnutzenergiebedarf für Wärme Quelle: ZSW 2005 2010 2015 2020 2030 2040 2050
Entwicklung des Endenergiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Energien Endenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] 800.000 700.000 600.000 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0 Benzinersatz (regenerativ) Dieselersatz (regenerativ) Flugtreibstoff (regenerativ) Erneuerbares Methan Wasserstoff Strom Gesamtbedarf Quelle: ZSW 2005 2010 2015 2020 2030 2040 2050
Vergleich der Stromgestehungskosten US Cent kwh EuroCent kwh 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Coal Quellen: IEA Gas IEA IPCC 6 max. EPRI min. Nuclear Windenergie Micro Hydro Coal (sub-bit.) Emissions- Zertifikate plus 20 Euro je t New NGCC max. min. Neue Kohlekraftwerke New IGCC Coal (sub-bit.) New NGCC Quelle: IEA, IPCC, 2007 Quellen: IPCC, IWES max. min. Neue Kohlekraftwerke mit CO 2 - Abscheidung New IGCC 5 4 3 2 1 0
Weltweites Entwicklungspotential der Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien
Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung [Mio. Euro] 20.000 15.000 10.000 5.000 0-5.000-10.000-15.000-20.000-25.000-30.000-35.000-40.000-45.000-50.000-55.000-60.000-65.000 EEG-Vergütungen (Quelle: Handelsblatt 148/2012, Übertragungsnetzbetreiber) 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2030 2040 2050 Wasser Wind Photovoltaik Stromimport Biomasse/Erneuerbares Methan Geothermie Summe Quelle: ZSW in Energiekonzept 2050 des Forschungsverbundes Erneuerbare Energien (erstellt Anfang 2010)
Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Nutzwärmebereitstellung Differenzkosten der Nutzenergiebereitstellung für Wärme [Mio. Euro] 5.000 2.500 0-2.500-5.000-7.500-10.000-12.500-15.000-17.500-20.000 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2030 2040 2050 Quelle: ZSW Wärmepumpen Biomasse/erneuerbares Methan Solarthermie Summe
Differenzkosten bis 2050 im Verhältnis zu den Gesamtausgaben für Energie in Deutschland
Leitstudie Deutschland 2009 ohne zusätzliche Verbraucher 2050 (meteorologische Basis 2007)
Verteilung der benötigten Spitzenlast der Restlast
Transport Stromverbünde
Das Regenerative Kombikraftwerk Deckung von 1/10.000 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
Intelligente Verteilnetze Geschäftsmodelle und IT BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface
Tiefsee-Pump-Speicher
Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009
Erneuerbares Methan für den Autoverkehr
Vision zur globalen regenerativen Energieversorgung bis 2050: Primärenergie nach Methode der direkten Energieäquivalente IEA World Energy Outlook Reference Scenario Nutzungseffizienzgewinne Effizienzgewinne durch: Quelle: WBGU
Zusammenfassung und Ausblick Erneuerbare Energien verbessern die Energieeffizienz des Gesamtsystems drastisch Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch notwendig Wichtig: Systemische Betrachtung der Dynamik des Gesamtsystems
Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Bremerhaven und Kassel advancing wind energy and energy system technology Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel Mitglied im Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen WBGU juergen.schmid@iwes.fraunhofer.de Tel. 0561 7294-345 Weitere Informationen: www.wbgu.de www.iwes.fraunhofer.de
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Bremerhaven und Kassel advancing wind energy and energy system technology Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien Gründung: 1. 1. 2009 Mitarbeiter: ca. 500 Personen Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Clemens Hoffmann Hervorgegangen aus: Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in Kassel
Entwicklungspotential Erneuerbare Energien
Globale Primärenergie EJ Primary Energy 800 Other renewables Hydro 700 Nuclear Gas Oil 600 Coal Biomass 500 400 300 200 100 0 1950 1975 2000 2025 2050 GEA -Efficiency GEA -Mix GEA-Supply RCP 3-PD REMINS-RECIPE REMINS-ADAM MERGE-ETL ETP BLUE POLES [r]evolution WEC-C1 WBGU
Schwimmende Windenergieanlagen: Konzeptbeispiele
Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050
IWES-Szenario 100% Erneuerbare Energien: Deckung Weltweiter Primärenergiebedarf bis 2050
Absolute Minderung der THG Emissionen bezogen auf den Energiegehalt der Roh-Biomasse in t CO 2 -äq. je Tonne Biomasse Quelle: WBGU, 2008
Globale Endenergienachfrage in transformativen Szenarien Quelle: WBGU 2011
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
Relative Zusammensetzung von Primärenergie 2008 und 2050: transformative Szenarien im Vergleich Quelle: WBGU 2011