Erneuerbare Energien und der Umbau der Energieversorgung RC Stuttgart-Rosenstein 11. Juli 212
Auf uns rollt ein Kosten-Tsumami zu (FAZ 4.6.12) Die große Illusion Ein Jahr nach der Energiewende steht Angela Merkels Projekt vor dem Scheitern. Die Bürger scheuen die horrenden Kosten, die Wirtschaft fürchtet einen Blackout (Focus 25/212) 2
Energiewendekonzept 211 Weg in das Zeitalter der erneuerbaren Energien. Die erneuerbaren Energien sollen zukünftig den Hauptanteil der deutschen Energieversorgung bereitstellen. Der Energieverbrauch soll deutlich gesenkt und die Energieeffizienz erhöht werden. Mit sicherer, bezahlbarer und umweltschonender Energie ins Jahr 25 Deutschland soll in Zukunft bei wettbewerbsfähigen Energiepreisen und hohem Wohlstandsniveau eine der energieeffizientesten und umweltschonendsten Volkswirtschaften der Welt werden. Dabei setzt die Bundesregierung auf eine ideologiefreie, technologieoffene und marktorientierte Energiepolitik. 3
Energiewendekonzept 211 3 quantitative Zielvorgaben, unter anderem bis 25: Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8 bis 95% (gegenüber 199) 8% Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch 6% Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch Reduktion des Primärenergieverbrauches um 5% Reduktion des Stromverbrauchs um ca. 25% 4
Deutschland auf dem Weg in ein neues Energiezeitalter Energieeffizienz BIP/PEV (Mio. 21 / PJ) 5 4 Zeitalter der Energieeffizienz Energiekonzept 25 3 2 1 DEU DEU 199 21 DEU DEU Zeitalter der 1973 195 Erneuerbaren 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Anteil Erneuerbare am Bruttostromverbrauch (Prozent) BMWi, IIIC2
Photovoltaik PV-Freiflächenanlage PV-Modul PV-Dachanlage 6
Windenergie Offshore-Windpark alpha ventus OnshoreWindenergieanlage Prof. Dr.-Ing. A. Voß Erneuerbare Energien 7
Beitrag der Erneuerbaren Energien zur Energieversorgung in Deutschland Primärenergieverbrauch 211 13.374 PJ Bruttostromerzeugung 211 612 TWh,4%,8% 5,2% 8,2% 3,2% 7,6%,5% 1,3% 3,1%,5% Wasser Wind PV Biomasse Sonstige Quelle: AG Energiebilanzen 212 8
Entwicklung der installierten Windleistung und der spezifischen Investitionskosten von Windenergieanlagen 5. Kumulierte Leistung 2.5 Kumulierte Leistung [MW] / Stromerzeugung [GWh] 4. 3. 2. 1. Stromerzeugung Spezifische Investitionskosten 199 1992 1994 1996 1998 2 22 24 26 28 21 2. 1.5 1. 5 Spez. Investitionskosten [ 11 /kw] Quellen: Bundesverband Windenergie e.v.; BMU 212 9
Entwicklung der installierten PV-Leistung und der spezifischen PV-Modulpreise 25. 1 Kumulierte Leistung Kumulierte Leistung [MW] / Stromerzeugung [GWh] 2. 15. 1. 5. Stromerzeugung Spezifischer PV-Modulpreis 8 6 4 2 Spezifischer PV-Modulpreis [ 11 /W] 1995 1997 1999 21 23 25 27 29 211 1
Stromgestehungskosten Wind Onshore 8,3 bis 11,9 ct / kwh (je nach Standort) Wind Offshore 11 bis 15 ct / kwh (ohne Netzanschlusskosten) Photovoltaik 16 bis 21 ct / kwh 11
EEG-Förderung der erneuerbaren Energien 21 EEG-Einspeisung 21 [GWh] EEG-Einspeisevergütungszahlungen [Mio. ] EEG-Förderung 21 [Mio. ] 23 EEG Wasserkraft 5.49, 421,1 269,6 24-26 EEG Deponiegas, Grubengas, Klärgas 1.16, 83,3 48,5 27 EEG Biomasse 25.145,9 4.24,4 3.486, 28 EEG Geothermie 27,7 5,7 4,9 29-31 EEG Windkraft 37.633,7 3.341,7 2.212,7 32-33 EEG Solare Strahlungsenergie 11.682,5 5.89,9 4.739,4 Summe 75.53,4 13.182,1 1.761,1 angesetzter Marktwert des Stroms: 3, Ct/kWh Quelle: BDEW
Kumulierte EEG-Förderung Windenergie (bei Zubaustopp nach 211) Kumulierte EEG-Förderung Windenergie ohne weiteren Zubau nach 211 [Mrd. ] 6 5 4 3 2 1 angesetzter Wert des Stroms: 3, Ct/kWh 211: ca. 21,5 Mrd. 231: ca. 52,5 Mrd. 199 1995 2 25 21 215 22 225 23 vorläufige Berechnung
Kumulierte EEG-Förderung Photovoltaik (bei Zubaustopp nach 211) Kumulierte EEG-Förderung Photovoltaik ohne weiteren Zubau nach 211 [Mrd. ] 18 16 14 12 1 8 6 4 angesetzter für Wert des Stroms: 3, Ct/kWh 231: ca. 158 Mrd. 2 211: ca. 21 Mrd. 199 1995 2 25 21 215 22 225 23 vorläufige Berechnung
Lerninvestitionen Windenergie 1. Empirische Daten Spez. Investitionskosten Windenergieanlagen [ 11 /kw] 1. Wirtschaftlichkeitsgrenze ca. 32 44 /kw rd. 15 243 Bio. global Lernkurve (PR =,931) ca. 3. GW ca. 6.6. GW 1 1 1 1 1. 1. 1. 1.. 1.. Kumulierte Windenergie-Leistung weltweit [GW] 4.8 GW Kraftwerksleistung weltweit (29) 15
Lerninvestitionen Photovoltaik 1, Spez. PV-Modulpreis Deutschland [ 11 /W P ] 1, 1,,4,5 /W p 8-9 Ct/kWh Stromgestehungskosten * Empirische Daten Lernkurve (PR =,849) rd. 6-12 Bio. global ca. 39.5 12. GW,1 1 MW 1 MW 1 MW 1 1 1 1. 1. 1. Kumulierte Weltprodukion an Solarzellen [GW P ] 4.8 GW Kraftwerksleistung weltweit (29) * Annahme:,35 /W p für Wechselrichter, Montage u. Netzanschluss 16
Last / Einspeisung [GW] Nachfragelast und Einspeisungen von Wind und PV in Deutschland (Januar April 211) 1 9 8 Einspeisung [GW] 7 6 5 4 3 2 1 3 25 2 15 1 5 211 1 2 211 1 27 211 2 3 211 2 1 Wind & PV Wind PV Wind & PV Wind PV Last Quellen: ENTSO E, dt. ÜNB
Integration fluktuierender Stromerzeugung (Wind und PV) Systemanpassungen für eine bedarfsgerechte Stromversorgung : Back-up -Kapazitäten Kraftwerke mit hoher betrieblicher Flexibilität Stromspeicher zur Integration der Überschussproduktion Ertüchtigung und Ausbau der Stromübertragungs- und -verteilnetze 18
Kraftwerksstandorte in Deutschland Quelle: Vortrag Stephan Kohler: Das Energiekonzept der Bundesregierung Herausforderung an die Netzinfrastruktur. Veranstaltung Energie im Dialog: Die energiewirtschaftlichen Herausforderungen der Energiewende in Deutschland. Berlin, Dezember 211
Räumliche Verteilung der Leistungen von Wind und Photovoltaik Wind Leistungsbilanz 222 [MW] Photovoltaik
Ausbaubedarf Übertragungsnetz bis 222 Netzausbau: i. Wechselstrom-Trassenneubau: 17 km ii. Neue Leitungen auf bestehenden Wechselstrom-Trassen: 28 km iii. Wechselstrom-Umbeseilung: 13 km iv. Gleichstrom-Übertragungskorridore: 21 km Investitionen: 2 Mrd. Szenario 222: i. Wind offshore: 13, GW ii. Wind onshore: 47,5 GW iii. Photovoltaik: 54, GW iv. Anteil erneuerbare Energien an Stromerzeugung: 5 % Quelle: Übertragungsnetzbetreiber (Hrsg.): Netzentwicklungsplan Strom 212. Szenario B222. Berlin, Dortmund, Bayreuth, Stuttgart, Mai 212
Struktur des Elektrizitätsnetzes und Einspeisung erneuerbaren Stroms Installierte Leistung [GW] 16 14 12 1 8 6 4 2 Einspeiseleistung erneuerbare Energien 21 38/22 kv 11 kv 2 kv,4 kv Übertragungsnetzebene Verteilnetzebene Biomasse Erdwärme Gase PV Wasserkraft Windkraft Quelle: Übertragungsnetzbetreiber (Hrsg.): EEG- Quelle: BMWi Anlagenstammdaten. http://www.eeg-kwk.net. September, 211
Ausbaubedarf der Verteilnetzebene bis 22 Netzausbau aufgrund Wind und Photovoltaik: i. Leitungen: 38.65 km ii. konventionelle Transformatoren: 63. MVA Investitionen: bis 27 Mrd. Installierte Leistung: i. Wind (onshore): 35,8 GW ii. Photovoltaik: 51,8 GW Quelle: CIGRE (Hrsg.): Exemplarisches ländliches Verteilungsnetz der Mittelspannungsebene, September 25 Quelle: BDEW (Hrsg.): Abschätzung des Ausbaubedarfs in deutschen Verteilungsnetzen aufgrund von Photovoltaik- und Windeinspeisungen bis 22. Bonn/Aachen, März 211
Nachfrage- und Residuallast 5% Anteil erneuerbare Energien Nachfrage- und Residuallast [GW] 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8 Demand load Residual load 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Stunde [h]] Leistungsüberschuss Wind und PV bis zu 27 GW Überschusserzeugung ~ 2 TWh, ~ 1% der Stromerzeugung durch Wind und PV Erforderliche Speicherkapazität 25 GWh derzeitige Speicherkapazität ~ 4 GWh
Nachfrage- und Residuallast 8% Anteil erneuerbare Energien Nachfrage- und Residuallast [GW] 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8 Demand load Residual load 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Stunde [h] Leistungsüberschuss Wind und PV bis zu 78 GW Überschusserzeugung ~ 43 TWh, ~ 13 % der Stromerzeugung durch Wind und PV Erforderliche Speicherkapazität ~ 64 GWh derzeitige Speicherkapazität ~ 4 GWh
Optionen zur Stromspeicherung 8% 54-7% 4-45% 36% 8% 54-7% 4-45% 36% Ƞ Speicher Quelle: Stromspeicherpotenziale für Deutschland; IER, IHS, ZSW, gefördert durch das Zentrum für Energieforschung (ZfES) e.v. 26
Kraftwerkskapazitäten und Stromerzeugung bei unterschiedlichen Anteilen erneuerbarer Energien 4 7 6 5 4 3 2 1 Photovoltaik Wind Pumpspeicher Biomasse Wasserkraft Erdgas GT Erdgas GuD Kohlen Kernbrennstoff Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Jährliche Elektrizitätserzeugung [TWh] 35 3 25 2 15 1 5 Erzeugungskapazitäten [GW] EE 15% EE 5% EE 8% EE 15% EE 5% EE 8%
Kosten der Elektrizitätsversorgung bei unterschiedlichen Anteilen erneuerbarer Energien Jährliche Systemkosten [Mrd. ] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 Nuklear Nuklear 21 EE 15% EE 5% EE 8% Verteilnetze, zus. Investitions und fixe Betriebskosten Speicher, Investitionskosten Erneuerbare Energien, Investitionskosten Konv. Kraftwerke, Investitionskosten Konv. Kraftwerke, Kosten CO2 Emissionszertifikate Übertragungsnetz, zus. Investitions und fixe Betriebskosten Erneuerbare Energien, fixe Betriebskosten Konv. Kraftwerke, fixe Betriebskosten Konv. Kraftwerke, sonstige variable Betriebskosten Konv. Kraftwerke, Brennstoffkosten
Ein weiterer Systemeffekt: Konventionelle Kraftwerke lassen sich nicht mehr wirtschaftlich betreiben Elektrizitätspreis [ /MWh] 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 Stunde [h] EE 15%_Nuklear 21 EE 35%_Nuklear 21 EE 8%_Nuklear 21 Höhere Anteile (subventionierter) Stromerzeugung erneuerbarer Energien reduzieren die verbleibende durch konventionelle Kraftwerke zu deckende Stromnachfrage Bei einer grenzkostenorientierten Preisbildung am Großhandelsmarkt lassen sich keine auskömmlichen Deckungsbeiträge für die Investitionskosten mehr erwirtschaften fehlende Anreize für Investitionen in Back-up - Kraftwerke
Ressourcenverbrauch und ökologischer Fußabdruck Ist die Stromerzeugung aus Wind und Sonne grün, öko oder nachhaltig?
Spezifischer kumulierter Energieaufwand (KEA) (ohne Brennstoff),35,3 [KEA in kwh Primär-eq. /kwh],25,2,15,1,5, Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)
Rohstoff- und Materialaufwand 1% 9% relativ zu Solar (PV - poly. Freifläche) 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Eisen Kupfer Aluminium Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)
Kumulierte Emissionen 1 9 8 [g CO 2 /kwh] [mg NO X /kwh, mg SO 2 /kwh] 7 6 5 4 3 2 1 Kohlendioxid Schwefeldioxid Stickoxide Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)
Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungssysteme (ohne schwere Unfälle) Gesundheitsrisiken [YOLL pro GWh el ],15,1,5 Unfallrisiken Kernenergie Arbeitsbedingte Risiken (ohne schwere Unfälle) Arbeitsbedingte Emissionen aus Risiken vor- und (ohne nachgelagerten schwere Unfälle) Prozessen Emissionen Kraftwerksemissionen aus vor- und nachgelagerten Prozessen Kraftwerksemissionen, Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)
Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungssysteme (mit schweren Unfällen bei der Kernenergie) Gesundheitsrisiken [YOLL pro GWh el ],15,1,5 Unfallrisiken Kernenergie Arbeitsbedingte Risiken (ohne schwere Unfälle) Emissionen aus vor- und nachgelagerten Prozessen Kraftwerksemissionen, Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)
Externe Kosten Externe Kosten [ 27 /MWh el ] 5 45 4 35 3 25 2 15 Unfälle Klimawandel (34 /t CO2) (11 /t CO2) Gesundheitsrisiken Materialschäden, Ernte- und Biodiversitätsverluste 1 5 Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)
Vollkosten 3 Externe Kosten, CO2-eq. Diskontrate 7,5 % 25 Externe Kosten, ohne CO2-eq. Lebenszykluskosten [ 27 /MWh] 2 15 1 5 Steinkohle Braunkohle Erdgas GuD Kernenergie Wind onshore Wind offshore Solar (PV)