Perspektiven für eine nachhaltige Energieversorgung auf Basis von Energieeffizienz und 1 % erneuerbaren Energien Prof. Dr. Jürgen Schmid Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Kassel Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen Globale Situation und zukünftige Trends Weltbevölkerung [Milliarden] 13 Weltenergiebedarf [ 1 kwh ] 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Globales Wachstum Bevölkerung, Energiebedarf, CO-Konzentration 2 Weltenergiebedarf CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre Weltbevölkerung 188 189 19 191 192 193 194 195 196 197 198 199 2 21 37 36 36 34 33 32 31 3 29 CO 2 -Konzentration [ppm] Eisschwund in der Arktis Globale Situation und zukünftige Trends 1 Eisfläche (September Minimum) [Millionen km 2 ] Sicherheitsrisiken durch Klimawandel: 8 6 4 Messdaten IPCC-Modelle Bandbreite der Modelle ausgewählte Brennpunkte 2 Quelle: Prof. Dr. Stefan Rahmstorf, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung 19 195 2 25 21 Jahr
Herausforderung Klimaschutz Beispiele globale Emissionspfade 21-25, um die 2 C-Leitplanke mit 67 % Wahrscheinlichkeit einzuhalten Notwendige Reduktionen Um diese Kurven einzuhalten, sind in den frühen 23er Jahren jährliche Reduktionsraten von 3,7 % (grün), 5,3 % (blau) bzw. 9, % (rot) notwendig (bezogen auf 28). Max. Emissionsmenge global 75 Mrd. t CO 2 Quelle: PIK 27 Quelle: WBGU Entwicklung Photovoltaik Entwicklung Windenergie [GWh] 7. Energiebereitstellung [GWh] 6.5 installierte Leistung [MWp] 6. 5.5 5. 4.5 4. 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1. 313 76 162 5 1 2 3 6 8 11 16 26 32 42 64 199 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Bernd Müller; Stand: Dezember 21; Angaben vorläufig 556 1.282 2.22 3.75 4.42 6.578 14. 13. 12. 11. 1. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. [MW p ] MW 15 1 5 Installierte Leistung Quellen: BTM consult, windpower monthly, IWR, ISET,BWE, WWEA Stand 1/21, Angaben für 21 vorläufig 199 1991 Welt Europa Deutschland Windstromerzeugung Deutschland 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Windstromerzeugung 45, TWh 3, 15, 21,
Beitrag erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung in Deutschland 199-29 [GWh] 12. 1. 8. 6. 4. 2. Wasserkraft Biomasse * Windenergie Photovoltaik StromEinspG: Januar 1991 - März 2 Novelle BauGB: November 1997 EEG: April 2 EEG: August 24 EEG: Januar 29 199 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 * feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; Strom aus Geothermie aufgrund geringer Strommengen nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: Dezember 21; Angaben vorläufig Vergleich der Stromgestehungskosten US Cent kwh 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Coal Gas Quellen: IEA IEA IPCC 6 max. EPRI min. Nuclear Windenergie Micro Hydro Coal (sub-bit.) Emissions- Zertifikate plus 2 Euro je t New NGCC max. min. Neue Kohlekraftwerke New IGCC Coal (sub-bit.) New NGCC Quelle: IEA, IPCC, 27 Quellen: IPCC, IWES max. min. Neue Kohlekraftwerke mit CO 2 - Abscheidung New IGCC EuroCent kwh 5 4 3 2 1 Weltweites Entwicklungspotential der Kosten für Strom aus erneuerbaren Energien Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit DLR / UNDP / Harvard Hoogwijk / DLR DLR FAO / WBGU UNDP / DLR UNDP / DLR UNDP Quellen: s. Abb.
THG-Emissionen rein aus direkter/indirekter Landnutzungsänderung 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: Fritsche und Wiegmann, 28 Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 28; WBGU, 28 Transformation Wärmesektor Transformation Verkehrssektor
Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3-4 Bioenergie im Verkehr - Wirkungsgrade 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, 28; WBGU, 28 Quelle: WBGU, 28 Absolute Minderung der THG Emissionen für temperate Energiepflanzen bezogen auf die Anbaufläche in t CO 2 -äq. je Hektar und Jahr Wirkungsgrade Elektromobilität Alt: Kohlekraftwerke und Blei-Akkumulatoren Kohlekraftwerk Gleichrichter Blei-Akkumulator Wechselrichter Elektromotor ηges 2% η = 35 % η = 9 % η = 75 % η = 9 % η = 9 % Neu: Erneuerbare Energien und Lithium-Akkumulatoren Erneuerbare Energien η = 1 % η = 95 % Gleichrichter Lithium- Akkumulator η = 95 % η = 95 % Wechselrichter Elektromotor η = 95 % ηges 8% Quelle: WBGU, 28
Vermeidung von Abwärme und Emissionen durch erneuerbare Energien Energiekonzept 25 Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 1 % erneuerbaren Energien Juni 21 Quelle: Sterner, 29 Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 25 Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 25
Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien Entwicklung des Endenergiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Energien Nutzenergiebereitstellung Wärme aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] 1.4. 1.2. 1.. 8. 6. 4. 2. Umweltwärme Kollektoren Biomasse/Erneuerbares Methan Gesamtnutzenergiebedarf für Wärme Quelle: ZSW 25 21 215 22 23 24 25 Endenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien [GWh/a] 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. Benzinersatz (regenerativ) Dieselersatz (regenerativ) Flugtreibstoff (regenerativ) Erneuerbares Methan Wasserstoff Strom Gesamtbedarf Quelle: ZSW 25 21 215 22 23 24 25 Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland Entwicklung Differenzkosten der erneuerbaren Nutzwärmebereitstellung Differenzkosten der erneuerbaren Stromerzeugung [Mio. Euro] 2. 15. 1. 5. -5. -1. -15. -2. -25. -3. -35. -4. -45. -5. -55. -6. -65. 21 211 212 213 214 215 216 217 218 219 22 23 24 25 Wasser Wind Photovoltaik Stromimport Biomasse/Erneuerbares Methan Geothermie Summe Quelle: ZSW Differenzkosten der Nutzenergiebereitstellung für Wärme [Mio. Euro] 5. 2.5-2.5-5. -7.5-1. -12.5-15. -17.5-2. 21 211 212 213 214 215 216 217 218 219 22 23 24 25 Quelle: ZSW Wärmepumpen Biomasse/erneuerbares Methan Solarthermie Summe
Differenzkosten bis 25 im Verhältnis zu den Gesamtausgaben für Energie in Deutschland BEE-Scenario (22) with 47% RES incl. 39.5 GWp Photovoltaic Feed-in of RES at any time! 12 1 Last EE Einspeisung Zeit der maximalen EE Einspeisung (7 GW) Zeit der Jahresminimallast (4 GW) Zeit der minimalen EE Einspeisung (9 GW) Durchschnittliche Woche (93 GW) Zeit der Jahreshöchslast (93 GW) Leistung in GW 8 6 4 2 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Source: Y.-M. Saint-Drenan, M. Sterner (IWES) Zeit German Lead Study 29 without additional Consumers 25 (meteorological basis 27) Neues Offshore-Stromnetz Masterplan der europäischen Windenergieagentur Quelle: EWEA, www.ewea.org Publications Factsheets Offshore Wind Energy
Transport Stromverbünde Das Regenerative Kombikraftwerk Deckung von 1/1. der Lastkurve Deutschlands zu jedem Zeitpunkt Steuerung realer Anlagen Wind Solar Biogas Hydro Import/ Export 12,6 MW 5,5 MW 4, MW 1, MW 1, MW Intelligente Verteilnetze Geschäftsmodelle und IT Regenerative Model Region Harz BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface Virtuelle Power Plant Device Control Market Information Generation Controllable Loads Storages
Lademanagement für E-KFZ Test- und Prüfzentrum Elektromobilität IWES-TPE Intelligentes Lademanagement durch Kombination der Vorhersagen von: Last Prognose Residuallast Prognose EE Produktion Elektrischer Netzlast Ladelast der E-KFZ Quelle: P. Lichtner, IWES EE Prognose Management E-KFZ Ladekontrolle E-KFZ Progn. Test- und Prüfzentrum Elektromobilität IWES-TPE Testfeld Smart Grids und E-Mobility IWES-SysTec Einweihung, 2. Juni 211 Testzentrum für intelligente Stromnetze und Elektromobilität Rothwesten bei Kassel Elektrische Netze (Niederspannung, Mittelspannung) Regelbare Netzsimulatoren (1 MVA) Photovoltaik-Systeme, Windenergieanlagen, Hybridsysteme Ladestationen und Teststrecke für Elektromobilität
Kapazitäten und Reichweiten von verschiedener Speicher der größte vorhandene nationale Speichersee ist das Erdgasnetz EE-Methan Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz 1 1 a 1 1 1 m PHS SNG Discharge time [h] 1 1 1 d 1 h Batteries CAES CAES H 2,1 Fly Wheels,1,1 1 kwh 1 kwh 1 kwh 1 MWh 1 MWh 1 MWh 1 GWh 1 GWh 1 GWh Storage capacity of different storage systems Quelle: Specht et al, 21 1 TWh 1 TWh 1 TWh Quelle: Specht et al, 29 Sterner, 29 Renewable power (to) methane erneuerbares Methan Wirkungsgrade Die Schlüsselrolle von Methan in zukünftigen Energiestrukturen 6-65% Methan 35-4% Strom 5-6% KWK Vs. % durch Abregelung Quelle: Specht et al, 29 Sterner, 29
Entwicklungspotential Erneuerbare Energien Schwimmende Windenergieanlagen: Konzeptbeispiele IWES-Kompetenzzentrum Rotorblatt Eröffnung 9-Meter-Prüfstand, 9. Juni 211 IWES-Szenario 1% Erneuerbare Energien: Deckung Weltweiter Primärenergiebedarf bis 25
Zusammenfassung und Ausblick Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch notwendig Auswirkungen auf den Verkehrssektor Elektromobilität erhöht die Effizienz drastisch Lastmanagement für Elektrofahrzeuge stabilisieren Netze Speicher und Stromübertragungssysteme müssen verbessert werden Erneuerbares Methan wird bedeutender Treibstoff Entscheidend politischer Wille und Bewusstseinswandel 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. 29 Mitarbeiter: ca. 24 Personen Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Jürgen Schmid Hervorgegangen aus: Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in Kassel Globale Verteilung der Bioenergiepotenziale Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Bremerhaven und Kassel advancing wind energy and energy system technology Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Schmid juergen.schmid@iwes.fraunhofer.de Tel. 561 7294-345 Weitere Informationen: www.wbgu.de www.iwes.fraunhofer.de Ausgewählte Region Potenzial Anteil am globalen Potenzial Afrika südlich der Sahara 5-14 EJ/Jahr 12-15% China und angrenzende Länder 4-15 EJ/Jahr 12-13% GUS 2-9 EJ/Jahr 7-8% Lateinamerika und Karibik 8-25 EJ/Jahr 22-24 % Pazifisches Südostasien 1-11 EJ/Jahr 2-9 % Südasien 2-4 EJ/Jahr 3-6 % Europa 5-15 EJ/Jahr 11-16 % Quelle: WBGU, 28