Energiewende: Sichere Energieversorgung heute und morgen Reinhard F. Hüttl Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Deutsche Akademie der Technikwissenschaften acatech 7. Brandenburger Wirtschaftstag Neuruppin, 23.10.2012 Fotos: ZukunftsAgentur Brandenburg GmbH Konferenz Klima im System Erde Berlin 2. - 3. November 2009
Überblick Die Rahmenbedingungen Ethikkommission Sichere Energieversorgung Energiewende: Die aktuelle Situation Technologische Herausforderungen und Lösungen der Energieforschung Regionale Vernetzung und Nachwuchsförderung 2
Die Rahmenbedingungen 3
Szenarien: Globaler Energieverbrauch Mögliche Zunahme des Energieverbrauchs um 40 % bis 2030 Quelle: IEA 2009 4
Gesellschaftspolitische Herausforderung: Wachstum der Weltbevölkerung 5
Urbanisierungstrend Heute leben erstmals mehr als 50 % der Weltbevölkerung in Städten, bis 2030 werden es voraussichtlich fünf Milliarden Menschen sein. Das städtische Wachstum wird hauptsächlich in Afrika und Asien stattfinden. Auch dieser Trend hat Auswirkungen auf die globale Energienachfrage. Ballungsräume 2009 Ballungsräume 2025 Quelle: Diercke 6 Quelle: United Nations, Department of Economic and Social Affairs
Klimadynamik CO 2 -Emissionen weltweit Global betrachtet sind seit 1990 die CO 2 -Emissionen deutlich angestiegen. Aktuelle Szenarien zeigen für die den kommenden Jahre kaum Hinweise auf eine Umkehr dieses Trends. Grund dafür ist nicht zuletzt die wirtschaftliche Entwicklung in Schwellenländern. Quelle: BP Statistical Review of World Energy 2011 7
Ethikkommission Sichere Energieversorgung 8
Die (Neu-)Bewertung von Risiken 11. März 2011: Das Tōhoku-Erdbeben vor der japanischen Küste vom 11. März 2011 und der durch den nachfolgenden Tsunami ausgelöste Reaktorunfall von Fukushima haben zu einer Neubewertung der Kernkraft- Risiken geführt. Die Diskussion über dieses Ereignis stieß Entscheidungen zur Neuausrichtung der sicheren Energieversorgung für Deutschland an. 9
Ethik-Kommission Sichere Energieversorgung Anlass und Mandat Berufung der Kommission durch die Bundesregierung am 22.03.2011, um die verantwortungsethischen Entscheidungsgrundlagen ganzheitlich zu betrachten. Ziele Beschleunigter Ausstieg aus der Kernenergie Beschleunigter Einstieg in Erneuerbare Energien Verbesserte Energieeffizienz Aufgabe Prüfung der Machbarkeit der Ziele in Bezug auf Zeit und Rahmenbedingungen in Deutschland 10
Ergebnisse Zeitrahmen der Umsetzung: Ein Jahrzehnt Eckpunkte: Gemeinschaftsaufgabe (z. B. beim Ausbau von Netzen und Speichern) Beachtung des Energiedreiecks (günstig, sicher, umweltverträglich, v.a. Klimaschutz) bzw. des Energievierecks (bei zusätzlicher Berücksichtigung der gesellschaftlichen Akzeptanz) Förderung von erneuerbaren Energieträgern und Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz Energiewende-Beauftragte/Beauftragter beim Bundestag Monitoring (striktes Projektmanagement) Energieforen (national/regional) Fazit: Die Energiewende ist Chance und Herausforderung zugleich! 11
Akzeptanz und Transparenz Neben technischer Innovation ist jedoch eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der zu treffenden Maßnahmen im Ressourcenschutz eine wichtige Voraussetzung. In der Energiepolitik wird in diesem Zusammenhang beispielsweise bereits von einem Zielviereck gesprochen: Umwelt- und Klimaverträglichkeit Umwelt- und Klimaverträglichkeit Wirtschaftlichkeit Versorgungssicherheit Wirtschaftlichkeit Energiepolitisches Zielviereck Versorgungssicherheit + gesellschaftliche Akzeptanz Im Zentrum der Bemühungen um eine Öffnung des Dialogs zwischen den gesellschaftlichen Akteuren muss hier auch die Erforschung der Gründe für eine Annahme bzw. eine Ablehnung einer konkreten Innovation durch die potenziellen Nutzer bzw. Betroffenen stehen. gesellschaftliche Akzeptanz 12
Energiewende: Die aktuelle Situation 13
Der Energiemix in Deutschland Quelle: AG Energiebilanzen, http://www.ag-energiebilanzen.de Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 2011 14
Erneuerbare Energien Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energieversorgung in Deutschland (BMU 2011) Quelle: BMU 2011 (auf Basis AGEE-Stat und weiterer Quellen; Erneuerbare Energie in Zahlen Nationale und internationale Entwicklung) 15
Wasserkraft 30.000 25.000 Entwicklung der energetischen Wasserkraftnutzung in Deutschland Energiebereitstellung [GWh] installierte Leistung [MW] 6.000 5.000 20.000 4.000 [GWh] 15.000 3.000 [MW] 10.000 2.000 5.000 1.000 0 15.580 15.402 18.091 18.526 19.501 20.747 18.340 18.453 18.452 20.686 24.867 23.241 23.662 17.722 19.910 19.576 20.042 21.169 20.446 19.036 20.956 19.500 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); 1 GWh = 1 Mio. kwh; 1 MW = 1 Mio. Watt; Hintergrundbild: BMU / Bernd Müller; Stand: März 2012; Angaben vorläufig 16
Windenergie Entwicklung der Strombereitstellung und installierten Leistung von Windenergieanlagen in Deutschland 50.000 45.000 40.000 Stromerzeugung [GWh] installierte Leistung [MW] 29.075 MW 30.000 25.000 35.000 20.000 [GWh] 30.000 25.000 20.000 StromEinspG: Januar 1991 - März 2000 Novelle BauGB: November 1997 EEG: April 2000 15.000 [MW] 15.000 10.000 5.000 0 71 100 275 600 909 1.500 2.032 2.966 4.489 5.528 7.550 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 10.509 15.786 EEG: August 2004 18.713 25.509 27.229 30.710 39.713 EEG: Januar 2009 40.574 38.639 37.793 46.500 10.000 5.000 0 Quellen: J.P. Molly: "Status der Windenergienutzung in Deutschland, Stand: 31.12.2011"; Deutsches Windenergie-Institut (DEWI) und Bundesverband WindEnergie (BWE); Stromerzeugung 2011 auf Grundlage 50Hertz Transmission, Amprion, TenneT TSO, EnBW Transportnetze; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; BauGB: Baugesetzbuch; 1 MW = 1 Mio. Watt; 1 GWh = 1 Mio. kwh; BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: März 2012; Angaben vorläufig 17
Photovoltaik Entwicklung der Strombereitstellung und installierten Leistung von Photovoltaikanlagen in Deutschland 26.000 24.000 22.000 Energiebereitstellung [GWh] installierte Leistung [MWp] 24.820 MW p 26.000 24.000 22.000 20.000 20.000 18.000 18.000 16.000 16.000 [GWh] 14.000 12.000 14.000 12.000 [MW p ] 10.000 10.000 8.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 1 2 3 6 8 11 16 26 32 42 64 76 162 313 556 1.282 2.220 3.075 4.420 6.583 11.683 19.000 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 6.000 4.000 2.000 0 Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); 1 GWh = 1 Mio. kwh; 1 MW = 1 Mio. Watt; Hintergrundbild: BMU / Bernd Müller; Stand: März 2012; Angaben vorläufig 18
Oberflächennahe Geothermie Entwicklung der oberflächennahen Geothermienutzung* zur Wärmebereitstellung in Deutschland in den Jahren 1995 bis 2011 6.500 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 [GWh] 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 1.440 1.440 1.458 1.491 1.532 1.581 1.651 1.741 1.842 1.972 2.156 2.602 3.255 3.962 4.640 5.300 5.980 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 * Inkl. Luft/Wasser-, Wasser/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und ZSW; Hintergrundbild: ZSW / Ulrike Zimmer; Stand: März 2012; Angaben vorläufig 19
Biomasse Kraftstoffverbrauch Beitrag erneuerbarer Energien zum Kraftstoffverbrauch in Deutschland 50.000 45.000 40.000 Bioethanol Pflanzenöl Biodiesel 35.000 30.000 [GWh] 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Keine Biokraftstoffe im Jahr 1990; Pflanzenöl bereits seit 1992 für biogene Kraftstoffe verwendet, Bioethanol seit 2004; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Dieter Böhme; Stand: März 2012; Angaben vorläufig 20
Erneuerbare Energien Investitionen 2011 Investitionen in die Errichtung von Erneuerbare- Energien-Anlagen in Deutschland im Jahr 2011 Investitionen in EE-Anlagen: 22,9 Mrd. Euro Wasserkraft 70 Mio. Euro Biomasse (Wärme) 880 Mio. Euro Geothermie * 960 Mio. Euro Solarthermie 1.050 Mio. Euro Biomasse (Strom) 2.000 Mio. Euro Windenergie Photovoltaik 2.950 Mio. Euro 15.000 Mio. Euro 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 [Mio. Euro] * Großanlagen und Wärmepumpen; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Quelle: BMU-KI III 1 nach Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW); Stand: März 2012; Angaben vorläufig 21
Energieproduktivität und Wirtschaftswachstum: Das Gebot der Energieeffizienz Quelle: Statistisches Bundesamt, Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e. V. Ziel: Anhaltender Trend der Entkopplung von BIP und Energieverbrauch. Zur Erreichung des Zielwerts wäre im verbleibenden Zeitraum bis 2020 eine Steigerung der Energieproduktivität von durchschnittlich 3,3 % erforderlich, im Zeitraum 2000 bis 2009 ist die Energieproduktivität allerdings im Jahresdurchschnitt nur um 1,4 % gestiegen. 22
Technologische Herausforderungen und Lösungen der Energieforschung 23
Fossil betriebene Kraftwerke Der Ausstieg aus der Kernenergie darf nicht zu Lasten des Klimaschutzes gehen. Aber: Erdgas als CO 2 -ärmster fossiler Energieträger kann helfen, Versorgungslücken klimafreundlich zu schließen. Auch der Einsatz moderner, hocheffizienter Kohlekraftwerke (z. B. in Verbindung mit CCU) ist eine klimapolitische und energiewirtschaftliche Notwendigkeit. Gas- und Dampf-Kraftwerk Irsching, Foto: E.On 24
Geothermie: GFZ-Geothermielabor Groß Schönebeck 25
Geothermie: Potenzial weltweit United States 3094 MW France 16 MW Portugal 29 MW Iceland 575 MW Germany 6.6 MW Austria 1.4 MW Italy 843 MW Turkey 82 MW Ethiopia 7.3 MW Kenya 167 MW China 24 MW Russia 82 MW Mexico 958 MW Japan 536 MW Guatemala 52 MW Philippines 1904MW El Salvador 204 MW Papua- N. G. 56 MW Nicaragua 88 MW N. Zealand 628 MW Costa Rica 166 MW Total : 10,715 MWe Thailand 0.3 MW Indonesia 1197 MW Australia 1.1 MW Heat Flow Density [milliwatt/m 2 ] IPCC 2010 MW-Angaben: Installierte Kapazitäten für geothermischen Strom 26
Schiefergas Gas ist derzeit eine der Schlüsselkomponenten im Energiemix. Unkonventionelle Gasvorkommen sind eine wichtige globale Ressource. Nachhaltige Fördermethoden müssen entwickelt werden. Ein größeres geologisches Prozessverständnis kann zur Erhöhung der Erfolgsquoten und zur Reduzierung der Kosten beitragen. Die gesellschaftliche Akzeptanz und die Berücksichtigung von Umweltbelangen werden in naher Zukunft über den weiteren Erfolg dieser Technologie entscheiden. 27
Vermutete und nachgewiesene Hydratvorkommen Gashydrate Literaturwerte zum vermuteten Gehalt an hydratgebundenem Kohlenstoff im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt bekannter Erdgas-, Erdöl- und Kohlereserven 28
Die Rolle der Biomasse Quelle: BMU 2012 29
Nachwachsende Rohstoffe Nutzung in Deutschland 30
Bioenergie und alternative Landnutzungssysteme 31
High output at low input 32
Infrastruktur: Smart Grids Die Energiewende ist möglich, erfordert aber unbedingt den Umbau der Elektrizitätsnetze zu Smart Grids. Das notwendige Systemverständnis in Wirtschaft, Wissenschaft und Politik ist noch nicht in ausreichendem Maße erreicht. Aufbau und Bestandteile des abstrakten und vereinfachten Systemmodells mit ausgewählten, grundlegenden Technologien, Funktionalitäten und Anwendungsbereichen Quelle: acatech-studie Future Energy Grid Informations- und Kommunikationstechnologien für den Weg in ein nachhaltiges und wirtschaftliches Energiesystem 33
Infrastruktur: Smart Grids und die Rolle von modernen Kommunikationstechnologien Today Power Information Micro-Grid- Bi-directional Controller electric vehicle charging Tomorrow station Transformer Monitoring- Station Smart Meter IT Integration 34 Source: EIT ICT Labs
Speichertechnologien Aus Wind- und Sonnenkraftwerken kann nur unregelmäßig Energie gewonnen werden, sie unterliegen tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Speichertechnologien werden benötigt, um diese Schwankungen auszugleichen. Die dazu geeigneten Technologien befinden sich jeweils auf unterschiedlichen Forschungsständen und weisen spezifische Vor- und Nachteile auf: - Pumpspeichwerke - Druckluftspeicher - Batterien - Schwungräder - Energiespeicherung in supraleitenden Spulen - Elektrochemische Kondensatoren - Quelle: APS Physics, Challenges of Electricity Storage Technologies 35
Beispiel: Wärme- und Kältespeicherung als Teil des Energieversorgungssystems der deutschen Parlamentsbauten seit 2000 im Betrieb saisonale Rückgewinnung 60 80 % der Wärme/Kälte ~ 5 C ~ 25 C ~ 32 C ~ 65 C GTN 2011
Energiespeicherung durch Synthetisches Methan (SNG) Die Speicherung überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energien durch Synthetisches Methan (SNG) bietet einen weiteren Lösungsansatz. Quelle: Sterner 2009, Specht et. al. 2010, http://www.weltderphysik.de Die entscheidenden Nachteile dieser Technologie sind allerdings der derzeit noch sehr geringe Wirkungsgrad und die hohen Kosten der Anlagen. 37
Regionale Vernetzung und Nachwuchsförderung 38
Regionale Vernetzung: Cluster Energietechnik Berlin-Brandenburg Handlungsfelder umfassen auch zentrale Technologiefelder wie Clean Coal (CCS/CCU), Wasserstoff & Methanisierung von CO2, Geothermie, Smart Grids 39
Anwendungen & Potenziale in der Region Produktionsanlagen & Energietechnikprojekte 40
Cluster Energietechnik: Entwicklung des Masterplans Ziel Der Masterplan Energietechnik ist das Leitdokument zur Clusterentwicklung, um länderübergreifende Strukturen der Innovations- und Wirtschaftsförderung zu entwickeln Weg Gemeinsam mit Akteuren entwickelt und umgesetzt Entwicklung: Bottom-up, Abstimmung & Verabschiedung: konsensual, bottom-up-top-down 41
Masterplan: Maßnahmen in den Handlungsfeldern (Beispiele) 42
MINT-Bildung und Nachwuchsförderung Neben technologischen Fortschritten erfordert die Energiewende aber auch eine Förderung der Ausbildung von Nachwuchskräften, v. a. in den sog. MINT-Fächern. Die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften acatech vertritt dabei einen systematischen Ansatz: Förderung von technisch-naturwissenschaftlichen Interessen und Kompetenzen in allen Lebensphasen Kontinuierliche und altersgerechte Technikbildung vom Kindergarten bis zum Hochschulabschluss Professionalisierung der Technikbildung Kontinuierliche, übergreifende Förderung und Zusammenarbeit von verschiedenen Akteuren Plattform/Vernetzung von Wissenschaft, Wirtschaft, Politik Dialog mit Entscheidungsträgern und Bildungseinrichtungen Wichtige Aktivitäten in diesem Zusammenhang: Empfehlungen zur Ingenieurpromotion, Start der Projektdatenbank MoMoTech, Organisation von Round Tables, Evaluationsstudien zur Bildungssituation und zu Motivationskonzepten etc. 43
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 44