Energieszenarien für Deutschland und das Energiekonzept der Bundesregierung

Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft AKE 6: Energieszenarien und intelligente Energiesysteme Energieszenarien für Deutschland und das Energiekonzept der Bundesregierung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch IEK-STE: Forschungszentrum Jülich Institut für Energie- und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung

Inhalt Übersicht über Energieszenarien für Deutschland Analyse der Auswirkungen des deutschen Energiekonzepts mit IKARUS-LP Kosteneffiziente Szenarien für Deutschland (IKARUS-LP) Kostenvergleich Zusammenfassung & Ausblick IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 2

Aktuelle Studien mit Energiebezug für Deutschland IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 4

Projektionen des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 16 PJ 14 12 1 8 6 4 2 Rot: Studien von 27 Grün: Studien von 28 Blau - Violett : Studien von 29 Gelb: Studien von 21 Ziel des Energie - konzeptes der Bundesregierung (Juni 211) ESSO28 KE+CCS ESSO28 Ref Wert abgeschätzt 199 2 21 22 23 24 25 Klassifikation: Referenzoder Business as usual Szenarien Varianten- Szenarien mit hoher Effizienz und/ oder hohen Einsparungen IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 5 Statistik ENREPIV(25) SZEN27 KV SZEN27 EE SZEN27 KKW PolIV MMS (28) PolIV MWMS (28) ESSO28 Ref ESSO28 KE+CCS EWI28-1 EWI28-2 EWI28-2a EWI28-3 BMU28 BMU28 E1 BMU28 E2 BMU28 E3 BMU28 D1 BMU28 D2 BMU29 STE29 BAU STE29-6% STE29-77% Öko29 R Öko29 R+CCS Öko29 I Öko29 I+CCS PolV SWS (29) Ffe29 SZ1 Ffe29 SZ2 Ffe29 SZ3 IER29 Ra-Rc IER29 S3a EET29 Base EET29 Ref SZEN21 REF SZEN21 IA BMU21 Ziel

Projektionen der CO2-Emissionen in Deutschland 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 Rot: Studien von 27 Grün: Studien von 28 Blau - Violett Studien von 29 Gelb: Studien von 21 CO 2 - Emissionen (199 = 1) Ziel des Energiekonzeptes der deutschen Bundesregierung (Juni 211) EET 27 ESSO28 Ref Ffe29 SZ1: Schwacher Rückgang der CO 2 -Emissionen 199 2 21 22 23 24 25 Klassifikation: Referenzoder Business as usual Szenarien Basis/ Referenz- oder Varianten- Szenarien Mit CO 2 - Reduktion 7% oder Maßnahmen, die zu CO 2 - Reduktion 7% führen IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 6 Statistik ENREPIV(25) SZEN27 KV SZEN27 EE SZEN27 KKW EET27 PolIV MMS (28) PolIV MWMS (28) ESSO28 Ref ESSO28 KE+CCS EWI28-1 EWI28-2 EWI28-2a EWI28-3 BMU28 BMU28 E1 BMU28 E2 BMU28 E3 BMU28 D1 BMU28 D2 BMU29 STE29 BAU STE29-6% STE29-77% Öko29 R Öko29 R+CCS Öko29 I Öko29 I+CCS PolV MMS (29) PolV SWS (29) Ffe29 SZ1 Ffe29 SZ2 Ffe29 SZ3 IER29 Ra-Rc IER29 S3a EET29 Base EET29 Ref SZEN21 REF SZEN21 IA SZEN21 IB BMU21 Ziel

Projektionen der BIP-Entwicklung in Deutschland 4 Destatis Ffe29 SZ1: Starker Anstieg des BIP ENREPIV(25) Mrd. 35 2 Rot: Studien von 27 Grün: Studien von 28 Blau - Violett: Studien von 29 Gelb: Studien von 21 SZEN27 KV EWI28-1 EWI28-2 EWI28-2a 3 EWI28-3 BMU28 BMU29 25 ÖKO29 PolV MMS (29) Ffe29 SZ1 2 IER29 Ra SZEN21 REF SZEN21 IA BMU21 15 199 2 21 22 23 24 25 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 7

Ausgewählte Bewertungskriterien Bewertungsmatrix ENREPIV SZEN27 EET27 PolIV PRIMES28 ESSO28 EWI28 BMU28 ShellPKW BMU29 STE29 ÖKO29 Esso29 PolV FfE29 IWES29 IER29 ShellLKW FVEE21 UBA21 EET29 SZEN21 BMU21 SRU211 Technische Maßnahmen X X - X X X X X X X X Politische Maßnahmen X X - X X X X X - X - X X X - Nachhaltigkeitskonzept - - X - - C - X X X - C - - - - X - H H - - H H Nachhaltigkeitsbewertung Z - Z C - Z X X X - - C X - P - H H Z P H H Komplexere methodische Ausarbeitung Einfache methodische Ausarbeitung Χ Berücksichtigt, aber nicht methodisch ausgearbeitet - Nicht berücksichtigt C: NH reduziert auf Klimaschutz H: NH gleichgesetzt mit 1% EE Z: Energiewirtschaftliches Zieldreieck P: Politisch definierte NH-Ziele IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 8

Wichtigste Ziele des Energiekonzepts (Juni 211) Ausstieg aus der Kernenergie (bis Ende 222) Reduktion der THG Emissionen um 4% bis 22, 55% 23 und mind. 8% bis 25 verglichen mit den Emissionen von 199 Primärenergieverbrauch, PEV um die Hälfte reduziert bis 25 Bruttostromverbrauch reduziert um 1% bis 22 (25% bis 25) Raumwärmebedarf reduziert um 2% bis 22 Anteil der Erneuerbaren, EE an PEV mind. 3% bis 23 Anteil der EE in Stromerzeugung 5% bis 23 (8% bis 25) Anteil EE am EEV des Transportsektors 1% bis 22, 6 Mio. E-PKW bis 23 (1 Mio. E-PKW bis 22) IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 1

Energiesystemmodell IKARUS-LP Primärenergie Energieumwandlung und -transport Endverbraucher Nachfrage Stromimport Strom Erdgasförderung Kernbrennstoff Gas Kohle Transport u. Verteilung Kraftwerke Zentrale Kraft-Wärme- Kopplung Dezentrale Kraft-Wärme- Kopplung Transport u. Verteilung Transport u. Verteilung Fern- und Nahwärme Steinkohleimport Kernbrennstoffimport Kohleförderung Erdgasimport Industriesektor Nichtenerget. Verbrauch Haushalte Industrieproduktion Rohstoffnachfrage Beheizte Wohnfläche Aufkommen Erneuerbare Energie Heizöl Kleinverbrauch Anzahl der Beschäftigten Import Rohöl Import Ölprodukte Rohöl Raffinerie Benzin Diesel & Kerosin Verkehr Personenu. Güter verkehrsleistung IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 11

Annahmen für alle Szenarien BIP Wachstum: 1,4 %/a Bevölkerung: abnehmend auf ca. 8 Millionen in 23 (76 Mio. bis 25) Rohölpreis: steigt bis auf 135 $/bbl in 23 (2 $/bbl in 25) Atomausstiegsbeschluss vom Juni 211 Entwicklung der Nachfrage nach Energiedienstleistungen 2 18 Güterverkehr BWS Industrie 16 % 14 12 1 8 Wohnfläche Personenverkehr Beschäftigte GHD 6 2 25 21 215 22 225 23 235 24 245 25 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 12

Betrachtete Szenarien (Horizont 23) BAU: Business as usual ohne CO 2 -Minderungsvorgabe und erweiterte Maßnahmen EK: Energiekonzept der Bundesregierung ohne eine zusätzliche CO 2 -Minderungsvorgabe EK (+CCS): Energiekonzept der Bundesregierung inklusive CO 2 - Minderungsvorgabe, CCS-Option verfügbar ab 22 EK (-CCS): Energiekonzept der Bundesregierung inklusive CO 2 - Minderungsvorgabe, CCS-Option nicht verfügbar OPT (+CCS): BAU + CO 2 -Minderungsvorgabe, d.h. das Modell wählt das kostengünstigste Maßnahmen/ Technologie- Portfolio zur CO 2 -Minderung (mit CCS-Option ab 22) OPT (-CCS): wie OPT nur ohne CCS-Option IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 13

BAU vs. EK: Primärenergie BAU: Business as usual EK: Energiekonzept (ohne CO 2 -Minderungsvorgabe) Kernenergie Erneuerbare Strom Kernenergie Erneuerbare Strom 16 Gas Öl Sonstige Feste Braunkohle Steinkohle 16 Gas Öl Sonstige Feste Braunkohle Steinkohle 14 12 14255 13979 12921 11938 14 12 14255 13979 1247 112 1 1 PJ 8 PJ 8 6 6 4 4 2 2 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 14

BAU vs. EK: Energiebedingte CO 2 -Emissionen BAU: Business as usual EK: Energiekonzept (ohne CO 2 -Minderungsvorgabe) 9 8 7 798 GHD Verkehr Veredlung Raffinerie Kraftwerke Gesamt* - 22% 755 739 Haushalt Industrie Gasverteilung HW/HKW Primärenergie - 26% 715 9 8 7 798 798. GHD Verkehr Veredlung Raffinerie Kraftwerke Gesamt* 755 755.2 Haushalt Industrie Gasverteilung HW/HKW Primärenergie Ziel Bundesreg. Mio. t 6 5 4 Mio. t 6 5 4 596 582.6 486-5% 437 3 3 2 2 1 1 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 15

BAU vs. EK: Nettostromerzeugung BAU: Business as usual EK: Energiekonzept (ohne CO 2 -Minderungsvorgabe) 7 6 Ind.Str. HKW Sonstige PV Wind Wasser Gas Öl Steinkohle Braunkohle Kernenergie 536.9 534. 528. 531.8 7 6 Industrie-Strom Sonstige Wind Gas-CCS Öl Steinkohle Braunkohle 536.9 534. HKW PV Wasser Gas Steinkohle-CCS Braunkohle-CCS Kernenergie 5 5 483.6 483.6 4 4 TWh TWh 3 3 2 2 1 1 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 16

BAU vs. EK: Jährliche Mehrkosten vgl. mit BAU 35 Mrd. /a 25 EK: Energiekonzept EK (+CSS) EK (-CCS) ca. 1, % bis,9 % des BIP 2 15 1 5 Kumulativ 21 23: EK: 265 Mrd. EK (+CCS): 285 Mrd. EK (-CCS): 295 Mrd. 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 17

Betrachtete Szenarien (Horizont 23) BAU: Business as usual ohne CO 2 -Minderungsvorgabe und erweiterte Maßnahmen EK: Energiekonzept der Bundesregierung ohne eine zusätzliche CO 2 -Minderungsvorgabe EK (+CCS): Energiekonzept der Bundesregierung inklusive CO 2 - Minderungsvorgabe, CCS-Option verfügbar ab 22 EK (-CCS): Energiekonzept der Bundesregierung inklusive CO 2 - Minderungsvorgabe, CCS-Option nicht verfügbar OPT (+CCS): BAU + CO 2 -Minderungsvorgabe, d.h. das Modell wählt das kostengünstigste Maßnahmen/ Technologie- Portfolio zur CO 2 -Minderung (mit CCS-Option) OPT (-CCS): wie OPT nur ohne CCS-Option IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 19

EK(+CCS) vs. OPT(+CCS) vs. OPT(-CCS): Primärenergie Mit CO 2 -Minderungsvorgabe (-55% bis 23 vgl. 199) EK (+CCS) OPT (+CCS) OPT (-CCS) 16 Kernenergie Erneuerbare Strom Gas Öl Sonstige Feste Braunkohle Steinkohle 16 Kernenergie Erneuerbare Strom Gas Öl Sonstige Feste Braunkohle Steinkohle 16 Kernenergie Strom Erneuerbare Gas Öl Sonstige Feste Braunkohle Steinkohle 14 14255 13979 14 14255 13979 14 14255 13979 12 12297-22% 1954 12 12311-21% 1115 12 12257-25% 1549 1 1 1 PJ 8 PJ 8 PJ 8 6 6 6 4 4 4 2 2 2 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 2

EK(+CCS) vs. OPT(+CCS) vs. OPT(-CCS): Nettostromerzeugung Mit CO 2 -Minderungsvorgabe (-55% bis 23 vgl. 199) EK (+CCS) OPT (+CCS) OPT (-CCS) 7 6 5 Industrie-Strom Sonstige Wind Gas-CCS Öl Steinkohle Braunkohle 536.9 534. HKW Industrie-Strom PV Sonstige Wasser 7 Wind Gas Gas-CCS Steinkohle-CCS Öl Braunkohle-CCS Steinkohle Kernenergie 6 Braunkohle 536.9 534. 483.6-22% 58.4-24% 55.6-27% 483.4 5 5-32% 458.9 456.9 HKW Import Industrie-Strom HKW PV Wasser 7 Sonstige PV Wind Gas Wasser Gas-CCS Gas Steinkohle-CCS Öl Steinkohle-CCS Steinkohle Braunkohle-CCS Kernenergie 6 Braunkohle-CCS Braunkohle Kernenergie 536.9 534. 4 4 4 TWh TWh TWh 3 3 3 2 2 2 1 1 1 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 25 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 21

EK(+CCS) vs. OPT(+CCS) vs. OPT(-CCS): Installierte Nettoleistung Mit CO 2 -Minderungsvorgabe (-55% bis 23 vgl. 199) EK (+CCS) OPT (+CCS) OPT (-CCS) GW 26 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Ind.Str. HKW Sonstige PV Wind Wasser Gas-CCS Gas Öl Steinkohle-CCS Steinkohle Braunkohle-CCS Braunkohle Kernenergie 18.1 149.8 128.4 * * 25 21 215 22 225 23-22% -24% 22-27% 25.1 22 29.3 2.8-32% GW Ind.Str. HKW Sonstige PV Wind Wasser Gas-CCS Gas 26 Öl Steinkohle-CCS Steinkohle Braunkohle-CCS 24 Braunkohle Kernenergie 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 171.3 149.8 128.4 * * * 25 21 215 22 225 23 GW Ind.Str. HKW Sonstige PV Wind Wasser Gas-CCS Gas 26 Öl Steinkohle-CCS Steinkohle Braunkohle-CCS 24 Braunkohle Kernenergie 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 174.8 149.8 128.4 * * * 25 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 22

EK(+CCS) vs. OPT(+CCS) vs. OPT(-CCS): Jährliche Mehrkosten im Vergleich zu BAU Mit CO 2 -Minderungsvorgabe (-55% bis 23 vgl. 199) EK (+CCS) OPT (+CCS) OPT (-CCS) Mrd. /a 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5-5 -1 GHD Haushalt Verkehr Industrie Umwandlung Primärenergie Gesamt 22.1 14. 5.4. 5 GHD Haushalt Verkehr 5 GHD Haushalt Verkehr 45 Industrie Stromerzeugung Primärenergie 45 Industrie Umwandlung Primärenergie 4 Gesamt 4 Gesamt 31.1 35 35 28.7-22% 3-24% 3-27% 25 25-32% Mrd. /a 2 15 13.4 1.9 1 7.3 5 3.1. -5 Mrd. /a 2 18.2 15 1 7.8 5 3.1. -5-15 21 215 22 225 23-1 21 215 22 225 23-1 21 215 22 225 23 23: 1,% vom BIP 23:,4% vom BIP 23:,9% vom BIP Kumulativ 21 23: 285 Mrd. Kumulativ 21 23: 14 Mrd. Kumulativ 21 23: 218 Mrd. IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 23

Jährliche Mehrkosten vgl. mit BAU 35 Mrd. /a 25 2 Kumulativ 21 23: EK: 265 Mrd. EK (+CCS): 285 Mrd. EK (-CCS): 295 Mrd. OPT (+CCS): 14 Mrd. OPT (-CCS): 22 Mrd. ca. 1, % bis,9 % des BIP 15 1 ca.,4% des BIP 5 21 215 22 225 23 EK: Energiekonzept OPT: Kostenoptimal IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 25

Spezifische CO 2 -Minderungskosten Durchschnittskosten Marginalkosten 14 12 1 EK (+CCS) OPT (+CCS) OPT (-CCS) 9 92 112 13 5 45 4 35 EK (+CCS) OPT (+CCS) OPT (-CCS) 355 47 21 /t 8 62 76 21 /t 3 25 6 4 2 36 5 47 45 48 2 15 1 5 55 13 114 19 47 49 171 58 21 215 22 225 23 36 21 215 22 225 23 IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 26

Zusammenfassung der Szenarienrechnungen Bereits im Referenzszenario (BAU) autonome Weiterentwicklung gehen die CO 2 -Emissonen bis 23 leicht zurück, trotz des Ausstieges aus der Kernenergie. Mit den Maßnahmen des Energiekonzeptes können die CO 2 -Reduktionsziele der Bundesregierung bis 23 nahezu erreicht werden. Im Vergleich zum kostenoptimalen Szenario (mit CCS) sind die Kosten des Energiekonzeptes ca. doppelt so hoch, da relativ teure CO 2 - Reduktionsmaßnahmen im Haushalts- und Verkehrssektor kostengünstigeren Vermeidungsoptionen im Umwandlungsbereich (v.a. CCS) vorgezogen werden. Ist CCS keine Option, nähern sich die jährlichen Kosten des kostenoptimalen Szenarios mit denen des Energiekonzeptes bis 23 an. Hohe Anteile von Wind/PV in der Stromerzeugung führen im Modell zu sehr hohen Back-up Kapazitäten (vor allem Gas), die sehr geringe Einsatzzeiten aufweisen. IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 28

Schlussfolgerungen & Ausblick Bisherige Szenarien widmen sich den politischen Zielen der Nachhaltigkeit nicht in ausreichendem Maße. Szenarien werden bisher eher als Prognose verstanden. Wichtiger ist es, die Bandbreite möglicher Zukünfte und die Haupttreiber ihrer Entwicklungspfade darzustellen. Deswegen ist es Aufgabe zukünftiger Szenarientechniken und -modellierung, Nachhaltigkeit integrativ zu betrachten, die Robustheit von Zielsystemen gegenüber Parametervariationen zu untersuchen, Wechselwirkungen der Einflussgrößen zu benennen, die Beschneidung der Bandbreite möglicher Zukünfte durch getroffene Entscheidungen und Festlegungen zu analysieren und mehr Gewicht auf die Gewinnung von Einsicht, als auf scheinbar konkrete Zahlen zu legen. IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 29

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! IEK-STE: Systemforschung und Technologische Entwicklung J.-Fr. Hake, D. Martinsen, T. Pesch / 3