Energie für die Zukunft – Sind wir auf dem Weg zu einem nachhaltig globalen Energiesystem ?

Institut für Technische Thermodynamik - STB1

Energie für die Zukunft –Sind wir auf dem Weg zu einem nachhaltig globalen Energiesystem ?

Dr. Joachim NitschDLR-Institut für Technische ThermodynamikAbteilung Systemanalyse und Technikbewertung

Tagung „Solarenergie an Schulen“

Evangelische Akademie Loccum, 6. bis 7. Juli 2006


32,9%

24,4%

10,8%

5,9%20,6%

5,3%

Direkter Energieverbrauch (Heizung, PKW, Warmwasser, KochenElektrische Geräte, Beleuchtung u. ä. = 34 200 kWh/Jahr)

Gesamtverbrauch eines deutschen Durchschnittshaushalts (2,15 Pers.):

Insgesamt: 104 000 kWh/Haushalt oder 48 600 kWh/Kopf , das entspricht für Deutschland gesamt 500 Mio. Tonnen Kohle pro Jahr an „Primärenergie“.

Indirekter Verbrauch:

• Güterherstellung• Handel, Dienstleistungen• Gütertransport

Verluste bei der Energie-bereitstellung und –verteilung:

• Stromerzeugung• Andere Energieträger

Wissen wir eigentlich, wie viel Energie wir verbrauchen ?


1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 20000

100

200

300

400

Prim

ären

ergi

ever

brau

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EJ/a

traditionelleBiomasseandere erneuer-bare EnergienWasser-kraftKern-emergie

Erdgas

Mineralöl

Kohlen

Die derzeitige Energieversorgung stößt an Grenzen !

1870 2004Energieverbrauch: 25-fach;Pro-Kopf-Verbrauch 6-fach;

• Öl- und Gasressourcen schwinden, die noch vorhanden Ressourcen sind höchst ungleich verteilt.

• Das globale Klima gerät aus dem Gleichgewicht.

• Die Welt ist aufgeteilt in Energie- verschwender und Energie- habenichtse.

• Ein weiterer, gar ein globaler Ausbau der Kernenergie steigert deren Risiken dramatisch.

- Globaler Energieverbrauch seit 1870 -

Pro-Kopf-VerbrauchIndustrieländer: 18 - fach


Über einen längeren Zeitraum verfügbar ist nur noch der „schmutzige“ Energieträger Kohle

Bezug: Verbrauch 2000Uran: Bei Nutzung in LWR, ohne Aufbereitung

Erdöl

Erdgas

Hartkohle

Braunkohle

Uran

0 40 80 120 160 200

62

64

207

198

60

JahreQuelle: BGR 2002

unkonv.

konv.

Reichweite der „Reserven“ bei konstantem Verbrauch


Quelle: IEA 2001

Welt

NordamerikaOzeanien

Europa GUS

SüdamerikaAsienAfrika

OECDEU (15)

Arab. EmirateUSA

DeutschlandJapan

SüdkoreaItalien

PortugalMexiko

ChinaIndonesien

IndienHaiti

YemenBangladesh

0 100 200 300 400 500

68

345190

140131

453025

195155

417348

172170

161122

10064

3726

2011

65

Gigajoule pro Kopf

Quelle: IEA

Industrieländer:

24% der Bevölkerung70% der Primärenergie65% der CO2-Emissionen

Die Welt benötigt mehr Energie – selbst wenn zukünftig Energie wesentlich effizienter genutzt wird.

Jährlicher Pro-Kopf- Energieverbrauch

Energieverschwender und –habenichtse – ein brisanter Zustand

172 GJ/Kopf, a = 48 600 kWh/Kopf, a


Anzustrebender Beitrag Deutschlands zum Klimaschutz bis 2050

Minderung von CO2 und weiteren Treibhausgasen(gegenüber 1990):

- 21 % bis 2008/ 2012; - 40% bis 2020;

- 80% bis 2050

- nur energiebedingte Emissionen -

Quellen Ist: DIW-Bericht 10/2004; Reduktionspfad: BMU 2004

1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500

200

400

600

800

1.000

CO

2-Em

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, [M

io t

CO

2/a]

Ist (temp.bereinigt) REF NaturschutzPlus I Reduktionsziele

oeko\co2deu.pre;3.1.04

Selbstver- pflichtung 2005

Kyoto-Ziel 2008-2012

Koalitions- vereinb. 2002

Enquete, IPCC

640 Mio. t/a


Teilstrategie I : Deutliche Steigerung der Energieeffizienz oder „Mehr Grips (und Technik) statt Öl“

Einsparpotenziale (Basis 1998) Technisch Einzelwirtschaftlichin Deutschland (heutige Technologien) (Preisbasis 1998 !)

Industrie 22% 10 – 15 % Handel, Gewerbe, Dienstleistungen 40% ca. 20% Private Haushalte, Strom 50% 20 – 35% Private Haushalte, Raumwärme bis zu 70% (je nach Sanierungsart ) Verkehr bis zu 50% Strombereitstellung bis zu 70% (KW- Struktur)

Der Energieverbrauch in Deutschland (und anderen Industrieländern) kann bis2050 - bei gleichbleibendem Komfort/Mobilität/Güterproduktion – mindestenshalbiert werden. Die rasche und vollständige Mobilisierung dieser Potenzialeist ein unverzichtbarer Schritt in Richtung nachhaltiger Energiesysteme.

Quellen : Enquete 2002, Cremer (ISI),2001, Öko-Institut, Wuppertal-Institut 1998,2000


Eignung als Hauptenergiequelle:

Kohle ?? Zu schmutzig !Kernenergie ?? Zu gefährlich !Kernfusion ?? Zu spät !

Teilstrategie II


„Neue“ „Solar“- Techniken: schon lange entdeckt - heute verfügbar

1878

1954


Wasserkraft hat noch zusätzliche Potenziale – insbesondere bei der Modernisierung bestehender Kraftwerke: Beispiel Rheinfelden


17 000 Windanlagenproduzierten im Jahr 2005 rund26 Mrd. kWh.

Das entspricht 4,5% der gesamtem

StromerzeugungDeutschlands

Windenergie – eine rasante Technologieentwicklung


Windenergie wird zukünftig zu großen Teilen auf dem Meer („offshore“) genutzt werden


Biomasse und Biogas: vielfältige NutzungsmöglichkeitenHeizkraftwerk in Pfaffenhofen (6 MW el, 32 MW th)


Mit der Sonne heizen: Gebäude mit solar unterstützter Nahwärme in Friedrichshafen mit dachintegriertem Kollektorfeld.

Quelle: ITW Stuttgart


Wohnsiedlung mit solarer Nahwärmeversorgung und saisonalem Warmwasserspeicher in Hamburg - Bramfeld

Quelle: ITW Stuttgart


Kollektorfeld zur Unterstützung einer Heizzentrale für eine Nahwärmeversorgung in einer Neubausiedlung


Fotovoltaik: Dezentralität und Flexibilität gepaart mit High-Techund großen technologischen Entwicklungspotenzialen


Globaler Energieverbrauch

Strahlung (Kontinente)

Wind

Biom

asse

Erdw

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Was

ser

Angebot natürlicher Energieströme und technisches Potenzial erneuerbarer Energien

Physikalisches Angebot: ca. 3 000 Technisches Potenzial (heutige Technologien) ca. 6

4,0 0,5 0,4 0,7 0,1 0,15

25 1

2850

200

1

20


Beiträge erneuerbarer Energien zur Energieversorgung 2005 - Beispiel Deutschland: Anstieg von 2,6% in 2000 auf 4,6 % in 2005 -

24,2%

36,0%

22,7%

12,5%

4,6%

70%

15%

12%1%2%1%

Kohlen Erdöl Erdgas Kernenergie EE gesamt Biomasse

Wind Wasser Erdwärme Solarthermie Fotovoltaik

Pro 2020/EE-2005; 23.3.06

Primärenergie 2005: 14238 PJ/a Erneuerbare Energien 2005 : 654 PJ/a

PV = 0,6%, 2,0%, 1,1%

Strom 10,2%Wärme 5,4%Kraftstoffe 3,4%


Heimische Potenziale erneuerbarer Energien unter anspruchsvollen Auflagen des Naturschutzes (Deutschland)

Aufteilung Biomasse:Anbauflächen 2050 (4,1 Mio. ha ) zu 100% für Kraftstoffe; Reststoffe 100% stationäre Nutzung mit 75% KWK

Strom

Wärme

Kraftstoffe

0 20 40 60 80 100

83,0

9,3

52,0

4,2

18,0

1,6

Anteile am Verbrauch 2000, in %

Wasser Wind,Onshore

Wind, Offshore Solarenergie

Biomasse Erdwärme Nutzung2004

bei geringerenRestriktionen

oeko/potenz-1; 27..10.04

(73,0)

(50,0)

(12,0) Zusätzlich „Import -potenzial“ Strom inder Größenordnungder gesamten heutigenStromerzeugung.


1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 20200

20

40

60

80

100

120

140

160R

egen

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Stro

mer

zeug

ung,

TW

h/a Wasser Wind

OnshoreWindOffshore

Biomasse,biog. Abfälle

Fotovoltaik Geothermie Europ.Verbund

oeko/projekt2020/str2020; 7.6.05

18

86

151

REF 2005

REF 2002

61

Regenerative Stromerzeugung bis 2020 in Deutschland (EEG-Bedingungen)


projekt 2020/ERZ-EFF; 8.6.05

4,2 6,7 9,3 15,2 20,6 29,0 Anteil EE (%)

- Szenario NATPLUS-2006 -

1996 2000 2004 2010 2015 20200

100

200

300

400

500

600551

572603

560 546520

Stro

mer

zeug

ung,

[TW

h/a]

Import EE

Photovoltaik

Geothermie

WindOffshoreWindOnshore

Laufwasser

Biomasse,Biogase

KWK, fossil

Gas Kond.

Kohle Kond.

Kernenergie

Fossile KWK = 23%

Anzustrebende Strukturveränderungen der Stromerzeugung bis 2020

REF


Wachstumsvorstellungen der Szenarien im regenerativen Wärmemarkt- Szenario NatPLus - 2006 -

2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300

200

400

600

800Em

dene

rgie

Wär

me.

PJ/

aGeothermie

KollektorenNahwärmeKollektorenEinzelanlagenBiomasse NahwärmeBiomasseEinzelheiz.

*) Anteil an Wärmebedarf des jeweiligen Jahres

5,6 %*)

20 %

Arbeit/Rewaerm3; 18.2.06

REF 2005

13 %


Erforderliche Strukturänderungen in der Wärmeversorgung - Szenario NaturschutzPlus 2006 -

2000 2010 2020 2030 2040 20500

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.0005.628

5.328

4.949

4.6054.290

4.000

Ende

nerg

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J/a]

"Effizienz" gegen-über REF

Gas direkt

Öl/Kohle direkt

Strom direkt

Erdwärme

Kollektoren

Biomasse KWK, direktIndustrielleKWK, fossilFern- Nahwärmefossil

oeko\waer-NP; 20.2.06

c:\uba\ziel.pre;23.4.99

4,0 8,0 13,1 19,9 29,6 41,2 % EE- Anteil (ohne Strom)

Sehr starker Struktur-wandel erforderlich:

2000:Einzelversorgung 85,7%Fern- Nahwärmenetze und Objekt-KWK 14,3%

2050:Einzelversorgung 43%Fern- Nahwärmenetze und Objekt-KWK 57%


Wachstumsdynamik bei Biokraftstoffen und Vorstellungen der Szenarien

- Szenario NatPLus - 2006 -

2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300

50

100

150

200

250

300Em

dene

rgie

Kra

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ffe. P

J/a

Wasserstoff

Biokraftstoffegesamt

Bioethanol

Pflanzenöl

Biodiesel

*) Anteil am Kraftstoffbedarf des Straßenverkehrs des jeweiligen Jahres

3,4 %*)

12 %

6,3 %Arbeit/Regver1; 18.2.06

REF 2005

EU-Ziel


Wachstumstrends der regenerativen Primärenergie: Ist und Szenarien

19951996

19971998

19992000

20012002

20032004

20052010 2020

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600Pr

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ener

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PJ/

a

Wasser Wind, PV Solar- undErdwärme Biomasse Import

oeko/projekt2020/ee2020; 19.2.06

4,6%

7,0 (6,4)

12,7 (10,3)

REF 2005

2 %


F & E - Phase Markteinführung Marktdurchdringung

Ener

giek

oste

n

Kumulierte Produktion ( Zeit )

Förderungvon F & E

Zeitlich begrenzteFörderung derMarktetablierung

Verteuerungfossiler Brennstoffe

Klima-schutz-kosten

konv

.

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Kost

en

G

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n

Vier wesentliche Faktoren bestimmen die Einführungsgeschwindigkeit von EE….. und damit den Zeitpunkt ihrer wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit


Deutliche Kosten-degression bereits eingetreten und weiterhin möglich.

1990 – 2000: Von ca. 17 ct/kWh aufknapp 10 ct/kWh

2000 - 2020: von knapp 10 ct/kWh auf 6,5 bis 7 ct /kWh

Bis 2050 : 5,5 ct/kWh (nicht optimal nur bis7 ct /kWh )

- Bandbreite verschiedener Szenariovarianten -

1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

Stro

mge

steh

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kost

en, [

EUR

/kW

h]

Ist REF BASIS /NPLUS II NPLUS I PV minimal kein Import

oeko/ko-reg-1; 16.12.03

c:\uba\ziel.pre;23.4.99

Je stärker die Nutzung erneuerbarer Energien, desto geringer ihre Kosten


- mit CO2 - Aufschlag -

1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20G

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gang

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EU

R 2

000/

GJ

NIEDRIG-NIVEAU MÄSSIG DEUTLICH

BMU/projekt2020//Grenz-2A.pre; 17.05.06

Öl

Gas

Steinkohle

5/2006

Die Zukunft der fossilen Energiepreise (Real, Geldwert 2000)


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1,10,6 0,4 0,2 0,2 0,2 0,1

7,9

6,4 6,35,7

2,9

Exte

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Kos

ten

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t/kW

h

Treibhauseffekt (70 EUR/t)Luft-schadstoffe

AK-2050/EXTERN; 19.4.06

Externe Kosten „fossiler“ und „erneuerbarer“ Stromerzeugung

- Bandbreite der Schadenskosten durch CO2-Emissionen: 15 – 280 €/tCO2 -

Quelle: W. Krewitt, B. Schlomann: Externe Kosten der Stromerzeugung, DLR/ISI, April 2006


- Strom, Wärme und Kraftstoffe; Szenario NATPLUS (2005) -

2000 2010 2020 2030 2040 2050-15.000

-10.000

-5.000

0

5.000

10.000

Diff

eren

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ten

EE-A

usba

u, M

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UR

/a

"Niedrig"E-Report IV

"Realist."DLR 2005

Arbeit/Diffkos1; 24.1.06

Energiepreisszenarien

EE gewährleisten eine langfristig erschwingliche Energieversorgung

Wert 2025: 62 $2000/b 20 €/ t CO2

Wert 2025: 34 $2000/b 12 €/ t CO2


1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500

4

8

12

16

20

24Pr

imär

ener

gie

Erne

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are

Ener

gien

, EJ/

a "Solarimport"

Erdwärme

Solarstrahlung

Wind

Biomasse

Wasser

EU -15 EU -25

Europa/EU-25/PEV-EE; 21.11.05

Szenario "Baseline":10,9 % in 2050

6,16,1

11,4

22,5

29,8

38,7

47,7 % *)*) Anteil am jeweiligen Primärenergieverbrauch

- DLR EU-25 Alternative Scenario (2005) -

Primärenergiebeitrag erneuerbarer Energien in EU -25 bis 2050


1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500

500

1000

1500

2000

2500St

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Wh/

aSolarthermieImportSolarthermieEU-25

Photovoltaik

Erdwärme

Wind

Biomasse

Wasser

13,8 % 151)

1) Anteil an gesamter Erzeugung

EU -15 EU -25

14,7

19,6

35,7

44,5

57,7

73,8%

Europa/EU-25/EE-STR; 30.6.05

Baseline,17% in 2050

EE können in absehbarer Zeit die Stromerzeugung in der EU-25 dominieren


Strom aus dem sicheren Fusionsreaktor „Sonne“


Solarthermisches Kraftwerke in Kalifornien – seit 1986 sind 350 MW in Betrieb

Ab 2008 werden derartige Kraftwerke auch in Südspanien Solarstrom erzeugen


EURO-MED

possible further inter-connections

Solar

Wind

Hydro

Erneuerbare Energien bieten beträchtliche Perspektiven einer internationalen Kooperation – Beispiel Mittelmeerraum

Geothermal


1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500

200

400

600

800

1.000

1.200Pr

imär

ener

giev

erbr

auch

, EJ/

a

DLR/SEE2000

WBGU/IPCC2003

EREC-AIP2004

EREC-DCP2004

Shell DUS2000

Shell SCA2000

global/pev-szen; 2.11.04

hoch

mittel

niedrig

Im globalen Maßstab sind die Probleme ungleich größer Der weltweite Energieverbrauch wird in jedem Fall noch zunehmen


global\szenar-1;31.10.04

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

443

12131170

11211050

1013

854 825 800

635600 597

431

Prim

ären

ergi

e, E

J/a

Kohlen Mineralöl Erdgas Kern-energie

Tradit.Biomasse EE

2050

Keine „Energiezukunft“ kommt ohne beträchtliche Beiträge an EE aus… aber die wenigsten Szenarien sind klimaverträglich und ressourcenschonend !!

Fossile Grenzeohne Rückhaltungvon Kohlendioxid


2004 2010 2020 20300

100

200

300

400

500In

vest

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/ Ja

hrSolartherm.KollektorenErdwärmeWärmeBiomasse, -gasWärmeErdwärmeStromSolartherm.Kraftwerke

Fotovoltaik

Biomasse,-gasStrom

Wind

Wasser

Arbeit/INV-GLOB; 15.3.06

Globales Szenario in Anlehnung an EREC - DCP

16,6 %

6,0 %

3,8 %

2,2 %

davon Investitionen in Deutschland

Globaler WachstumsmarktErneuerbare Energien

von 43 Mrd. €/a in 2004 auf 450 Mrd. €/a in 2030

2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300

10

20

30

40

50

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en, %optimist. verhalten nur Inland

Arbeit/Ums-NP; 15.3.06

Mögliche Umsätzedeutscher Unternehmen

bei den Anlageninvestitionen

nach 2010 dominiertder Exportmarkt


Eine wirkungsvolle EE + EFF- Strategie hat beträchtliche volkswirtschaftliche Vorteile

Kurzfristig: Beträchtliche Investitionen, (Brutto-) Arbeitsplätze und Wertschöpfung in innovativen Technologiebereichen mit großen Wachstums- und Exportpotenzialen.

Mittel- und langfristig: Ein stabiles Kostenniveau (unterhalb anderer Optionen) mit klimaverträglichen, risikoarmen, weltweit verfügbaren und nicht begrenzten Energiequellen und Technologien.

Nur diese Strategie erlaubt einen wirksamen Strukturwandel in Richtung Nachhaltigkeit unter Beibehaltung wirtschaftlicher Leistungsfähigkeit in Industrieländern und ermöglicht die Schaffung zukunftsfähiger Energieversorgungen in Schwellen- und Entwicklungsländern.


1878: Solare Dampfmaschine von Muchot1978: Die „neuen“ EE beginnen ihren Einstieg in die Energiewirtschaft

2078: 65 – 75% des weltweiten Energiebedarfs kommen aus Erneuerbaren Energien


Quellen und einige wesentliche Studien:

J. Nitsch, M. Fischedick u.a: „Ökologisch optimierter Ausbau erneuerbarer Energienin Deutschland.“ Im Auftrag des BMU, Arbeitsgemeinschaft DLR Stuttgart, WI Wupper-Tal, IFEU Heidelberg, April 2004.

Prognos, EWI: „Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030 – eine energie-wirtschaftliche Referenzprognose.“ Energiereport IV im Auftrag des BMWA. EWI KölnPrognos Basel, April 2005.

BMU-Broschüre: „Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft.“ 4. Auflage, Berlin, Mai 2004 (demnächst 5. Auflage)

J. Nitsch, F. Staiß u.a.: „Ausbau erneuerbarer Energien im Stromsektor bis zum Jahr2020 – Vergütungszahlungen und Differenzkosten durch das EEG.“ Im Auftrag des BMU,DLR Stuttgart, ZSW Stuttgart, WI Wuppertal, Dezember 2005

F. Staiß: „Jahrbuch Erneuerbare Energien 02/03“ Verlag Bieberstein, Radebeul, 2003.(Band 04/05 erscheint demnächst) und „Erneuerbare Energie in Zahlen“ jährlicheBroschüre des BMU mit Daten für D, EU, weltweit zum Nutzungsstand der EE (aktuell vom Dezember 2005).

Noch mehr bei: www. erneuerbare-energien.de und www.dlr.de/tt/system

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