8. Dezember 2009, 2. Fachtagung Kälte- und Klimatechnik im Kontext der nationalen und internationalen Klimaschutzpolitik

Prof. Dr. Jürgen Schmid

Mitglied im WBGU -„Wissenschaftlicher Beirat der Bundes-regierung Globale Umweltveränderungen“

Leiter Fraunhofer IWESInstitut für Windenergie und Energiesystemechnik

Weltklimavertrag und Kältetechnik

© Fraunhofer IWES

Globale Situation und zukünftige Trends

CO2

Atmosphäre-Konzentrat ion in der

Weltbevölkerung

Weltenergiebedarf

Globales Wachstum Bevölkerung, Energiebedarf, CO -Konzentration2

We

ltb

evö

lker

un

g [

Mill

iard

en]

W

elte

ner

gie

bed

arf

[]

10 k

Wh

13

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

370

360

360

340

330

320

310

300

290

CO

-Ko

nze

ntr

atio

n [

pp

m]

2

© Fraunhofer IWES

1979

Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research

© Fraunhofer IWES

2007

Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research

© Fraunhofer IWES

Notwendige Reduktionen

Quelle: PIK 2007

Herausforderung Klimaschutz

© Fraunhofer IWES

Beispiele globale Emissionspfade für den Zeitraum 2010 -2050,um die 2 °C-Leitplanke mit 67 % Wahrscheinlichkeit einzuhalten

Um diese Kurven einzuhalten, sind in den frühen 2030er Jahren jährliche Reduktionsraten von 3,7 % (grün), 5,3 % (blau) bzw.9,0 % (rot) notwendig (bezogen auf 2008).

Max. Emissionsmenge global 750 Mrd. t CO2

Quelle: WBGU

© Fraunhofer IWES

Effizienzsprung KWK und direkter Strom aus EE

1) Energieeffizienz (trad. Biomasse, etc.)

Stromerzeugung

2) Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung

3) Ausbau der erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser)

Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

© Fraunhofer IWES

Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3 - 4

Verkehr

5) Umstieg auf Elektromobilität

2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung

Vorteile der Elektromobilität:- Abwärmenutzung möglich- CO2-Abtrennung möglich- kein Feinstaub in den Städten- weniger Lärm- Stromspeicher

Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

© Fraunhofer IWES

Effizienzsprung regenerative Wärmepumpen

Wärmebereitstellung

4) Nutzung von Elektrowärmepumpen

2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung

Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008

© Fraunhofer IWES

4 Schritte zur „verzichtsfreien“ Energieeffizienz

Grafik: BWK 2008

Ener

gieb

edin

gte

CO

2-E

mis

sio

nen

CO

2Em

issi

onen

Ener

gie

bed

ingte

© Fraunhofer IWES

Abwärmepotential und Nutzwärmebedarf

§ Abwärme aus der Kälteerzeugung 230 TWh

§ Heizungsbedarf 620 TWh

§ Warmwasserbedarf 120 TWh

© Fraunhofer IWES

1990 1995 2000 2005 20080

100

200

300

400

500

600

700Sonstige nreg.Wasserkraft nreg.

ErdgasMineralöl

Steinkohlen

Braunkohlen

Kernenergie

MüllWasserkraft reg.BiomassePhotovoltaikWindkraft

Ele

ktro

end

ene

rgie

-Ver

brau

ch [

TW

h]

2008: 639 TWh

15,4 %

23,3 %

20,1 %

23,5 %

1,7 %

13,0 %

3,1 %

Elektroendenergieverbrauch Deutschland

Daten-Quelle: BMWi, Referat III C 3, 26.05.2009, Diagramm: Jörn Schwarz, ArGe Kälte

© Fraunhofer IWES

Entwicklung der Windenergie

Quellen: BTM consult, windpower monthly, IWR, IWES M. Durstewitz, BWE, WWEA, Stand März 2009, Angaben für 2008 vorläufig

0

25.000

50.000

75.000

100.000

125.000

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

[MW]

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

WeltEuropaDeutschland

Deutschland [GWh]

Installierte Leistung Windstromerzeugung

© Fraunhofer IWES

Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit

Quellen: s. Abb.

DLR / UNDP / Harvard

Hoogwijk / DLR

DLR

FAO / WBGU

UNDP / DLR

UNDP / DLR

UNDP

© Fraunhofer IWES

IWES Szenario “100% EE”für WBGU: Primärenergiebedarf 2010 - 2050

EE-Primärenergie nach Wirkungsgradmethode

Quelle: Sterner, Schmid, 2009

© Fraunhofer IWES

Ca. 730 G t CO2 bis 2050

à 2°C Klimaziel mit Wahrscheinlichkeitvon 67 % erreicht,

dafür ist aber ein massiver Umbaudes Energiesystems notwendig

IWES Szenario “100% EE”für WBGU Energiebedingte Emissionen 2010 - 2050

Quelle: Sterner, Schmid, 2009

© Fraunhofer IWES

Windleistungsprognose

Wetterprognosen für die Standorte

von rep. Windparks

Windleistungsprognosen für die repräsentativen

Windparks

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1

Day

Po

we

r [M

W]

Online

Forecast D+1

Forecast 4H

Forecast 2H

Numerisches Wettermodell

ClusterprognoseWirk-/Blindleistung

Windleistungsprognose

Leistungsprognose mit künstlichen neuronalen Netzen

© Fraunhofer IWES

Einbindung von Stromkunden in ein intelligentes Verteilnetz –Geschäftsmodelle und IT

BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface

© Fraunhofer IWES

Einbindung von Stromkunden in ein intelligentesVerteilnetz –Geschäftsmodelle und IT

© Fraunhofer IWES

Zusammenfassung und Fazit

§ Die existierenden Weltenergiesysteme müssen vollständig umgebaut

werden.

§ Der Umbau muss sofort beginnen und bis 2050 abgeschlossen sein.

§ Die 3 wichtigsten Elemente zur Steigerung der Effizienz sind:

§ Kraft-Wärme-Kopplung

§ Elektromobilität

§Wärmepumpen / Kältemaschinen

§ Der Kältesektor kann einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der

Klimaschutz-Ziele leisten.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fraunhofer Institut für Windenergie und EnergiesystemtechnikBremerhaven und Kassel

advancing wind energy and energy systemtechnologyGründung: 1. 1. 2009 Mitarbeiter: ca. 160

Leitung: Dr. Hans-Gerd Busmann, Prof. Dr. Jürgen Schmid

Hervorgegangen aus:

n Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven

n Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in Kassel

Forschungsspektrum:

n Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung

n Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien

Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Schmid

jschmid@iset.uni-kassel.de

Tel. 0561 7294-345

Weitere Informationen:

www.wbgu.de

www.iwes.fraunhofer.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fraunhofer Institut für Windenergie und EnergiesystemtechnikBremerhaven und Kassel

advancing wind energy and energy systemtechnology

© Fraunhofer IWES

Reserve

© Fraunhofer IWES

Vergleich der Stromgestehungskosten

Quelle: IEA, IPCC, 2007

IEA IPCC

CO2 capture6

5

4

3

2

1

0

EuroCentkWh

EP

RI

Coal Gas Nuclear Wind MicroHydro

Coal(sub-bit.)

NewNGCC

New PC NewIGCC

Coal(sub-bit.)

NewNGCC

New PC NewIGCC

Emissionszertifikate 20 Euro je t

max.

min.

US CentkWh

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Quellen: IEA, IPCC, EPRI, IWES

© Fraunhofer IWES

Entwicklungspotential Kosten Strom aus EE

Quelle: Schmid, Bard, WBGU, 2007

© Fraunhofer IWES

Quelle: Sterner, 2009

Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz – Renewable Power (to) Methane

© Fraunhofer IWES

Strom

§ Ausbau Windenergie

§ Ausbau Solarenergie

§ Ausbau Bioenergienutzung (KWK) bis zu 150 EJ nachhaltige Potentialgrenze

§ sehr gemäßigter globaler Ausbau der Wasserkraft (max. 1% p.a.)

§ konstanter Beitrag der Kernenergie (Ersatz alter Kraftwerkskapazität durch neue)

§ gemäßigtes Wachstum von Meeresenergie und Geothermie

© Fraunhofer IWES

Wärme / Kälte

§ Ausbau Kraft-Wärme-Kopplung

§ Ausbau Biomasse (KWK)

§ Überwindung der trad. Biomassenutzung

§ Ausbau Elektrowärmepumpen (Geothermie)

§ Ausbau Solarwärme

§ Optional: erneuerbares Methan für Prozesswärme / Kälte

© Fraunhofer IWES

Verkehr

§ Ausbau Elektromobilität

§ Ausbau erneuerbares Methan

§ Keine Biokraftstoffe

§ Strom als primäre Quelle für den Verkehr (direkt und über synthetisches Erdgas)

© Fraunhofer IWES

Technisches Potential erneuerbarer Energien weltweit

à der globale Primärenergiebedarf kann durch erneuerbareEnergien um ein Vielfaches gedeckt werden Quellen: s. Abb.

© Fraunhofer IWES

Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit

Quellen: s. Abb.

© Fraunhofer IWES

Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen Quellen für drei Ländergruppen nach dem Budgetansatz ohneEmissionshandel.Sie erlauben zwar eine Einhaltung der nationalen Budgets, würden aber z. T. in der Praxis nicht umsetzbarsein. Die Ländergruppen ordnen sich nach den jährlichen CO2-Emissionen pro Kopf aus fossilen Quellen, wobei die CO2-Emissionen Schätzungen für das Jahr 2008 und die Bevölkerungszahlen Schätzungen für das Jahr 2010 sind. Rot: Ländergruppe1 (>5,4 t CO2 pro Kopf und Jahr), vor allem Industrieländer (z. B. EU, USA, Japan), aber auch ölexportierende Länder (z. B.Saudi-Arabien, Kuwait, Venezuela) und wenige Schwellenländer (z. B. Südafrika, Malaysia). Orange: Ländergruppe 2 (2,7–5,4t CO2 pro Kopf und Jahr), hier finden sich viele

© Fraunhofer IWES

Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen Quellen für drei Ländergruppen nach dem Budgetansatz, diesich durch einen Emissionshandel ergeben könnten (durchgezogene Kurven).

Dabei wurde angenommen, dass die Länder der

Gruppe 1 ihr Budget um 75 % erhöhen, indem sie Emissionsrechte für 122 Mrd. t CO2 hinzukaufen. Die Länder in Gruppe 2

kaufen Emissionsrechte im Umfang von insgesamt 41 Mrd. t CO2 hinzu. Als Verkäufer der insgesamt 163 Mrd. t CO2 treten

die Länder der Gruppe 3 auf, deren Budget damit um etwa 43 % sinkt. Gegen Ende des Budgetzeitraums ergibt sich eine

Annäherung der realen CO2-Emissionen bei etwa 1 t pro Kopf und Jahr (bezogen auf die Bevölkerung im Jahr 2010). Die

gestrichelten Kurven zeigen die theoretischen Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 ohne Emissionshandel aus Abbildung

1. Die Flächen zwischen den Kurven veranschaulichen die gehandelte Menge an Emissionszertifikaten. Da es sich um eine

Darstellung pro Kopf handelt und die Ländergruppen unterschiedliche Bevölkerungsstärken haben, stimmen die Flächen

zwischen den kaufenden Ländergruppen 1 und 2 in der Summe nicht mit der Fläche der verkaufenden Ländergruppe 3 überein.

Quelle: WBGU

© Fraunhofer IWES

Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnung des arktischen Meereises.

a) Gezeigt sind drei verschiedene Emissionsszenarien (B1, A2 und A1FI); die farbigen Bereiche sind die dazu gehörigen klimatologischen Unsicherheitsspannen. Ohne erfolgreiche Klimaschutzmaßnahmen würde selbst beim optimistischsten Emissionsszenario (B1) die 2 °C-Leitplanke überschritten. Einsatzgrafik: Vergleich der beobachteten Temperaturen bis 2008 (NASA, 2009) mit den Projektionen des 3. IPCC-Berichts (IPCC, 2001) (grauer Bereich und gestrichelte Linien). Die Messdaten zeigen Jahreswerte der globalen Temperatur (hier im Gegensatz zur Hauptgrafik relativ zu 1880–1920) sowie eine geglättete Klimatrendlinie. Quelle: modifiziert nach Rahmstorf et al., 2007

© Fraunhofer IWES

Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnung des arktischen Meereises.

b) Neuere Projektionen des globalen Meeresspiegelanstiegs bis zum Jahr 2300 (relativ zu 1990). Die WBGU-Leitplanke von 1 m über dem vorindustriellen Wert ist ebenfalls gezeigt (WBGU, 2006). Da zwischen dem Beginn der Industrialisierung und dem Jahr 1990 der Meeresspiegel um rund 15 cm gestiegen ist, ist die Linie hier bei weniger als 1 m eingezeichnet. Einsatzgrafik: (1) Messdaten („Daten“: Pegeldaten nach Church und White, 2006; Satellitendaten bis 2008 aktualisiert nach Cazenave et al., 2008). (2) Projektionen des 3. IPCC-Berichts (IPCC, 2001); Rahmstorf (2007), grauer Bereich und gestrichelte Linien); rote Balken nach Delta Committee (2008); hellblauer Balken nach WBGU (2006). Die unterschiedlichen Annahmen hinter diesen Projektionen sind in den angegebenen Quellen erläutert. Quelle: aktualisiert nach Rahmstorf et al., 2007

© Fraunhofer IWES

Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnung des arktischen Meereises.

c) Meereisausdehnung in der Arktis im Sommerminimum (September), nach Beobachtungsdaten und den Projektionen des IPCC. Quelle: modifiziert nach Stroeve et al., 2007

© Fraunhofer IWES

Grundsätze, Spielräume und Meilensteine des WBGU-BudgetansatzesOption I „Historische Verantwortung“: Zeitraum 1990–2050; 75 % Wahrscheinlichkeit, die 2 °C-Leitplanke einzuhalten; 1990 als Referenzjahr für Bevölkerungsdaten. Berücksichtigt sind ausschließlich die CO2-Emissionen aus fossilen Quellen. Die CO2-Emissionen für das Jahr 2008 sind Schätzungen. Quellen: WBGU unter Verwendung von Daten aus: Meinshausen et al., 2009; WRI-CAIT, 2009; U.S. Census Bureau, 2009

© Fraunhofer IWES

End

ene

rgie

verb

rauc

h D

[T

Wh

]

5,0 % Warmwasser

26,1 % Raumheizung

23,1 % Prozesswärme

2,4 % Beleuchtung13,4 % Mech. Energie

30,0 % Verkehr

2007: 2384 TWh

1996 1998 2000 2002 2004 20060

500

1.000

1.500

2.000

2.500interpoliert

Endenergieverbrauch DeutschlandDaten: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Referat III C 3, 26.5.2009

© Fraunhofer IWES

5,0 % Warmwasser

35,7 % Öl, Kraftstoff

23,1 % Gas

7,3 % Sonstiges

8,2 % Kohle, Fernwärme

20,7 % Elektroendenergie

En

den

erg

ieve

rbra

uch

D [

TW

h]2007: 2384 TWh

1996 1998 2000 2002 2004 20060

500

1.000

1.500

2.000

2.500

interpoliert

Endenergieverbrauch DeutschlandDaten: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Referat III C 3, 26.5.2009

© Fraunhofer IWES

DK

V-S

tatu

sbe

rich

t, N

r. 2

2,

20

02

(D

ate

n v

on

19

99

)

Technische Erzeugung von Kälte in DeutschlandElektrischer, nichtelektrischer Aufwand und kältetechnischer Nutzen

Nahrungs-mittel

28,2%

25,9 %

9,5 %

KlimaSonstige 10,3 %

Eel = 66 TWh

28,2 %

7,7 %

Verteilung, Lagerung

Lebensmittel-EHdiv. Erzeugung

Nahrungsmittel-industrie

Haushalt15,9 %

30,1 %

8,0 %

Transport

BürogebäudeEinzelhandel

Industrie

Fahrz., WasserKfz., Straße

10,5 %

4,5 %5,1 %

Industrie

Q o = 165 TWhE = 11 TWh

43,7 %

© Fraunhofer IWES

Sch

öllk

opf

et

. a

l.; E

icke

r e

t al.;

In

t. In

stitu

te o

f R

efri

gera

tion

+ 0,1%/a

+ 14,6 %/a

+ 12,1 %/a

+ 17,1 %/a

+ 12,8 %/a

+ 13,4 %/aNaher Osten

Asienohne Japan

Japan

Sonstige

USA

Europa

2006

Inst

alli

erte

Kä

lte

-An

trie

bs

leis

tun

g [

GW

]el

2001

19,4 %

44,4 %

7,9 %

9,2 %

15,6 %

3,5 %

128 GWel

265 GWel

© Fraunhofer IWES

approx. 50% in the

low voltage grid - 50 % of German electrical energy consumption in the low voltage grid

- Management only by fixed load profiles and ripple control

253,3

142,0

74,844,8

8,3 16,3Industry

Private households

Trade and commercePublic customers

Agriculture

Transport

Source: German BMWi: Energiedaten, 1.02.2008

Domestic Energy Consumption in Germany 2006 in TWh(Total: 539,5 TWh)

© Fraunhofer IWES

40-50% of electricity consumption caused by shiftable loads

Future: heat pumps, plug in hybrids, electric vehicles, …

Restrictions for load management e.g. Washing Machine

Lighting Appliances

Cooking, Cloth drying

Entertainment & Telecommunication

Room heatingCoolers & Freezers

Washing mach., dish cleaners, Warm water

8%

19%

12%

15%

29%

17%

Source: diagram according to BDEWpress release on household electricity consumption, 17.01.08

Management of micro-generators and demand side is key element

in future smart low-voltage grids !

Potential for load management in German households

© Fraunhofer IWES

Regenerativkraftwerk Harz

ErzeugerSteuerbare

Lasten Speicher

Device ControlMarket Information

Koordiniertes Zusammenspiel von Erzeugern, Speichern und Verbrauchern

© Fraunhofer IWES

Automobile als flexible Speicher für kontrollierte Netzunterstützung

© Fraunhofer IWESDr. Kurt Rohrig

Demonstrationsprojekt: Regenerative Vollversorgung von 1/10.000 der Lastkurve Deutschlands mit realen Anlagen

Weitere Informationen: www.unendlich-viel-energie.de

5,5 MW 12,6 MW 4 MW 1 MW

© Fraunhofer IWES

Herausforderungen der Netzintegration

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 24 48 72 96 120 144

Le

istu

ng

[M

W]

Last

Last - Wind

Konventionelle Erzeugung = Last –Windenergie = 0 !

Lastprofil & Windenergieeinspeisung dena- Szenario 2015

© Fraunhofer IWES

Elektromobilität und Smart Grids

§ Automobile als flexible Speicher im Netz

§ Netzinfrastruktur und Stromparkplätze

§ Simulation elektro-chemischer Speicher

§ Dezentrales Management in Elektrofahrzeugen

§ Roaming und auto-matisches Laden

§ Prüfstände und Testfeld

© Fraunhofer IWES

§ Neue Versorgungsstrukturen

§ Intelligente elektrische Netze und Regelungssysteme für

§Windenergie

§ Bioenergie

§ Photovoltaik

§ Elektromobilität

§ Speicher

§ Energie- und Leistungs-management

§ …

Zuverlässige Energieversorgung mit erneuerbaren Energien

© Fraunhofer IWES

Def. Reference Location according to EEG, BGBl 2004, No. 40, P. 1929: „Reference location is a location, which is defined by a Rayleigh distribution with a mean annual wind velocity of 5.5 meter each second in a height of 30 meter above ground, a logarithmical profile of the height and the roughness length of 0.1 meter.“

Progress Ratio = 90%

0,1000

1,0000

10 100 1000 10000 100000

Cumulated total installed capacity in MW

€|2

00

0|/

kW

hR

efe

ren

ce

Ou

tpu

t

1991

1996

2006

Spec. WEA Price each kWh Annual Energy Yield (Reference Location)

2000

Kostenentwicklung der Windenergie - Lernkurve

Quelle: Hahn, 2007

© Fraunhofer IWES

4.6 €ct/kWh

5,6 5,6 €€ctct/kWh/kWh

4.6 €ct/kWh

-1

11

23

Biom

ass

Fuel C

ell

Energ

y To

wes

Fusio

n

Geoth

ermal

Combined

Cycle

Sola

r Therm

al

Photo

volta

ics

Hydro

power

Windpower

Tota

l Pro

duction

Tota

l Tra

nsport

Transp

ort Lo

sses

Pum

p Stora

ge

Surp

lus Productio

n

Tota

l Consu

mptio

n

Demand

Manag.

Co

sts

of E

lec

tric

ity[€

ct/

kWh]

-250

1250

2750

4250

5750

Ann

ualP

rod

uctio

n[T

Wh]

Annual Production by Type etc.Mean Costs of ElectricityCosts of Electricity: Produced within Region DK-DCosts of Electricity DK-D: Import Costs included (external surplus not included)Costs of Electricity by Type

“Desertec” mit heutigen Kosten

Quelle: Czisch, 2005

© Fraunhofer IWES

Zukünftige nachhaltige Energieversorgungssysteme

© Fraunhofer IWES

Zusammenfassung und Fazit

§ der Stromsektor kann bis 2030 vollständig auf EE umgestellt und somit klimaschädliche Kohlenutzung vermieden werden

§ im Wärmesektor gelingt dies bis 2035

§ der schwierigste Sektor in der Dekarbonisierung ist der Verkehrssektor, der noch eine sehr hohe Abhängigkeit von Erdöl aufweist

§ auf Biokraftstoffe wird verzichtet (HG Bioenergie), dafür erfolgt die Einführung von Elektromobilität sehr rasch und die Nutzung von erneuerbarem Methan aus Wind- und Solarüberschüssen ebenfalls

§ bis 2050 werden etwa 730 G t CO2 emittiert –d.h. das Budget wird bis zum Abschluss der Transformation aufgebraucht

§ ein massiver Umbau des Energiesystems ist notwendig, um die Energiewende auf Basis von Energieeffizienz und EE zu schaffen