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Institut für Technische Thermodynamik - STB1
IN THE MIX - Wie weit reichen Sonne, Wind & Biomasse ?
Dr. Joachim NitschDLR-Institut für Technische ThermodynamikAbt. Systemanalyse und Technikbewertung
Vortrag in der Veranstaltungsreihe „Energien der Zukunft“des Forums Ökonomie und Ökologie
Universität Leipzig, 15. Mai 2006
Institut für Technische Thermodynamik - STB2
1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 20000
100
200
300
400
Pri
mär
ene
rgie
verb
rau
ch
, E
J/a
traditionelleBiomasse
andere erneuer-bare Energien
Wasser-kraft
Kern-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 un- gleich 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
Institut für Technische Thermodynamik - STB3
Teilstrategie I : Steigerung der Nutzungseffizienz „Mehr Grips statt Öl“
Effizienzpotenziale (Basis 1998) Technisch Einzelwirtschaftlichin Deutschland (heutige Technologien) (Preisbasis 1998)
Industrie 22% 10 – 13 % Handel, Gewerbe, Dienstleistungen 40% ca. 20% H G D , Raumwärme 35% hoch Private Haushalte, Strom 48% 20 – 35% Private Haushalte, Raumwärme bis zu 70% hoch Verkehr bis zu 50%
Quellen : Enquete 2002, Cremer (ISI),2001, Öko-Institut, Wuppertal-Institut 1998,2000
1991 – 2000 *) 2000 – 2020 2020 – 2050 Endenergie, gesamt - 1,5 %/a - 2,6 (0,60)**) - 2,6 (0,27)Strom: - 1,2 %/a - 2,4 (0,65) - 1,5 (0,40)
*) 2000-2004 niedrigere Werte; **) Verhältnis im Endjahr bezogen auf 2000;
Mögliche Einsparraten ( Veränderung der Energieintensität kWh/€ )
Institut für Technische Thermodynamik - STB4
Teilstrategie II: Steigerung der Umwandlungseffizienz = Deutlicher Ausbau der (dezentralen) Kraft-Wärme-Kopplung
2000 2010 2020 2030 2040 20500
50
100
150
200
250
KW
K-S
tro
m-
un
d W
ärm
eerz
eu
gu
ng
, [T
Wh
/a]
Fernwärme Nahwärme Objekte Industrie
oeko\kwkstru; 3.1.04
c:\uba\ziel.pre;23.4.99
W
S
0,45 0,59 0,72 0,83 0,96 1,03Stromkennzahl S/W:
Brennstoffersparnis durch KWK (% von PEV): 2000 = 3,2% 2030 = 13,1%
CO2-Vermeidung durch KWK bis 2030: ca. 60 Mio. t/a
Institut für Technische Thermodynamik - STB5
Eignung als Hauptenergiequelle:
Kohle ?? Zu schmutzig !Kernenergie ?? Zu gefährlich !Kernfusion ?? Zu spät !
Teilstrategie III
Institut für Technische Thermodynamik - STB6
Globaler Energieverbrauch
Strahlung (Kontinente)
Wind
Bio
mas
se
Erdw
ärm
eW
elle
n, G
ezei
ten
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
Institut für Technische Thermodynamik - STB7
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%
Institut für Technische Thermodynamik - STB8
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.
Institut für Technische Thermodynamik - STB9
Stroh
W ald- und Schwachholz
Industrierestholz
Holz im Hausmüll
Altholz
Klärschlamm
Zoomasse
Tier-Exkremente & Streu
Landwirtsch. Ernterückstände
Gewerbe-/Industrieabfälle
Organ. Siedlungsabfälle
Klärgas
Deponiegas
Anbaubiomasse
2010: 1-2 bis 5 Mio. ha
ZuschlägeRestriktionen(Abschläge)
Berücksichtigung von Anforderungen aus
Naturschutz sowie Boden- und Gewässerschutz
ZuschlägeRestriktionen(Abschläge)
Berücksichtigung von Anforderungen aus
Naturschutz sowie Boden- und Gewässerschutz
Potenziale
„NaturschutzPlus“
Potenziale
„NaturschutzPlus“
Stroh
Wald- und Schwachholz
Industrierestholz
Holz im Hausmüll
Altholz
Klärschlamm
Zoomasse
Tier-Exkremente & Streu
Landwirtsch. Ernterückstände
Gewerbe-/Industrieabfälle
Organ. Siedlungsabfälle
Klärgas
Deponiegas
Weitergehende Berücksichtigung von Natur- und Landschaftsschutz bewirkt Abschläge und Zuschläge beim Biomasseppotenzial
„Reststoffe“
Institut für Technische Thermodynamik - STB10
- Biomasse nach Einzelkategorien -
BASIS 2000
NatPlus 2000
BASIS 2050
NatPlus 2050
Ist 2003
0 200 400 600 800 1.000
904
543
900
724
237
Energieinhalt, PJ/a
StrohWald-, Schwachholzzusätzl. WaldholzWaldsaumentwicklungLandschaftspflegegutOffenlandIndustrierestholzHolz im HausmüllAltholzKlärschlammZoomasseGrünschnittBiotopverbundExtens. GrünlandErosionsflächenTier. ExkrementeErnterückständeGewerbeabfälleorg. SiedlungsabfälleKlärgasDeponiegas
oeko/bio-pot; 15.10.04
fest gasförmig
Biomassepotenziale „BASIS“ und „NaturschutzPlus“ ohne Anbauflächen
Institut für Technische Thermodynamik - STB11
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 20200
20
40
60
80
100
120
140
160R
eg
en
era
tive
Str
om
erz
eu
gu
ng
, T
Wh
/a
Wasser WindOnshore
WindOffshore
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)
Institut für Technische Thermodynamik - STB12
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
560546
520
Str
om
erz
eu
gu
ng
, [T
Wh
/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
Institut für Technische Thermodynamik - STB13
Wachstumsvorstellungen der Szenarien im regenerativen Wärmemarkt
- Szenario NatPLus - 2006 -
2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300
200
400
600
800E
md
ener
gie
Wär
me
. P
J/a
Geothermie
KollektorenNahwärmeKollektorenEinzelanlagenBiomasse NahwärmeBiomasseEinzelheiz.
*) Anteil an Wärmebedarf des jeweiligen Jahres
5,6 %*)
20 %
Arbeit/Rewaerm3; 18.2.06
REF 2005
13 %
Institut für Technische Thermodynamik - STB14
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
4.605
4.290
4.000
En
de
ne
rgie
ein
sa
tz
[PJ
/a]
"Effizienz" gegen-über REF
Gas direkt
Öl/Kohle direkt
Strom direkt
Erdwärme
Kollektoren
Biomasse KWK, direkt
IndustrielleKWK, fossil
Fern- 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%
Institut für Technische Thermodynamik - STB15
Wachstumsdynamik bei Biokraftstoffen und Vorstellungen der Szenarien
- Szenario NatPLus - 2006 -
2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300
50
100
150
200
250
300E
md
ene
rgie
Kra
ftst
off
e. 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
Institut für Technische Thermodynamik - STB16
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
1.600P
rim
äre
ne
rgie
, P
J/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 %
Institut für Technische Thermodynamik - STB17
F & E - Phase Markteinführung Marktdurchdringung
En
erg
iekoste
n
Kumulierte Produktion ( Zeit )
Förderungvon F & E
Zeitlich begrenzteFörderung derMarktetablierung
Verteuerungfossiler Brennstoffe
Klima-schutz-kosten
kon
v.
ern
eu
erb
ar
an
lag
en
bed
ing
te
Koste
n
G
esam
tkoste
nkon
ven
t. E
nerg
ien
Vier wesentliche Faktoren bestimmen die Einführungsgeschwindigkeit von EE….. und damit den Zeitpunkt ihrer wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit
Institut für Technische Thermodynamik - STB18
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
Str
omge
steh
ungs
kost
en, [
EU
R/k
Wh]
Ist REF BASIS /
NPLUS IINPLUS 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
Institut für Technische Thermodynamik - STB19
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
rne K
oste
n d
er
Str
om
erz
eu
gu
ng
, ct/
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
Institut für Technische Thermodynamik - STB20
- Strom, Wärme und Kraftstoffe; Szenario NATPLUS (2005) -
2000 2010 2020 2030 2040 2050-15.000
-10.000
-5.000
0
5.000
10.000
Dif
fere
nzk
oste
n E
E-A
usb
au
, M
io.
EU
R/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
Institut für Technische Thermodynamik - STB21
1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500
4
8
12
16
20
24P
rim
äre
ne
rgie
Ern
eu
erb
are
En
erg
ien
, E
J/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
Institut für Technische Thermodynamik - STB22
1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500
500
1000
1500
2000
2500S
tro
me
rze
ug
un
g e
rne
ue
rba
re E
ne
rgie
n,
TW
h/a
SolarthermieImport
SolarthermieEU-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
Institut für Technische Thermodynamik - STB23
Strom aus dem sicheren Fusionsreaktor „Sonne“
Institut für Technische Thermodynamik - STB24
Solarthermisches Kraftwerk in Kalifornien mit 80 MWel
Institut für Technische Thermodynamik - STB25
EURO-MED
possible further inter-connections
Solar
Wind
Hydro
Erneuerbare Energien bieten beträchtliche Perspektiven einer internationalen Kooperation – Beispiel Mittelmeerraum
Geothermal
Institut für Technische Thermodynamik - STB26
1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500
200
400
600
800
1.000
1.200P
rim
äre
ne
rgie
ve
rbra
uc
h,
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
Institut für Technische Thermodynamik - STB27
global\szenar-1;31.10.04
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
443
12131170
1121
10501013
854825 800
635600 597
431
Pri
mä
ren
erg
ie,
EJ
/aKohlen Mineralöl Erdgas Kern-
energieTradit.Biomasse EE
2050
Keine „Energiezukunft“ kommt ohne beträchtliche Beiträge an EE aus… aber die wenigsten Szenarien sind klimaverträglich und ressourcenschonend !!
Fossile Grenzeohne Rückhaltungvon Kohlendioxid
Institut für Technische Thermodynamik - STB28
2004 2010 2020 20300
100
200
300
400
500
Inve
stit
ion
en, M
rd. E
UR
/ Ja
hr
Solartherm.Kollektoren
ErdwärmeWärme
Biomasse, -gasWärme
ErdwärmeStrom
Solartherm.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
0
3
6
9
12
15
18
Um
satz
deu
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EU
R/a
Wel
tmar
ktan
teil
e d
euts
cher
Un
tern
ehm
en, %
optimist. verhalten nur Inland
Arbeit/Ums-NP; 15.3.06
Mögliche Umsätzedeutscher Unternehmen
bei den Anlageninvestitionen
nach 2010 dominiertder Exportmarkt
Institut für Technische Thermodynamik - STB29
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.
Institut für Technische Thermodynamik - STB30
1878: Solare Dampfmaschine von Muchot
1978: Die „neuen“ EE beginnen ihren Einstieg in die Energiewirtschaft
2078: 65 – 75% des weltweiten Energiebedarfs kommen aus Erneuerbaren Energien
Institut für Technische Thermodynamik - STB31
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
Institut für Technische Thermodynamik - STB32
Institut für Technische Thermodynamik - STB33
2020 2030 2040 2050
3050 4150
Verfügbare Anbaufläche 2010 - 2050
5
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2010
2000
2250
2500
Tausend ha
2010
§ 3 BNatSchG § 5 BNatSchG
2010
Erosions-gefährdung
2010
Nachhaltigkeits-Kriterien
Zusätzliches Potenzial 2010 (PJ/a) durch Realisierung der Naturschutzziele = 150 PJ/a
Waldsaumentw.Kompensations-flächenOffenland 22
18
11
94
5
Anbauflächen