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Vortrag von Prof. Dr. Jürgen Schmid zum Weltklimavertrag und Kältetechnik
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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
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1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
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© 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
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© 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
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600
700Sonstige nreg.Wasserkraft nreg.
ErdgasMineralöl
Steinkohlen
Braunkohlen
Kernenergie
MüllWasserkraft reg.BiomassePhotovoltaikWindkraft
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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
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12000
14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1
Day
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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
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
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3
2
1
0
EuroCentkWh
EP
RI
Coal Gas Nuclear Wind MicroHydro
Coal(sub-bit.)
NewNGCC
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Coal(sub-bit.)
NewNGCC
New PC NewIGCC
Emissionszertifikate 20 Euro je t
max.
min.
US CentkWh
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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
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Wärme / Kälte
§ Ausbau Kraft-Wärme-Kopplung
§ Ausbau Biomasse (KWK)
§ Überwindung der trad. Biomassenutzung
§ Ausbau Elektrowärmepumpen (Geothermie)
§ Ausbau Solarwärme
§ Optional: erneuerbares Methan für Prozesswärme / Kälte
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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
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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
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2.500
interpoliert
Endenergieverbrauch DeutschlandDaten: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Referat III C 3, 26.5.2009
© Fraunhofer IWES
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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
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+ 0,1%/a
+ 14,6 %/a
+ 12,1 %/a
+ 17,1 %/a
+ 12,8 %/a
+ 13,4 %/aNaher Osten
Asienohne Japan
Japan
Sonstige
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2006
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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
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0|/
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hR
efe
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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
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Biom
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Fuel C
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Energ
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Combined
Cycle
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1250
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4250
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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