100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen Wie gelingt die Energiewende zur Nachhaltigkeit? Dr.-Ing. Michael Sterner, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid 0 Emission Cities Rathaus Wien 06.12.10 © Fraunhofer IWES FraunhoferFraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Standorte Bremerhaven und Kassel Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für alle Formen der erneuerbaren Energien Jahresbudget: Jahresbudget: rund 15 Mio. Euro Personal: ca. 220 Personen Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Jürgen Schmid © Fraunhofer IWES Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung © Fraunhofer IWES CO2 Emissionen pro Kopf – Stand heute Kostet Geld Kostet Lebensraum 1999 Quelle: WBGU, 2009 © Fraunhofer IWES Globale Emissionen & erforderliche Reduktionen Energiesysteme (Strom, Wärme, Transport) Jährliche Emissionen: 50 Gt CO2-eq. Begrenzung der Erderwärmung auf 2°C Budget bis 2050: 1,300 Gt CO2-eq. Energie-Budget: ca. 700 Gt CO2-eq. Landnutzung (Land- und Forstwirtschaft, Abfall) Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES Energiebedingte Emissionen zwischen 1750 und 2006 Städte: 2/3 des Primärenergieverbrauchs bei 50% der Population Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES Anfang und Ende des fossilen Zeitalters – vereinfachte Darstellung Einzelne Quellen Wind Alle fossilen Quellen Verbrauch Wasser Wasser 1000 1500 2000 Oberirdisch Oberirdisch Unterirdisch © Fraunhofer IWES 2500 Zeit Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung © Fraunhofer IWES Wege aus dem EnergieEnergie-KlimaKlima-Dilemma (1) Energieeffizienz und Energieeinsparungen Kernkraft Globale Verdoppelung spart im Idealfall 6% fossile Energieträger ein 6% von 67% energiebedingten Emissionen sind 4% 4% Emissionsreduktion durch die Verdoppelung der Kernkraft Verdoppelung der ungelösten Probleme (Ressourcenknappheit, Proliferation, GAU & Terror, Entsorgung) Saubere fossile Energie durch CCS Nur etwa 80% können abgetrennt werden Für nur etwa 50% der fossilen CO2-Emissionen praktikabel (50% aus verteilen & mobilen Quellen) maximal 40% CO2 (ca. 13% globaler THG) vermeidbar Global noch nicht verfügbar & Konkurrenz zu Geothermie & Gasspeichern Ungelöste „Endlagerung“ (begrenzte Speicher, Lecks, Kosten, Akzeptanz) Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Ausreichend Potential Herausforderungen: Speicherung, Transport, Recycling © Fraunhofer IWES Wege aus dem EnergieEnergie-KlimaKlima-Dilemma (2) Erneuerbare Energien: Wind Solar Wasser, Meer „Direkt“ erzeugter Strom – ohne thermische Verluste Nahezu „null“ Emissionen Ausreichend Potential Hauptproblem: meteorologische Abhängigkeit – Speicherung – Ausgleich Erneuerbare Energien: Flexibel einsetzbar, speicherbar, geografisch gut verteilt Potential begrenzt durch Nutzungskonkurrenzen (Nahrung, Futtermittel, Material, Chemie, Boden, Wasser, Biodiversität) Klimaschutzwirkung nicht immer positiv: Landnutzung Bioenergie Energie Quelle: Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung © Fraunhofer IWES Städte: Was brauchen wir zum Leben? Was geht rein und raus? Wasser Produkte Stadt Nahrung ENERGIE Abfall © Fraunhofer IWES Wie können wir erneuerbare Energien in Städten nutzen? Wind Solar Wasser, Meer Stadt Um welche Stadt handelt es sich? 2 Extrembeispiele: © Fraunhofer IWES Güssing „ländliche“ Stadt Wien Urbane Metropole Typ “ländliche” ländliche” Stadt – Güssing Fläche: 50 km² Bevölkerung: 3,800 Bevölkerungsdichte: 76 Einwohner je km² Üppige Biomasseressoucen © Fraunhofer IWES “autark” Typ “urbane Metropole” Metropole” – Wien Fläche: 415 km² Bevölkerung: 1.710.000 Bevölkerungsdichte: 4.110 Einwohner je km² 8 x Güssing 450 x Güssing 54 x Güssing “Selbstversorgung” nur durch Import von regen. Energien möglich © Fraunhofer IWES Wie können wir erneuerbare Energien in Städten nutzen? Wind Solar Wasser, Meer © Fraunhofer IWES Stadt © Fraunhofer IWES Effizienzsprung über direkt erzeugten Strom aus Wind, Solar, Wasser Stromverbrauch - Energieeinsparungen (neue Motoren, elektrische Antriebe, Standby, etc.) Stromerzeugung - Ausbau der erneuerbaren Energien - Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008; WBGU, 2008 © Fraunhofer IWES Transport und Speicherung als Kernproblem von Wind und Solar Kapazität Pumpspeicher heute: 0,04 TWh Speicherbedarf bei 85% EE-Strom: ca. 30 TWhel Quelle: Nitsch, Sterner, et al. 2010 (BMU Leitszenarien Zwischenbericht) © Fraunhofer IWES IfnE Ingenieurbüro für neue Energien Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? © IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: 0,5-2% ! Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H2 reagiert mit CO2 © Fraunhofer IWES Erneuerbares Gas – StromStrom-zuzu-Gas Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz Quelle: Specht et al, 2010 Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES Erneuerbares Methan – StromStrom-zuzu-Gas Kopplung mit einer Biogasanlage – Verdopplung des Ertrages Quelle: Specht et al, 2010 Sterner, 2009 © Fraunhofer IWES Erneuerbares Gas – StromStrom-zuzu-Gas Erste Pilotanlage am ZSW Stuttgart von Solar Fuel Technology GmbH Quellen: Solar-fuel 2009, Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009 © Fraunhofer IWES CO2 Absorptionsleistung = 1,5 ha Mais / a Erneuerbares Gas – StromStrom-zuzu-Gas Wirkungsgradkette Wirkungsgrade: 60-65% Methan 35-40% Strom 50-60% KWK Vs. 0% durch Abregelung Vs. effizientere aber kapazitätslimitierte Speicheralternativen © IWES, ZSW, 2009 EE-Strom wird zur Primärenergie Quelle: Sterner, 2009; Specht et al, 2010 © Fraunhofer IWES Gesucht: Gefunden: Dicke Leitungen und große Speicher Im Gasnetz Deutsche Speicherkapazitäten Pumpspeicher: ca. 0,04 TWhel Reichweite: x Minuten Elektrofahrzeuge: (45 Mio.) ca. 0,45 TWhel Reichweite: 6 Stunden Gasnetz: ca. 130 TWhel Reichweite: 2 Monate Übertragungskapazitäten der Gasnetze viel größer als von Stromnetzen Strom-zu-Gas (Langzeitspeicher) vs. Pumpspeicher (Kurzzeitspeicher) Wirkungsgrad nur halb so groß Kapazität 3000x größer Kosten Invest (Kompressor, Elektrolyser, Methanisierung, etc.) – ca. 1000-2000 EUR / kWel Stromeinkauf für 2-4 EURcent / kWhel für 8 EURCent / kWhth Methan (abhängig von Betriebs- und Regelkonzept) Quelle: Jentsch, Sterner, 2010 © Fraunhofer IWES © Fraunhofer IWES Holzartige Biomasse als Erdölersatz CO2-Prioritäten für den Einsatz von Bioenergie zuerst für Kohle im Kraftwerk und Öl im Keller, erst dann im Verkehr für Langstrecken und Heavy Duty © Fraunhofer IWES Wärmepumpen Effizienzsteigerung um Faktor 3-4 Allerdings nur mit regenerativem Strom! © Fraunhofer IWES Regenerative Wärmeoptionen Energieeinsparungen Regenerative Architektur, Sanierung, Wärmedämmung Kraft-Wärme-Kopplung mit regenerativer Energie Bioenergie Holzheizkraftwerke vs. Pelletheizungen Wärmepumpen Effizienzsprung mit regenerativem Strom Solarkollektoren Ergänzend zu Gasthermen Regeneratives Gas aus Wind / Solar / Wasser / Biomasse Nutzung von vorhandenen Gasthermen und Speichern © Fraunhofer IWES Städteplanung: Luftschneisen als natürliche Klimatisierung © Fraunhofer IWES © Fraunhofer IWES Mobilität grundlegend neu denken – v.a. v.a. in der Städteplanung Verkehrsvermeidung Kombiniertes Arbeiten / Wohnen / Einkaufen „Kurze Wege“ Lokale Produktion – lokaler Konsum weniger Güterverkehr (fair & local trade) Öffentliche und intelligente Verkehrskonzepte 1960er: „Autofreundliche“ Städte jetzt „Menschen- und klimafreundlich“ Öffentlich / Gemeinschaft statt Individual IT und Verkehr Mitfahrzentralen für Personen und Güter Energieeffizienz im Fahrzeugbau Aerodynamik, Gewicht Effiziente Antriebe © Fraunhofer IWES Schiene statt Straße Elektrisch fahren Effizienzsprung Faktor 33-4 – aber nur mit erneuerbaren Energien Vorteile der Elektromobilität: Elektromobilität: - Abwärmenutzung möglich - CO2-Abtrennung möglich - weniger Feinstaub in den Städten - weniger Lärm - häuslicher Stromspeicher Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, BWK 06/08, 2008; WBGU, 2008 © Fraunhofer IWES Elektromobilität - Beispiele • Individualverkehr: E-Autos / E-Zweirad • Öffentlicher Transport: Trams und Busse • Langstrecken: Elektrische Eisenbahnen © Fraunhofer IWES Regenerative Kraftstoffe aus Wind, Solar und Bioenergie mit hoher Energiedichte für lange Stecken Regeneratives Gas aus Biomasse Biogas-Bus in der Schweiz © Fraunhofer IWES aus Wind und Solar Windgas-Auto in Deutschland Optionen für regenerative Antriebe Biokraftstoffe + hohe Energiedichte lange Reichweiten + (meist) infrastrukturkompatibel - hohe Landnutzungskonkurrenzen gesellschaftliche Akzeptanz - begrenztes Potential Elektromobilität + effizient, Feinstaub, Lärm + „unbegrenztes“ nachhaltiges Energiepotential - Fahrzeugtechnologie noch zu entwickeln - begrenzte Reichweite Erneuerbares Gas aus erneuerbarem Strom + keine Begrenzung von Potential und Reichweite + infrastrukturkompatibel + Fahrzeugtechnologie vorhanden - Strom-zu-Gas Technologie noch am Anfang © Fraunhofer IWES Biokraftstoffe und WindWind- und Solarkraftstoffe Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t_Benzin_äq./ ha a Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft Quelle: IWES, LBST & ISI, EWI, DBFZ und Sterner, 2010 (FVEE Jahrestagung) © Fraunhofer IWES Global 100% erneuerbare Energien: Primärenergie Quelle: WBGU, 2009 © Fraunhofer IWES Global 100% erneuerbare Energien: Energiebedingte Emissionen 2°C Klimaziel erreicht, dafür ist aber ein massiver Umbau des Energiesystems notwendig Quelle: WBGU, 2009 © Fraunhofer IWES Inhalt 1) Zero Emission - Warum wir eine Transformation brauchen 2) Wege aus dem Energie-Klima-Dilemma 3) 100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen 4) Zusammenfassung © Fraunhofer IWES Zusammenfassung - Urbanisierung Urbanisierung: eine Frage von Energiedichten Energieeffizienzpotentiale schöpfen: Strom aus Wind, Solar, Wasser Kraft-Wärme-Kopplung mit guten Wärmenutzungskonzepten Regenerative Architektur und Wärmedämmung Verkehrsvermeidung und intelligente Stadtplanung Energieversorgung Wind, Solar, Wasser, Bioenergie als Hauptquellen Erneuerbares Gas als Speicher und Transportmedium Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Langzeitspeicherung von EE im Erdgasnetz – „ohne“ Begrenzung Energieträger für Verkehr (und Wärme) Minderung der Importabhängigkeit von Erdgas und Transportstaus © Fraunhofer IWES Zusammenfassung – global Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist technisch möglich ökonomisch vorteilhaft auf lange Sicht ökologisch / klimatechnisch not-wendig Herausforderungen Umbau der Energieversorgungsstrukturen Hoher Investitionsaufwand zu Beginn Technologie- und Wissenstransfer “Transformation” des Bewusstseins (EE und konv. Energiewirtschaft zusammenbringen & Menschen mitnehmen) Entscheidend Vielen Dank politischer Wille und Bewusstseinswandel © Fraunhofer IWES Quellen Saint-Drenan, Y.M.; von Oehsen, A.; Gerhardt, N.; Sterner, M.; Bofinger, S.; Rohrig, K. (2009): Dynamische Simulation der Stromversorgung in Deutschland nach dem BEE-Szenario „Stromversorgung 2020“. Fraunhofer IWES, Kassel. http://www.beeev.de/_downloads/publikationen/studien/2010/100119_BEE_IWESSimulation_Stromversorgung2020_Endbericht.pdf Specht, M.; Baumgart, F.; Feigl, B.; Frick, V.; Stürmer, B.; Zuberbühler, U.; Sterner, M.; Waldstein, G. (2010): Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz. FVEE Jahrestagung 2009. Forschen für globale Märkte erneuerbarer Energien. FVEE, Berlin. Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2 Sterner, M.; Specht, M.; Ebert, G. (2010): Technologievergleich einer regenerativen Energieversorgung des Verkehrs. FVEE Jahreskonferenz 2010, Berlin. Jentsch, M.; Sterner, M. (2010): Betriebskonzepte von SolarFuel Anlagen und deren Wirtschaftlichkeit. Fraunhofer IWES, Kassel. DBFZ Müller-Langer, F. et al. (2008): Technische und ökonomische Bewertung von BioenergieKonversionspfaden. WBGU Expertise. Deutsches BiomasseForschungsZentrum, Leipzig. EWI Richter, J. et al. (2010): Potentiale der Elektromobilität bis 2050. Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln, Köln. LBST und Fraunhofer ISI Wietschel et al. (2010): Vergleich von Strom und Wasserstoff als CO2-freie Endenergieträger. Fraunhofer ISI und Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Karlsruhe / Ottobrunn. WBGU (2009): Kassensturz zum Weltklimavertrag – Der Budgetansatz. Sondergutachten 2009. Berlin: WBGU – Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen. http://www.wbgu.de © Fraunhofer IWES Kontakt – Feedback willkommen! Dr.-Ing. Michael Sterner Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse +49 – 561 – 72 94 361 msterner_at_iset.uni-kassel.de www.iwes.fraunhofer.de www.wbgu.de (Gutachten frei verfügbar) © Fraunhofer IWES
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