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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


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 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


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/€ )


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


Eignung als Hauptenergiequelle:

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

Teilstrategie III


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


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.


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“


- 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


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)


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


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 %


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


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

300E

md

ene

rgie

Kra

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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


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 %


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.

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Koste

n

G

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t. E

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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

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


Je stärker die Nutzung erneuerbarer Energien, desto geringer ihre Kosten


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

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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


- 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

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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


1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500

4

8

12

16

20

24P

rim

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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


1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500

500

1000

1500

2000

2500S

tro

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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


Strom aus dem sicheren Fusionsreaktor „Sonne“


Solarthermisches Kraftwerk in Kalifornien mit 80 MWel


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

1.200P

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


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


2004 2010 2020 20300

100

200

300

400

500

Inve

stit

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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

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EU

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Wel

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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 Muchot

1978: 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


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

institut für technische thermodynamik - stb 1 in the mix - wie weit reichen sonne, wind &...

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