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ludwig bölkow systemtechnik

Sektorenkopplung Die Rolle von Wasserstoff als Begleiter des Stromsystems

Dr.-Ing. Ulrich Bünger Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn

Seminar „Erneuerbare Energien“, Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft

Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Gebäude LI / Hörsaal Elektrotechnik (he)

Mittwoch, 28.06.2017, 15:40 Uhr – 16:40 Uhr

Juni-28


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Inhalt

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik

Begriffsdefinitionen

Herausforderungen einer künftigen deutschen Energieversorgung

Sektorale Maßnahmen zur Erzielung politischer THG-Ziele

– Elektrizitätserzeugung

– Mobilität

– (Chemie-)Industrie

– Haushalte

Synergien durch Sektorenkopplung

Zusammenfassung Bild: MS Office

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Ludwig-Bölkow-Systemtechnik 1


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Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST)

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Unabhängige Experten für nachhaltige Energieversorgung und Mobilität seit 30 Jahren

Erneuerbare Energien, Kraftstoffe, Infrastruktur

Machbarkeitsstudien, Nachhaltigkeitsanalysen, technologiebasierte Strategieberatung, Energiekonzepte

Konsequenter Systemansatz: Denken über Bereichsgrenzen hinweg

Dr. Ludwig Bölkow 1912 – 2003


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Bild: MS Office

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Begiffsdefinitionen 2


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Sektorenkopplung

LBST: „Nutzung von Synergien aus gemeinsamer Verwendung gleicher Energieinfrastrukturen zur gleichzeitigen Versorgung mehrerer Energiebedarfssektoren (Mobilität, Industrie, Haushalte), mit Nutzung von PtG oder PtX zur beschleunigten Einführung zusätzlichen EE-Stroms.“

Dr. Ingo Luge (Vors. GF E.ON Deutschland): „Zweite Phase Energiewende, d.h. Erweiterung der Stromnutzung um Wärme- und Verkehrswende, zur Erfüllung von CO2-Emissionsreduktionszielen und als Stabilitätsgarantie für das Energiesystem, um mehr EE-Strom aufzunehmen.“

Besser „Sektorenkopplung“ als „Sektorkopplung“.

Power-to-Gas (PtG)

LBST: Ein Element von Power-to-X (PtX), das die Umwandlung von EE-Strom in einfache transportier- bzw. speicherbare Energieträger meint, zur Unterstützung des Stromnetzes bei Aufnahme von fluktuierendem EE-Strom.

Bild: MS Office

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Bild: MS Office

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Quelle: U. Bünger, J. Michalski, P. Schmidt, W. Weindorf, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST): Kapitel 16: Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X, Buchbeitrag Springer „Wasserstoff“, im Druck, 2017

Und das ist, was in öffentlichen Diskussionen unter PtG, P2G oder Power-to-Gas gewöhnlich verstanden wird.


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Herausforderungen einer künftigen deutschen Energieversorgung

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Energieversorgung Deutschland heute 3

Endenergieverbrauch

(nach Sektoren, 2012) ARGE Energiebilanzen Auswertungstabellen Energiebilanz1990 bis 2012 Stand 07/2013

08./09. November

Industrie 29%

Haushalte 27%

Gewerbe 15%

Verkehr 29%

CO2-Emissionen (nach Sektoren, 2012) Umweltbundesamt, 7.01.2014

Energiewirtschaft

Industrie Gewerbe, Handel & Dienstleistungen

Verkehr Haushalte

Landwirtschaft

Übrige Emissionen

Versorgungssicherheit:

Verkehr, Haushalte und Industrie machen jeweils ca. 30% des Endenergieverbrauchs aus

Haushalte 10%

Landwirtschaft 8,1%

Übrige Emissionen 1,6%

Verkehr 16,1%

G, H & D 4,5%

Industrie 19,7%

Energie-wirtschaft

40,1%

Klimawandel:

Energiewirtschaft dominiert CO2-Emissionen


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Sektorale CO2-Emissionsreduktionsziele Deutschland 3

08./09. November

Quelle: Agora Energiewende, 20.09.2016

Energiewirtschaft (Ziel: -92,5%) Industrie (Ziel: -81%) Haushalte / GHD (Ziel: -92,5%)

Verkehr (Ziel: -92,5%) Landwirtschaft (Ziel: -60%)


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Sektorale Maßnahmen zur Erzielung politischer THG-Ziele

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Elektrizitätserzeugung 4a


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Herausforderungen/Opportunitäten Stromerzeugung

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Herausforderungen

Ausphasen Kernenergie bis 2022 und Kohle bis 2030 (in Diskussion)

Internationales Energiepreisniveau verhindert Erdgas- statt Kohleeinsatz zur Stromerzeugung

Für Kohle- als Grundlastkraftwerke werden EE-Anlagen abgeschaltet

Kurzfristiges Einphasen fluktuierender EE-Stromerzeugung (Wind on- und offshore, PV, Biomasse)

Regionale Konzentration der EE-Stromerzeugung (Wind im Norden, PV im Süden erfordert „Stromnetz als Kupferplatte“) ABER einstellen optimaler EE-Mix (60-70% Wind + 20-30% PV)

Mangelnde öffentlich Akzeptanz verhindert Stromnetzausbau bzw. macht ihn durch unterirdische Verlegung um Faktor 5-10 teurer

Opportunitäten

Maßnahmen leicht umzusetzen, da Stromerzeugung „fern vom Endverbraucher“

Hohe aber dennoch langfristig begrenzte Ausbaupotenziale (eher öffentliche Akzeptanz als technische Begrenzungen)


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EinsMan*: Ausfallarbeit / Entschädigungszahlungen

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Abschaltung von EE-Anlagen in Deutschland hat bis 2016 deutlich zugenommen

Quelle: LBST 2017

* Einspeisemanagement


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Techn. REG Potenziale (Strom, Wärme) Deutschland

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Quelle: LBST 2016


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REG Potenziale und EE-Verbrauch für Deutschland

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2500

Renewable Electricity1990*)

Renewable Electricity2015*)

Renewable Electricity(Technical Potential)

Conservative Estimate

Renewable ElectricityUse

Final Energy Demand2015**)

TWh/yr

Other Demand

Households Demand

Transport Demand

Industry Demand

Surplus Renewable Electricity (For Transport?)

Electricity Demand 2015

Biomass, Biogas and Waste (almost exhausted)

Hydro Power

Wind Onshore

Wind Offshore

PV

Geothermal

*) AGEE 2016: Energie in Zahlen 2015**) BMWI 2016: Energiedaten 2015

Electricity use2015

Other use(e.g. transport)

Quelle: Potenziale: wie gezeigt; Potenzialschätzungen: LBST, (vorhergehende Grafik: Rauten); Verbrauchsdaten: [BMWI 2015], [AGEE 2015]

EE-Verbrauch heute ca. 500 TWh/yr, EE-Potenzial Deutschland ca. 1.000 TWh/yr


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Mobilität 4b


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Herausforderungen/Opportunitäten Mobilität

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4b

Herausforderungen

Bisher kein Beitrag zur CO2-Emissionsminderung

Güter- und Luftverkehr mit weiterhin hohen Wachstumsraten

Beharrungsvermögen von Automobil- und Luftfahrtindustrie

Strategische deutsche Diesel-Allianz von Automobilindustrie und Politik erfolgreich (komplex, teuer) im Angesicht ambitionierter E-Mobil-Strategien in China, Japan und Südkorea?

Wenig beeinflussbarer internationaler Wettbewerb im Bereich Güter-, Schiffs- und Luftverkehr

Politisch unbequeme öffentliche Bewusstseinsänderung erforderlich (z.B. Trend zu schweren Pkw)

Globaler Mobilitätsbedarf zu reduzieren, individuelle durch öffentliche Mobilität zu ersetzen

E-Mobilität bedarf flächendeckend neuer Energieinfrastrukturen, Langfristkosten noch unklar

Alternative Antriebe sektoral aufwändiger umsetzbar (Luft-, Straßengüter- und Schiffsverkehr)

Opportunitäten

E-Mobilität als Effizienztechnologie intersektoral verfügbar (Pkw, Lkw, Schienenverkehr, …)

Effizienzpotenziale ermöglichen hohe inkrementelle CAPEX / OPEX

Synergien intersektoraler Infrastrukturen mit Strom- (BEV) und Gasnetz (Power-to-Gas)


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Herausforderungen/Opportunitäten Mobilität

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4b

Quelle: FhG-ISE, 2015

Statt THG-Emissionsreduktion (2020: -10%; 2050: -40%) anzustreben, hat Verkehrssektor in Deutschland diese bis 2013 um 1% (Basis 2005) erhöht

Was Transportsektor nicht beiträgt, müssen andere Sektoren kompensieren


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Vorausschau für Brennstoffzellen-Pkw-Flotte weltweit*

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4b

Vorhersagen für FCEV-Flottenaufbau ggb. früheren Studien höher

ABER: genug für Erreichen der THG-Minderungsziele?

Quelle: SHELL WASSERSTOFF-STUDIE ENERGIE DER ZUKUNFT?, Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2 , Shell Deutschland mit Wuppertal-Institut, 2017, S. 60 http://www.shell.de/medien/shell-publikationen/shell-hydrogen-study/_jcr_content/par/toptasks_e705.stream/1497968981764/0c6e4c3c838e73351b155afa848c829977d9f0348d9bf21fdfe9643a0fde3151/shell-wasserstoff-studie-2017.pdf

* Impliziert ca. 10 Mio. BZ-PkW-Neuzulassungen weltweit in 2050, gleichbedeutend mit ca. 1/10 aller Pkw-Neuzulassungen


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Frischer Wettbewerb aus dem Ausland (CHN, JP, KO)

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Die Vorhersagen für den Flottenaufbau von FCEV hat sich ggb. früheren Studien erhöht, aber genügt das zur Erzielung der THG-Minderungsziele?

Quelle: Prof. Dr. Zhixiang Liu, Southwest University, IPHE-Forum, Gwangju, Südkorea, 02.11.2016

Aktuelles Joint Venture für BZ-Produktion

Fertigungsfläche: 12.000 m² (L*B: 120*100 m)

Jährliche Brennstoffzellenproduktion: 6.000 - 20,000 (1 - 3 Schichten)

Jährliche BZ-Modulproduktion: 4.500 (je 15 kW)

Produktionsbeginn: 1 Juli 2017

Aber auch Batteriebusse in Stückzahlen von 100.000


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Potenzieller Strombedarf für E-Mobilität Deutschland*

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In Deutschland alleine könnte Strombedarf für Transportsektor heutigen Bedarf um Faktor 2 … 4 übertreffen mit möglicher Konsequenz von EE-Importen

Quelle: „Renewables in Transport 2050 – Focus Germany“, Studie LBST für Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV), 2016

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500

1000

1500

2000

2500

2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

TWh/a

PTL + HIGH

PTL + LOW

FVV + HIGH

FVV + LOW

eMob + LOW

LBST

, 201

5-1

1-27

non-transport PtX (heat, chemicals)

non-transport efficiency targets

521 TWhe net electricity consumption 2014

1000 TWhe/a technical renewable electricity potential (this study)

* Straßen-, Luft- und Schienenverkehr, ohne internationalen Schiffsverkehr


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(Chemie-)Industrie 4c


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Herausforderungen/Opportunitäten (Chemie-)Industrie

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4c

Herausforderungen

Besonders energieintensive Industrien sind Chemie-, Raffinerie- und Stahlindustrie

Erste Visionen entwickelt; es mangeln Strategien zur Erfüllung der THG-Emissionsziele 2050

Starker internationaler Wettbewerbs- und Kostendruck

Raffinerien mit politischem Erdölausstiegsziel konfrontiert, Chemieraffinerien ausgenommen

Chemieindustrie benötigt Kohlenstoff als wichtigen Grundstoff

Effizienzsteigerungsziele weitgehend erschöpft; nun strukturelle Veränderungen erforderlich

Opportunitäten

Deutsche Industrie innovationsstark, gerade bei Effizienzsteigerungsmaßnahmen

Einzelne Industrien erfordern Marktnähe, was Standortwechsel weg von Deutschland erschwert

Chemie- und Raffinerieindustrie im täglichen sicheren Umgang mit Wasserstoff geübt; stehen daher vermehrtem Einsatz nicht mehr grundsätzlich negativ gegenüber

Alle drei Industriesektoren zentral verortet; Konsequenz ist einfache Energietransportinfrastruktur


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4c Carbon2Chem – CO2-Vermeidungsstrategie Chemieind.

Quelle: St. Jakobs: Wasserstoff in der Stahlindustrie – Erzeugungs- und Einsatzmöglichkeiten in der Zukunft, thyssenkrupp, H2-Congress Berlin, 2016

Direkte CO2-Emissionen

CO2-Emissionen nach „zweiter Nutzung“

Carbon2Chem ist kein Programm zur grundsätzlichen CO2-Vermeidung, sondern zur Steigerung der CO2-Effizienz bei Einsatz von EE-Strom


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4c Vision zur CO2-Emissionsreduktion der Stahlindustrie

Quelle: LBST auf Basis von St. Jakobs: Wasserstoff in der Stahlindustrie – Erzeugungs- und Einsatzmöglichkeiten in der Zukunft, thyssenkrupp, H2-

Congress Berlin, 2016 sowie M. Höller, vormals ArcelorMittal, Hamburg, 2016

Prinzpiell kann deutsche Stahlindustrie Hochofenprozess heute durch Direktreduktionsverfahren (DRI) künftig substituieren; Expertise noch zu erarbeiten

Wasserstoffnachfrage in Deutschland dann 2,4 Mton/Jahr bzw. ca. 130 TWh/Jahr Strom, um Kohle-/Koksbedarf vollständig zu substituieren

Entspricht dem 2-3 fachen der gesamten H2-Produktion Deutschland heute bzw. einer Einsparung von ca. 66 MtonCO2-äquiv./Jahr

Stoffliche C-Nutzung im Hochofenprozess MIDREX-Anlagenschema im Wasserstoffbetrieb


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4c Einstiegschance für EE-H2 in Raffinerieindustrie

Quelle: LBST auf Basis eigener Studien, 2016

H2-Einsatz in Raffinerien heute

H2-Bedarf in Raffinerien heute z.T. aus internen Prozessen gedeckt; sog. H2-Nettobedarf durch Erdgasdampfreformer beigestellt (SMR)

SMR-H2 in deutschen Raffinerien entspricht energetisch ca. 0,4-1,0% des produzierten Kraftstoffes

Substitution von Erdgas

100% Substitution von Erdgas in deutschen Raffinerien erfordert Wasser-stoffbedarf von ca. 150.000 t H2/Jahr

Zusätzlicher Strombedarf dafür: ca. 8,3 TWh/Jahr

THG-Emissionsreduktionspotenzial: ca. 1,6 MtonCO2-äquiv./Jahr

(inkl. Erdgasbereitstellung)

Sinnvolle Einführungsstrategie, insbesondere zur Kommerzialisierung Elektrolysetechnologie, aber langfristig nur geringe CO2-Emissionseinsparung

additional H2 from

SMR; 22%

internal refinery

processes; 78%

Netto-H2 aus SMR:

22%

Interne

Raffinerie- prozesse:

78%


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4c Langfristige Roadmap für Raffineriestandorte

Quelle: LBST, 2017

Fossile Kraftstoff-produktion

Netto-H2-Bedarfs Produktion via Elektrolyse mit

EE-Strom

Produktion von PtX-Kraftstoffen

Direkte Produktion von EE-H2

Zeit

CO

2 E

mis

sion

sred

ukti

on

Frühe Geschäftsfelder (jedoch fehlende Regulatorik)

Steigender EE-Anteil durch Nutzung bestehender

Kraftstoffinfrastrukturen (MeOH, FT-KS)

Heute

Neue / angepasste Kraftstoff-

infrastrukturen

Tradition Übergang Zukunft


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4c Industrie erfordert zentrale Wasserstoff-Infrastrukturen

Quelle: LBST, 2016

Wasser-Elektrolyse < 1%

Chlor-Elektrolyse < 10%

Kohlenwasserstoffe > 90%

H2-Erzeugung:

H2-Erzeugungsschwerpunkte = Industrie-Standorte (z.B. Raffinerien, Chemie-/Stahlindustrie)

Raffinerien Chemiestandorte Weitere: PtG-Projekte H2-Tankstellen

>99%

<1%

„Industrie-H2“

„Energie-H2“

H2-Rohrleitung

H2-Rohrleitung

H2-Rohrleitung

H2-Rohrleitung

Quellen: [DoE 2015], [MWV 2015], [ChemCoast 2013], [R2H 2007], [Zittel 1998], [Schlag, 2009] öffentlich verfügbare Informationen der Unternehmen (z.B. Anlagenbetreiber/Gaserhersteller) , ergänzende Interviews mit Anlagenbetreibern, eigene Auswertungen


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Bild: MS Office

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Synergien durch Sektorenkopplung

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5 Ökonomische Synergien

Quelle: J. Michalski: The Role of Energy Storage Technologies for the Integration of Renewable Electricity into the German Energy System”.

Dissertation, Technische Universität München, Dezember 2016.

Synergien durch Ko-Nutzung für bessere Kapazitätsauslastung (alle Anlagen, z.B. Ely)

Bessere Nutzung intermittierenden Stroms Vorteile schrumpfen aber mit der Zeit Keine Synergien für grauen Wasserstoff

Synergiegewinn

Synergiegewinn


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5 Neben Strom bleibt Gas wichtiges Sektorenbindeglied

Quelle: U. Bünger: Mögliche Beiträge des Gasnetzes zur Flexibilisierung im Stromnetz – Kurz- und Langfristoptionen,

30. Oldenburger Rohrleitungsforum, 10. Februar 2016.

Merkmal gasförmiger Energieträger sind hohe Transport- & Speicherkapazitäten


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5 Gasnetzauf(s)bau strategisch intersektoral planen

Quelle: U. Bünger: Aufbau Wasserstoffinfrastruktur in Norddeutschland - Strategische Herausforderungen und Marktentwicklungsoptionen,

Die Westküste – Europas Energieregion der Zukunft, Entwicklungsagentur Heide, Heide/Holstein, 24. April 2017.

Farbcodierung ROT = Erdgas BLAU = H2 LILA = Strom

DK

NO

NL

RUS

PL


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5 Mengengerüst für künftigen sektoralen Strombedarf

Quelle: Zusammenstellung LBST, 2017

Sektor Endenergieverbrauch heute*

[TWh/Jahr]

REG-Anteil

[%]

Künftiger Strombedarf [TWh/Jahr]

Kommentar

Verkehr 728 5 600-1.600 Aus Studien: Σ Verkehr mit PtL für Luft/Wasser (ohne int. Schiffsverkehr), ≥ 370 TWhH2/Jahr (BEV, FCEV)

Stromerzeugung 523 32 600 Verluste Stromerzeugung heute: 958 TWh/a, Umstellung auf EE spart diese Verluste weitgehend ein (aber künftig Speicherung auch verlustbehaftet)

Industrie 670 + 50 130

Chemieindustrie (C aus Luft-CO2+Direktstrom zus.) Stahlindustrie (DRI-Verfahren mit H2 aus Ely)

Haushaltswärme ca. 700 ? Kann durch Wärmedämmung halbiert werden, teilweise durch E-WP bereitzustellen

Wärme 1.100 13 ? Raum&Prozeßwärme, Warmwasser

Summe 2.366** 15 2.000+ - 3.000+ Mit ambitionierten Maßnahmen zu verringern***

Davon fossil 2.000

EE-Potenzial 1.000 – 1.500 Stark abhängig von öffentlicher Akzeptanz

* Primärenergieverbrauch 2015: 3.693 TWh/a, ** 1990: 2.631 TWh/Jahr, *** alternativ muss Differenz importiert werden


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Bild: MS Office

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Zusammenfassung 6


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Zusammenfassung

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Sektorenkopplung als neuer Begriff für intersektorale Energieinfrastrukturnutzung

Sektorenkopplung als zweite Maßnahmenstufe, um „Energiewende“ vom Strom- auf alle Energiesektoren auszuweiten, um politische THG-Ziele zu erreichen

Drastischer Wandel für alle Sektoren in 33 Jahren muss heute begonnen werden

E-Mobilität als Strategie für Straßen- und Schienenverkehr, für Luft- und Schiffsverkehr existiert noch nicht einmal Vision

Carbon2Chem als erster Ansatz für (Chemie-)industrie, jedoch ohne Strategie für 2050

Strom wird dominante heimische Energiequelle (Wind, PV), ergänzt durch Biomassen, ABER „all electric world“ nur teuer umsetzbar (Ressourcen- und Akzeptanzgrenzen)

Energieversorgung Deutschlands ausschließlich mit heimischen erneuerbaren Energien nur mit sehr ambitionierten strukturellen Maßnahmen sowie Energieeffizienz denkbar

Alternativen sind REG-Importe aus Osteuropa, MENA-Ländern sowie Skandinavien

Importpfade als Strom (HGÜ) oder einfacher transportier- und speicherbarer Energieträger (PtX; dadurch bekommt Wasserstoff neben Strom eine zentrale Rolle)

Notwendigkeit drastischer Maßnahmen erfordert bessere öffentliche Kommunikation

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Kontakt

Dr. Ulrich Bünger, MSc. +49/89/608110-42 [email protected]

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Daimlerstr. 15 85521 München/Ottobrunn/Germany

Web: http://www.lbst.de

Juni-28

mailto:[email protected]

http://www.lbst.de/

potenziale der wind-wasserstoff-technologie in der …...-emissionsreduktion der stahlindustrie...

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