Herausforderung Energie: Sind wir auf dem Weg zu einer ...

Herausforderung Energie: Sind wir auf dem
Weg zu einer klimaverträglichen und
nachhaltigen Energieversorgung?
Prof. Dr.-Ing. A. Voß
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Universität Stuttgart
Wissenschaft im Rathaus
Stuttgart, 10. Juni 2009
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie 10.06.2009 1

Energiesituation - Ausgangslage
‣Energieversorgung
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Entwicklung des Primärenergieverbrauchs
und der Energieintensität in Deutschland
16000
100
Primärenergieverbrauch [PJ/a]
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
95
90
85
80
75
70
65
Entwicklung der Energieintensität
[1990=100]
0
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
Steinkohlen Braunkohlen Kernenergie Mineralöle
Naturgase Wasser/Wind Sonstige PEV/BIP
Quelle: AG Energiebilanzen (2008), BMWi (2008), eigene Berechnungen
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1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
60

Bruttostromerzeugung in Deutschland
1990
2007
Heizöl /
Sonstige
5.7%
Erdgas
6.5%
Erneuerbare
Energien
3.4%
Steinkohle
25.6%
Erdgas
11.9%
Erneuerbare
Energien
14.1%
Steinkohle
22.3%
Kernenergie
27.7%
Braunkohle
31.1%
Heizöl /
Sonstige
5.2%
Kernenergie
22.1%
Braunkohle
24.4%
Gesamt: 550 TWh
Gesamt: 637 TWh
Quelle: AG Energiebilanzen (2008)
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Energiesituation - Ausgangslage
‣Energieversorgung
‣CO 2 -Emissionen und Klimaschutz
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CO 2 -Emissionen in Deutschland
774
863
831
802
800
799
843
840
825
823
808
822
819
799
870
867
948
1000
915
900
800
700
600
500
400
300
200
Steinkohle Braunkohle Mineralöle Gase
100
0
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Energiebedingte CO2-Emissionen
in Deutschland [Mill. t CO2]
Quelle: UNFCCC (2008), BMWI (2008), UBA (2008), AGEB (2007), eigene Berechnungen
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CO2-Emissionen in Europa: Ausgewählte Länder (2006)
CO2 je Einwohner [t/capita]
11
10
9
8
7
6
5
4
3
10,3
4,9
9,7
4,0
8,0
energiebedingte CO2-Emissionen 2 je je Einwohner
CO2-Emissionen 2 der Stromerzeugung je je Einwohner
6,1
5,9
5,2
2,8
2
1
0
0,7
0,9
0,22
Dänemark Deutschland EU-27 Frankreich Schweden Schweiz
Quelle: Eigene Berechnungen nach EU-Kommission (2009) und EUROSTAT (2009). CO 2
der Stromerzeugung umfasst hier jeweils Emissionen aus öffentlicher Strom- u. Wärmeerzeugung
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Energiesituation - Ausgangslage
‣Energieversorgung
‣CO 2 -Emissionen und Klimaschutz
‣Energiepreise
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Strompreis für Haushalte
Durchschnittlicher Strompreis eines Drei-Personen-Haushaltes
mit einem Jahresverbrauch von 3.500 kWh/a in Cent/kWh
17,11 16,53
13,94 14,32 16,11 17,19 17,96 18,66 19,46 20,64 21,65
1,79
2,33
0,08
0,77
1,79
2,28
2,05
2,05
0,20
2,05
0,29 1,17
2,05
0,31
0,98
2,05
1,79
0,34 0,88 1,79
0,09
2,05
0,31 0,69
1,79
0,33 0,51 1,79
0,25 0,42
3,46
1,79
1,79
1,79
3,30
1,28 1,53
0,35
0,13 0,20 1,79
2,68
0,20 0,25
2,48
2,57
1,79 1,79
2,37
2,22
1,92 1,97
Stromsteuer
KWKG*
EEG
Konzessionsabgabe
MWSt
Erzeugung, Transport,
Vertrieb
12,91
11,60
8,62 8,58
9,71 10,23 10,82 11,22 11,75 12,23
12,98
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Quelle: BDEW, Stand 7/2008
*Gesamtbelastung durch KWKG ab 2002, gesunken;
durch Entlastung Industrie steigende Belastung für Haushalte
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Industrie-Strompreise in der EU in 2007
Irland
Deutschland
Großbritannien
Italien
Niederlande
Österreich
Ungarn
EU-27
Tschech. Rep.
Polen
Belgien
Spanien
Portugal
Frankreich
Finnland
Schweden
6.38
6.08
6
5.37
5.13
11.17
11.13
9.93
9.42
9.4
9.02
8.65
8.43
7.96
7.47
7.44
Strompreis ohne Steuern / Abgaben
Steuern / Abgaben
Quelle: Eurostat (2008), neue Erhebungsmethodik
0 2 4 6 8 10 12
€cent/kWh
70.000MWh < Jahresverbrauch < 150.000MWh
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‣Optionen für die zukünftige
Energieversorgung
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Entwicklungen der Windenergie in Deutschland
40.000
Kumulierte Leistung
Stromerzeugung
2.000
Kumulierte Leistung [MW] /
Stromerzeugung [GWh]
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
Spezifische Investitionskosten
1.750
1.500
1.250
1.000
750
500
250
Spez. Investitionskosten [€07/kW]
0
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
Quelle:
Bundesverband Windenergie e.V.
Wind Power Monthly, Jan. 2008
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0

Kosten des Windstroms (onshore)
Erzeugungskosten (je nach Standort)
7,6 bis 12,7 ct / kWh
Back-up-Kosten für gesicherte Leistung
1,0 bis 2,0 ct / kWh
Netzausbau und Netzverluste
ca. 0,2 ct / kWh
ca. 9 bis 15 ct / kWh
Quelle: Voß et al. (2007)
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Lernkurve Windenergie
Spez. Investitionskosten [€2005/kW]
10.000
1.000
100
Wirtschaftlichkeitsgrenze
ca. 250 – 350 €/kW
rd. 1.000 – 8.000
Mrd. € global
Empirische Daten
Lernkurve (PR = 0,902)
ca. 20.000 GW
1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000
Kumulierte Windenergie-Leistung weltweit [GW]
ca. 200.000 GW
4.100 GW Kraftwerksleistung
weltweit (2006)
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Photovoltaik
●
Mono- und multikristalline Si-Zellen heute marktbeherrschende Zelltypen
i. Modulwirkungsgrade: 13 – 16 %
ii.
Spez. Investitionskosten:
4.000 €/kWp (Freiflächenanlagen)
5.000 €/kWp (Dachanlagen)
iii. Installierte Leistung (2008): ca. 5 GW P
iv. Stromerzeugung (2008): ca. 4 TWh
●
Kostenreduktion durch
i. Verbesserte Herstellungsverfahren
ii.
Dünnschichtsolarzellen aus
dünnem kristallinen Silizium
Cadmiumtellurid CdTe
Kupfer-Indium-Diselenid CIS
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Biomassepotenziale und -nutzung 2007
Endenergiebereitstellung 2007
Kraftstoff
167 PJ
Biodiesel
Abfall
gasförmig
Pflanzenöl Ethanol
flüssig
fest
fest
589 PJ
Strom
82 PJ
flüssig
gasförmig
Abfall
Wärme
340 PJ
*: Bei einer Fläche von 2,5 Mio. ha und einem Energiepflanzenmix, Nutzung im Jahr 2007: 1,7 Mio.ha
Quelle: BMU 2009, Aretz und Hirschl 2007, Mantau 2007, Statistische Bundesamt 2009, FNR 2008
Technisches Gesamtpotenzial:
1.100 – 1.300 PJ/a
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PJ/a
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Biomassepotenzial
Holz
Technisches Potenzial
Nutzung
Energie-
Pflanzen*
Reststoffe/
Abfall
03/09

Gestehungskosten von Strom, Wärme und
Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien
Kraftstoffe Strom Wärme
Gestehungskosten (EURct/kWh)
25
20
15
10
5
0
Referenz: Diesel u. Benzin
RME BTL Ethanol Wind
(Onshore)
40-50
Referenz: Fossile Kraftwerke
PV
Holz HKW
(1-5 MW)
Referenz: Zentralheizung Öl u. Erdgas
Biogas
Gülle BHKW
Ztr.-Hzg.
15kW
Solarkoll.
(5-100m2)
(0,1-0,5 MW) (Scheitholz-
Pellets)
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Solarkoll.
mit sais.
Speicher
(2000m2)
Quelle: FNR 2006, MWV 2009, Staiß 2007 03/09

Fossile Kraftwerke: Technologische Weiterentwicklungen
●
Wirkungsgradsteigerung: z.B. steinkohlebefeuerte Kraftwerke
Ø EU heute 38% ΔCO 2
heute verfügbare Technik 45% -15%
Ziel 2020 >50% -24%
●
CCS
Bild zitiert nach
VGB (2006)
Wirkungsgradverlust: 5 bis 14 %-Punkte
CO 2 -Vermeidungskosten: 35 bis 50 €/t CO 2
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Weiterentwicklungen bei der Kernenergie
●
Verbesserte Sicherheit („katastrophenfreie“ KKW)
●
Bessere Uranausnutzung
●
Steigerung der Wirtschaftlichkeit
●
Signifikante Reduktion der
●
Höhere Proliferationsresistenz
Langzeit-Radiotoxizität der Abfälle
Generation I
verschiedene
Prototypen
Generation II
kommerzielle
Leistungsreaktoren
Generation III
fortgeschrittene
Leistungsreaktoren
Gen III+
evolutionäre Konzepte
Generation
IV
- Shippingport
- Dresden, Fermi I
- Magnox
- LWR-DWR,
SWR
- CANDU
- VVER/RBMK
- ABWR
- V-392
- N 4
- EPR
- SWR 1000
- CANDU-6/9
Einsatz ab 2030
1950 1995 2000 2005 2010 2015 2020
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‣ Nachhaltige Energieversorgung – was
ist darunter zu verstehen?
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 20

Nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development)
Brundtland Kommission:
„Nachhaltige Entwicklung“ ist eine „Entwicklung, die die Bedürfnisse
der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass
künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen
können“.
Ziel
Die Verbesserung der ökonomischen und sozialen Lebensbedingungen
aller Menschen, der heute und zukünftig lebenden, mit der langfristigen
Sicherung der natürlichen Lebensgrundlagen in Einklang zu bringen.
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 21

Nachhaltige Energieversorgung
wenn
● das Potenzial für die Bereitstellung von Energiedienstleistungen
für die nächste Generation größer wird
●
●
Ausweitung der wirtschaftlich nutzbaren Energie- und
Rohstoffbasis
die mit der Energienutzung verbundenen Stofffreisetzungen die
Assimilationskapazität der Umwelt als Senke nicht überschreiten
die Energiedienstleistungen mit möglichst geringem
Ressourcenaufwand, einschließlich der Ressource Umwelt
bereitgestellt werden
Relative Nachhaltigkeit von Energiesystemen lässt sich
messen am gesamten Ressourcenverbrauch je Energieeinheit
Vollkosten sind Maß für relative Nachhaltigkeit
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 22

‣ Stromerzeugungssysteme auf dem
Prüfstand der Nachhaltigkeit
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 23

Spezifischer kumulierter Energieaufwand (KEA) 1)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
[kWhPrim/kWhel]
Steinkohle-Kraftwerk
Braunkohle-Kraftwerk
Erdgas GuD-Kraftwerk
Kernkraftwerk
Holz-HKW
Photovoltaik 5 kW
Wind 1500 kW (5,5)
Wind 1500 kW (4,5)
Laufwasser 3,1 MW
1)
Herstellung, Entsorgung und Brennstoffbereitstellung
Quelle: IER 2005/07
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 24

Gesamter Rohstoff- und Materialaufwand
Eisen Kupfer Bauxit
[kg/GWh el ] [kg/GWh el ] [kg/GWh el ]
Steinkohle-Kraftwerk 1.700 8 30
Braunkohle-Kraftwerk 2.134 8 19
Erdgas GuD 1.239 1 2
Kernkraftwerk 457 6 27
Holz-HKW 934 4 18
Photovoltaik 5 kW 4.969 281 2.189
Wind 1500 kW (5,5) 3.066 52 35
Wind 1500 kW (4,5) 4.471 75 51
Laufwasser 3,1 MW 2.057 5 7
Quelle: IER 2005/07
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 25

Kumulierte Emissionen
1200
CO 2 [g / kWh]; SO 2 , NOx [mg / kWh]
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Kohlendioxid Schwefeldioxid Stickoxide
Steinkohle-Kraftwerk Braunkohle-Kraftwerk Erdgas GuD
Kernkraftwerk Holz-HKW Photovoltaik 5 kW
Wind 1500 kW (5,5) Wind 1500 kW (4,5) Laufwasser 3,1MW
Quelle: IER 2005/07
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 26

Externe Kosten
3,0
2,5
2,0
Basis: CO2-Vermeidungskosten 19 Euro/t
Klimaschäden (Vermeidungskosten)
Klimaschäden (Schadenskosten)
Materialschäden
Ernteverluste
Gesundheitsschäden
[€-Cent/kWh]
1,5
1,0
0,5
0,0
Steinkohle-
Kraftwerk
Braun
kohle-
Kraftwerk
Erdgas
GuD
DWR mit
dir. Endl.
Holz-HKW
PV poly
5 kW
WEA
1500 kW
(5,5)
WEA
1500 kW
(4,5)
Laufwasser
3,1 MW
Quelle: IER 2005/07
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 28

Gesamtkosten der Stromerzeugung
Zinssatz: 7,5%
Steinkohle-Kraftwerk
Braunkohle-Kraftwerk
Erdgas GuD
DWR mit dir. Endl.
Holz-HKW
PV-Dachanlage
WEA 1500 kW (4,5)
WEA 1500 kW (5,5)
Laufwasser 3,1 MW
0 2 4 6 8 10 12 14 50 16 52 18 54 20 56 22 58 24
Stromgestehungskosten
Externe Kosten (ohne Klimaschäden)
Klimaschäden - Vermeidungskosten Back-up-Kosten
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 29
06/2009

‣ Wege zu einer nachhaltigen und
klimaverträglichen Energieversorgung
in Deutschland
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 30

Charakterisierung der Szenarien
Referenzszenario
(REF)
● Fortschreibung der derzeitigen Energiepolitik
● Auslaufen der Kernenergienutzung
● keine weiteren Klimaschutzziele
THG-
Reduktionsziele:
2010: -21%
2020: -40%
2030: -50%
Präferenz Erneuerbare Energien
●
●
●
●
(PEE)
Steigende Beiträge Erneuerbarer Energien
i. Primärenergie 16% in 2020
ii. Stromerzeugung 25-30% in 2020
Auslaufen der Kernenergienutzung, keine CO 2
-Abtrennung
CO 2
-arme Kohlenutzung
CO 2
-Abtrennung u. Entsorgung zugelassen
Auslaufen der Kernenergie
Effiziente Ressourcennutzung
(CKN)
(ER)
● Kosteneffiziente Erreichung der Reduktionsziele
● Kernenergie: Laufzeitverlängerung (ERL)
● Kernenergie: Ausbau möglich (ERN)
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 31

Preisentwicklung fossiler Energieträger
[€2000/GJ]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
80
60
40
20
0
[$2007/bbl (Öläquivalent)]
Erdöl
Erdgas Steinkohle Erdöl
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 32

Primärenergieverbrauch nach Energieträgern
16000
14000
Primärenergieverbrauch [PJ]
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
1990 1995 2000 2005 REF PEE CKN ERL ERN REF PEE CKN ERL ERN
2020 2030
Steinkohle Braunkohle Kernenergie Mineralöle
Naturgase Importsaldo Strom Wasserkraft Windenergie
Biomasse, Müll Geothermie Solar Photovoltaik
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 33

Energieintensität des Bruttoinlandsproduktes
10.0
9.0
8.0
PEV/BIP [MJ/EUR2000]
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Anm.: PEV nach Wirkungsgradmethode
REF PEE CKN ERL ERN
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 34

Nettostrombereitstellung nach Energieträgern
700
Nettostrombereitstellung [TWh]
600
500
400
300
200
100
0
1990 1995 2000 2005 REF PEE CKN ERL ERN REF PEE CKN ERL ERN
2020 2030
Steinkohle Braunkohle Kernenergie Heizöl
Erdgas Wasserkraft Windenergie Photovoltaik
Geothermie Biomasse, Müll Importsaldo
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 35

Anteil der Importe fossiler Energieträger am
Primärenergieverbrauch in Prozent
90
80
Anteil am PEV [%]
70
60
50
40
30
20
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
REF PEE CKN ERL ERN
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 36

Kumulierte Treibhausgasminderungskosten und
mittlere Stromgestehungskosten der verschiedenen
Szenarien
Szenario
Referenzszenario (REF)
CO 2
-arme Kohlenutzung
(CKN)
Präferenz Erneuerbare
Energien (PEE)
Effiziente
Ressourcennutzung:
Laufzeitverlängerung (ERL)
Effiziente
Ressourcennutzung:
Kernenergieausbau /
Laufzeitverlängerung (ERN)
* Moderate Energiepreise
Kumulierte
Minderungskosten
bis 2030
[Mrd. Euro 00
]
42
142
-76
-164
127*
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 37
242*
19*
-56*
Mittlere
Stromgestehungskosten
2030
[Cent 00
/kWh]
4,8
5,5
7,1
4,6
3,3
4,7*
5,4*
5,8*
5,4*
2,1*

Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Prof. Dr.-Ing. A. Voß Herausforderung Energie Energie und Klima 10.06.2009 38