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07.12.2010 1 Wie gelingt die Energiewende zur Nachhaltigkeit?

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07.12.2010
100% regenerative Energieversorgung von Städten und Nationen
Wie gelingt die Energiewende zur Nachhaltigkeit?
Dr.-Ing. Michael Sterner,
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid
0 Emissions Cities
Rathaus Wien
06.12.10
© Fraunhofer IWES
Fraunhofer-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: rund 15 Mio. Euro
Personal: ca. 220 Personen
Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Jürgen Schmid
© Fraunhofer IWES
1
07.12.2010
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
2
07.12.2010
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
3
07.12.2010
Anfang und Ende des fossilen Zeitalters – vereinfachte Darstellung
Einzelne Quellen
Wind
Alle fossilen Quellen
Solar
Verbrauch
Solar
1000
1500
2000
Oberirdisch
2500
Zeit
Oberirdisch
Unterirdisch
© 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
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07.12.2010
Wege aus dem Energie-Klima-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
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07.12.2010
Wege aus dem Energie-Klima-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
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07.12.2010
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:
Güssing
„ländliche“ Stadt
Wien
Urbane Metropole
© Fraunhofer IWES
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07.12.2010
Typ “ländliche” Stadt – Güssing
Fläche:
50 km²
Bevölkerung:
3,800
Bevölkerungsdichte:
76 Einwohner je km²
Üppige Biomasseressoucen  “autark”
© Fraunhofer IWES
Typ “urbane Metropole” – Wien
Fläche:
415 km²

Bevölkerung:
1.710.000
 450 x Güssing
Bevölkerungsdichte:
4.110 Einwohner je km²  54 x Güssing
8 x Güssing
 “Selbstversorgung” nur durch Import von regen. Energien möglich
© Fraunhofer IWES
8
07.12.2010
Wie können wir erneuerbare Energien in Städten nutzen?
Wind
Solar
Wasser,
Meer
Stadt
© Fraunhofer IWES
© Fraunhofer IWES
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07.12.2010
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
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07.12.2010
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 – Strom-zu-Gas
Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz
Quelle: Specht et al, 2010
Sterner, 2009
© Fraunhofer IWES
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07.12.2010
Erneuerbares Gas – Strom-zu-Gas
Kopplung mit einer Biogasanlage – Verdopplung des Ertrages
Quelle: Specht et al, 2010
Sterner, 2009
© Fraunhofer IWES
Erneuerbares Gas – Strom-zu-Gas
Erste Pilotanlage am ZSW Stuttgart von Solar Fuel Technology GmbH
Quellen: Solar-fuel 2009,
Specht, Waldstein, Sterner et al., 2009
CO2 Absorptionsleistung = 1,5 ha Mais / a
© Fraunhofer IWES
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07.12.2010
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 vs. Pumpspeicher
 Wirkungsgrad
nur halb so groß
 Kapazität
3000x größer
 Langzeitspeicherung im Gasnetz Standard
© Fraunhofer IWES
© Fraunhofer IWES
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07.12.2010
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
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07.12.2010
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
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07.12.2010
© Fraunhofer IWES
Mobilität grundlegend neu denken – 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  Schiene statt Straße
 IT und Verkehr  Mitfahrzentralen für Personen und Güter
 Energieeffizienz im Fahrzeugbau
 Aerodynamik, Gewicht
 Effiziente Antriebe
© Fraunhofer IWES
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07.12.2010
Elektrisch fahren
Effizienzsprung Faktor 3-4 – aber nur mit erneuerbaren Energien
Vorteile der 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
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07.12.2010
Regenerative Kraftstoffe aus Wind, Solar und Bioenergie
mit hoher Energiedichte für lange Stecken
Regeneratives Gas
aus Biomasse
Biogas-Bus in der Schweiz
aus Wind und Solar
Windgas-Auto in Deutschland
© Fraunhofer IWES
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
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07.12.2010
Biokraftstoffe und Wind- und Solarkraftstoffe
Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t_Benzin_äq je Hektar u. Jahr
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
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07.12.2010
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
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07.12.2010
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
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07.12.2010
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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