Potential der Erneuerbaren Energie in Europa - Was ist möglich?

(1)

Potential der Erneuerbaren Energie in Europa - Was ist möglich?

Ulrich Platt, Institut für Umweltphysik INF 229, 69120 Heidelberg

• Energie und Klima - CO

₂

-Problem

• Wofür benötigen wir Energie? – „Sektoren“

• Unsere Energie“Quellen“

• Treibhausgas-freie Energieversorgung

„100% Erneuerbare Energie“

• Kosten

• Lösungen des Speicherproblems

(2)

Quelle: BP Statistical Review of World Energy 2021 © BP p.l.c. 2021

Kohle

Erdgas

Erdöl

Wasserkraft Erneuerbar

Kernenergie __17%

CO₂ frei

Jährlicher

Primärenergie- verbrauch in Exajoule

(10

¹⁸

J, 1000 PJ)

Jahr 

CO

₂

und die

Energieversorgung der Welt

P rim

är en er gi e

(3)

Anthropogene CO

₂

-Emission 1958-2018 in GtC

3,7 Gt CO₂ 7,3 Gt CO₂

Jahr

Pro Kopf-Emission

Tonnen Kohlenstoff pro Einwohner und Jahr

Friedlingstein P., et al. 2019, Earth Syst. Sci. Data, 11, 1783–1838, https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019

(4)

Quellen der Anthropogenen CO

₂

-Emission 1958-2018 in GtC

Friedlingstein P., et al. 2019, Earth Syst. Sci. Data, 11, 1783–1838, https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019

Emission in Gt Kohlenstoff pro Jahr

Kohle

Öl

Zementproduktion

3,7 Gt CO₂ 7,3 Gt CO₂ 11,0 Gt CO₂

(5)

Kumulierte Anthropogene Emission von (Fossilem) CO

₂

(in GtC) seit 1850

Quelle: Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC.com) and values of atmospheric CO₂

concentrations from Mauna Loa, as well as other locations. Excluding carbon emissions from change of land use and deforestation.

Bis 2020: 570 GtC (2100 Gt CO

₂

)

Milliarden Tonnen Kohlenstoff (als CO 2)

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Globale Erwärmung als Folge der kumulativen CO

₂

-Emission

Quelle: IPCC-AR5 Climate Change 2014 Synthesis Report

1,5^o CO₂ in ppm

Kumulative anthropogene CO₂ Emission seit 1870 in Gt CO₂

Noch <1000 Gt CO

₂

Erwärmung bis 2100

(7)

Was bedeutet das für Deutschland?

Treibhausgas Emissionen in Mio. Tonnen CO 2-Äquivalent

VDI-Sonderdruck 2021 ‚ Regenerative Energien‘

(8)

Primärenergie – Endenergie – Nutzenergie

Einheit: Joule, J, kJ, 1 kWh = 3600 kJ

Primärenergie: Energie, die in den ursprünglich vorkommenden Energieformen (“Energiequellen”) gespeichert ist,

- Chemische Energie von Kohle, Öl, Biomasse oder Erdgas

- Umwandlung aus anderen Energieträgern wie Sonne, Wind, Kernbrennstoff.

Sekundärenergie: Entsteht durch Umwandlung von Primärenergie, z.B.:

- Kohle, Gas, Kernenergie in Elektrizität - Erdöl in Treibstoff (Benzin, Diesel, …).

Dabei gibt es meist erhebliche Verluste.

Endenergie: Vom Verbraucher nutzbarer Energie, (Strom, Benzin, Diesel) nach

“Übertragung”, (ggf. mit Übertragungsverlusten).

Nutzenergie: tatsächlich genutzte Energie, also Endenergie abzüglich der

Verluste, die bei der Umwandlung (z.B. von Brennstoff in Wärme oder Treibstoff in Bewegung) durch den Verbraucher entstehen.

(9)

Energieflüsse, Deutschland 2020

Angaben in Petajoule, 1 PJ = 10

¹⁵

Joule (278 GWh)

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 09/2021

(10)

Was ist ein Peta Joule (PJ) ?

Antwort 1: 1 PJ = 10

¹⁵

Joule oder 278 GWh oder 278 Mio. kWh

Antwort 2:

Täglicher Energieverbrauche eines Menschen:

 2400 Kilocalorien oder  10.000.000 Joule (10.000 kJ, 10

⁷

J)

4 ½ Tafeln Schokolade

Alle Deutschen (83 Mio.) im Jahr (365 Tage):

3  10

¹⁷

J oder 300 PJ.

Das entspricht ca. 1/40 des jährlichen deutschen

Gesamt-Primärenergieverbrauchs von  12.000 PJ.

(11)

Primärenergieverbrauch in Deutschland

Erneuerbare Energie 2020: 1700 PJ (17%)

Quelle: Agora Jahresauswertung: Die Energiewende im Stromsektor:

Stand der Dinge 2019

Erdgas Steinkohle

Mineralöl Braunkohle Kernenergie Ern. Energie

(12)

Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energieträgern,

Deutschland 2020, gesamt: 470 TWh bzw. 1700 PJ

Quelle: Umweltbundesamt auf Basis AGEE-Stat:

https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare- energien-in-zahlen#uberblick

1 TWh = 3,6 PJ = 3,610¹⁵ J 1 PJ = 0,277 TWh

Davon Wind und

Sonne: 650 PJ

bzw. 170 TWh

bzw.



38%

(13)

Anteil EE in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr, Deutschland 1990 - 2020

Quelle: Umweltbundesamt: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima- energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen#uberblick

(14)

100% Erneuerbare Energie (EE)

in Deutschland, Europa, der Welt

0. Näherung: Heute (2020/2021 in D) haben wir  17%

Anteil EE am Gesamt-Primärenergieverbrauch

 Also Steigerung um Faktor 1/0.17  6 erforderlich ??

Die Sache ist komplizierter!

Probleme:

1) Primärenergie ist kein gutes Maß, eigentlich interessiert die Nutzenergie. Wir müssen daher die Sektoren

einzeln betrachten

2) EE ist sehr variabel, Energiemix, Speicher und

Überkapazität muss betrachtet werden

(15)

Primärenergieverbrauch in Deutschland nach Sektoren

Industrie, Bergbau, Handel Gewerbe, … (ohne Strom)

Haushalte (ohne Strom) Verkehr

Elektrizität (Strom) 4640

PJ

2540 1820 4100

Für 2018, Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

(16)

Blick in die Sektoren 1: Strom

Primärenergieverbrauch 2018: 4640 PJ (35,4% des PEV) Netto inland 2000 PJ Strom (  64 GW)

 45% EE: Endenergie  Primärenergie

 55% Fossil+Nuklear: Endenergie  0.35*Primärenergie

  23% der Primärenergie aus EE

 77% der Primärenergie aus Fossil + Nuklear

 100% EE erfordern  2000 PJ Energie aus Wind, Sonne, …

Nur  45% des heutigen Primärenergiebedarfs für Strom!

4640 2540 1820 4100

2000

(17)

Blick in die Sektoren 1: Bruttostromverbrauch Deutschland 1990-2020 in TWh (=Mrd. KWh)

 -1,1%/Jahr 2011 PJ/Jahr

(18)

Blick in die Sektoren 2: Verkehr

Primärenergieverbrauch 2018: 2540 PJ (19,4%)

 10% Bahn, Straßenbahn Endenergie  Primärenergie

 90% Verbrennungsmotor: Endenergie  0,2*Primärenergie Ersetzt durch:

Elektromobile Endenergie = 0,8*Primärenergie

4640 2540 1820 4100

830

Bemerkung: H

₂

-Antrieb: +80% zusätzliche Elektrizität

Synthetische Kraftstoffe: +200% zus. Elektrizität

  10% (260 PJ) bereits elektrifiziert (Bahn, Straßenbahn)

 90% (2280 PJ) Verbrenner

 Batterieelektrischer Antrieb

 570 PJ

 100% EE erfordern also  830 PJ Nur noch  30% des heutigen

Primärenergiebedarfs im Verkehrssektor

bzw. 570 PJ (ca. 20%) zusätzliche Elektrizität

(19)

Blick in die Sektoren 3: Private Haushalte (ohne Strom)

Primärenergieverbrauch 2018: 1820 PJ (13,9%)

Im wesentlichen Heizung: 1820 PJ (90% Wirkungsgrad)

 Ersatz durch Wärmepumpen mit mittl. Arbeitszahl 4:

1820 PJ (Nutzenergie 1640 PJ)  410 PJ

 Erforderlich insgesamt  410 PJ Nur noch  22% des heutigen Primärenergiebedarfs im

Haushaltssektor (ohne Strom)

bzw.  20% zusätzliche Elektrizität

(da zusätzlich Geothermie, Biomasse, …)

Noch weitere 700 PJ

4640 2540 1820 4100

410

> 50% der Neubauten mit Wärmepumpenheizung

(20)

Blick in die Sektoren 4: Industrie, Bergbau, Handel & Gewerbe

(Ohne Stromanteil)

Primärenergieverbrauch 2018: 4100 PJ (31,3%) Sehr viele unterschiedliche Prozesse

 Energiebedarf an (zusätzlichem) Strom schwer abschätzbar, angenommen: 1000 PJ

(ähnlicher Faktor Nutzenergie/Primärenergie wie Verkehr, Haushalt)

Rest über Recycling (nichtenergetischer Verbrauch), Biomasse, Fossile Energie + CCS

 Erforderlich  1000 PJ

zusätzlicher Strom (z.B. für H

₂

) ca. 50% zusätzliche Elektrizität

4640 2540 1820 4100

1000

(21)

Primärenergie und für deren Ersatz erforderliche Erneuerbare Energie, EE (Deutschland 2018)

Erneuerbare Energie:

2018: 1700 PJ*

davon Wind+Sonne:

38% bzw. 650 PJ

*Quelle: Agora Jahresauswertung: Die Energiewende im Stromsektor: Stand der Dinge 2019

Bisher (z.B. 2018)

Anteil EE 14%

Strom 4640 35,4%

Verkehr 2540, 19,4%

1820,13,9%

Industrie 4100 31,3%

12100 PJ

4100 PJ

Zukunft (20??)

Anteil heutiger EE 44%

Vorläufiges Fazit:

„Für 100% EE wäre die EE-Erzeugung um den Faktor



2.4 zu steigern“

Mehr Energie als Strom erforderlich (2000



3800 PJ, +90%)

Probleme: Variabilität der EE, nicht alle EE-Formen steigerbar

(22)

Frage: Wieviel Speicherkapazität benötigen wir für 100% Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen?

Maß für Speichergröße: 

G e s p e i c h e r t e E n e r g i e V e r s o r g u n g s z e i t

M i t t l e r e n V e r b r a u c h

Manche Antworten: 3 Monate

Bessere Antworten: Hängt vom Energiemix ab (d.h. Wind – Solar) Hängt von der Überkapazität ab*

Hängt von der gewünschten Versorgungs- sicherheit ab

Betrachten wir diese Punkte …



Doktorarbeit von Tobias Tröndle am IUP Heidelberg

*Begriff „Überkapazität wird noch erklärt

(23)

Das “Meteorological based Energy Eqilibrium Testing – Model” (MEET) der Universität Heidelberg

Installierte Leistung; Verbrauch;

erforderlicher Speicher; …

Nicht steuerbare Energieverbrauch EE

Wetterdaten

steuerbare EE

Konventionellle Kraftwerke Lastmanagement

E-Autos Energiespeicher

Szenario

• Nur Electricität

• MERRA*- und ERA-interim - Wetterdaten für 2000-2010

• Ganz Europa

• 10 verschiedene Energiequellen

(Gas, Kohle, Kenrenergie, Biomasse, Wasserkraft, Solarthermisch,

photovoltaisch, Wellen, Wind)

• Unbegrenzte Netzkapazität

• Räumliche Auflösung: 2,5°

• Zeitauflösung: 1 Stunde

• Stromverbrauch: skaliert von Deutschland 2008

• Speichereffizienz: 81%

*Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications, NASA

Tobias Tröndle Doctoral Thesis, IUP Heidelberg

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Erzeugungspotential für Wind- und Solarenergie in Europa (Mittelwert 2000 bis 2010)

Jährliches Solarstrom (PV)

Erzeugungspotential Jährliches on-shore Windstrom Erzeugungspotential

KWh pro year und KW_peak

13.7% 45.7%

Prozentzahlen:

Anteil der Installierten Leistung x 8760 Stunden

(25)

Globales Erzeugungspotential für Wind- und Solarenergie (Mittelwert 2000 bis 2010)

KWh pro Jahr und KW_peak

17.1% 62.7%

Jährliches Solarstrom (PV)

Erzeugungspotential Jährliches on-shore Windstrom Erzeugungspotential

Prozentzahlen:

Anteil der Installierten Leistung x 8760 Stunden

(26)

Jahres- & Wochenverlauf des Stromverbrauchs in Europa

Time in h

Electricity Demand (%)

Wochengang des Stromverbrauchs (typische Woche)

Jahresverlauf

Skaliert von Deutschland 2008

 Der größte Teil der Schwankungen entfällt auf den Tagesgang

Zeit in Stunden seit 1.1. d.J. 

Stromverbrauch in GW 

(27)

100% PV power (Meteorology of 2005)

30% Wind 70% PV (Meteorology of 2005)

Jahresverlauf von Wind, Solar, & gespeicheter Energie (Europa)

100% Wind power (Meteorology of 2005)

17% des jährl.

Verbrauchs 9 W.

16% des jährl.

Verbrauchs

 Riesiger

Speicherbedarf

4% des jährl.

Verbrauchs, 2 W.

Jährl. Elektrizitäts Ver- brauch, Eur. 3956 TWh

Tröndle 2014

100% Solar (Meteorologie von 2005)

100% Wind (Meteorologie von 2005)

70% Solar, 30% Wind (Meteorologie von 2005)

(28)

Erforderliche Speicherkapazität (100% erneuerbar), Wind + Solar (2000 – 2010)

 Kombination von Wind + Solar vermindert die benötigte Speicherkapazität um einen Faktor von >4

Dennoch riesger Speicherbedarf (ca. 2 Wochen)!

2000-2010

_Min.

Max.

Mittel Anteile Wind/Solar an der

Stromerzeugung 55/45

Nur Wind Nur Solar

Speicherkapazität in % des Jahresbedarfs

Verhältnis der installierten Leistung Wind/Solar

(29)

Speichergröße als Funktion des Anteils an Erneuerbarer Energie

Wind/Solar = 30/70

Woche Tag

Stunde

Anteil Erneuerbare Energie (%)

Erforderliche Speichergröße in TWh Storage Capacity in % of Annual Electricity Demand

Heutige Kapazität

Deutschland:

37.4 GWh Pumpspeicher +0.8 GWh Batteriespeicher

 38 min

Tröndle 2014

Langzeitspeicher wird nur ca. 2-mal pro Jahr

umgeschlagen!

(30)

Kosten Lebensdauer (Jahre)

PV: 1700€/kW 20

Wind: 1000€/kW 15

Speicher: 1, 10, 50, 150 €/kWh, Lebensdauer: 40 Jahre, Zinssatz: 5%

6,0 cent/kWh 9,3 cent/kWh

21,2 cent/kWh

50,7 cent/kWh

150 €/kWh 50 €/kWh

10 €/kWh 1 €/kWh

Stromkosten einschließlich Speicher

(ohne Überkapazität)

Ohne Überkapazität:

Tragbare Strom- kosten nur für sehr preiswerte Speicher.

(31)

Basiert auf  von Wind & Solar Energie 2010-2011

Einmal in 5 Jahren kann der Bedarf (für einige Stunden) nicht gedeckt werden.

Einmal in 10000 Jahren kann der Bedarf (für einige Stun- den) nicht gedeckt werden.

Versorgungssicherheit als Funktion der Speicherkapazität

(ohne Überkapazität)

Verhältnis Wind/Sonne der installierten Leistung

Speicherkapazität in % des Jahresverbrauches

(32)

Was ist Überschusskapazität?

Bei allen Elektrizitätsversorgungs Systemen ist die Erzeugungskapazität (im Jahresmittel) größer als der Verbrauch (im Jahresmittel).

Also:



 

I n s t a l l i e r t e L e i s t u n g m i t t l . V e r b r a u c h

Ü b e r s c h u s s k a p a z i t ä t 1 0 0 %

m i t t l . V e r b r a u c h

Beispiel: In Deutschland haben wir seit Jahrzehnten 100-120%

Überschusskapazität (Ohne Erneuerbare Energie!).

Nicht zu verwechseln mit Kapazitätsfaktor

Erneuerbare Energie steht meist nur einen Bruchteil der Zeit zur Verfügung, deshalb ist der:



 

I n s t a l l i e r t e L e i s t u n g 8 7 6 0 S t u n d e n

K a p a z i t ä t s f a k t o r 1 0 0 %

J ä h r l i c h e r E r t r a g

Typ. Kapazitätsfaktoren: Solar Deutschland 10%

Solar Südeuropa: 20%

Wind an Land: 20%

Wind off shore: 40%

(33)

Erforderlicher Speicher vs. Überschusskapazität

Excess Capacity %

Storage 0.25% of annual consumption ( 1day, 8 TWh)

30% Wind and 70% PV Power capacity

0.11 % 0.24 %

Vollaststunden:

Wind = 2190 h PV = 1051 h

Speichergöße in % des jährlichen Verbrauchs

Überschusskapazität %

Kapazitätsfaktor (Installierte Leistung / mittl. Jährlichen Verbrauch) Überschusskapazität ermöglicht eine enorme

Verminderung der Speicherkapazität

(Faktor 10-20 im Vergl. zu Wind+Solar ohne Ü.K.)

4.4 TWh

10 h 200 TWh 2.5 Wochen

25 h

Tröndle 2014

(34)

6.0 cent/kWh

8.6 cent/kWh

10.3 cent/kWh

11.7 cent/kWh

Mit Überschusskapazität:

- Deutlich geringere Kosten

- Ökonomisches Optimum hängt viel weniger von den Speicherkosten ab

Stromerzeugungs + Speicherkosten mit Überkapazität

Kosten Lebensdauer (Jahre)

PV: 1700€/kW 20

Wind: 1000€/kW 15

Speicher: 1, 10, 50, 150 €/kWh, Lebensdauer: 40 Jahre, Zinssatz: 5%

Gesamtkosten (Europa) in €

(35)

Strompreiszusammensetzung Deutschland 2021

Durchschnittlicher Strompreis für Haushaltskunden*

Ab 2022: 3,7 Cent Ab 2023: 0 Cent ?

(36)

Speichersysteme für Elektrische Energie

Entladezeit, Stunden

Gespeicherte Energie 

+Osmosespeicher

(37)

Anderer Weg zur „Speicherung“

Kurzzeitspeicher (<24h): Geringe Energiemenge, aber Umschlag ca. 100 mal/Jahr

 Pumpspeicher, Batterien

Langzeitspeicher (>24h) Umschlag wenige Male im Jahr

 1) Pumpspeicher,

2) Gasturbinen mit Biogas:

ca. 5% der (heutigen) Stromerzeugung aus Biogas, aber nur ca. 0,25-0,5% der Jahreserzeugung werden als

Langzeitspeicherkapazität benötigt.

Die vorhandene Biogas-Menge reicht aus um den Speicher (bei gegenüber heute verdoppelter

Stromerzeugung) ca. 5-mal/Jahr umzuschlagen.

Modellergebnisse: nur 2-3 Mal sind nötig

(bei 150% Kapazität)

 Nur ca. 1% der Stromerzeugung gehen durch den Speicher

Äquivalente

Speicherkosten <5 €/kWh

(38)

100% Erneuerbare Versorgung, Bedeutung für Deutschland (1) Angenommen: 150% Kapazität (50% Überkapazität)

30%/70% Wind/Sonne (mittl. Leistung: 9/7, 56%/44%)

Wind: Jahresmittel =30% der installierten Spitzenleistung Sonne: Jahresmittel =10% der installierten Spitzenleistung Deutschland:  60 GW

 114 GW mittl. Stromverbrauch 100% EE (+90%)

  170 GW incl. 50% Überkapazität

  750 GW Solar (75 GW MW) + 320 GW Wind (96 GW MW)

 2021 in D. installiert: 56 GW Solar, 62 GW Wind

(davon 8 offshore)

 Solar x13; Wind x5 (grob gerechnet) Insgesamt x9

Schließt auch Elektromobilität, Industrie & Raumheizung ein!

(39)

100% Erneuerbare Versorgung, Bedeutung für Deutschland (2)

 750 GW Solar (75 GW MW) +  320 GW Wind (95 GW MW)

Flächenbedarf Solar bei 200 W/m

²

: 3.750 km

²

Potential D.: 6.000 km

²

Dachfläche, 12.000km

²

Fassadenfläche

¹

Flächenbedarf Wind bei

3 W/m

²

: 74.700 km

²

,



21% der Gesamtfläche 357.600 km

²

Maximal über Land verfügbar

²

: 1800 GW (MW) Verringerung durch off-shore Windenergie,

Energieimporte (H

₂

, Strom, synthetische Treibstoffe)

1siehe z.B. Behnisch et al. 2020, doi: DFNS/2020_12_DFNS/025_behnisch.pdf

2Miller et al. 2015, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1408251112

(40)

Zusammenfassung

• Energieerzeugung und Klima sind über die CO

₂