Hintergründe zum Zeitalter der erneuerbaren
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Hintergründe zum Zeitalter der erneuerbaren Energien Osterrönfeld, 02.04.2014 Jeffrey H. Michel, MSc. Sommerhuder Straße 23 22769 Hamburg [email protected] Die erschwerte Nutzung der erneuerbaren Energien stellt eine Momentaufnahme dar. • • • • • Erhöhte Stromkosten führen oft zur Ablehnung von Wind- und Solarenergiestandorten sowie von neuen Stromtrassen. Positive Auswirkungen der erneuerbaren Energien auf den Arbeitsmarkt lassen nach. Der Atomatomausstieg stellt für die Kohlewirtschaft einen Anlass zur Umsatzsteigerung bei Festigung bestehender Strukturen dar. Politische Spannungen zwischen Russland und Ukraine rufen die Aussicht auf verringerte Erdgasimporte hervor. Heimische Schiefergasvorkommen werden als heimische Brücke zum Zeitalter der erneuerbaren Energien propagiert. Bei allen Betrachtungen bleiben geophysikalisch begründete Erkenntnisse zum Nachteil einer generationsgerechten Energiewirtschaft unterrepräsentiert. Die Nutzung fossiler Energieträger übertrifft die Wachstumsraten aller erneuerbaren Energien. Die globale Nutzung aller Energieformen steigt weiter an. Die Internationale Energieagentur (IEA) erwartete im Jahre 2011 eine Zunahme der energiebedingten CO2Emissionen von damals 31,2 Gt auf 37,0 Gt im Jahre 2035. Die Kohlenutzung stand dabei an zweiter Stelle. Die Kohle wird entgegen früheren Erwartungen nun zum wichtigsten Energieträger der Welt. Abweichend von früheren Prognosen über die anhaltende Vorherrschaft von Erdöl im globalen Energiemix wird in Zukunft die Kohle zur wichtigsten Energiequelle. Die Internationale Energieagentur (IAE) sieht ein „goldenes Zeitalter der Kohle“ für Europa voraus. Die in Südafrika, Kolumbien und Russland produzierte Kohle wird nach Asien exportiert. Die Bedarfslücke in Europa und Südamerika wird unter anderem durch Kohlelieferungen aus den USA geschlossen. Das europäische Erdgas ist damit preislich nicht konkurrenzfähig. Das Schiefergas verspricht, mit oder ohne Europa eine Energiequelle der Zukunft zu werden. Erdgasfracking ist landschaftsverändernd. Bei 10%iger Ausbeutung aller Schiefergasressourcen könnte der derzeitige Erdgasverbrauch in Deutschland für 13 Jahre gedeckt werden (BGR). In China wird eine Zunahme des Erdölverbrauchs um 7,2% pro Jahr prognostiziert. • Allein aus den ErdölVerbrennungsprodukten werden 2025 in China bei 0,4 t CO2 pro Barrel 3,7 Milliarden Tonnen Kohlendioxid emittiert. • Ab 2011 übertraf die Gesamtstreckenlänge des chinesischen Autobahnnetzes die der USA. Deutschland bedient den Weltmarkt mit besonders energieintensiven Kraftfahrzeugen. 14,8 PS/t 229 PS/t Das in Leipzig hergestellte Spitzenmodell Porsche Cayenne Turbo S mit ca. 2,4 Tonnen Gewicht besitzt bei 550 PS eine um 10 % - 38 % hohere Leistung, als ein Sherman-Panzer der US-Streitkräfte im 2. Weltkrieg (30,4 t - 33,7 t, 400 - 500 PS). In Jahre 1896: Weltweite Dampfmaschinenkapazität 66,1 Millionen PS Porsche-Werk Leipzig: 600 Wagen täglich x 365 PS (mittel) / Fahrzeug = 66,1 Millionen PS alle 302 Tage Der Stromverbrauch in Deutschland spiegelt das anhaltende Industriewachstum wider. • Eine steigende Bedarfsentwicklung bei Strom und Wärme ist für alle Industrieländer kennzeichnend. • Der weltweite Betrieb des Internets erfordert so viel Elektroenergie, wie von Deutschland und Japan zusammen benötigt wird. Die globalen CO2-Emissionen steigen im Kohlensektor überproportional an. Bis 2015 werden die CO2-Emissionen aus der Kohleverbrennung in den Nicht-OECD-Staaten mit 8,9 Gt auf über das doppelte Niveau aller OECD-Länder (4.2 Gt) zugenommen haben. Stein- und Braunkohlekraftwerke verursachen die höchsten CO2-Mengen pro kWh. Die Verbrennung einer Tonne Braunkohle ergibt eine Tonne CO2. In Deutschland wurden 2013 rund 185 Mt Braunkohle gefördert. Die deutschen CO2-Emissionssenkungen sind auf die ostdeutschen Bundesländer konzentriert. Der Braunkohleverbrauch in den neuen Bundesländern ist von 269 Mt (1990) auf 83 Mt (2013) zurückgegangen. Im Rheinland liegt die Förderung relativ gleichbleibend bei 100 Mt/a. Asiatische Kohlekraftwerke sind für die globale CO2-Trendentwicklung hauptverantwortlich. In Deutschland wird die Kohleverstromung vorerst nicht durch die erneuerbaren Energien ersetzt. Dir CO2-bedingte Erderwärmung ähnelt der Wirkung eines Gewächs- oder Treibhauses. Schwingungen von Treibhausgasen im Infrarotbereich erwärmen die Erdatmosphäre. Gasmoleküle mit einem unsymmetrischen Dipolmoment strahlen unter Infrarotlicht die Hälfte ihrer Schwingungsenergie auf die Erdoberfläche zurück. Über 45 % der CO2-Mengen für eine globale Erwärmung von 2 ºC sind bereits emittiert worden. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung / Oxford University / Eidgenössische Technische Hochschule Zürich: Für eine 2-Grad-Klimaerwärmung sollten 2000 – 2050 max. 1.000 Milliarden Tonnen (Gt) CO2 emittiert werden. „Climate Change: Halving Carbon Dioxide Emissions By 2050 Could Stabilize Global Warming“, Science News, May 4, 2009, Washington. Bei der derzeitigen Trendentwicklung dürfte zur Einhaltung der 2ºCObergrenze nach 2030 kein weiteres CO2 ausgestoßen werden. Eine CO2-Kompensation durch die Photosynthese ist bei hohen Konzentrationen weniger wirksam. Atmosphärische CO2-Konzentrationen sind mit dem globalen Temperaturanstieg gleichläufig. Treibhausgasemissionen wirken sich noch lange nach der Verbrennung fossiler Brennstoffe aus. Werden alle fossilen Brennstoffreserven bis 2300 aufgebraucht: • erhöht sich die DurchschnittsTemperatur auf der Erde um 7,8 ºC • erreicht der Temperaturzuwachs an den Polkappen teilweise 20 ºC. Quelle: Lawrence Livermore National Laboratory Durch die globale Erwärmung gehen Umwelt stabilisierende Eisdecken verloren. Die atmosphärischen CO2-Konzentrationen steigen um ca. 3 ppm/a. Der CO2-bedingte Klimawandel führt zu arktischen Temperaturextremen. Bis Ende dieses Jahrhunderts wird mit einer arktischen Erwärmung in den Sommermonaten von bis zu 13 Grad gerechnet: www.arctic.noaa.gov Oberhalb des Polarkreises gilt die Erderwärmung als zukünftiger Wirtschaftsfaktor. Det Norske Veritas (DNV) gibt jährliche Berichte über den arktischen Wirtschaftsraum heraus. Erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen verändern die Meereschemie. Karbonat (CaCO3) ist der Ausgangstoff für kalkhaltige Skelette. Eine Versauerung löst die KarbonatBindung und verringert in der Folge die Überlebensraten von Korallen, Muscheln und Fischlarven bei zunehmender Meerestiefe. In Wasser aufgelöstes Kohlendioxid hemmt die Bildung von neuen Carbonat-Ionen. CO2 + H2O = H2CO3 (Kohlensäure) Gleichgewichtsrelation: mehr CO2 Ö mehr CaCO3 geht verloren Der Meeres-pH-Wert sinkt spiegelbildlich mit den absorbierten CO2-Emissionsmengen. Das zivilisatorische CO2-bedingte Tempo der pH-Abnahme hat inzwischen die 100fache Geschwindigkeit aller natürlichen geophysikalischen Veränderungen erreicht. Die heutigen pH-Werte liegen auf dem niedrigsten Niveau seit über 4 Milliarden Jahren. Die Versauerung der Ozeane ist ein kumulativer und tendenziell unumkehrbarer Vorgang. Eine auf 560 ppm erhöhte CO2-Konzentration entspricht: einer Erwärmung der Erdatmosphäre um mehr als 2 ºC und einer pH-Abnahme von 0,2 vorindustrieller Zeitalter: 8,25 heute 8,14 bis 2100: 7,74 bei Fortsetzung bisheriger CO2Trends Eine pH-Abnahme (reduzierter Alkalisierungsgrad) führt zum unumkehrbaren Artenschwund. Der Abbau von Meeresnahrungsketten breitet sich von den oberflächennahen Bereichen des Ozeans im Verlauf von Jahrzehnten zunehmend auf die tieferen Schichten aus. Die CO2-bedingte Veränderung der Meereschemie führt zu Artenschwund und Nahrungsausfällen. • • • • • Der anhaltende Versauerungstrend in den Weltmeeren ist bereits „unumkehrbar über einen Zeitraum von mindestens mehreren zehntausend Jahren“ (UN-Konvention über die Artenvielfalt). Eine versauerungsbedingte Unterversorgung mit allen wesentlichen karbonathaltigen Mineralien tritt voraussichtlich bis 2032 in der Arktis und bis 2050 im Südlichen Ozean ein. Bei einer atmosphärischen CO2-Konzentration oberhalb von 450 – 500 ppm (heute: 400 ppm) werden die aus Kalziumkarbonat bestehenden Skelette von Korallen nicht mehr gebildet. Länder mit den höchsten CO2-Emissionen werden auch von der Verarmung der Meeresnahrungsketten empfindlich betroffen. Die Erde befindet sich daher „auf dem Weg in die nächste bedeutende Artenausrottung“ (Ove Hoegh-Guldberg, Global Change Institute). Die globalen CO2-Emissionen könnten im Jahre 2017 den Punkt ohne Wiederkehr erreichen. • Internationale Energieagentur (IEA): Heute werden bereits 80% der rechnerisch zulässigen Treibhausgasemissionen von der bestehenden Energieinfrastruktur emittiert. Bei Vernachlässigung einer alternativen Energieversorgung „schließt sich im Jahre 2017 für immer die Tür zur Verhinderung einer unumkehrbaren globalen Erwärmung.“ (Fatih Birol, leitender IEA-Ökonom, The Guardian, 09.11.2011). • Allein 2010 - 2013 sind die energiebedingten Emissionen um weitere 2,5 auf 36 Milliarden Tonnen CO2 – knapp 7% - gestiegen. • Damit ist bereits die Prognose der IEA 2011 von 37 Milliarden Tonnen CO2 für das Jahr 2035 annähernd erreicht worden. CCS (Kohlenstoff-Abscheidung und -Speicherung) soll CO2-Emissionen an der Quelle beseitigen. • Internationale Energieagentur (IEA): „Um 19% der globalen CO2-Emissionen zu vermeiden, müssen bis 2050 weltweit 80% aller fossilen Stromkraftwerke und rund die Hälfte aller Industrieanlagen (Eisen & Stahl, Zement, Papier und Ammoniak) mit CCS ausgestattet sein.“ (CO2 Capture and Storage, 2008, S. 211) • EU-Richtlinie 2009/31/EG über geologische Speicherung von Kohlendioxid (Ziffer 5) : „Die im Jahr 2030 vermiedenen CO2-Emissionen könnten sich (durch CCS) auf etwa 15 % der in der Union erforderlichen Reduzierung belaufen.“ Potentielle CO2-Speicherstätten sind von den meisten Kraftwerken weit entfernt. Nach Erkenntnis des schottischen „Centre for Carbon Storage“ genügt die Nordsee in erster Linie nur als CO2-Speicherstätte für Großbritannien und Norwegen. CCS war bis 2011 Deutschlands wichtigster strategischer Ansatz zur CO2-Minderung. • SPD Landtagsfraktion Brandenburg 07.05.2007: „Spätestens ab 2020 müssen alle bestehenden und neu zu bauenden Großkraftwerke mit Anlagen zur CO2-Abscheidung ausgerüstet werden.“ • Hannelore Kraft (SPDMinisterpräsidentin NRW) 07.11.2011: Alle technischen Möglichkeiten einschließlich CCS müssen genutzt werden, um die Kohle sauberer zu machen. (VDI nachrichten, 11.11.2011) Die Beseitigungswirkung einer EU-weiten CCSProzesskette stellte bis 2050 maximal 2% der anzunehmenden globalen CO2-Emissionen dar. Eine CO2-Abscheidung steigert den Kohle- und Kühlwasserbedarf pro Kilowatt-Stunde Strom. Ein CCS-Prozesskette kann 50% mehr Kohle und 100% mehr Kühlwasser für die gleiche Nettoleistung abfordern. Die Kohle ist aufgrund begrenzter Ressourcen keine dauerhafte Alternative zur Kernenergie. Die absehbare Erschöpfung abbauwürdiger Kohlereserven übertrifft alle früheren Prognosen. Jahr der Prognose 1993 2011 zukünftig bei +1,6%/a Quelle Kohlereichweite Jahre 2007 IEA Europäische Kommission World Coal Association China, USA, Indien 233 155 118 ~ 56 ? Prognose 1993 derzeitige Trendendwicklung Die Erzeugung billigen Braunkohlenstroms geht mit einem hohen Verlust an Landschaft einher. DDR-Baumkerzen: unerfüllte Erwartungen Der Braunkohleabbau ist um 80% preiswerter als Erdgas, erfordert jedoch die 10fache Landesfläche. Eine Tonne Braunkohle ergibt an der Steckdose ca. eine Megawattstunde (1 MWh = 3,6 GJ) Strom. 1 t Braunkohle = 10 GJ Förderung Kraftwerk & Rekultivierung = η = 36% 1.000 kWh = 1 Megawatt-Stunde (MWh) = 3.6 Gigajoule (GJ) Strom = 1 "TV-Jahr" In Deutschland entstehen bis 2020 insgesamt 17 weitere CO2-belastete Kohlekraftwerke. Je länger CO2 emittiert wird, desto entschiedener muss seine Vermeindung vorangetrieben werden. Um die CO2Konzentrationen in der Erdatmosphäre auf einem klimaverträglichen Niveau zu stabilisieren, müssten beispielsweise ab 2020 die globalen Emissionen von Treibhausgasen um 6% pro Jahr reduziert werden, sowie ab Mitte des Jahrhunderts auch Technologien zur Realisierung von negativen Emissionen zum Einsatz kommen. Die EU-Klimaschutzziele sind nur schwerlich mit dem zukünftigen Wohlstandswachstum vereinbar. Nach Berechnung des britischen Tyndall-Zentrums (Abb. rechts) werden ab 2050 bei den derzeitigen Trendentwicklungen sämtliche in der EU eingeplanten Treibhausgasemissionen aus dem Flugverkehr stammen. Die Preise für Haushaltstrom in Deutschland werden von nur wenigen Ländern übertroffen. Haushaltsstrompreise im internationalen Vergleich (€ct/kWh) Die Preise für Haushaltsstrom in Deutschland werden nur von Hawaii und Dänemark (beide ohne Kohleressourcen) übertroffen. • • • • • • • • • • Alberta Kanada 6,5 Wyoming USA 8,2 China 8,7 Frankreich 14,8 Polen 16,0 Italien 21,6 Schweden 21,7 Brasilien 27,3 Hawaii USA 30,6 Dänemark 32,3 Durch verteilte Erzeugung und Speicherung bildet sich ein landesweites Kraftwerk. Beim deutschen Pilotprojekt Combined Power Plant wird 1/10,000stel des nationalen regenerativen Stromerzeugungspotentials durch einen Verbund aus Erzeugungs- und Speicheranlagen realisiert. Initiator: Renewable Energy Campaign Germany www.kombikraftwerk.de www.unendlich-viel-energie.de Wie in der Vergangenheit werden innovative dezentrale Energienetzwerke angelegt. KWK-Anlage Lichtblick / Volkswagen Vermiedene Kosten – früher bei Waldholz, heute bei Strom – ergeben die Rentabilitätsgrenze. Chemisch oder mechanisch gespeicherte Energie bleibt fossilen Brennstoffen weit unterlegen. Eine 5%ige Speicherung des deutschen Strombedarfs erforderte die 750fachen derzeitigen Pumpspeicherkapazitäten (LINKE Sachsen-Anhalt). Die Europäische Kommission hat im Oktober 2012 umfassende Effizienzziele festgelegt. • Die Versorgungswirtschaft muss pro Jahr 1,5% weniger Energie an ihre Kunden liefern, was durch bessere Heizungsanlagen, FensterDoppelverglasung und Wärmedämmung erzíelt werden kann. • Beim Gebäudebestand der jeweiligen Zentralregierung muss pro Jahr eine zusätzliche dreiprozentige Energiesparquote erzielt werden. • Alle Mitgliedsstaaten müssen eine umfassende Energiesparplanung für ihren Gesamtgebäudebestand bis 2050 erarbeiten. • Alle großen kommerziellen Unternehmen werden zu einer Energiediagnose mit dazugehörigem Überwachungsplan verpflichtet, einschließlich einer Kosten-/Nutzen-Analyse der Kraftwärmekopplung unter Maßgabe der öffentlichen Beschaffung (Direktive 2004/17/EG). • Die entsprechenden Planungen mussten bis April 2013 eingereicht worden sein. Der Gebäudebestand soll schrittweise auf einen verminderten Energiebedarf umgestellt werden. Das Einsparpotential einer Wärmedämmung ist aufgrund der Energieabschottung umstritten. Ab 2020 soll das Plus-Energie-Haus den Neubaubereich bestimmen. Eine monatliche Zählerablesung ergibt eine bessere Übersicht über den Stromverbrauch. • Sampling-Theorie nach Claude E. Shannon (1949): Wenn eine Funktion f(t) keine höheren Frequenzen als W Zyklen pro Sekunde besitzt, wird sie vollständig durch eine Reihe von Datenpunkten im Abstand von 1/2 W Sekunden bestimmt. • Um saisonal bedingte Verbrauchsschwankungen (Zyklen) etwa im Zeitraster von zwei Monaten zu erkennen, muss ein Stromzähler im zweifachen Zeitabstand und somit z. B. einmal pro Monat abgelesen werden. • Wird durch einen entsprechenden Transparenzgewinn der bundesweite Stromverbrauch um 2% reduziert, kann bei 600 Terawatt-Stunden Elektroenergie pro Jahr rechnerisch auf ein Braunkohlekraftwerk wie Schwarze Pumpe (12 TWh/a) verzichtet werden. Einsparungen: • beim CO2-Emissionshandel über 100 Millionen €/a • in jedem Haushalt rund 2 € monatlich Herkömmliche Ableseverfahren liefern keine Informationswerte über laufende Stromverluste. Die Sampling-Theorie setzt die zweifache Ablesefrequenz zur eindeutigen Steuerung eines Prozesses mit bestimmter Frequenz voraus. • Informationsverluste bei Verbrauchsentscheidungen verursachen Energieverluste. • Energieverbrauchs-Zähler werden aber nur: einmal monatlich in den USA bzw. einmal jährlich in den meisten EU-Staaten abgelesen. • Elektronische Zähler liefern ständig momentane Daten zur zeitaktuellen Verbrauchssteuerung. Die Entropiezunahme beim Energieverbrauch wird durch vorauseilende Informationen verringert. • Entropie: Ordnungsverlust eines physikalischen Zustands, bei dem innere Energie in zerstreute Wärme umgewandelt wird (Rudolph Clausius). • Nach Norbert Wiener ergibt die WahrscheinlichkeitsRelation für Entropie H gleichermaßen die Negativgröße einer äquivalenten Informationsmenge. ∞ • H = - ∫ w(v) log2 w(v) dv -∞ Daraus folgt, “dass Prozesse, die Information abgeben - wie zu erwarten ist -, fast den Prozessen analog sind, die Entropie gewinnen.”. Norbert Wiener, Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine (Cambridge: MIT Press, 1947), p. 76. Ein Informationszuwachs über intelligente Stromzähler verringert Energieverluste (Entropie). • Kumulative Zählerstände haben keine Beziehung zu den täglichen Netzbedingungen oder zur Umwelt. Ein Teil der vorhandenen Energieressourcen geht zufällig getroffenen Entscheidungen verloren. • Preisbildung in Echtzeit steigert die Aufmerksamkeit des Kunden auf wirtschaftlich erzielbare Einsparmöglichkeiten durch die Rückkopplung von Daten über den Eigenverbrauch, allgemeine Netzauslastung und Belastungen der Umwelt. Eine laufende Datenrückführung zum Verbraucher fördert kostensparendes Verhalten. D.R.E.A.M.-Controller Verbrauchsentscheidungen können manuell oder automatisch durchgeführt werden. Die Kosten von intelligenten Stromzählern können auf Mehrfachanwendungen verteilt werden. Eine elektronische Dateninfrastruktur für Stromzähler ermöglicht den Anschluss drahtloser Sensoren und Wandlern zur Realisierung eines flächendeckenden Umwelt- und Sicherheitsnetzes mit: • Messung des Wasser- und Heizenergieverbrauchs • Umweltmonitoring (Staub, Lärm, Ozon) • Einbruchsicherung, Wasserrohrbruch-, Rauch- und Feuermelder • Fernsteuerung und -wartung von Haushaltsgeräten und Heizkesseln Der unterschiedliche Energieverbrauch in den einzelnen Wohnungen erfordert Quervergleiche. Wärmeverbrauch Wohnsiedlung Vergleichsgrafiken auf amerikanischen Stromrechnungen Verbrauchsstreuungen werden durch Quervergleiche mit vorangegangenen Monaten oder mit anderen Haushalten sichtbar. Quervergleiche werden von Stromzählern oder externen Messeinrichtungen vorgenommen. In Deutschland ermöglicht das Gesetz zur Öffnung des Messwesens (2008) die eigenständige Nutzung und somit auch die Vernetzung von Stromzählern. Werbung von Greenbox USA Die Energieversorger der Zukunft könnten im virtuellen Raum angesiedelt sein. • • Der im Internet angesiedelte virtuelle Handel erlaubt den Ein- und Verkauf von Energie an vereinbarten Knotenpunkten im Stromund Gasnetz. Lieferanten können auf konventionelle und erneuerbare Quellen sowie auf Energiespeicher zurückgreifen. Kunden mit intelligenten Verbrauchszählern bestimmen die Absatzbedingungen und tragen in Echtzeit zur Netzstabilisierung bei. Eine geschlossene Energieversorgung ist für alle Bereiche außer der Schwerindustrie erreichbar. Die traditionelle Einzelstückfertigung lässt sich teilweise durch 3D-Drucktechnologie ersetzen. 3D-Druckerstation Ein 3D-Produkt enthält die Fertigungsenergie, die eine Zwischenspeicherung erübrigen kann. Das Endprodukt ist ein innewohnender Energiespeicher. Genügt es, ein 3D-Erzeugnis erst zum Zeitpunkt ausreichender Energieverfügbarkeit zu produzieren, wird eine Zwischenspeicherung überflüssig. Kontakt: Ing.-Büro Jeffrey H. Michel, MSc. Sommerhuder Straße 23 22769 Hamburg [email protected] Tel.: 040 – 51906826 Mobil: 0176 – 28061314
