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Die Zukunft des Fliegens Lösungsansätze zwischen Klimawandel und Ölkrise Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 1 Das Bauhaus Luftfahrt Steckbrief Als gemeinnütziger Verein 2005 gegründet von • EADS (einschließlich Tochterunternehmen) • Liebherr-Aerospace • MTU Aero Engines • Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie Ein visionäres Systemhaus für die Luftfahrt • Förderung der Kooperation zwischen der Industrie, der Wissenschaft und der Politik • Interdisziplinäre Forschung in den Bereichen Wirtschaft, Technik und Design Ziel: Neue Lösungsansätze für die Mobilität von Morgen Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 2 Das Bauhaus Luftfahrt Idee Ein Bauhaus für die Luftfahrt in Anlehnung an die Tradition des „Bauhauses“, der Hochschule für Gestaltung im Dessau der 1920er-Jahre Ein firmen- und fachübergreifender „Think Tank“, der Konzepte und Strategien für die Luftfahrt der Zukunft entwickelt Business Basic research Fuels Solutions for Mobility Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 3 Agenda Das Problem • Der Klimawandel, die Ölkrise, die ACARE-Ziele Der Rahmen • Die Ökonomie des Umweltproblems • Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Der mögliche Weg • Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 4 Agenda Das Problem • Der Klimawandel, die Ölkrise, die ACARE-Ziele Der Rahmen • Die Ökonomie des Umweltproblems • Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Der mögliche Weg • Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 5 Der Klimawandel Herausforderung des 21. Jahrhunderts 14,6 - 360 14,4 14,2 - 340 14,0 - 320 13,8 13,6 - 300 Seit Beginn der systematischen Aufzeichnung des Klimas ist die Temperatur parallel mit der Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre kontinuierlich angestiegen Der vom Menschen verursachte Klimawandel ist heute im Wesentlichen wissenschaftlicher Konsens 13,4 - 280 13,2 - 260 Mittlere globale Jahrestemperatur [ºC] CO2–Konzentration in der Atmosphäre [ppm] Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 2000 1990 1980 1970 1960 1950 1940 1930 1920 1910 1900 1890 1880 1870 1860 1850 13,0 Wie genau aber welche menschliche Tätigkeit den Klimawandel beeinflusst, ist oft noch nicht bekannt Die gegenwärtige Debatte um Biokraftstoffe zeigt, dass das Verständnis der Klimawirkungen in vielen Fällen noch unzureichend ist 6 Der Klimawandel Rolle des Luftverkehrs Der globale Luftverkehr verursacht weniger als 2% aller Treibhausgasemissionen Globale Treibhausgasanteile nach Sektor [%] Andere Verursacher 10,1 86,0 13,9 Straßentransport Inlandsflüge Auslandsflüge 0,7 0,8 1,1 1,1 Durch Höheneffekte erreichen diese Abgase jedoch eine größere Klimawirkung Schiffsverkehr Andere Transportwesen Wie stark genau diese Effekte sind, ist jedoch noch immer umstritten Einer Studie (2007) des Max-PlanckInstitutes für Meteorologie zu Folge liegt der Gesamteffekt bei 3-7% Einem aktuellen Artikel (2009) der IPCC-Autoren zu Folge liegt der Gesamteffekt bei 4,9% (Unsicherheitsbereich: 214%), wenn man Zirren-Bildung berücksichtigt Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 7 Die Ölkrise Endlichkeit der Ressourcen [Mio. Barrel pro Tag] 130 120 110 100 90 80 70 60 Globale Ölfunde und Ölproduktion Größtes Ölfeld (Saudi Arabien) Erschöpfung Ölreserven laut: • IHS (2005) • EIA (2005) • Exxonmobil (2005) • CERA (2005) • IEA (Alternative, 2005) • LAHERRERE (2005) • BP (2005) • OPEC (2004) • TOTAL (2005) • KOPPELAAER (2005) • ASPO (ver 5.0926, 2005) Zweitgrößtes Ölfeld (Kuwait) 50 40 30 20 10 1920 1930 1940 Produktion Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 1950 1960 1970 1980 Ölfunde an Land 1990 2000 Tiefseefunde 8 Die ACARE-Ziele Vision 2020 Moderne Triebwerke Getriebefan -20% Neue Triebwerke Moderne Flugzeugentwicklungen WärmetauscherTriebwerk -20% Neue Konfigurationen Verkehrsführung -10% ATM 50% Reduzierung von Verbrauch bzw. Emissionen bis 2020 Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 9 Die ACARE-Ziele Neue Triebwerkskonzepte Getriebefan • Pratt & Whitney und MTU Aero Engines • Fan und Turbine müssen nicht mehr in gleicher (jeweils sub-optimaler) Geschwindigkeit laufen, sondern können über ein Getriebe jeweils separat optimal eingestellt werden • Potential: Experten erwarten 20-25% • Erwartete Marktreife: 2013 Open Rotor • Rolls Royce und General Electric • Erhebliche Verbesserung des Nebenstromverhältnisses • Potential: Testergebnisse aus den 1980ern deuten auf ein Einsparpotential von 30% hin • Erwartete Marktreife: 2017 Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 10 Agenda Das Problem • Der Klimawandel, die Ölkrise, die ACARE-Ziele Der Rahmen • Die Ökonomie des Umweltproblems • Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Der mögliche Weg • Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 11 Die Ökonomie des Umweltproblems Externe Effekte Soziale Grenzkosten Preis Private Grenzkosten = Angebot Externe Kosten pSoz „…greatest and widest ranging market failure ever seen“ pMarkt Stern Report (2006) Nachfrage xSoz Florian Riegel, Promotionsförderung xMarkt Menge Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 12 Die Ökonomie des Umweltproblems Externe Effekte Steuern/Zertifikate Soziale Grenzkosten Preis Private Grenzkosten • Marktpreise werden = Angebot simuliert • Reduzieren die Nachfrage bis zum gewünschten/ optimalen Niveau pSoz pMarkt t • Reduzierung erfolgt dort, wo es am kostengünstigsten ist Nachfrage xSoz Florian Riegel, Promotionsförderung xMarkt Menge Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 13 Agenda Das Problem • Der Klimawandel, die Ölkrise, die ACARE-Ziele Der Rahmen • Die Ökonomie des Umweltproblems • Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Der mögliche Weg • Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 14 Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Allgemein • Einführung 2005, zunächst v.a. für stationäre Kraftwerke und ausgewählte Industrien Europäischer Emissionshandel: Preis für eine tCO2 [€/tCO2] 40 35 30 25 20 • Spot-Preis (für 2. Handelsperiode): aktuell ~ 13 € Start 15 10 • Futures-Preis (für 3. Handelsperiode): 15–27 € 5 0 1-Okt 04 1-Jan 05 1-Apr 05 1-Jul 05 1-Okt 05 1-Jan 06 1-Apr 06 Spot-Preis für 1. Handelsperiode Florian Riegel, Promotionsförderung 1-Jul 06 1-Okt 06 1-Jan 07 1-Ap 07 1-Jul 07 1-Okt 07 Futures-Preis für 3. Handelsperiode Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 • Volumen ETS: 2.298 Mio. tCO2 (2007) 2.081 Mio. tCO2 (2012) 1.720 Mio. tCO2 (2020) 15 Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Luftverkehr Gültigkeit • Ab 2012 alle Flüge, die an einem Flughafen in der EU starten oder landen • Betrifft ungefähr ein Drittel der weltweiten RPK Zertifikate • Gesamtmenge: 97% der mittleren Emissionen von 2004–2006 ca. 210 Mio. tCO2 • Kontingent: 15% der Zertifikate versteigert, potentiell höhere Anteile in den folgenden Jahren; freie Zuteilung von 82%; 3% Reserve für neue Airlines • Zuteilung erfolgt pro Airline auf Basis der RTK im vorletzten Jahr • Offenes System: Zertifikate aus anderen Sektoren des ETS können zugekauft werden Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 16 Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Luftverkehr • Kosten für Zertifikate 2012 (bei 10-30 €/tCO2): 755–2.265 Mio. € Auf dem Markt zugekauft 15% 85% Versteigert Freie Zuteilung • Kosten 2012-2020 (bei 10-30 €/tCO2): 10.750–32.250 Mio. € (akkumuliert) • Auswirkungen auf den Ticketpreis (bei 10-30 €/tCO2): 5–40 Euro in 2020 Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 17 Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Bewertung Verzerrung des Wettbewerbes durch Langstreckenflüge nichteuropäischer Fluggesellschaften: • Für nicht-europäische Fluggesellschaften: Nur die neusten Langstreckenflugzeuge fallen unter das ETS (ohne FeederFlotte) • Für europäische Fluggesellschaften: Die gesamte Flotte fällt unter das ETS (inkl. Feeder-Flotte) • Europäische Fluggesellschaften weisen dadurch höhere mittlere Emissionen pro RTK auf und bekommen entsprechend relativ weniger freie Zertifikate zugeteilt (Zuteilung auf Basis der RTK) • Umgehung der europäischen Hubs bei Verbindungen zwischen Amerika und Asien Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 18 Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Bewertung Grundsätzlich richtiger Ansatz • Ökonomisch sinnvolles Instrument • Kritikpunkte im Detail der Ausgestaltung Problematisch (klimapolitisch): • Leider nur regional, nicht weltweit Verschiebung der Nachfrage in andere Länder; ein regionaler Ansatz löst nicht das Klimaproblem – jedoch ist der europäische Vorstoß ein notwendiger Stein, der einen internationalen Prozess ins Rollen bringt • Alle Sektoren, die zum Klimawandel beitragen, müssen mit eingeschlossen werden Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 19 Agenda Das Problem • Der Klimawandel, die Ölkrise, die ACARE-Ziele Der Rahmen • Die Ökonomie des Umweltproblems • Das Europäische Emissionshandels-System (ETS) Der mögliche Weg • Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 20 Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl Synthetische Kraftstoffe Biokraftstoffe Flüssige Gase Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 21 Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl Synthetische Kraftstoffe Biokraftstoffe Flüssige Gase Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 22 Alternative Kraftstoffe Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl • • • Ölsande (Kanada) Ölschiefer (USA) Schweröl (Venezuela) [Mt] Weltweite Ölreserven 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 23 Alternative Kraftstoffe Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl • • • Ölsande (Kanada) Ölschiefer (USA) Schweröl (Venezuela) [Mt] Weltweite Ölreserven und unkonventionelle Ölressourcen 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 24 Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl Synthetische Kraftstoffe Biokraftstoffe Flüssige Gase Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 25 Alternative Kraftstoffe Synthetische Kraftstoffe • • Coal-to-Liquid (CTL) Gas-to-Liquid (GTL) • • • • • • • Hoher Energiegehalt pro Masse und Volumen (~ Kerosin) Niedriger Gefrierpunkt: ~ –50 C Exzellente thermale Stabilität Kein Schwefelanteil (Fast) keine Ruß-Partikel Beimischungsfähig Aber: hohe CO2-Emissionen (über den gesamten Lebenszyklus) 180% 150% 100% CTL GTL Jet fuel CTL Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 GTL Jet fuel 26 Alternative Kraftstoffe Synthetische Kraftstoffe [Mt] 120.000 [Mt] Erdgasreserven in ausgewählten Ländern 120.000 100.000 100.000 80.000 80.000 60.000 60.000 40.000 40.000 20.000 20.000 0 0 Florian Riegel, Promotionsförderung Kohlereserven in ausgewählten Ländern Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 27 Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl Synthetische Kraftstoffe Biokraftstoffe Flüssige Gase Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 28 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (1. Generation) • Bioethanol (Zuckerrohr, Zuckerrübe, Mais, Weizen, etc.) • • • Biodiesel (Raps, Soja, Ölpalme, Babassu, Jatropha, etc.) • • • • Florian Riegel, Promotionsförderung Signifikante Probleme für Triebwerk und Flugzeugzelle, z.B. bzgl. Gefrierpunkt und Thermostabilität Niedrigerer Energiegehalt als bei Kerosin Niedriger Flächenertrag, außer bei Zuckerrohr und Ölpalme Wettbewerb zwischen Kraftstoffund Nahrungspflanzen Beschränkte Beimischungsfähigkeit Praktikabel für Kolbenmotoren Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 29 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (2. Generation) • • • • Bioethanol (Zellulose, etc.) Biomass-to-Liquid (BTL) (schnellwachsende Gräser und Sträucher, etc.) • • • Hoher Energiegehalt (~ Kerosin), außer bei Bioethanol BTL: Synfuel wie CTL und GTL HVO: vielversprechende Bio-FlugKraftstoffe, ähnlich zu BTL Beimischungsfähig, außer bei Bioethanol Hydrierte Pflanzenöle (HVO) (Raps, Soja, Ölpalme, Babassu, Jatropha, etc.) Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 30 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (3. Generation) • Algen • • Halophyten • Kein Wettbewerb mit Agrarflächen (wachsen auf Flächen, die für die Landwirtschaft ungeeignet sind) geschätzte jährliche Flächenerträge sind extrem hoch Aber: • Großtechnische Produktion und Pflanzung ist bisher unerprobt • Bisher noch kein Algen-Stamm mit der richtigen KohlenstoffKettenlänge gefunden Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 31 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Potential) [EJ pro Jahr] Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 32 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Potential) Mais Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 33 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Potential) Ölpalme Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 34 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Potential) Raps Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 35 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Potential) Zuckerrohr Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 36 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Nachhaltigkeit) Mexiko: Anfang 2007 explodieren die Tortillapreise. Sie steigen in einigen Regionen um das Vierfache auf 30 Pesos pro Kilo (rund zwei Euro) an – die Hälfte der Bevölkerung hat täglich weniger als 20 Pesos zur Verfügung. Ein Grund ist die Verknappung des Rohstoffs Mais, der in den Vereinigten Staaten vermehrt für die Produktion von Bioethanol eingesetzt wird. Indonesien: Das Land möchte seine Palmölplantagen bis ins Jahr 2020 um rund 200.000 km² ausweiten – das entspricht in etwa der Fläche von England und Schottland zusammen. In Folge räuberischer Brandrodungen leidet die lokale und regionale Bevölkerung unter einer starken Luftverschmutzung – ein Drittel der Kinder kämpft mit Atemwegserkrankungen. Brasilien: Einige Unternehmen zwingen ihre Arbeiter dazu, bis zu 15 Tonnen Zuckerrohr am Tag zu schneiden. Es gibt kein Trinkwasserangebot, das Essen ist meist verdorben und für ihren Lohn müssen die Arbeiter überteuerte Lebensmittel kaufen. Untersuchungen belegen, dass ein Zuckerrohrarbeiter mit einer zwölf Jahre geringeren Lebenserwartung rechnen muss. Kolumbien: Vor zehn Jahren wurden Hunderte Kolumbianer afrikanischer Herkunft aus der Region Curbaradó anlässlich einer Militäraktion vertrieben. Jetzt, wo viele mit Hilfe von regierungsunabhängigen Organisationen zurückkehren wollen, finden sie ihre Häuser zerstört und das Land mit Ölpalmen bebaut. Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 37 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Nachhaltigkeit) Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 38 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Promotion) Berechnung von Netto-Flächen Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 39 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Promotion) Berechnung von Netto-Flächen Florian Riegel, Promotionsförderung Abschätzung von Nahrungsflächen Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 40 Alternative Kraftstoffe Biokraftstoffe (Promotion) Berechnung von Netto-Flächen Florian Riegel, Promotionsförderung Abschätzung von Nahrungsflächen Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 Abschätzung von Erträgen 41 Alternative Kraftstoffe Florian Riegel, Promotionsförderung Kraftstoffe aus unkonventionellem Öl Synthetische Kraftstoffe Biokraftstoffe Flüssige Gase Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 42 Alternative Kraftstoffe Flüssige Gase • Flüssiges Erdgas (LNG) (Erd- und Biogas) • • Flüssiger Wasserstoff (LH2) (Rohölbasiert, DampfReformierung von Erdgas, Elektrolyse, Biogas) • 1,00 0,85 0,35 LH2 4,10 1,00 LNG Jet A-1 Masse pro Energiegehalt Florian Riegel, Promotionsförderung • • Höherer Energiegehalt pro Masse aber niedrigerer Energiegehalt pro Volumen (im Vergleich zu Kerosin) Signifikante Änderungen von Triebwerk, Flugzeugzelle und Infrastruktur notwendig Nicht Beimischungsfähig Keine zeitnah praktikable Lösung Jet A-1 1,53 LNG LH2 Volumen pro Energiegehalt Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 43 Alternative Kraftstoffe CO2-Bilanzen CO2-Bilanzen alternativer Kraftstoffe (Kerosin entspricht 100%) 350% 160% 81% 50% 63% 100% 65% 50% 13% Florian Riegel, Promotionsförderung 87% 180% 20% 14% Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 10% 44 Die Zukunft des Fliegens Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Florian Riegel, Promotionsförderung Jahrestagung der deutschen Stipendiaten, 26. Juli 2009 45
