Vortrag von Prof. Dr. Jürgen Schmid zum Weltklimavertrag und Kältetechnik

1. Weltklimavertrag und Kältetechnik
8. Dezember 2009, 2. Fachtagung Kälte- und Klimatechnik im Kontext der
nationalen und internationalen Klimaschutzpolitik
Prof. Dr. Jürgen Schmid
Mitglied im WBGU -
„Wissenschaftlicher
Beirat der Bundes-
regierung Globale
Umweltveränderungen“
Leiter Fraunhofer IWES
Institut für Windenergie
und Energiesystemechnik

2. Globale Situation und zukünftige Trends
14
Weltbevölkerung [M illiarden]
Welt energiebedarf [ 1013 kWh ]
CO2 -Konzentrat ion [ppm]
13
Globales Wachst um Bevölkerung, 370
12 Energiebedarf, CO2 -Konzentration
11 360
10
360
9 Welt energiebedarf
8 340
7
330
6 CO2-Konzent rat ion in der
5 At m osphäre 320
4
310
3
Welt bevölkerung 300
2
1
290
0
1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
© Fraunhofer IWES

3. 1979
© Fraunhofer IWES
Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research

4. 2007
© Fraunhofer IWES
Source: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research

5. Herausforderung Klimaschutz
Notwendige Reduktionen
Quelle: PIK 2007
© Fraunhofer IWES

6. Beispiele globale Emissionspfade für den Zeitraum 2010 -
2050,
um die 2 °C-Leitplanke mit 67 % Wahrscheinlichkeit
einzuhalten
Max. Emissionsmenge global 750 Mrd. t CO2
Um diese Kurven
einzuhalten, sind
in den frühen
2030er Jahren
jährliche Reduktionsraten
von 3,7 % (grün),
5,3 % (blau) bzw.
9,0 % (rot)
notwendig
(bezogen
auf 2008).
Quelle: WBGU
© Fraunhofer IWES

7. Effizienzsprung KWK und direkter Strom aus EE
1) Energieeffizienz (trad. Biomasse, etc.)
Stromerzeugung
2) Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung
3) Ausbau der erneuerbaren Energien (Wind, Solar, Wasser)
Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
© Fraunhofer IWES

8. Effizienzsprung Elektromobilität: Faktor 3 - 4
Verkehr
5) Umstieg auf Elektromobilität Vorteile der Elektromobilität:
- Abwärmenutzung möglich
2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung - CO2-Abtrennung möglich
- kein Feinstaub in den Städten
- weniger Lärm
- Stromspeicher
Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
© Fraunhofer IWES

9. Effizienzsprung regenerative Wärmepumpen
Wärmebereitstellung
4) Nutzung von Elektrowärmepumpen
2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung
Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008
© Fraunhofer IWES

10. 4 Schritte zur „verzichtsfreien“ Energieeffizienz
Energiebedingte
CO2-Emissionen
CO2 Emissionen
Energiebedingte
Grafik: BWK 2008
© Fraunhofer IWES

11. Abwärmepotential und Nutzwärmebedarf
§ Abwärme aus der Kälteerzeugung 230 TWh
§ Heizungsbedarf 620 TWh
§ Warmwasserbedarf 120 TWh
© Fraunhofer IWES

12. Elektroendenergieverbrauch Deutschland
700 2008: 639 TWh
3,1 % Sonstige nreg.
Wasserkraft nreg.
Elektroendenergie-Verbrauch [TWh]
600
13,0 % Erdgas
1,7 % Mineralöl
500
23,5 % Braunkohlen
400
300 20,1 % Steinkohlen
200
23,3 % Kernenergie
100 Müll
Wasserkraft reg.
15,4 % Biomasse
Photovoltaik
0 Windkraft
1990 1995 2000 2005 2008
Daten-Quelle: BMWi, Referat III C 3, 26.05.2009, Diagramm: Jörn Schwarz, ArGe Kälte
© Fraunhofer IWES

13. Entwicklung der Windenergie
Installierte Leistung Windstromerzeugung
125.000 50.000
[MW] Welt Deutschland [GWh]
Europa
Deutschland
100.000 40.000
75.000 30.000
50.000 20.000
25.000 10.000
0 0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Quellen: BTM consult, windpower monthly, IWR, IWES M. Durstewitz, BWE, WWEA, Stand März 2009, Angaben für 2008 vorläufig
© Fraunhofer IWES

14. Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit
DLR / UNDP / Harvard
Hoogwijk / DLR
DLR
FAO / WBGU
UNDP / DLR
UNDP / DLR
UNDP
Quellen: s. Abb.
© Fraunhofer IWES

15. IWES Szenario “100% EE”für WBGU:
Primärenergiebedarf 2010 - 2050
EE-Primärenergie nach Wirkungsgradmethode
Quelle: Sterner, Schmid, 2009
© Fraunhofer IWES

16. IWES Szenario “100% EE”für WBGU
Energiebedingte Emissionen 2010 - 2050
Ca. 730 G t CO2 bis 2050
à 2°C Klimaziel mit Wahrscheinlichkeit
von 67 % erreicht,
dafür ist aber ein massiver Umbau
des Energiesystems notwendig
Quelle: Sterner, Schmid, 2009
© Fraunhofer IWES

17. Windleistungsprognose
Wetterprognosen Windleistungsprognosen
Clusterprognose
für die Standorte für die repräsentativen
Wirk-/Blindleistung
von rep. Windparks Windparks
Leistungsprognose mit
künstlichen neuronalen Netzen
Windleistungsprognose
12000
Online
Forecast D+1
10000 Forecast 4H
Forecast 2H
8000
Power [MW]
6000
4000
Numerisches 2000
Wettermodell
0
14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1
Day
© Fraunhofer IWES

18. Einbindung von Stromkunden in ein intelligentes
Verteilnetz –Geschäftsmodelle und IT
BEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface
© Fraunhofer IWES

19. Einbindung von Stromkunden in ein intelligentes
Verteilnetz –Geschäftsmodelle und IT
© Fraunhofer IWES

20. Zusammenfassung und Fazit
§ Die existierenden Weltenergiesysteme müssen vollständig umgebaut
werden.
§ Der Umbau muss sofort beginnen und bis 2050 abgeschlossen sein.
§ Die 3 wichtigsten Elemente zur Steigerung der Effizienz sind:
§ Kraft-Wärme-Kopplung
§ Elektromobilität
§ Wärmepumpen / Kältemaschinen
§ Der Kältesektor kann einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der
Klimaschutz-Ziele leisten.
© Fraunhofer IWES

21. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fraunhofer Institut für Windenergie und
Energiesystemtechnik
Bremerhaven und Kassel
advancing wind energy and energy system
technology
Gründung: 1. 1. 2009 Mitarbeiter: ca. 160
Leitung: Dr. Hans-Gerd Busmann, Prof. Dr. Jürgen Schmid
Hervorgegangen aus:
n Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik
CWMT in Bremerhaven
n Institut für Solare Energieversorgungstechnik
ISET in Kassel
Forschungsspektrum:
n Windenergie von der Materialentwicklung bis zur
Netzoptimierung
n Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien

22. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fraunhofer Institut für Windenergie und
Energiesystemtechnik
Bremerhaven und Kassel
advancing wind energy and energy system
technology
Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Schmid
jschmid@iset.uni-kassel.de
Tel. 0561 7294-345
Weitere Informationen:
www.wbgu.de
www.iwes.fraunhofer.de

23. Reserve
© Fraunhofer IWES

24. Vergleich der Stromgestehungskosten
US Cent
EuroCent kWh
kWh Quellen: IEA, IPCC, EPRI, IWES CO2 capture
6 Emissionszertifikate 20 Euro je t 9
IEA max. IPCC 8
5 min.
7
4 6
5
EPRI
3
4
2 3
2
1
1
Quelle: IEA, IPCC, 2007
0 0
Coal Gas Nuclear Wind Micro Coal New New PC New Coal New New PC New
Hydro (sub-bit.) NGCC IGCC (sub-bit.) NGCC IGCC
© Fraunhofer IWES

25. Entwicklungspotential Kosten Strom aus EE
Quelle: Schmid, Bard, WBGU, 2007
© Fraunhofer IWES

26. Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- und
Gasnetz – Renewable Power (to) Methane
Quelle: Sterner, 2009
© Fraunhofer IWES

27. Strom
§ Ausbau Windenergie
§ Ausbau Solarenergie
§ Ausbau Bioenergienutzung (KWK) bis zu 150 EJ
nachhaltige Potentialgrenze
§ sehr gemäßigter globaler Ausbau der Wasserkraft
(max. 1% p.a.)
§ konstanter Beitrag der Kernenergie (Ersatz alter
Kraftwerkskapazität durch neue)
§ gemäßigtes Wachstum von Meeresenergie und
Geothermie
© Fraunhofer IWES

28. Wärme / Kälte
§ Ausbau Kraft-Wärme-Kopplung
§ Ausbau Biomasse (KWK)
§ Überwindung der trad. Biomassenutzung
§ Ausbau Elektrowärmepumpen (Geothermie)
§ Ausbau Solarwärme
§ Optional: erneuerbares Methan für Prozesswärme /
Kälte
© Fraunhofer IWES

29. Verkehr
§ Ausbau Elektromobilität
§ Ausbau erneuerbares Methan
§ Keine Biokraftstoffe
§ Strom als primäre Quelle für den Verkehr
(direkt und über synthetisches Erdgas)
© Fraunhofer IWES

30. Technisches Potential erneuerbarer Energien weltweit
à der globale Primärenergiebedarf kann durch erneuerbare
Energien um ein Vielfaches gedeckt werden Quellen: s. Abb.
© Fraunhofer IWES

31. Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit
Quellen: s. Abb.
© Fraunhofer IWES

32. Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus
fossilen Quellen für drei Ländergruppen nach dem
Budgetansatz ohne
Sie erlauben zwar eine
Emissionshandel.
Einhaltung der nationalen
Budgets, würden aber z. T. in
der Praxis nicht umsetzbar
sein. Die Ländergruppen ordnen
sich nach den jährlichen CO2-
Emissionen pro Kopf aus
fossilen Quellen, wobei die
CO2-
Emissionen Schätzungen für
das Jahr 2008 und die
Bevölkerungszahlen
Schätzungen für das Jahr 2010
sind. Rot: Ländergruppe
1 (>5,4 t CO2 pro Kopf und
Jahr), vor allem Industrieländer
(z. B. EU, USA, Japan), aber
auch ölexportierende Länder (z.
B.
Saudi-Arabien, Kuwait,
Venezuela) und wenige
Schwellenländer (z. B.
Südafrika, Malaysia). Orange:
© Ländergruppe 2 (2,7–5,4
Fraunhofer IWES
t CO2 pro Kopf und Jahr), hier
finden sich viele

33. Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilen
Quellen für drei Ländergruppen nach dem Budgetansatz, die
sich durch einen Emissionshandel ergeben könnten
(durchgezogene Kurven).
Dabei wurde angenommen, dass die Länder
der
Gruppe 1 ihr Budget um 75 % erhöhen, indem
sie Emissionsrechte für 122 Mrd. t CO2
hinzukaufen. Die Länder in Gruppe 2
kaufen Emissionsrechte im Umfang von
insgesamt 41 Mrd. t CO2 hinzu. Als Verkäufer
der insgesamt 163 Mrd. t CO2 treten
die Länder der Gruppe 3 auf, deren Budget
damit um etwa 43 % sinkt. Gegen Ende des
Budgetzeitraums ergibt sich eine
Annäherung der realen CO2-Emissionen bei
etwa 1 t pro Kopf und Jahr (bezogen auf die
Bevölkerung im Jahr 2010). Die
gestrichelten Kurven zeigen die theoretischen
Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 ohne
Emissionshandel aus Abbildung
1. Die Flächen zwischen den Kurven
veranschaulichen die gehandelte Menge an
Emissionszertifikaten. Da es sich um eine
Darstellung pro Kopf handelt und die
Ländergruppen unterschiedliche
Bevölkerungsstärken haben, stimmen die
Flächen
zwischen den kaufenden Ländergruppen 1 und
2 in der Summe nicht mit der Fläche der
verkaufenden Ländergruppe 3 überein.
Quelle: WBGU
© Fraunhofer IWES

34. Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnung
des arktischen Meereises.
a) Gezeigt sind drei verschiedene Emissionsszenarien (B1, A2 und A1FI); die farbigen Bereiche sind die dazu gehörigen
klimatologischen Unsicherheitsspannen. Ohne erfolgreiche Klimaschutzmaßnahmen würde selbst beim optimistischsten
Emissionsszenario (B1) die 2 °C-Leitplanke überschritten. Einsatzgrafik: Vergleich der beobachteten Temperaturen bis
2008 (NASA, 2009) mit den Projektionen des 3. IPCC-Berichts (IPCC, 2001) (grauer Bereich und gestrichelte Linien). Die
Messdaten zeigen Jahreswerte der globalen Temperatur (hier im Gegensatz zur Hauptgrafik relativ zu 1880– 1920) sowie
eine geglättete Klimatrendlinie. Quelle: modifiziert nach Rahmstorf et al., 2007
© Fraunhofer IWES

35. Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnung
des arktischen Meereises.
b) Neuere Projektionen des globalen Meeresspiegelanstiegs bis zum Jahr 2300 (relativ zu 1990). Die WBGU-
Leitplanke von 1 m über dem vorindustriellen Wert ist ebenfalls gezeigt (WBGU, 2006). Da zwischen dem Beginn der
Industrialisierung und dem Jahr 1990 der Meeresspiegel um rund 15 cm gestiegen ist, ist die Linie hier bei weniger als
1 m eingezeichnet. Einsatzgrafik: (1) Messdaten („ Daten“ Pegeldaten nach Church und White, 2006; Satellitendaten
:
bis 2008 aktualisiert nach Cazenave et al., 2008). (2) Projektionen des 3. IPCC-Berichts (IPCC, 2001); Rahmstorf
(2007), grauer Bereich und gestrichelte Linien); rote Balken nach Delta Committee (2008); hellblauer Balken nach
WBGU (2006). Die unterschiedlichen Annahmen hinter diesen Projektionen sind in den angegebenen Quellen erläutert.
Quelle: aktualisiert nach Rahmstorf et al., 2007
© Fraunhofer IWES

36. Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnung
des arktischen Meereises.
c) Meereisausdehnung in der Arktis im Sommerminimum (September), nach Beobachtungsdaten und
den Projektionen des IPCC. Quelle: modifiziert nach Stroeve et al., 2007
© Fraunhofer IWES

37. Grundsätze, Spielräume und Meilensteine des WBGU-
Budgetansatzes
Option I „
Historische Verantwortung“ Zeitraum 1990–2050; 75 % Wahrscheinlichkeit, die 2 °C-
:
Leitplanke einzuhalten; 1990 als Referenzjahr für Bevölkerungsdaten. Berücksichtigt sind ausschließlich
die CO2-Emissionen aus fossilen Quellen. Die CO2-Emissionen für das Jahr 2008 sind Schätzungen.
Quellen: WBGU unter Verwendung von Daten aus: Meinshausen et al., 2009; WRI-CAIT, 2009; U.S.
Census Bureau, 2009
© Fraunhofer IWES

38. 2007: 2384 TWh
2.500
interpoliert
Endenergieverbrauch D [TWh]
2.000 30,0 % Verkehr
2,4 % Beleuchtung
1.500 13,4 % Mech. Energie
1.000 23,1 % Prozesswärme
500 26,1 % Raumheizung
0 5,0 % Warmwasser
1996 1998 2000 2002 2004 2006
Endenergieverbrauch Deutschland
Daten: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Referat III C 3, 26.5.2009
© Fraunhofer IWES

39. 2007: 2384 TWh
2.500
7,3 % Sonstiges
Endenergieverbrauch D [TWh]
8,2 % Kohle, Fernwärme
2.000
20,7 % Elektroendenergie
1.500
23,1 % Gas
1.000
interpoliert
35,7 % Öl, Kraftstoff
500
0 5,0 % Warmwasser
1996 1998 2000 2002 2004 2006
Endenergieverbrauch Deutschland
Daten: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Referat III C 3, 26.5.2009
© Fraunhofer IWES

40. Industrie
5,1 % Fahrz., Wasser
43,7 % 4,5 % Kfz., Straße
Bürogebäude
D KV-Statu sbe rich t, N r. 22, 2 00 2 (D ate n von 19 99)
Einzelhandel
10,5 % Industrie
Transport
Verteilung, Lagerung
8,0 % Lebensmittel-EH
div. Erzeugung
Sonstige 10,3 %
Klima 7,7 % 30,1 % Nahrungsmittel-
industrie
9,5 %
25,9 %
Nahrungs-
mittel 15,9 % Haushalt
28,2%
28,2 %
Eel = 66 TWh E = 11 TWh Qo = 165 TWh
Technische Erzeugung von Kälte in Deutschland
Elektrischer, nichtelektrischer Aufwand und kältetechnischer Nutzen
© Fraunhofer IWES

41. 265 GWel
Installierte Kälte-Antriebsleistung [GWel ]
+ 14,6 %/a 19,4 % Japan
Schöllkopf et. al.; Eicker et al.;Int. Institute of Refrigeration
+ 17,1 %/a Asien
44,4 % ohne
128 GWel Japan
+ 0,1%/a 3,5 % Naher Osten
+ 13,4 %/a 7,9 % Europa
+ 12,8 %/a 15,6 % USA
+ 12,1 %/a 9,2 % Sonstige
2001 2006
© Fraunhofer IWES

42. Domestic Energy Consumption in Germany 2006 in TWh
(Total: 539,5 TWh)
8,3 16,3 253,3
44,8 Industry
74,8 Private households
Trade and commerce
Public customers
Agriculture
Transport
Source: German BMWi:
Energiedaten, 1.02.2008
142,0
approx. 50% in the
low voltage grid - 50 % of German electrical energy
consumption in the low voltage grid
- Management only by fixed load profiles
and ripple control
© Fraunhofer IWES

43. Potential for load management in German
households
8% Lighting Appliances
17%
Cooking, Cloth drying
19% Entertainment &
Telecommunication
Room heating
Coolers & Freezers
Washing mach., dish
cleaners, Warm water
29% 12%
Source: diagram according to BDEW
press release on household electricity
15% consumption, 17.01.08
40-50% of electricity consumption caused by shiftable loads
Future: heat pumps, plug in hybrids, electric vehicles, …
Restrictions for load management e.g. Washing Machine
Management of micro-generators
and demand side is key element
in future smart low-voltage grids !
© Fraunhofer IWES

44. Koordiniertes Zusammenspiel von Erzeugern, Speichern und Verbrauchern
Regenerativkraftwerk Harz
Device Control
Market Information
Steuerbare
Erzeuger Lasten Speicher
© Fraunhofer IWES

45. Automobile als flexible Speicher für kontrollierte
Netzunterstützung
© Fraunhofer IWES

46. Demonstrationsprojekt: Regenerative Vollversorgung von
1/10.000 der Lastkurve Deutschlands mit realen Anlagen
Weitere Informationen: www.unendlich-viel-energie.de
© Fraunhofer IWES
Dr. Kurt Rohrig
5,5 MW 12,6 MW 4 MW 1 MW

47. Herausforderungen der Netzintegration
Lastprofil & Windenergieeinspeisung dena- Szenario 2015
60000
Last
50000 Last - Wind
40000
Leistung [MW]
30000
20000
10000
Konventionelle Erzeugung = Last –Windenergie = 0 !
0
0 24 48 72 96 120 144
© Fraunhofer IWES

48. Elektromobilität und Smart Grids
§ Automobile als flexible
Speicher im Netz
§ Netzinfrastruktur und
Stromparkplätze
§ Simulation elektro-
chemischer Speicher
§ Dezentrales
Management in
Elektrofahrzeugen
§ Roaming und auto-
matisches Laden
§ Prüfstände und Testfeld
© Fraunhofer IWES

49. Zuverlässige Energieversorgung mit
erneuerbaren Energien
§ Neue Versorgungsstrukturen
§ Intelligente elektrische Netze
und Regelungssysteme für
§ Windenergie
§ Bioenergie
§ Photovoltaik
§ Elektromobilität
§ Speicher
§ Energie- und Leistungs-
management
§…
© Fraunhofer IWES

50. Kostenentwicklung der Windenergie - Lernkurve
Spec. WEA Price each kWh Annual Energy Yield (Reference Location)
1,0000
1991
€|2000| / kWh Reference Output
1996
2000
2006
Progress Ratio = 90%
Def. Reference Location according to EEG, BGBl 2004, No. 40, P. 1929: „Reference location is a location,
which is defined by a Rayleigh distribution with a mean annual wind velocity of 5.5 meter each second in a
height of 30 meter above ground, a logarithmical profile of the height and the roughness length of 0.1 meter.“
0,1000
10 100 1000 10000 100000
Cumulated total installed capacity in MW
Quelle: Hahn, 2007
© Fraunhofer IWES

51. “Desertec” mit heutigen Kosten
5750
Annual Production by Type etc.
23
Mean Costs of Electricity
Costs of Electricity: Produced within Region DK-D
Costs of Electricity DK-D: Import Costs included (external surplus not included)
Costs of Electricity [€ct/kWh]
Annual Production [TWh]
Costs of Electricity by Type
4250
2750
11
5,6 €ct/kWh
ct/kWh
4.6 €ct/kWh 1250
4.6 €ct/kWh
-1 -250
s
.
he e
n
e
es
n
rt
op s
er
al
n
al
du r
s
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ag
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o
bi
G
Ph
So
En
s
an
Pu
lC
ta
To
lu
m
om
To
rp
Tr
ta
Quelle: Czisch, 2005
C
© Fraunhofer IWES To

52. Zukünftige nachhaltige
Energieversorgungssysteme
© Fraunhofer IWES

53. Zusammenfassung und Fazit
§ der Stromsektor kann bis 2030 vollständig auf EE umgestellt und
somit klimaschädliche Kohlenutzung vermieden werden
§ im Wärmesektor gelingt dies bis 2035
§ der schwierigste Sektor in der Dekarbonisierung ist der
Verkehrssektor, der noch eine sehr hohe Abhängigkeit von Erdöl
aufweist
§ auf Biokraftstoffe wird verzichtet (HG Bioenergie), dafür erfolgt die
Einführung von Elektromobilität sehr rasch und die Nutzung von
erneuerbarem Methan aus Wind- und Solarüberschüssen
ebenfalls
§ bis 2050 werden etwa 730 G t CO2 emittiert –d.h. das Budget wird
bis zum Abschluss der Transformation aufgebraucht
§ ein massiver Umbau des Energiesystems ist notwendig, um die
Energiewende auf Basis von Energieeffizienz und EE zu schaffen
© Fraunhofer IWES