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Weltklimavertrag und Kältetechnik (Prof. Dr. Jürgen Schmid)
 

Weltklimavertrag und Kältetechnik (Prof. Dr. Jürgen Schmid)

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

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    Weltklimavertrag und Kältetechnik (Prof. Dr. Jürgen Schmid) Weltklimavertrag und Kältetechnik (Prof. Dr. Jürgen Schmid) Presentation Transcript

    • Weltklimavertrag und Kältetechnik8. Dezember 2009, 2. Fachtagung Kälte- und Klimatechnik im Kontext dernationalen und internationalen KlimaschutzpolitikProf. Dr. Jürgen SchmidMitglied im WBGU -„WissenschaftlicherBeirat der Bundes-regierung GlobaleUmweltveränderungen“Leiter Fraunhofer IWESInstitut für Windenergieund Energiesystemechnik
    • 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
    • 1979© Fraunhofer IWESSource: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research
    • 2007 © Fraunhofer IWESSource: Stefan Rahmstorf, Potsdam Institute for Climate Impact Research
    • Herausforderung Klimaschutz Notwendige Reduktionen Quelle: PIK 2007© Fraunhofer IWES
    • Beispiele globale Emissionspfade für den Zeitraum 2010 -2050,um die 2 °C-Leitplanke mit 67 % Wahrscheinlichkeiteinzuhalten 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
    • 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
    • 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
    • Effizienzsprung regenerative Wärmepumpen Wärmebereitstellung 4) Nutzung von Elektrowärmepumpen 2) Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung Quelle: Sterner, Schmid, Wickert, 2008; WBGU, 2008© Fraunhofer IWES
    • 4 Schritte zur „verzichtsfreien“ Energieeffizienz Energiebedingte CO2-Emissionen CO2 Emissionen Energiebedingte Grafik: BWK 2008© Fraunhofer IWES
    • Abwärmepotential und Nutzwärmebedarf§ Abwärme aus der Kälteerzeugung 230 TWh§ Heizungsbedarf 620 TWh§ Warmwasserbedarf 120 TWh© Fraunhofer IWES
    • 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
    • Entwicklung der Windenergie Installierte Leistung Windstromerzeugung125.000 50.000 [MW] Welt Deutschland [GWh] Europa Deutschland100.000 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
    • Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit DLR / UNDP / Harvard Hoogwijk / DLR DLR FAO / WBGU UNDP / DLR UNDP / DLR UNDP Quellen: s. Abb.© Fraunhofer IWES
    • IWES Szenario “100% EE”für WBGU:Primärenergiebedarf 2010 - 2050 EE-Primärenergie nach Wirkungsgradmethode Quelle: Sterner, Schmid, 2009© Fraunhofer IWES
    • IWES Szenario “100% EE”für WBGUEnergiebedingte 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
    • 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
    • Einbindung von Stromkunden in ein intelligentesVerteilnetz –Geschäftsmodelle und ITBEMI: Bidirektionales Energiemanagement-Interface© Fraunhofer IWES
    • Einbindung von Stromkunden in ein intelligentesVerteilnetz –Geschäftsmodelle und IT© Fraunhofer IWES
    • 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
    • Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Fraunhofer Institut für Windenergie undEnergiesystemtechnikBremerhaven und Kasseladvancing wind energy and energy systemtechnologyGründung: 1. 1. 2009 Mitarbeiter: ca. 160Leitung: Dr. Hans-Gerd Busmann, Prof. Dr. Jürgen SchmidHervorgegangen aus:n Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhavenn Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in KasselForschungsspektrum:n Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierungn Energiesystemtechnik für die erneuerbaren Energien
    • Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Fraunhofer Institut für Windenergie undEnergiesystemtechnikBremerhaven und Kasseladvancing wind energy and energy systemtechnologyKontakt: Prof. Dr. Jürgen Schmid jschmid@iset.uni-kassel.de Tel. 0561 7294-345Weitere Informationen: www.wbgu.de www.iwes.fraunhofer.de
    • Reserve© Fraunhofer IWES
    • Vergleich der Stromgestehungskosten US CentEuroCent 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
    • Entwicklungspotential Kosten Strom aus EE Quelle: Schmid, Bard, WBGU, 2007© Fraunhofer IWES
    • Stromspeicherung durch Kopplung von Strom- undGasnetz – Renewable Power (to) Methane Quelle: Sterner, 2009© Fraunhofer IWES
    • 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
    • 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
    • Verkehr § Ausbau Elektromobilität § Ausbau erneuerbares Methan § Keine Biokraftstoffe § Strom als primäre Quelle für den Verkehr (direkt und über synthetisches Erdgas)© Fraunhofer IWES
    • Technisches Potential erneuerbarer Energien weltweità der globale Primärenergiebedarf kann durch erneuerbareEnergien um ein Vielfaches gedeckt werden Quellen: s. Abb.© Fraunhofer IWES
    • Das technische Potential erneuerbarer Energien weltweit Quellen: s. Abb.© Fraunhofer IWES
    • Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 ausfossilen Quellen für drei Ländergruppen nach demBudgetansatz ohne Sie erlauben zwar eineEmissionshandel. 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
    • Beispiele für Pro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 aus fossilenQuellen für drei Ländergruppen nach dem Budgetansatz, diesich durch einen Emissionshandel ergeben könnten(durchgezogene Kurven).Dabei wurde angenommen, dass die LänderderGruppe 1 ihr Budget um 75 % erhöhen, indemsie Emissionsrechte für 122 Mrd. t CO2hinzukaufen. Die Länder in Gruppe 2kaufen Emissionsrechte im Umfang voninsgesamt 41 Mrd. t CO2 hinzu. Als Verkäuferder insgesamt 163 Mrd. t CO2 tretendie Länder der Gruppe 3 auf, deren Budgetdamit um etwa 43 % sinkt. Gegen Ende desBudgetzeitraums ergibt sich eineAnnäherung der realen CO2-Emissionen beietwa 1 t pro Kopf und Jahr (bezogen auf dieBevölkerung im Jahr 2010). Diegestrichelten Kurven zeigen die theoretischenPro-Kopf-Emissionsverläufe von CO2 ohneEmissionshandel aus Abbildung1. Die Flächen zwischen den Kurvenveranschaulichen die gehandelte Menge anEmissionszertifikaten. Da es sich um eineDarstellung pro Kopf handelt und dieLändergruppen unterschiedlicheBevölkerungsstärken haben, stimmen dieFlächenzwischen den kaufenden Ländergruppen 1 und2 in der Summe nicht mit der Fläche derverkaufenden Ländergruppe 3 überein.Quelle: WBGU© Fraunhofer IWES
    • Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnungdes arktischen Meereises.a) Gezeigt sind drei verschiedene Emissionsszenarien (B1, A2 und A1FI); die farbigen Bereiche sind die dazu gehörigenklimatologischen Unsicherheitsspannen. Ohne erfolgreiche Klimaschutzmaßnahmen würde selbst beim optimistischstenEmissionsszenario (B1) die 2 °C-Leitplanke überschritten. Einsatzgrafik: Vergleich der beobachteten Temperaturen bis2008 (NASA, 2009) mit den Projektionen des 3. IPCC-Berichts (IPCC, 2001) (grauer Bereich und gestrichelte Linien). DieMessdaten zeigen Jahreswerte der globalen Temperatur (hier im Gegensatz zur Hauptgrafik relativ zu 1880– 1920) sowieeine geglättete Klimatrendlinie. Quelle: modifiziert nach Rahmstorf et al., 2007© Fraunhofer IWES
    • Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnungdes 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
    • Zeitliche Entwicklung von Temperatur, Meeresspiegel und Ausdehnungdes arktischen Meereises.c) Meereisausdehnung in der Arktis im Sommerminimum (September), nach Beobachtungsdaten undden Projektionen des IPCC. Quelle: modifiziert nach Stroeve et al., 2007© Fraunhofer IWES
    • Grundsätze, Spielräume und Meilensteine des WBGU-BudgetansatzesOption I „ Historische Verantwortung“ Zeitraum 1990–2050; 75 % Wahrscheinlichkeit, die 2 °C- :Leitplanke einzuhalten; 1990 als Referenzjahr für Bevölkerungsdaten. Berücksichtigt sind ausschließlichdie 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • 265 GWel Installierte Kälte-Antriebsleistung [GWel ] + 14,6 %/a 19,4 % JapanSchöllkopf 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
    • 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
    • Potential for load management in Germanhouseholds 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
    • Koordiniertes Zusammenspiel von Erzeugern, Speichern und Verbrauchern Regenerativkraftwerk Harz Device Control Market Information Steuerbare Erzeuger Lasten Speicher© Fraunhofer IWES
    • Automobile als flexible Speicher für kontrollierteNetzunterstützung© Fraunhofer IWES
    • Demonstrationsprojekt: Regenerative Vollversorgung von1/10.000 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
    • 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
    • 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
    • Zuverlässige Energieversorgung miterneuerbaren Energien § Neue Versorgungsstrukturen § Intelligente elektrische Netze und Regelungssysteme für § Windenergie § Bioenergie § Photovoltaik § Elektromobilität § Speicher § Energie- und Leistungs- management §…© Fraunhofer IWES
    • 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
    • “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 n l ag el se e ic as io tio l po io ag sio yc rm m ow ow w C ta pt os ct an om uc To er ns or Fu C ol el m dp tL M th St ra od d ov Fu gy Bi De nsu rT or ro dr eo in ne lT d Su mp Pr ot la er sp an W lP Hy ta 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
    • Zukünftige nachhaltige Energieversorgungssysteme© Fraunhofer IWES
    • 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