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Universität zu Köln
Die Energiewende „revisited“
The sobering facts and insights
Christoph Buchal
Forschungszentrum Jülichund Universität zu Köln
Lissabon, 13.11.2014
•
Renewables of Primary Energy: 11,5% (Germany 2013)
• Nobody counts cleverly designed houses …
Wind: 1,4% PV: 0,8% used for electricity
„Burning wood“
2013: 23,9%
8,4 %
7,5 %
4,7 %
3,2 %
Gesamtprod. 2013: 634 TWh ~ „77 GW“
Universität zu Köln
A nonlinear transfomation (Many sources, cb)
< 25% „EE-Strom“: fairly easy get flexibel, use grid for import/export , EEX neighbours
40% EE-Strom (2020) : possible (? even closing all KKW)
New political goal: total CO2 emissions -40% in 2020 cf. 1990 80% EE-Strom (2050) : difficult, very expensive (no KKW)
100% EE-Strom (date ?) (without KKW) This last 20% step is as expensive as the 80% before (cb: more probable are many simple, open gas turbines)
GERMANY: Primary Energy time line
Nuclear
Gas
Coal
Oil
GERMANY: End – Energy time line
• Note, that electricity and fuel stays nearly unchanged
electricity
heat
car fuel
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
Extra commitment for PV only: > 100 Mia Euro (10↑11)
Wind + PV- current costs more than 25 Mia Euro (2013)
representing a market value of less 2,5 Mia Euro
- but „Energiewende“ is mostly for electrical power
- no solutions for car fuel (well, we have Russian gas)
- Politicians have changed technical issues to emotions…
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The EMOTIONAL campaigns- everybody claims to save the planet
-„green current“ is a priori good (many commercials)
- small individual power plants are better ( not true)
- green flying, mailing, driving is in (many commercials)
- even power companies sing the RE song (many commercials)
- everybody badly wants to earn money with RE
- BUT everybody cries: NIMBY ! to power lines and turbines
WORLD: CO2 Emission 1990 - 2013
Global:
approx. 1.1 t / head year
= 8 Mia t
(China: 3.8 Mia t)
Coal is cheap:
ca. 1 cent/kWh
Plus oil:
approx. 0.62 t / head year
Universität zu Köln
Slope unchanged only 2 ppm / year
1. Juni 2014: 401,82 ppm
D: 2,5% → global attractive ? or rich man´s sports ?
Thanks to the oceans ! (Tragedy: Riding another tiger)
Wohlstand und Primär-Energiebedarf (2009-2010)
▲▲ ▲▲ Über 4 Milliarden Menschen leben „hier“!
Wohlstand und Energiebedarf sind generell sehr schwer zu trennen (Prioritäten: Essen, Wohnen, Jobs, Gesundheit, Zukunft für die Kinder, … Umwelt)
2014: China 3,3 kW ( +10% pro Jahr)
D gesamt: 450 GW (Primär-E.)China: 4240 GW mit +10% pro Jahr
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The TIME mismatch
HUGE intermittend and unreliable RE production
No storage
Second line of conventional power plants needed (suffering)
Give away of overproduction to neighbors (complaining)
Growing cut-off of excess RE current (even more expensive)
UBA – Szenario 2050
Gradienten heute: 1 GW in 15 min (GKW, BOA: 30 MW/min) 2050: > 13 GW in 15 min (nicht beherrscht)
New:
Lots of energy, not needed…
What is the value of this … zero?
Verzicht auf die konzentrierten Fossilen EnergieträgerTurm mit 5 MWmax: ca. 9 Mio kWh/y kostet ca. 10 Mio. Euro
21,4% …………..… 18%
We observe economic cannibalism – new installations hurt all the others…
•
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The SPACE mismatch
Large RE power production in North Germany
Certain closing of Nuclear Plants in South Germany
New HV trunk lines are needed - big NIMBY !
Send overproduction to neighbors (complaining)
Growing cut-off of excess RE current (even more expensive)
Dream of the European Copper Plate
Timescale for each new power line:
Planning: 1 y
Legal struggle: 8 y
Installation: 1 y
NorNed-Kabel (Statnett - TenneT)Länge: 580 km, Technologie: +/- 450 kV DC-KabelÜbertragungsleistung: 0,7 GWKosten: 600 Mio. Euro
Just connect Norway withsome newCables of 200xCapacity
Serious proposal of German environmentalist advisers SRU,Sachverständigenrat für Umweltfragen: 100% RE power until 2050
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The E - MARKET dilemmaGuaranteed acceptance of all RE power (independent of demand)
Rolling out known technology – very little R&D incentive
Dream of the European Copper Plate (enables European market)
Send overproduction to neighbours (complaining)
Buy underproduction from neighbours
Store overproduction at neighbours
Cut-off of excess RE current (expensive)
The painful market distortion: a sick (non-) merit order
Europäische Strombörse EEX :
One price for all
First all RE are accepted at ZERO incremental cost („Fuel cost“)
The remaining energy is produced by the conventional plants
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The E - MARKET dilemma Energy is priced, price is frequently very low
Customer pay independent of demand/supply situation
All plants are trying to compensate for RE fluctuations
Brown coal is running
Gas plants are shut down completely
NO FAIR MARKET MODEL KNOWN
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The Customers´ dilemmaCost of production has been rising
Future cost of transport rising (The joy of a „natural monopoly“)
Smart metering ?
Many rich guys get much richer !
Owners of PV-cells need to market their energy in the future ?
Electro – Car ?
Battery unit in the basement ?
Transportation
RE - Umlage
Production costa la „Merit Order“
Sundry Taxes
Everyone pays the
Umlage, but it
represents only
< 20% of energy
produced
Universität zu Köln
All this is a real struggle…
The MAIN MISTAKESUnlimited wind- and PV- installation volume
Unlimited priority feeding into the grid – killing the market concept
Supporting essentially only known technology
A powerful RE industrial lobby has been established
Political fear of accepting mistakes and exaggerations
Better:
Back to the R&D – labs !
Back to pragmatism – less political hot air !
Universität zu Köln
A nonlinear transfomation (Many sources, cb)
< 25% „EE-Strom“: very easy get flexibel, use grid for import/export , EEX neighbours
40% EE-Strom (2020) : possible (closing all KKW) coal + gas + storage + improved grid + EEX need neighbours
+ frequent cuts of EE-peaks
80% EE-Strom (2050) : difficult, very expensive (no KKW) + improve storage by >100% + massive power to gas + EEX badly need neighbours
+ expect up to 70 GW deficits
100% EE-Strom (date ?) (without KKW) This last 20% step is as expensive as the 80% before (cb: more probable are many simple, open gas turbines)
Universität zu Köln
Die Strom –Wende muss auf 4 Säulen ruhen:
1 – Flukt. Produktion
2 – Transport
3 – Speicher
4 – Flexible Nutzer
Zu schnell gewachsen
Zu langsam gefolgt
Derzeit keine Chance
Offen, Zukunftsmusik
3 - Speicher - Beispiel E-Auto:
Akku 15 kWh, Kosten ca. 5000 €, 2000 Zyklen
„Strom-Wert“: 1 - 4 €, Abschreibung: 2,5 €/Zyklus … teuer
4 – Beispiele: E- Autos ! „Smart Country“ (?) Wasserstoff –Technik Brennstoffzellen (!)
Chem. Industrie (möglichst nicht den teuren Wasserstoff als Brenngas entwerten)
Stromversorgung in Deutschland (2014)
82 Mio x 0.9 kW = 74 GW (im Mittel)
Schwachlast unter 40Spitzenlast über 80
PV max (2014) 36Wind max 34 Summe PV + Wind (max.): 70 (!)
PV im Mittel nur ca. 10% der max. LeistungWind: ca. 20%
KKW (10) 13 KKW(17): 20,3Fossil (>120) 60Wasser(incl. Speicher) 10,4
Speicher 40 GWh @ 8,2 GW
• Graphik: Die Welt 11.6.2013
-20_neg_Börse_Leipzig03.jpg
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Große WEA sind erstaunlich !
12 Türme 45 km vor Borkum 5 MW Generatoren H: 143 m (Kölner Dom: 157 m)D: 116 m (Rotordurchmesser)T: bis 60 m unter Meeresspiegel
„Volllaststunden“: ca. 40% von 8760 h an Land: 18-20%
Deutschland 2013:ca. 24 000 Anlagen mit ges. 33,6 GW (peak)
Für die Energieausbeute gilt:1000 große 5MW-WEA offshore ~ „Biblis A + B“ oder 2000 onshore
London array: 175 WEA mit 630 MW(peak)
• Endausbau: 340 WEA , mehr als 1 GW(peak) (Energie: 1/5 Weisweiler)
Gebiete für geplante Windparks ( > 45 GWpeak)
• etwa 300 km vom Festland bis zum weitesten Park
Verbrauchsbedingter Lastfluss durch schwankende Erzeugung überlagert
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Stro
mbe
zug
Mo Di Mi Do Fr Sa So
Stro
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zug
Stro
mrü
cksp
eisu
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Fluktuierende Lastflüsse in den Verteilungsnetzen(derzeit noch nicht kontrolliert oder steuerbar)
Energiewende
Jeder zusätzliche Meter an Höhe bringt ein Prozent an Ertrag mehr !!!
BodenreibungWaldHindernisseA B S T A N D !
SCHEUERLE (auf youtube)
Welt – Energiebedarf 2011
Die Nutzung der Sonnenwärme (durch Architektur) bleibt hier völlig verborgen !
Umsatz (als mittl. Leistung)
Sonneneinstrahlung 170 000 TW
!!!
Ein Mini – Quiz
Ölpreis 1970: ??? $ / barrel (1 Faß = 159 Liter)
Ölpreis heute: ???
Öl ist der Motor der Weltwirtschaft … wie lange noch?
6/2014:
$ 113(Brent)
1970:$ 1.20
Sommer 2008: $140 → $40
„Danke“ für das wundervoll billige Öl( Energie ist entscheidend – „Lebensmittel“- „Blut“ – „Droge“ …
Viel wertvoller als Geld - Die EZB kann leider keinerlei Energieträger drucken)
Universität zu Köln
Ab ca. 1780: 1. Industrielle Revolution
Die Welt steckt noch mittendrin …
1. Industrielle Revolution: Kohle, Stahl, Dampfkraft,…
2. I.R.: Öl, Motoren, Autos, Flugzeuge Strom, Netze, 1000 Elektrogeräte
3. I.R.: Telefon, Radio, TV, Computer, Automatisierung Internet, Smartphones … Verschmelzung
Grüne Revolution: Ernten x 3, „Brot aus Luft“
Heute: 20 000 m² Land pro Kopf weltweit
30% Wü - 30% Wa – 20% Wei - 10% Bau
2 000 m² Ackerfläche pro Kopf weltweit
Wir stehen jetzt am Beginn der 4. I. R.
Die fossilen Vorräte
Gt CMilliarden TonnenKohlenstoff
Verbraucht
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Noch inder Erde
Noch sehr viel – eine Basis unseres Wohlstandes doch auch gefährlich für die Atmosphäre
Erdöl - ROEI: 40 (1970) 8 heute 3 (Ölsand)
… überall steigender Aufwand: 1400 m + 1000 m Meer Gestein
Bevölkerungszahlen im Jahr 2050 (Millionen)
• Universität zu Köln
India 1 748 (2010: 1200)China 1 437 1400United States 423 310Pakistan 335 185Nigeria 326 160Indonesia 309Bangladesh 222 160Brazil 215Ethiopia 180 90Congo 166
EU 500 500Deutschland 71 82 (0,75% von 9,5) (1,2% von 7 Milliarden)
Die drei größten Länder umfassen demnächst3,5 Milliarden Menschen,sind höchst dynamisch und
sind dann 50 x größerals Deutschland…
Eine gute Richtschnur fürden täglichen Streitim politischen „Sandkasten“:
… Bescheidenheit
Universität zu Köln
Welt: 2 Fussballfelder pro Kopf an Landfläche (15 000 m²)
30% Wüste - 30% Wald - 20% Weide - 10% Bau -
10% als Acker nutzbar: 1500 m² pro Person liefern
< 200 ltr Biodiesel ( 2 000 kWh) oder
ca. 150 ltr Bio-Bio-Biodiesel
PV: 100 x besser ( 200 kWpeak, 200 000 kWh)
WEA 5MW: 5 000 x (10 Mio kWh, offshore x2)
Mais-Biogas-Strom: nur 1/5 (das aller-schlechteste… )
(Raps: 1t / ha, Mais: 50 t /ha, Gülle-Mischgärung nicht berücksichtigt, Biogas für Wärme besser als für Verstromung)