Klimaschutz: Das Man on the Moon Projekt - eine Standortbestimmung
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Klimaschutz:
Das Man on the Moon Projekt –
eine Standortbestimmung
Prof. Dr. Dr. h.c. Reinhard F. Hüttl
Vizepräsident acatech
Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V.
Wissenschaftlicher Vorstand und Vorstandsvorsitzender
Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum - GFZ
ENERGIE.CROSS.MEDIAL - Berlin, 10. März 2020
Man on the Moon
25. Mai 1961 20. Juli 1969
Bilder: NARA , Neil Armstrong, NASA
2
Satellitenmissionen Mini-
Satelliten
GFZ 1
(1995-
mit GFZ-Beteiligung
1999)
CHAMP
(2000-2010) EnMAP
(2021)
GRACE GRACE-FO
(2002-2017) (2018)
Swarm
GOCE
(2013)
(2009-2013)
TerraSAR-X (2007),
TanDEM-X (2010) 3
„Potsdamer Schwerekartoffel“
4
Globale Meeresspiegeländerungen (03/1993 bis 05/2018)
von Topex-, Jason-1- und Jason-2-Satellitenaltimetrie
Globaler Trend (von 60°S bis 60°N):
3,1 mm/Jahr ±0,4 mm
El-Niño-Event
2014/2015
La-Niña-Event
2010/2011
(Quelle: S. Esselborn, GFZ)
5
Glaziale Isostasie
1
2
(V. Klemann, GFZ) aus GRACE-Daten (I. Sasgen, GFZ)
6
Klimadynamik
Anthropogene Faktoren Natürliche Faktoren
Klimawandel heute und in Zukunft
7
Klimafaktor Mensch
CO2-Variationen über 400 000 Jahre
(Abb. NASA; Credit: Vostok ice core data/J.R. Petit et al.; NOAA Mauna Loa CO2 record)
8
CO2-Emissionen aus fossiler Energienutzung und
Zementproduktion
420
CO2-Konzentration in der Atmosphäre 40
400 Gt CO2
35
380 Zement-
CO2 in ppm
30
360 produktion
25
340
20
320 Erdgas
300 15
1950 1965 1980 1995 2010
Jahr 10
Erdöl
Kohle 5
0
1750 1775 1800 1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000
Daten: Boden et al.(2016); Carbon Dioxide Information Analysis Center, U.S. Department of Energy
9
Klimawandel beeinflusst Jetstream
• durch Klimawandel erwärmt
sich Arktis schneller als
andere Regionen
• Folge: Temperatur-
unterschied nimmt ab
• Jetstream wird schwächer und
beginnt stärker zu
mäandrieren
10Hitze- und Trockenjahr 2018
2018 in Deutschland: Ein Jahr der Extreme
• heißestes Jahr seit Beginn der Wetteraufzeichnungen (1881)
• sonnigstes Jahr seit Beginn flächendeckender Aufzeichnungen
(1951)
• eines der drei trockensten Jahre seit 1881 (586,3 mm)
• acht der neun wärmsten Jahre seit 1881 fallen ins 21.
Jahrhundert
Auch in Brandenburg Rekorde
• heißestes Jahr seit Aufzeichnungsbeginn
• trockenstes Jahr seit Aufzeichnungsbeginn (390,4 mm)
• mehr als 400 Waldbrände (>1300 ha Waldbrandfläche)
• Ernteeinbußen (z. B. schlechteste Kartoffelernte seit der
Wende)
11Weltweite Folgen des Klimawandels
Erwärmung Eismassenänderung Meeresspiegelanstieg Extremereignisse
(?)
12Forschung:
Klima im
System Erde
Mitigation
+ Adaptation
13Globaler energie- und klimapolitischer Rahmen
Klimarahmenkonvention und Agenda 2030 der Vereinten Nationen
‣ Begrenzung der Erderwärmung
COP-3 COP-21 auf deutlich unter 2°C
Kyoto Paris ‣ keine weitere Belastung der
Atmosphäre durch Treibhausgase
in der zweiten Hälfte des
Jahrhunderts
‣ Hilfe für die ärmsten Länder bei
der Bewältigung durch
Klimawandel verursachter
Schäden
‣ nachhaltige Entwicklung
(Sustainable Development Goals)
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
14Das globale Energiewachstum übertrifft die Dekarbonisierung
Trends von 2000-2018 und Wachstumsraten (CAGR) zwischen 2013-2018
Globale CO2-Emissionen durch Verbrennung Globaler durchschnittlicher Energieverbrauch
fossiler Energieträger (in Gt) nach Brennstoffquelle (in EJ/yr)
40 250
0.6%
35 1.4%
200
30 -0.5%
2.7%
25 150
1.3%
20
15 100
-0.4% 2.0%
10 -0.9%
1.9% 50 1.6%
0.8% -0.7% 1.8% 14.7%
5
0 0
Global Asia North Europe CIS Middle S.&C. Africa Coal Oil Gas Nuclear Hydro Other
Pacific America East America Renewables
Daten: BP Statistical Review of World Energy 2019
15Importabhängigkeit der deutschen Energieversorgung
Primärenergieverbrauch 2018
Deckung Energiebedarf Anteile Primärenergieträger am Gesamtverbrauch
Inlandsanteil Mineralöl 34,3%
Erdgas 23,7%
Wind=3,1%
30% Erneuerbare Energien 14,0%
Solar=1,5%
Braunkohle 11,3%
12,963 PJ
Steinkohle 10,0%
70% Kernenergie 6,4%
Sonstige 1,8%
Importanteil Stromaustauschsaldo -1,4%
Daten: Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2018, AGEB
16Anteile erneuerbarer Energien (EE) am
Endenergieverbrauch in Deutschland (1990-2018)
3000
2500
Terrawattstunden (TWh)
Endenergieverbrauch Verkehr EE-Anteil Verkehr:
5,6 %
2000
1500 EE-Anteil Wärme:
Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte
14,4 %
1000
EE-Anteil Strom:
500
Bruttostromverbrauch 37,8 %
0
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018
Daten: AGEE-Stat, Dezember 2019
17Außenhandelsbilanz Deutschland
Fossile Energieträger 2018
Außenhandelssaldo Rohölimporte Deutschlands
in Mrd. Euro (Importe ./. Exporte) nach Ursprungsländern (∑= 85,2 Mio. t)
Gas* Kohle, Koks Russland 36,8%
und Briketts
Norwegen 11,8%
19,2 Libyen 8,5%
4,9 Kasachstan 8,0%
Großbritannien 7,8%
67,8 Nigeria
Irak 3,6%
6,4%
Aserbaidschan 3,6%
Ägypten 1,3%
43,7 Algerien 0,8%
Erdöl, übrige Länder 11,9%
Erdölerzeugnisse &
* Einschließlich Transitmengen verwandte Waren
Daten: Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2018, AGEB
18Außenhandelsbilanz Deutschland
Fossile Energieträger 2018
Außenhandelssaldo Gasimporte Deutschlands
in Mrd. Euro (Importe ./. Exporte) nach Ursprungsländern (∑= 1.773,2 Mrd. kWh)
Gas* Kohle, Koks
und Briketts
Russland und GUS 65,0%
19,2
4,9
Norwegen 17,0%
67,8 Niederlande
(enthält Gas aus 15,9%
Großbritannien)
43,7 übrige Länder
3,3%
(Belgien, Dänemark)
Erdöl,
Erdölerzeugnisse &
* Einschließlich Transitmengen verwandte Waren
Daten: Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2018, AGEB; Bundesnetzagentur
19Außenhandelsbilanz Deutschland
Fossile Energieträger 2018
Außenhandelssaldo Deutsche Steinkohleneinfuhren
in Mrd. Euro (Importe ./. Exporte) nach Lieferländern (∑= 39,9 Mio. t)
Gas* Kohle, Koks Russland 40,2%
und Briketts
USA 20,9%
19,2
Australien 12,3%
4,9
Kolumbien 7,5%
Polen 3,9%
67,8 Kanada 3,6%
Südafrika 1,8%
Tschechien 0,7%
43,7 Sonstige Drittländer 2,8%
Erdöl, Übrige EU-Länder 6,3%
Erdölerzeugnisse &
* Einschließlich Transitmengen verwandte Waren
Daten: Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2018, AGEB
20Ausstieg aus der Kohle bis 2038
Installierte Kraftwerkskapazitäten in Megawatt
und Zahl der Braunkohlekraftwerke*
17 170
MW
Abschaltung
2020 bis 2022 14 350
2820 MW MW
Abschaltung
8 Kraftwerke 2025 bis 2029
5700 MW
11 Kraftwerke
8650
MW
Abschaltung
2034 bis 2039
8650 MW
11 Kraftwerke
30 22 11
Kraft- Kraft- Kraft-
werke werke werke
0 MW
Summe der Leistungen aus allen Gesetzen: Kapazität Kapazität Kapazität Von
2020 bis 2022 2025 bis 2029 2034 bis 2038 2039 an
50 Mrd. € * 2026 und 2029 soll bezüglich des Stilllegungsplans geprüft warden, ob der
Stilllegungszeitpunkt für die Kraftwerke nach dem Jahr 2030 jeweils drei Jahre
vorgezogen und damit das Abschlussdatum 2035 erreicht warden kann
Das Braunkohlekraftwerk Boxberg in der Lausitz Quellen: Bundesregierung; Foto Imago/F.A.Z-Grafik Walter (vom 17. Januar 2020)
21Weltweite Expansion von Kohlekraftwerken
Kapazitäten in der Pipeline (angekündigt, genehmigt und im Bau befindlich)
Pipeline (GW)
100 – 200
20 – 100
5 – 20
1–5
0.5 – 1
0 – 0.5
Keine Pipeline
∑=574,2 GW Quelle: Kalkuhl et al. (2019); Nature energy 4
22Energieträger im künftigen Energiesystem
Stellungnahme des Akademienprojekts “Energiesysteme der Zukunft“
‣ Ein systemübergreifender Ansatz und eine viel stärkere Kopplung der Sektoren sind notwendig, um die
Klimaziele zu erreichen (integriertes Energiesystem)
‣ Strom wird zum dominierenden Energieträger. Durch neue Anwendungen in den Wärme- und
Verkehrssektoren wird der Strombedarf zukünftig voraussichtlich stark ansteigen (bis zu 1.000 TWh; aktuell
598 TWh)
‣ Wind- und Photovoltaikanlagen müssen stark ausgebaut werden, um diesen Bedarf klimaneutral zu
decken. Die fünf- bis siebenfache Kapazität von heute könnte dafür notwendig sein (500 – 600 GW)
‣ Der gezielte Einsatz von Biomasse sowie ein Ausbau der Geo- und Solarthermie können beitragen, den
Ausbau an EE zu begrenzen und die gesellschaftliche Akzeptanz der Energiewende zu sichern
‣ Synthetische Brenn- und Kraftstoffe werden voraussichtlich unverzichtbar sein (Langzeitspeicher,
Einsatz im Schiff- und Flugverkehr, auch Automobilität (insbes. LKW) und in speziellen Industrieprozessen)
‣ Wasserstoff kommt aufgrund seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten (Verkehr, Wärmeversorgung,
Stromspeicher) eine zentrale Rolle zu
‣ Zentrales Steuerungselement ist ein sektorübergreifender, einheitlicher und wirksamer CO2-Preis
23Power-to-X
Umwandlung von elektrischem Strom in chemische Energie
Stromerzeugung Umwandlung Anwendung
Direct Air Capture
CO2 - Abscheidung
CO2
Methan Klimaneutrale Kraftstoffe
(Strom, Industrie, Biomasse) (Mobilitäts- / Wärmesektor)
Schwankend Synthese Chemische Rohstoffe
Methanisierung
Methanol Rückverstromung
Solar (PV) Methan als Energieträger für
Power-to-Fuels
Wind Fischer-Tropsch Wasserstoff
Elektrolyse
O2 Direkter Einsatz in Brennstoffzellen,
H2 Power-to-Hydrogen Wasserstoff Kraftwerken, etc.
Kontinuierlich Chemischer Rohstoff
H2O Haber-Bosch
Geothermie
Düngemittel
Wasserkraft
Stickstoff aus Luft Chemischer Rohstoff
Biomasse N2 Ammoniak
Energieträger für H2 oder direkte
Power-to-Ammonia Energienutzung
Quelle: Basierend auf BDI,Siemens (ohne Power-to-Heat)
24Power-to-Gas einziger nationaler Langzeitspeicher
Jahresstrombedarf Musterhaushalt Dorf Stadt: Regensburg Großstadt: Berlin
der Haushalte* (2 Personen) (100 Einwohnern) (150.000 Einw.) (3,5 Mio. Einwohner)
Untergrundspeicher
2,9 MWh/a 145 MWh/a 217 GWh/a 5,1 TWh/a
1 Jahr
Einzige Einzelspeicher
1 Monat im TWh-Bereich
1 Woche
Gewährleistung der
Ausspeicherdauer
1 Tag
Versorgungssicherheit
1 Std.
Saisonale Speicherung
chemisch (CH4, CO2, H2)
1 Min. thermisch
mechanisch
elektrochemisch Speicherung chemischer Energie
elektromagnetisch
1 Sek
elektrisch
wird auch im zukünftigen
* ohne Industrie und GHD; Strombedarf pro Person: 1,45 MWh/a
Energiesystem eine
100 ms Die Datenwolken geben Bereiche an, in denen sich einzelne
heute bereits realisierte Anlagen in Deutschland bewegen entscheidende Rolle spielen
1 kWh 1 MWh 1 GWh 1 TWh
Speicherkapazität Modifiziert nach Sterner (2015)
25Geologische Speicherung als Teil der Energiewende
Georessourcen für die Energiewende und eine Hightech-Gesellschaft
26Geothermische Technologien in Ballungsräumen
Ein Beitrag zur Wärmewende und zum Klimaschutz
Ziel der Stadtwerke München:
Fernkälte Fernwärme
‣ Energiewende im Wärmemarkt mit Gewinnung „natürlicher Ziel bis 2040: 100 % aus
Geothermie als klimaneutrale Grundwasserkälte“ Erneuerbaren Energien
Grundlast für Fernwärme Grundwasser-Dükeranlagen (U- Tiefe Geothermie als
Bahninfrastruktur) kann dazu Grundpfeiler
‣ Bis 2040 erste deutsche Großstadt genutzt werden
mit Fernwärmeversorgung zu 100
Prozent aus regenerativen
Energiequellen
Technische Herausforderungen:
‣ Entwicklung von Entnahme von 13 °C
kaltem Wasser
Erkundungsmethoden in urbanen
Gebieten Rückführung des Entnahme von
Rückführung des
‣ Umstellung des Fernwärmenetzes
aufgewärmten
Wassers
aufgewärmten
ca. 100°C
heißem
(800 km) für die Einspeisung Wassers
Wasser
geothermischer Wärme
27Rolle der Elektromobilität
Die Rolle der Elektromobilität im Energiesystem wird zunehmen
‣ Gründe: hohe Effizienz beim Energieeinsatz;
direkte Verwendung des Stroms aus EE
‣ Risiken:
Aufbau und Betrieb eines Verteilnetzes:
„Ladenetz“/Ladesäulen/Ladeinfrastrukturen
Verfügbarkeit mineralischer Rohstoffe für Batterieproduktion
hoher CO2-Footprint bei der Batterieproduktion
CO2-freier/-armer Strommix notwendig
schadstofflastiges Batterie-Recycling
Konkurrenz alternativer Antriebstechnologien
28Rolle synthetischer Kraftstoffe
‣ Nicht in allen Anwendungen sind rein elektrische Lösungen
absehbar (Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr).
synthetische Kraftstoffe (Wasserstoff, Methan, Designer-
Kraftstoffe) aus klimaneutraler Produktion
Contra: Produktion auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien mit
Effizienzverlust verbunden
Pro: Nutzung synthetischer Kraftstoffe einschl. Wasserstoff fügt sich
nahtlos in bestehende Wertschöpfungs- bzw. Infrastrukturketten
ein; blauer Wasserstoff, grüner Wasserstoff
29Potenzielle Herkunftsländer für grünen Wasserstoff
Exportpotenzial 2050 von Nicht-EU-Ländern
Norwegen
Russland
Kanada Island
Kasachstan
USA Ägypten
Marokko Iran
Mexiko Algerien
Oman
Saudi-Arabien
Nigeria
Brasilien Äthiopien
Kenia
Namibia
Chile Australien
Höchstes Potential
Gutes Potential
Argentinien Südafrika
Daten: dena, GIZ, Navigant, adelphi - Oktober 2019
30Wasserstoffproduktion aus Erdgas mit CCS
‣ Sleipner West (in Betrieb seit 1996)
Abtrennung und Speicherung
(offshore) von ca. 1 Million Tonnen CO2
jährlich aus Erdgasgewinnung in der
norwegischen Nordsee
Blauer Wasserstoff
Quelle: Equinor 2019
31Wasserstoffspeicherung
Kavernenspeicher
‣ Interkontinentale Wasserstoff-Wertschöpfungsketten
erfordern längerfristige und große Speicher zur
Überbrückung saisonaler Veränderungen bei
der Stromversorgung oder der Wärmenachfrage
Gewährleistung der Systemstabilität
‣ Geologische Speicherung ist die beste Option für eine groß
angelegte und langfristige Lagerung Porenspeicher
Quelle: IEA (2019): The Future of Hydrogen
Potentialabschätzung Salzkavernenspeicherung* in Deutschland:
1,5 PWh für die Speicherung von Wasserstoff (Heizwert)
* InSpEE Sachbericht, BGR, 2016
32CCS-Technologie und CO2-Kreislaufwirtschaft (CCU)
Minderung von Emissionen im Industriebereich ist technisch und
wirtschaftlich anspruchsvoll
Priorisierung:
1. Vermeidung (Effizienz, Elektrifizierung, Material- &
Prozesssubstitution)
2. CCU (Verlängern der stofflichen Nutzung)
3. CCS (dauerhafte Speicherung restlicher, anderweitig nicht
vermeidbarer CO2-Mengen)
Chancen, Risiken und Grenzen von CCU und CCS
jetzt prüfen und bewerten
Breite gesellschaftliche Debatte führen; Einsatz von CCU und/oder CCS
für maßgebliche CO2-Mengen erfordert Befürwortung durch große Teile
Quelle: BfS der Zivilgesellschaft, Industrie, Politik und Verbände
33Hochtechnologiemetalle für die Energiewende
Nachfrage wird nicht durch Recycling gedeckt
34Circular Economy Initiative Deutschland
Mitglieder der Initiative und Zuordnung
35CO2-Produktivität der zehn größten CO2-Emittenten
Stand 1990 und 2017 im Vergleich (in US$/CO2-kg)
4,6
CO2−Produktivität =
4,0
3,7
Wert erstellter Güter und Dienstleistungen
(CO2−Emission)
2,9
2,7
2,5
1990 2017
1,7
1,3
1,2 1,2 1,2
1,1 1,1
0,9
0,6
0,5
0,4
0,2
Deutschland Japan USA Kanada Sürkorea China Saudi-Arabien Indien Russland Iran
Deutschland ist internationaler Benchmark Quelle: Nachhaltiges Produktivitätsmanagement, ifaa (2019)
36Fazit
Rolle der Wissenschaft: Eröffnet evidenzbasierte Handlungsoptionen als Beitrag in
gesellschafts-/ unternehmenspolitischen Entscheidungsprozessen
„Science is global – Akzeptanz ist lokal“
z. B. Carbon Capture & Storage (CCS) oder Fracking
Klimaschutz: Mitigation vs. Adaptation
Mitigation und Anpassung
Klimaneutralität: Robuste Definition realisiert?
Energie: - systemischer Ansatz notwendig (z.B. Sektorenkopplung)
- jeweils Betrachtung des gesamten CO2-Fußabdrucks (z.B. Circular Economy)
- Deutschland ist auch in Zukunft auf Energieimporte angewiesen
37Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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