Energy in Future
 
Dr.-Ing. Dieter Bokelmann

Erläuterungen

 

Primärenergie Welt 2018

Die produzierte Primärenergie Welt betrug 2018 168693 TWh (Tabelle PrimEnW). Ziel ist, den Einsatz von Kohle, Öl und Gas mit Summe 136641 TWh durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Biomasse und mittels Nuklear, Hydro, Wind, Solar, Geothermie und andere erneuerbare Quellen erzeugte Elektrizität ist unberücksichtigt.

 

Primärenergie Welt nach Nutzungsarten, Effizienz Umwandlung und Nutzenergie

Die Umwandlungseffizienz von Primärenergie zu Nutzenergie wurde hergeleitet mittels dem Sankey – Diagramm Energieverbrauch USA in 2018 (USEn2018), damit wurde die Tabelle Effi1 erstellt und darauf aufbauend die Tabelle PrimINOUT. Zwar entspricht die USA in ihrem Verbrauchsverhalten nicht unbedingt dem Durchschnitt der Welt, aber auf die Genauigkeiten kommt es in dieser Untersuchung auch mangels Daten nicht an. In der Tabelle Effi 1 wurden 5 Effizienz-Werte direkt aus dem Diagramm hergeleitet. Für die anderen Nutzungsarten wurde ein Mittelwert von 37,34% errechnet, so dass der Gesamtwirkungsgrad in Höhe von 31,83% identisch ist mit dem Wert im Diagramm USEn2018 rechte Seite bezogen auf 97,7 Quads INPUT Energy und "Energy Services". Aus 136641 TWh Primärenergie werden mit einem Wirkungsgrad von 31,83% 43492 TWh Nutzenergie. Die Renewables bleiben unberücksichtigt, der Fehler ist für die weiteren Ermittlungen unbedeutend.

 

Berechnung der Kosten pro kWh für die 4 Erzeugungsarten Solar/Direktstrom, Solar/ künstlicher Kraftstoff, Wind/ Direktstrom, Wind/ künstlicher Kraftstoff netto ohne Steuern.

Die Größe der Basis (in den Tabellen ist dies vereinfacht die zu ersetzende Primärenergie in Twh) ist für die Kosten/ kWh unerheblich, weil alles Dreisatzrechnung ist. Genauso hätte man als Basis einfach z.B. 100.000 TWh ansetzen können. Siehe 4+2 Tabellen (2 Sonderfall Deutschland solar wegen reduzierter Einstrahlung statt 1500kWh/ kWPxJahr nur 1100 kWh/ kWPxJahr). Für die Rückzahlung der Investitionskosten ist ein 20-jähriges Annuitätendarlehen angenommen (Tabelle Credit20J). Außerdem wurden basierend auf 18) berücksichtigt 24,6% Zuschlag für Reparaturen, Unterhaltung sowie 112% für den Energietransport bzw. Aufbau von Netzen oder Umwandlung in künstliche Kraftstoffe wie Blue Crude oder Wasserstoff. Biokraftstoff ist unberücksichtigt. Schließlich wurden noch 10% Zuschlag für Investitionsrentabilität vor Steuern berücksichtigt. In diesen 4+2 Tabellen gibt es keinen Zuschlag für staatliche Steuern. Die ermittelten Preise sind Nettowerte. Die Kosten pro kWh ergeben sich aufsteigend zu


0,099 €/ kWh Wind Direktstrom (Tabelle WindELW)

  

0,126 €/ kWh Solar Direktstrom (Tabelle SolELW), 0,172 €/ kWh , Solar Direktstrom Deutschland (reduzierte Einstrahlung, Tabelle SolELD)


0,165 €/ kWh Wind Umwandlung Kraftstoff (Tabelle WindFW)


0,211€/ kWh Solar Umwandlung Kraftstoff (Tab. SolFW),  0,287 €/ kWh Solar Umw. Kraftstoff Deutschl. (red. Einstr., Tab. SolFD)


Die Preise für Wind sind günstiger als für Solar, die Kraftstoffe sind wegen der Umwandlungsverluste logischerweise um die Verluste höher als die Direktnutzung bezogen auf jeweils Solar oder Wind (angenommene Verluste ca. 40%). Die 4 Tabellen beinhalten außerdem den Flächenbedarf Solar und Wind Equipment in % Oberfläche Welt pro TWh erzeugte Energie. Für die Erzeugungsarten Solar wurden für Deutschland die Kosten auf Basis realer niedrigerer Jahreserzeugungszahlen berechnet. Damit ergeben sich natürlich höhere Kosten, für  Solar Direktstrom 0,172€/kWh (Tabelle SolELD) und für Solar Umwandlung Kraftstoff 0,287€/ kWh (Tabelle SolFD).  .

 

Effizienz-Faktoren für die Ermittlung der notwendigen Energieerzeugung durch die 4 Solar/Wind-Alternativen basierend auf das Output Primärenergie Kohle, Öl, Gas

In der Tabelle Effi2 werden für die jeweiligen Nutzungsarten die Umrechnungsfaktoren für die Rück-Umwandlung der benötigten Nutzenergie in die zu liefernde Strommenge durch Solar und Wind festgelegt. Dies jeweils für die Nutzung als Direktstrom (1 Faktor 76-100) oder für die Nutzung als umgewandelter Kraftstoff (Multiplikation Faktor 1 mit 60 für die Umwandlung Direktstrom in Kraftstoff und Faktor 2 je nach Nutzungsart).

 

Berechnung für jede der Erzeugungsarten für den Extremfall 100% unter Berücksichtigung Effizienz die notw. Flächen und Gesamtkosten netto

4 Tabellen mit Flächen und Gesamtkosten Welt

In den 4 Tabellen (SolEL, SolF, WindEL, WindF)  wird angenommen, dass die benötigte Strommenge zu 100% mit einer der 4 Möglichkeiten durch die Kombination der Paare Solar-Wind und Direktstrom-Umwandlung Kraftstoff erzeugt wird. Es werden die jährlichen Produktionskosten netto, sowie die benötigte Oberfläche Welt berechnet (bezogen auf Landfläche ohne Antarktis).

Diagramm und Bewertung

Siehe Diagramm Dia4Alt. Für den angenommenen Sonderfall 100% Erzeugung durch jeweils eine der 4 möglichen Varianten sind die jährlichen Produktionskosten der Varianten Direktstrom in der Folge Wind und Solar signifikant günstiger als die Varianten Kraftstoffumwandlung. Bei Direktstrom ist der Landschaftsverbrauch bei Solar die bessere Variante. Die Produktionskosten der Varianten Kraftstoffumwandlung sind deutlich höher, ebenfalls der Landschaftsverbrauch. Wenn irgend möglich sollte via wind kein Kraftstoff umgewandelt werden, allerdings sind die jährlichen Produktionskosten geringer als bei Solar. Daher wäre der Sonderfall 100% Solar Direktstrom die beste Alternative. Da aber nur ein Mix technisch umsetzbar ist, sollte in der Reihenfolge Solar Direktstrom, Wind Direktstrom, Solar Kraftstoff (allerdings teurer als Wind) und danach erst Wind Kraftstoff als letzte Möglichkeit berücksichtigt werden.

 

Mögliches sinnvoll erscheinendes Beispiel für Energiemix Welt, Kosten netto ohne Steuern und Flächenbedarf

Dargestellt ist ein Szenario mit 50% Solar und 50% Wind, jeweils mit 30% Direktstrom und 20% Kraftstoffumwandlung. Der Landschaftsverbrauch liegt mit 2,19% Landschaft Welt ohne Arktis im Rahmen (Table PossExaW).

 

Mögliches sinnvoll erscheinendes Beispiel für Energiemix Deutschland, Kosten netto ohne Steuern und Flächenbedarf

Es wurden 4 Szenarien betrachtet.

In Szenario 1 (FinTaxD) wird die gesamte Primärenergie mit Solarkraft und Windkraft erzeugt. Da 2018 der Anteil Solarenergie an 100% Primärenergie 1,3% und der Anteil Windenergie 3% betrug 19), wird in dem Szenario der Anteil Solarenergie zu 35% angesetzt und der Anteil Windenergie zu 65%. Bei der Solarenergie und bei Wind würden jeweils 10% von 100% Summe in Kraftstoff umgewandelt. Das Szenario ist leider nicht realisierbar, weil die benötigte Fläche 12,33% der Fläche Deutschland mal 1,2 (Offshore) beträgt. Bestenfalls sind hier 3% realisierbar (?), der restliche Strom bzw. Kraftstoff muss importiert werden, was aber bezüglich Szenario Welt technisch möglich wäre. Im Verhältnis zu der relativ kleinen Landfläche Deutschlands mit 0,31% der Landfläche Welt ohne Antarktis ist der Anteil der Primärenergie Deutschland zur Primärenergie Welt mit 2,2% zwar klein aber relativ zur Landfläche hoch (Faktor 7).

In Szenario 2 (FinTaxDEL) wurde angenommen, dass nur die gesamte elektrische Energie durch Erneuerbare erzeugt wird. Hier beträgt die benötigte Landfläche 2,39%, was durchaus realisierbar wäre.

In Szenario 3 (FinTaxDEL+TRANS) soll zusätzlich zu Szenario 2 die Transportenergie via Erneuerbare erzeugt werden. Die benötigte Landfläche steigt auf wohl kaum umsetzbare 3,99 %.

Das Szenario 4 (FINTAXD2) entspricht dem Szenario 2 mit verdoppelten Investitionen in Solar und Wind. Parallel werden zunehmend mit geeigneten Ländern Lieferverträge mit technischer Unterstützung abgeschlossen bis zu einer Höhe von ca. 50 Millionen Tonnen Wasserstoff jährlich. Auf diese Weise wäre eine 100% CO2-freie Primärenergieproduktion in Deutschland in ca. 30-35 Jahren zu erreichen.    

 

Höhe des notwendigen Steuersatzes, damit für den Fall Deutschland die Steuereinnahmen gleich sind

Die Nettokosten für die Stromerzeugung wurden bereits erläutert. Aber ohne Steuern geht es nicht. Auch wenn das Szenario Deutschland mit 100% Eigenerzeugung nicht umsetzbar ist, wurde der Interesse halber berechnet, wie hoch der Steuersatz auf die Energiekosten sein müsste, um die gleichen Steuereinnahmen wie 2017 zu erhalten. Dies ist eine nicht zu umgehende Notwendigkeit. Die Steuersätze stehen in der Tabelle FinTaxD, um 43,2 Mrd. Steuereinnahmen zu erhalten, ebenso die sich damit ergebenden Energiepreise für kWh und Liter Kraftstoff. Die angegebenen Steuersätze für die 4 Energiequellen sind so gewählt (und können natürlich auch anders gewählt werden), dass die Kosten/ kWh in etwa dem IST entsprechen, nämlich 0,30 €/ kWh für Privatverbraucher und 0,10 €/ kWh für die Industrie.

 

Höhe des notwendigen Steuersatzes, damit für den Fall Welt auf Basis Deutschland die Steuereinnahmen gleich sind

Im Szenario Welt wurde als Basis die Steuereinnahmen Deutschland 2017 angenommen (Dreisatz), Ergebnisse siehe Tabelle FinTaxW. Die angenommenen Steuersätze sind frei gewählt. Die Steuersätze Welt auf Energie und Kraftstoffe sind sehr unterschiedlich. Es ginge zu weit und wäre auch anmaßend, auf einzelne Länder einzugehen. Bei Deutschland ist das möglich, da die Gesamtsumme bekannt ist und abgesehen davon die Steuersätze bereits relativ hoch sind.

 

Bei Umsetzung in einem Zeitraum von 20 Jahren, wieviel Kapazitätsaufbau Solar + Wind pro Jahr ist notwendig, Vergleich mit Ist und Bewertung

In der Tabelle Summary Data sind die notwendigen Kapazitätsaufbauten in GW jährlich zur Erfüllung der Szenarien dem aktuellen Kapazitätsaufbau gegenübergestellt. Ebenso die notwendige Gesamtkapazität in GW und dazu im Vergleich der bereits vorhandene. Am Ende sind die Anzahl Jahre berechnet worden für die Zielerreichung, der 100%-igen Vermeidung des Einsatzes von fossilen Brennstoffen. Das Ergebnis ist unbefriedigend. Es sind dies 323 Jahre für die Welt und für die Szenarien Deutschland Szenario 1 sind es 293 Jahre (nicht umsetzbar wegen hohem Flächenbedarf, im Szenario 2 sind es 71 Jahre und im Szenario 3 sind es 122 Jahre). Noch einmal der Hinweis, dass die Variante 100% Ersatz Fossil Deutschland wegen der relativ großen notwendigen Fläche i.H. von 12,33% nicht unabhängig vom Rest der Welt erreichbar ist. der größte Teil muss über Import von Direktstrom oder Import von in anderen Ländern erzeugtem via Strom umgewandeltem Kraftstoff realisiert werden.

In die Berechnung fließen noch negativ ein, dass erstens das bereits vorhandene Equipment Solar und Wind ja auch in den nächsten 20 Jahren ersetzt werden muss. Zweitens fällt bei dem Aufbau von Equipment graue Energie an, d.h. dass die Anlagen im Prinzip erst nach ca. 10% der Laufzeit von ca. 20-25 Jahren CO2-neutralen Strom erzeugen (dann aber ca. 18-23 Jahre ca. CO2-neutral produzieren). Beides ist hier nicht berücksichtigt, wäre aber einfach in der Rechnung zu berücksichtigen. Dem steht jedoch ein gewisses Verbesserungspotenzial und Neuentwicklungen in den nächsten Jahren gegenüber.

 

Verbesserungspotenzial

u.a.

1.    Die gleichzeitige Nutzung von Landflächen für Solar und Wind.

2.   Verbesserung des Wirkungsgrades Solar. Entweder via Mehrlagenwafer oder via Multibestrahlung oder andere Entwicklungen. Grundsätzlich kann Photovoltaik auch mit Solarthermie gekoppelt werden.

3.   Verbesserung des Wirkungsgrades Wind.

4.   Neuentwicklung von Anlagen zum Speichern von Strom, z.B. umweltfreundliche Großspeicher-Batterie-Systeme und an Tankstellen automatisch austauschbare Batterie-Packs in Standard-Größen für Elektroautos oder Batterie-Anhänger für Langstrecken.

5.   Entwicklung von CC-Gasturbinen (Combined Cycle Gasturbinen mit gekoppelter Dampfturbine zwecks Nutzung der Restwärme der GT), welche auch mit grünen Kraftstoffen betrieben werden können wie Wasserstoff, Blue Crude, u.a. Diese dienen dann auch zur Stromerzeugung in Zeiten von nächtlichen Windflauten mittels grünem Kraftstoff.

6.   Ein effizienter Energieaustausch über Ländergrenzen, besser noch Kontinentalgrenzen (z.B. Afrika nach Europa) hinweg (z.B. Export von Energie nach Deutschland).

7.   Reduzierung der privaten und kommerziellen Transportaktivitäten. Privat durch Umdenken, Überzeugung und Kraftstoffpreise. Kommerziell durch mehr lokale Produktion.  

8.   Eine Umkehr des Bevölkerungswachstums

9.   Eine Änderung zum bisherigen Konsumverhalten

10. Produktion von länger lebenden recycelbaren Qualitätsprodukten. Vermeidung von billigen Produkten mit schlechter Qualität.

11. Aufforstung von Wäldern

Das untenstehende Diagramm zeigt einen simplifizierten Zeitplan, wie die Umsetzung zu einer CO2-freien Energiebeschaffung Welt in 20 Jahren aussehen würde. Die fossilen Brennstoffe Öl, Kohle, Gas würden auf null reduziert. Die vorhandenen Energieträger Biomasse und die bereits vorhandene erneuerbare Elektrizitätsproduktion inklusive nuklear bliebe bestehen (am Ende könnte man auch nuklear auf null herunterfahren, wenn entsprechend mehr Kapazität Solar, Wind oder andere aufgebaut wird). Die Anteile der 4 Alternativen Erneuerbare Solar und Wind werden von 0 auf die berechneten Werte hochgefahren. Die Summe an Primärenergie ist geringer als im Jahr null, weil insbesondere die Anteile Direktstrom deutlich effizienter sind. 


Problematisch ist der notwendige Verstärkungsfaktor der aktuellen jährlichen Investitionsmaßnahmen für erneuerbare Energien, siehe Blatt Daten Kompakt. Um die Welt in 20 Jahren auf CO2-freie Energieproduktion umzustellen, beträgt dieser Faktor 16. Es müssten jährlich 2932 Mrd.€ (Mrd.=10 9) investiert werden, was hinsichtlich Kosten und Landschaftsverbrauch zu realisieren wäre. Ob aber die Produktionskapazitäten für Solar und Wind im Szenario Welt auf das 16-fache erhöht werden können, ist fraglich. Um das Ziel trotzdem in einer vertretbaren Zeit zu erreichen, müsste eine temporäre Investition, zumindest Behalt in nukleare Elektrizitätsversorgung akzeptiert werden, die später mit zunehmender Zielerreichung wieder abgebaut würde.

Eine Umsetzung in dieser Zeitspanne ist leider unwahrscheinlich, da sich einerseits nicht alle Länder daran beteiligen und andererseits die dafür notwendige jährliche Steigerung der Investitionen in erneuerbare Energien (Faktor 15 zu 2019) schwer realisierbar ist (aber technisch nicht unmöglich). Fakt ist jedoch, dass sich die jährlichen Investitionen erheblich steigern müssen. Deutschland muss sich darauf konzentrieren, zumindest die Stromproduktion zu 100% auf erneuerbare Energien umzustellen und parallel dazu die restliche Primärenergie in Form von Wasserstoff (u.a.) zu importieren. Für die Produktion größerer Mengen  grünen Wasserstoffs gibt es zu wenig geeignete Landflächen. Das bedeutet aus heutiger Sicht ein Import von ca. 50 Millionen Tonnen Wasserstoff/ Jahr. Wenn es Deutschland gelingt, die jährlichen Investitionen in Solar und Wind zu verdoppeln und aus geeigneten Ländern (mit technischer Unterstützung) diese Mengen grünen Wasserstoffs zu importieren, sollte Deutschland in 30-35 Jahren (1 Generation) CO2-frei sein. 

Das untenstehende Diagramm zeigt die einzig mögliche sinnvolle Entwicklung für den Standort Deutschland, um das Ziel in 30-35 Jahren zu erreichen