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Plan B oder Faktor 10 in der Energie

Plan B oder Faktor 10 in der Energie. Prof. Dr. Anton Gunzinger Supercomputing Systems AG Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zürich Tel. 043 456 16 00 Fax 043 456 16 10 info@scs.ch www.scs.ch. Plan B oder Faktor 10 in der Energie. Ausgangslage Zielsetzung Gemeingüter Wärme Mobilität

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Plan B oder Faktor 10 in der Energie

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  1. Plan B oder Faktor 10 in der Energie Prof. Dr. Anton Gunzinger SupercomputingSystems AG Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zürich Tel. 043 456 16 00 Fax 043 456 16 10 info@scs.ch www.scs.ch

  2. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  3. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  4. Ich (wir?) lebe im materiellen Paradies. Ich wünsche mir, dass unsere Nachfahren auch so leben können wie wir. Da gibt es 2 Probleme: Der ökologische Fussabdruck der Schweiz beträgt etwa 3 Erden. Beim konventionellen Erdöl haben wir den «Peak Oil» überschritten 1. Ausgangslage

  5. 1. Lösungsansätze Weiter wie bisher: Nur eine kleine auserwählte Elite kann so wie wir leben, der Rest muss in Armut leben. Reduktion der Weltbevölkerung um den Faktor 4. Reduktion unseres Fussabdruckes. Nichterneuerbare Energien machen rund 65% des ökologischen Fussabdruckes aus.

  6. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  7. 2.1 Ziele Heute verbrauchen die Schweizer 5 kW, davon 4 kW nicht erneuerbar Pro Schweizer werden 7 t CO2 produziert. Die Schweiz gibt jährlich CHF 13 Mia für nichterneuerbare Energie aus. In 20 Jahren gibt die Schweiz mehr als CHF 260 Mia aus

  8. 2.2 Ziele Reduktion der nicht erneuerbaren Energieträger um Faktor 10 Reduktion des CO2 Ausstosses um Faktor 10 Keine Subvention der Mobilität Keine Subvention der Energie Keine AKW’s Keine Kostenabwälzung auf nächste Generationen Höhere Energieautonomie der Schweiz Gleichbleibender Lebensstandard Ökologisch sinnvoll, ökonomisch profitabel Nur «ready to use» Technologien Energiepolitische Vorreiterrolle der Schweiz In 20 Jahren umsetzbar Macht Spass

  9. 2.3 Design Prinzipien Die sauberste, umweltfreundlichste, günstigste Energie ist die Energie, die nicht verbraucht bzw. umgewandelt wird. Nicht erneuerbare Energien sollen möglichst zu 100 % genutzt werden können. Von der Finanzeffizienz (Grundprinzip der Moderne) zur Ressourceneffizienz (Grundprinzip einer nachhaltigen Gesellschaft).

  10. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  11. 3.1 Gemeingüter(Commons) Güter, die der Gemeinschaft gehören: Planet Erde Luft Wasser Boden – öffentlicher Raum Nicht erneuerbare Energien: z.B. Öl, Gas, Uran Nicht innerhalb von 25 Jahren erneuerbare Bodenschätze: z.B. Eisen, Kupfer, Silber, Gold, Diamanten, seltene Erden, Urwald Sicherheit: z.B. im Verkehr, in der Umwelt (z.B. Lagerung radioaktiver Abfälle), im Zusammenleben (z.B. sozialer Frieden) Ruhe Wissen ...

  12. 3.2Wirtschaftsprinzipien Staatswirtschaft Die Gemeinschaft ist verantwortlich Beispiele: Staatsinstrumente (Organisation, Gesetz, Verteidigung), Bildung Sehr gerecht Allmenden Die Nutzer eines Gemeingut bestimmen Umgang Beispiele: Gemeinsame Wiese (Allmende), Luft, Wasser, Stromnetz, … Höchster Ertrag bei Gemeingütern Privatwirtschaft Wettbewerb Beispiele: Kleidung, Nahrung, Wohnung, Unterhaltung, Mobilität (Fahrzeuge) Sehr effizient, wenn anwendbar

  13. 3.3 Gemeingüter:Allmende Allmende: al(ge)meinde = ein im Besitz einer (Dorf-)Gemeinschaft befindliches Grundeigentum (Wikipedia) Beispiel Bürgerwald: Die Bürger einer Gemeinde beziehen Holz aus dem Bürgerwald und bezahlen eine der Menge entsprechende Nutzungsgebühr als Gemeingutabgeltung. Diese Einnahmen werden wieder an alle Bürger gleichmässig verteilt. Weitgehend ungelöste Allmende-Beispiele («Tragik der Allmende»): Luft (CO2) Meer Wald (Mittel- und Südamerika) Bereits bestehende, gut funktionierende Ansätze im Umgang mit Allmenden CO2 – Abgabe auf Heizöl (CH) Ozon (weltweit) (Ab-) Wasser (CH) Wald (Europa)

  14. 3.4 Gemeingüter:Allmende Nobelpreis 2009: Ellinor Ostrom «Laissez-Faire» → Tragik der Allmende (Garret Hardin 1968 in „Science“) Markt - Komplexe Abgrenzung, Gemeingüter lassen sich oft nicht abgrenzen - Hohe Ertragsschwankungen - Kurzfristig + Bekanntes Konzept Sozialistischer Ansatz - Hoher Kontrollaufwand /hohe Kosten - Vollständige Kontrolle oft nicht möglich → Unfair - Korruption + Einfaches Konzept Genossenschaftlicher Ansatz - Komplexe Aushandlung der Regeln + Fair + Höchster Ertrag + Langfristig, nachhaltig Allmende: frühes Übungsfeld für Demokratie, oft sehr erfolgreich (vor französischer Revolution) → (Eid-) Genossen

  15. 3.5 Voraussetzung für funktionierende Allmende (nach Ellinor Ostrom) Klar definierte Grenzen (auch Aufnahme von neuen Genossenschaftern) Regeln für den Umgang mit den Ressourcen Arrangements für kollektive Entscheidungen Überwachung Abgestufte Sanktionen Konfliktlösungsmechanismen Minimale Anerkennung durch die Behörde Bei grösseren Systemen: Eingebettete Unternehmen

  16. 3.6 Gemeingüter: Philosophische Grundlagen Jeder Mensch erhält, wenn er geboren wird, als «Mitgift» einen Anteil an den Schätzen dieser Welt. Die Menge der meisten Schätze ist begrenzt. Er teilt diese Schätze nicht nur mit den zur Zeit lebenden Menschen, sondern auch mit zukünftigen Generationen. Er bezahlt neben den Erschliessungskosten auch eine Nutzungsgebühr entsprechend der Menge seines Gebrauches: Gemeingutabgeltung. Die Gemeingutabgeltung wird an alle Menschen (z.B. einer Region, eines Landes) wieder gleichmässig verteilt.(Da es mit dem heutigen Finanzsystem nahezu unmöglich ist, Geld über Generationen hinaus weiterzugeben, wird der Ausgleich auf die heute lebenden Menschen begrenzt.)

  17. 3.7 Gemeingüter: Vorschlag Gemeingutabgeltung CH Gemeingüter, die im Zusammenleben besonders wichtig sind: Luft: Schadenssumme 5% vom BIP (540 Mia CHF) → 27 Mia CHF/a Ruhe: Werteverlust an Liegenschaften von 10% (250 Mia CHF) → 10 Mia CHF/a (4%) Öffentlicher Raum: für Mobilität rund 1’200 km2 zu CHF 500 / m2 → 600 Mia CHF → 30 Mia CHF/a (4%) Sicherheit: Schadensumme SuperGAU: 5’000 Mia; Versicherungsprämie: 0.2 ‰ von 5’000 Mia CHF pro AKW →5 Mia CHF/a für alle AKW’s Versicherung Stauseen: 0.2 Mia CHF/a

  18. 3.8 Gemeingüter: Einnahmen Gemeingutabgeltung CH (BIP der CH beträgt ca. 540 Mia CHF/a)

  19. 3.9 Gemeingüter: Grundeinkommen Die Rückerstattung der Nutzungsgebühren (Gemeingutabgeltung) führt zu einem Grundeinkommen. Das Grundeinkommen ist in der Schweiz bereits eine Realität:Es beträgt heute 4.05 CHF pro Monat (CO2 Abgabe seit 1.1.2008) CO2 Abgabe seit 1.1.2010: 36 CHF / t CO2→ 9 Rp. pro Liter Heizöl (z.Z. noch ohne Einbezug der Mobilität) Leider wird das Grundeinkommen in der Krankenkassenprämie «versteckt».

  20. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  21. 4. Wärme • Wärmeverbrauch heute Öl: 58.6 TWh/a • Wärmeverbrauch heute Gas: 35 TWh/a • Wärmeverbrauch heute Total: 94 TWh/a • Einsparpotential Isolation: Faktor 3 – 5 (4) • Wärmepumpen: Faktor 3 – 6 (4) • Zusätzlicher Stromverbrauch: 6 TWh/a → Das elektrische Netz als Verteilnetz für Wärme einsetzen (Fernwärmenetz) • Hier sind wir Schweizer gut unterwegs… • Renovationsrate: heute 1%/a; Ziel: 2%/a

  22. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  23. 5.1.1 Gemeingut Mobilitätsfläche Mobilität benötigt Raum, je nach Verkehrsmittel unterschiedlich viel: U-Bahn < 1 m2 Fussgänger 1 m2 Velo 10 m2 ÖV (Stadt) 15 m2 ÖV (CH) 25 m2 Auto 30 km/h 67 m2 Auto 50 km/h 111 m2 Auto 120 km/h 267 m2 (Quelle: Prof. Brändli, ETHZ) Berechnung Allgemein: Reaktionszeit 2s, Breite mal zurückgelegte Distanz Ressourcenverbrauch Raum ist besonders wichtig in der stark besiedelten Schweiz. Wären die Passagiere eines vollgestopften Trams mit 200 Personen (morgens um 8 Uhr am Bellevue) mit dem Automobil unterwegs, gäbe es eine 4 km lange Autokolonne.

  24. 5.1.2 Mobilitätsfläche Strasse Fläche für Parkplätze: 4 Mio Fahrzeuge à 20 m2 x 2 → 160 km2 Gesamtfläche: 900 km2, unnutzbare Zusatzfläche: 300 km2, Total: → 1’200 km2 Die gesamte Gebäudeflache der Schweiz beträgt 400 km2. Die Mobilitätsfläche ist rund 3 mal grösser!!!

  25. 5.1.3 Mobilitätsverteilung Kontrollrechnung Auto: Pkm = (E-Verbrauch Auto CH Total) / (mittl. E-Verbrauch/Fahrzeug) * Pers/Fahrzeug Pkm = 71 TWh/ (90kWh/100km) * 1.1 Pers = 87’000 M Personen km Quelle: http://www.bfs.admin.ch/bfs/portal/de/index/themen/11/05/blank/key/verkehrsleistungen/leistungen.html

  26. 5.1.4 Mobilitäts- und FlächenverteilungBemerkungen Die Automobilität ist der grösste Landverbraucher in der Schweiz In dicht besiedelten Gebieten (Zürich), transportiert das Auto nur 25% der Personen und beansprucht dabei 76% der Mobilitätsfläche (ungerecht) Grosser Druck von den Bewohnern von dicht besiedelten Gebieten, zu tieferen Geschwindigkeiten und Verkehrsmitteln mit geringerem Flächenbedarf oder höhere Nutzungspreise Die Strassen sind nur etwa zu 2.7% ausgenutzt • Mobilitätsfläche: 740 km2 • Anzahl Autos: 4 Mio • Fahrleistung pro Auto: 20’000 km (real: 16’000 – 18’000 km) • Jahresfahrzeit: 400h (bei 50 km/h) Leider wollen alle zur gleichen Zeit an denselben Ort…

  27. 5.2.1 Die Energiefrage

  28. 5.2.2Die EnergiefrageDer Wirkungsgrad ist entscheidend Ein Standardautomobil mit Verbrennungsmotor hat einen Wirkungsgrad von  nur etwa12 - 15%, obwohl der Benzinmotor 34% und der Dieselmotor 40% Wirkungsgrad hat (schlechter Arbeitspunkt, Übermotorisierung, Stop-and-Go Betrieb). Neu serieller Hybrid Verbrennungsmotor bei optimalem Arbeitspunkt η = 34% - 50% Batterie η = 90% (100% inkl. Rekuperation) Elektromotor mit Leistungselektronik η = 95% Durch Rekuperation können die Verluste im elektrischen Antrieb kompensiert werden. → Rein Elektrisch erreichen wir damit einen Wirkungsgrad von nahezu 100% → Mit einem Verbrennungsmotor im optimalen Arbeitspunkt (als Generator) kann ein Wirkungsgrad von fast 50% erreicht werden.

  29. 5.2.3Beispiel einer technischen Verbesserung: Serieller Hybrid • Batterie: 16 kWh, Nutzung 8 kWh • Elektromotor: 110 kW (130 PS) , 370 Nm • Maximale Geschwindigkeit: 160 km/h • Gewicht: 1’700 kg • η = 34% • Benzinverbrauch: 4.8 l /100 km

  30. 5.2.4 Technische Verbesserung: Effizienz → Bereits heute ist es möglich, um Faktor 6 effizientere Autos zu bauen und zu kaufen als das heutige schweizerische Durchschnittsauto. Elektrische Autos sind um den Faktor 10 effizienter. Ein «Off-Roader» setzt 0.5% der Energie für den Nutztransport ein: 99.5% sind Verluste!!!

  31. 5.2.5Verhaltensänderungen (Suffizienz) Vorbemerkung: 1960 Gewicht eines  Automobil 700 kg, mit 2.4 Personen belegt; heute Gewicht eines  Automobil 1400 kg, mit 1.3 Personen belegt → verschieben 4 mal mehr Masse zur Erreichung derselben Mobilität Ein hoher Benzinpreis führt zu Änderungen im Mobilitätsverhalten: Verzicht auf unnötige Fahrten Einsparungspotential: 10% - 20% →  15% Substitution: Kurzstrecken zu Fuss oder mit (Elektro-)Fahrrad (rund 35% der Fahrten < 1km, rund 35% der Fahrten < 5km) Einsparungspotential: 10% - 30% → 25% Erhöhung Fahrzeugbelegung von 1.3 Personen/Fahrzeug auf 1.5 Personen/Fahrzeug. Einsparungspotential: 13% Verbleibende Mobilität dank Verhaltensänderung:85% • 75% • 87% = 55% → Reduktion Automobilverkehr gegenüber heute auf: 55% oder Faktor 2 (weniger Staus)

  32. 5.2.6 Energieeffizienz in der Mobilität Reduktion Automobilverkehr durch Verhaltensänderung: Faktor 2 Verbesserung Wirkungsgrad: Faktor 4 → Reduktion Treibstoffverbrauch von 71 TWh/a auf 9TWh/a Potential elektrische Energie: 2/3des Automobilverkehrs (für Kurzstrecken bis 70 km) ab Batterie mit Netzstrom möglich → 3TWh Benzin oder Diesel ( Verbesserung Faktor 30) → 3TWh zusätzliche elektrische Energie, da Wirkungsgrad elektrisch Faktor 2 besser. Elektrische Energie kann durch PV erzeugt werden Anmerkung: dies entspricht etwa 3GW PV

  33. 5.3.1Die Kostenfrage für individuelle Mobilität Die Autobahn kostet heute rund 40 Mio CHF /km Der Autobahntunnel kostet heute rund 100 Mio CHF /km Die Kantonsstrasse kostet rund 10 Mio CHF /km Die Gemeindestrasse kostet rund 2.5 Mio CHF /km Es wird mit dem Neuwert gerechnet (andere Rechnung: 2% Inflation und 3% Zins) Es wird über 50 Jahre mit 1% Zins amortisiert → 2.6% /a Der Unterhalt wird mit 1% /a angenommen Daraus werden die jährlichen Kosten (Kapitalkosten + Unterhalt) berechnet → 3.6% /a

  34. 5.3.2Kostenberechnung individuelle Mobilität Für den Unterhalt des 82’000 km langen Strassennetzes werden in dieser Rechnung rund 5.4 Mia CHF ausgegeben → 66’000 CHF / km. Andere Quellen rechnen mit 100’000 CHF /km oder mehr. In der offiziellen Strassenrechnung beträgt der Aufwand nur 8.3 MiaCHF/a

  35. 5.3.3 Kostenberechnung individuelle Mobilität

  36. 5.4Bemerkungen zur Mobilität Ein Benzinpreis von CHF 10…14 / Liter ist vernünftig. Die Fahrzeugflotte erneuert sich alle 5 Jahre. Die Anpassung des Benzinpreises soll über 7 .. 10 Jahre kontinuierlich (=planbar) erfolgen. Elektroautos werden in Zukunft kostengünstiger als Benzinautos (technologischer Grund). Elektroautos können mit erneuerbarer Energie versorgt werden. Wenn der Anteil der Elektroautos über ein paar Prozent steigt, so muss zu Mobility-Pricing gewechselt werden.

  37. Plan B oder Faktor 10 in der Energie • Ausgangslage • Zielsetzung • Gemeingüter • Wärme • Mobilität • Die Raumfrage • Die Energiefrage • Die Kostenfrage • Elektrizität • Zusammenfassung

  38. 6.0 Ausgangslage Elektrizität • Der Ausbau der Stromproduktion in Deutschland hat zu einem massiven Preiszerfall im Strommarkt geführt • Die Förderung erneuerbarer Energien in Deutschland hat zu einem Preiszerfall bei den Erneuerbaren geführt (z.B. bei Photovoltaik um den Faktor 5) • Der Super-GAU in Fukushima hat die Versicherungskosten von Atomkraft massiv erhöht (Faktor 100)

  39. 6.1 Die Speicherfrage • Kernkraftwerke liefern Bandstrom. Kann dieser durch hochvolatile Stromerzeuger wie PV und Wind ersetzt werden? • Wie viel zusätzlicher Speicher ist in diesem Fall für die Schweiz notwendig? • Was kostet der Speicherausbau? • Können wir dann noch Stromhandel mit Europa betreiben? • Wie kann das Netz mit hochvolatilen Stromerzeugern (PV und Wind) umgehen?

  40. 6.2 Vorgehensweise Vorgehensweise aus Sicht eines einfachen Ingenieurs • Basis ist Physik (Leistungsbilanz & Energiebilanz) • Ziel einer Energiepolitik: sichere und kostengünstige Versorgung mit (erneuerbarer) Energie. Kostengünstig → minimale volkswirtschaftliche Kosten (davon profitieren alle) • Welche Rahmenbedingungen muss die Politik schaffen, um das System in Richtung minimaler volkswirtschaftlicher Kosten zu bewegen?

  41. 6.3 Zielsetzung der Simulationsumgebung Untersuchung von: Energiebilanz Leistungsbilanz Volkswirtschaftliche Kosten Stromhandel Netzbelastung Simulation möglicher Szenarien: «Weiter wie bisher» (WWB) Erneuerung der Kernenergie Energieszenarien des Bundes Primär Photovoltaik 100% erneuerbare Energie Dezentrale Speicherung Lastverschiebung

  42. Produktion Photo- voltaik EPhoto(t) PPhoto(t) Wind EWind(t) PWind(t) Biomasse EBiomasse PBiomasse Laufwasser-Kraftwerke ELaufwasser PLaufwasser Kernkraft EKern PKern Geothermie EGeothermie PGeothermie Thermische Kraftwerke EThermisch PThermisch Gaskraft-werke(GuD) EGuD PGuD(t) Wetter (t) 6.4 Simulationssystem Import Export Verlustbehaftetes Netz(Transport & Transformation) Speicher Konsum Kurzzeit-Speicher EKurzzeit(t) PKurzzeit(t) Speicher-Kraftwerk ESpeicher(t) PSpeicher(t) Verbraucher EVerbrauch PVerbrauch(t) RegelbareLast ERegelbar (t) PRegelbar (t)

  43. 6.6 Wie viel elektrische Energie benötigt die Schweiz in der Zukunft? • Verbrauch heute: 60 TWh/a • Sparpotential: bis 15 TWh/a • Mehrverbrauch durch Wärme: • Verbrauch heute 94 TWh/a (Gas und Öl) • Einsparpotential: Isolation Faktor 4, Wärmepumpen Faktor 4 • Zusätzlicher Stromverbrauch: 6 TWh/a • Mehrverbrauch durch Elektromobilität • Verbrauch heute 70 TWh/a • Einsparpotential: Verhalten Faktor 2, serieller Hybrid Faktor 4 • Rein Elektrizität: 2/3 (Öl 3 TWh) • Zusätzlicher Stromverbrauch: 6 TWh/a • Zukünftiger Stromverbrauch: 60 TWh/a

  44. 6.8 Simulation:Spielregeln für die Kraftwerke Deckung des Bedarfs nach Prioritäten Thermische Kraftwerke, Laufwasserkraft, Kernkraftwerke (optional) PV (optional) und Wind (optional) Lokale Batterien Pumpspeicherwerke Gaskraftwerke (optional), Biomasse (optional) Stauseen Verwendung bei Überproduktion nach Prioritäten Überschuss in dezentralen Batterien speichern Weiteren Überschuss in Pumpspeicherseen pumpen(Stauseen werden primär für den Jahresausgleich verwendet) Restlicher Überschuss ins Ausland verkaufen «wegwerfen» Lastverschiebung Falls am aktuellen Tag ein Überschuss absehbar ist, soll er zunächst möglichst durch verschobene Last abgefangen werden.

  45. 6.9 Jährliche Globalstrahlung

  46. 6.10 Monatliche Globalstrahlung

  47. 6.11 Simulierte Szenarien Weiter wie bisher (WWB) Weiter wie bisher mit neuer Kernenergie Bund NEP-E Nur Solar Solar und Wind Solar, Wind und Biomasse Solar, Wind, Biomasse und Batterie Solar, Wind, Biomasse und Lastverschiebung

  48. Simulations Parameter (WeiterWieBisher)

  49. Verlauf einer Sommerwoche (WeiterWieBisher)

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