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Grundlagen Volkswirtschaftslehre:
Schwerpunkt Umweltökonomie
Dr. Robert Tichler
Universitätslehrgang "Energiemanagement"
Teil III
2
Volkswirtschaftliche Bewertung von Energieträger
Welche makroökonomischen Parameter bzw. welche wohlfahrtsökonomischen Parameter können für einen
spezifischen Energieträger bewertet werden?
3
• Auswirkungen der heimischen Produktion, des heimischen Handels, des heimischen Transports des Energieträgers
auf Beschäftigte, Investitionen, Konsum, Bruttoinlandsprodukt
• Wertschöpfungszufluss/-abfluss durch den Energieträger (Nettoexporte); Auswirkungen auf Leistungsbilanz
• Substitution anderer Energieträger
• Soziale Effekte; Auswirkung auf Verteilung in Volkswirtschaft
• Beitrag zur allgemeinen Preisentwicklung (Inflation/VPI) und deren Auswirkungen
• Auswirkungen auf öffentlichen Haushalt: öffentliche Einnahmen, öffentliche Ausgaben
• Notwendige zusätzliche Infrastrukturausgaben (z.B. Speicher, Netze)
• Externe Effekte:
• Positiver oder negativer Beitrag zur Versorgungssicherheit • Ökologische Auswirkungen (v.a. Emissionen) • Auswirkungen auf Gesundheit, Lebenskomfort
Beispiele für volkswirtschaftliche Parameter:
Volkswirtschaftliche Bewertung von Energieträger
5
Energiebilanzen
Primärenergieträger-Einteilung: • Steinkohle • Braunkohle • Brenntorf • Erdöl • Naturgas • Brennholz • Biogene Brenn- und Treibstoffe • Umgebungswärme • Windkraft • Photovoltaik • Wasserkraft
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Energiebilanzen
Sekundärergieträger: • Elektrische Energie • Fernwärme • Braunkohlebriketts • Koks • Sonstiger Raffinerieeinsatz • Benzin • Petroleum (Kerosin) • Dieselkraftstoff • Gasöl für Heizzwecke (= Heizöl extraleicht, = Ofenheizöl) • Heizöl (leicht, mittel, schwer) • Flüssiggas (entspricht nicht LNG) • Sonstige Produkte der Erdölverarbeitung • Raffinerierestgas • Gichtgas • Kokereigas
Ist die Zuteilung der Sekundärenergieträger in erneuerbar und fossil eindeutig?
Welche Problemstellungen könnte es geben?
7
Energiebilanzen
Umwandlungseinsatz: • Einsatz eines Energieträgers zur Produktion eines anderen Energieträgers. • Beispiel: Der Umwandlungseinsatz von Wasserkraft erzeugt elektrische Energie
Umwandlungsausstoß:
• Erzeugte Energie eines bestimmten Energieträgers durch einen vorgelagerten Energieträger
• Beispiel: Der Umwandlungsausstoß von elektrischer Energie wird durch den Umwandlungseinsatz von Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik, Steinkohle, Erdgas,… erzeugt
• Die Transformation von Umwandlungseinsatz zu Umwandlungsausstoß bildet die Umwandlungsverluste ab.
• Eine eindeutige Zuordnung in den Energiebilanzen der verschiedenen Umwandlungsverluste der Energieträger beispielsweise in der Stromproduktion ist in den Energiebilanzen nicht möglich
8
Energiebilanzen
Signifikanter Umwandlungseinsatz in Österreich: • Erdöl
• Steinkohle
• Koks
• Gasöl für Heizzwecke
• Heizöl
• Naturgas
• Gichtgas
• Kokereigas
• Brennbare Abfälle
• Biogene Brenn- u. Treibstoffe
• Umgebungswärme
• Wasserkraft
• Windkraft und Photovoltaik
Umwandlungseinsatz in Österreich: österreichische Wertschöpfung
Welche Anlagen sind hierbei in Österreich besonders relevant?
Importe von Primärenergie: Wertschöpfungsabflüsse
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Energiebilanzen
Zentrale Variablen: • Bruttoinlandsverbrauch • Energetischer Endverbrauch Zusammensetzung des Bruttoinlandsverbrauchs: Möglichkeit 1: + Inländ. Erzeugung v. Rohenergie + Importe + Lagerbestandsveränderung - Exporte = Bruttoinlandsverbrauch Möglichkeit 2: + Umwandlungseinsatz + nicht energetischer Verbrauch + Verbrauch des Sektors Energie + Energetischer Endverbrauch - Umwandlungsausstoß = Bruttoinlandsverbrauch
• Problemstellung elektrische Energie: „Verbrauch“…
• Bruttoinlandsverbrauch von Strom…
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Energiebilanzen
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
2015 2016
GWh
Netzabgabe Eigenbedarf aus Erzeugung Verbrauch für Pumpspeicherung physikalisce Exporte
Quelle: E-Control
Inlandstromverbrauch der letzten Monate (Datenstand: März 2016)
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Energiebilanzen
-200.000
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
TJ
Inländ. Erzeugung v. Rohenergie Importe Lager Exporte Bruttoinlandsverbrauch
Zeitliche Entwicklung Energie in Österreich, Teil 1
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Energiebilanzen
Zeitliche Entwicklung Energie in Österreich, Teil 2
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
TJ
Umwandlungseinsatz UmwandlungsausstoßVerbrauch des Sektors Energie Transportverluste+MeßdifferenzenNichtenergetischer Verbrauch Energetischer Endverbrauch
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Energiebilanzen Sektorale Untergliederung der Energiebilanzen (vgl. Statistik Austria)
Eisen- und Stahlerzeugung Textil und Leder
Chemie und Petrochemie Sonst. Produzierender Bereich
Nicht Eisen Metalle Eisenbahn
Steine und Erden, Glas Sonstiger Landverkehr
Fahrzeugbau Transport in Rohrfernleitungen
Maschinenbau Binnenschifffahrt
Bergbau Flugverkehr
Nahrungs- und Genussmittel, Tabak
Öffentliche und Private Dienstleistungen
Papier und Druck Private Haushalte
Holzverarbeitung Landwirtschaft
Bau
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Energiebilanzen Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 1) ÖNACE-Hauptsegmente der Wirtschaftssektoren (gemäß Statistik Austria) • Sachgütererzeugung • Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden • Bauwesen • Verkehr und Nachrichtenübermittlung • Energie und Wasserwirtschaft • Land- und Forstwirtschaft, Fischerei • Handel; Rep. v. Kfz. u. Gebrauchsgütern • Beherbergungs- und Gaststättenwesen • Kredit- und Versicherungswesen • Realitätenwesen, Unternehmensdienstleistungen • Öffentliche Verwaltung, Sozialversicherung, Exterritoriale Organisationen • Sonstige Dienstleistungen Privater KONSUM!!!
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Energiebilanzen Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 2) Sachgütererzeugung (ÖNACE): Eisen- und Stahlerzeugung Chemie und Petrochemie Nicht Eisen Metalle Fahrzeugbau Maschinenbau Nahrungs- und Genussmittel, Tabak Papier und Druck Steine und Erden, Glas Textil und Leder Sonst. Produzierender Bereich Holzverarbeitung
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Energiebilanzen Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 3) Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden (ÖNACE): Bergbau Bauwesen (ÖNACE): Bau
Energie- und Wasserwirtschaft (ÖNACE): Verbrauch des Sektors Energie Land- und Forstwirtschaft, Fischerei (ÖNACE): Landwirtschaft
20
Energiebilanzen
Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 4) Verkehr und Nachrichtenübermittlung (ÖNACE): Eisenbahn Sonstiger Landverkehr (auch privater Konsum enthalten!!!) Transport in Rohrfernleitungen Binnenschifffahrt Flugverkehr Handel; Rep. v. Kfz. u. Gebrauchsgütern; Beherbergungs- und Gaststättenwesen; Kredit- und Versicherungswesen; Realitätenwesen u. Unternehmensdienstl.; Öffentl. Verwaltung, Sozialversicherung, Exterritoriale Organisationen; sonstige Dienstleistungen (ÖNACE): Öffentliche und Private Dienstleistungen
Problem private Haushalte
Frage: wieso existieren diese Problemstellungen?
21
Energiebilanzen
Zentrale Variablen in der Energiebilanz Österreich 2014
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
Variable TJ Inländ. Erzeugung v. Rohenergie 512.836 Importe aus dem Ausland 1.180.454 Lager -42.569 Exporte ans Ausland 269.911 Bruttoinlandsverbrauch 1.380.811 Umwandlungseinsatz 858.213 Umwandlungsausstoß 774.097 Verbrauch des Sektors Energie 128.976 Transportverluste u. Messdifferenzen 19.594 Nichtenergetischer Verbrauch 84.944 Energetischer Endverbrauch 1.063.181
22
Energiebilanzen
Verlauf der österreichischen Energie-Nettoexporte
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
-1.500.000
-1.000.000
-500.000
0
500.000
1.000.000
1.500.000
197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007200920112013
TJ
Importe Exporte Nettoexporte
Bei einem durchschn. Preis von 4 Cent/kWh würde dies ca. 11 Mrd. € an Wertschöpfungsabfluss durch Energienettoexporte entsprechen
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Energiebilanzen
Energetischer Endverbrauch in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
Diesel elektrischeEnergie
Naturgas biogeneBrenn- u.
Treibstoffe
Fernwärme Benzin Brennholz Gasöl(Heizöl EL)
TJ
1 GWh = 3,6 TJ
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Energiebilanzen
Bruttoinlandsverbrauch Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
Erdöl Naturgas biogeneBrenn- u.
Treibstoffe
Wasserkraft Steinkohle Diesel Brennholz
TJ
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Energiebilanzen
Nicht-energetischer Verbrauch in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
sonst. Produkte derErdölverarb.
Koks Naturgas
TJ
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Energiebilanzen
Energie-Importe nach Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
Naturgas Erdöl Diesel elektrischeEnergie
Steinkohle Koks Benzin
TJ
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Energiebilanzen Energie-Exporte von Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
Naturgas elektrische Energie Diesel
TJ
28
Energiebilanzen
Umwandlungseinsatz in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
Erdöl Wasserkraft Naturgas Steinkohle biogeneBrenn- u.
Treibstoffe
Koks
TJ
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Energiebilanzen
Umwandlungsausstoß in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
TJ
30
Energiebilanzen
Inl. Erzeugung v. Rohenergie in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger
Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
160.000
180.000
biogene Brenn-u. Treibstoffe
Wasserkraft Naturgas Brennholz Erdöl brennbareAbfälle
TJ
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Energiebilanzen
Rechenbeispiel (altes Klausurbeispiel)
In Salzburg wurden im Jahr 2009 169 TJ an Biogas erzeugt. 22 TJ davon entfielen auf den energetischen Endverbrauch in Salzburg (davon 11 TJ im Dienstleistungs-sektor, 6 TJ im Sektor Papier und Druck, 2 TJ in den privaten Haushalten, je 1 TJ in den Sektoren Steine/Erden/Glas und Holzverarbeitung), es existierte kein Import und kein Export von Biogas in Salzburg. 89 TJ wurden in Kraftwerken zu Strom umgewandelt, 48 TJ in KWK-Anlagen zu Strom und Wärme und 10 TJ zu Wärme in Heizwerken. Wie hoch war der Bruttoinlandsverbrauch von Biogas in Salzburg im Jahr 2009?
32
Energiebilanzen
Rechenbeispiel (altes Klausurbeispiel)
In Salzburg wurden im Jahr 2009 169 TJ an Biogas erzeugt. 22 TJ davon entfielen auf den energetischen Endverbrauch in Salzburg (davon 11 TJ im Dienstleistungs-sektor, 6 TJ im Sektor Papier und Druck, 2 TJ in den privaten Haushalten, je 1 TJ in den Sektoren Steine/Erden/Glas und Holzverarbeitung), es existierte kein Import und kein Export von Biogas in Salzburg. 89 TJ wurden in Kraftwerken zu Strom umgewandelt, 48 TJ in KWK-Anlagen zu Strom und Wärme und 10 TJ zu Wärme in Heizwerken. Wie hoch war der Bruttoinlandsverbrauch von Biogas in Salzburg im Jahr 2009?
Ergebnis: Variante 1: (I.E.) 169 + (M) 0 - (X) 0 + (L.B.) 0 = 169 Variante 2: (UE) 89+48+10 + (N.E.) 0 + (VE) 0 + (EV) 22 – (UA) 0 = 169
33
Energiebilanzen
Rechenbeispiel
In Niederösterreich wurden im Jahr 2011 47.839 TJ an Erdgas exploriert/erzeugt. Die Lagerbestandsveränderung betrug laut Statistik Austria -71.504 TJ. Insgesamt wurde in NÖ eine Erdgasmenge von 219.143 TJ importiert und 125.008 TJ wurden exportiert. Wie hoch waren die Nettoexporte von Erdgas in Niederösterreich im Jahr 2011 in TJ?
34
Energiebilanzen
Rechenbeispiel
In Niederösterreich wurden im Jahr 2011 47.839 TJ an Erdgas exploriert/erzeugt. Die Lagerbestandsveränderung betrug laut Statistik Austria -71.504 TJ. Insgesamt wurde in NÖ eine Erdgasmenge von 219.143 TJ importiert und 125.008 TJ wurden exportiert. Wie hoch waren die Nettoexporte von Erdgas in Niederösterreich im Jahr 2011 in TJ und wie hoch der Bruttoinlandsverbrauch?
Ergebnis B.I.V. Variante 1: (I.E.) 47.839 + (M) 219.143 - (X) 125.008 + (L.B.) -71.504 = 70.470 BIV Variante 2: nicht berechenbar Ergebnis Nettoexporte: (X) 125.008 - (M) 219.143 = -94.135
36
Energiebilanzen
Nutzenergieanalyse Österreich 2011 neue Darstellung für Haushalte;
inkl. Zuordnung Traktion zu Haushalten
Raumwärme
Warmwasser
Kochen
Kühlen und Gefrieren
Großgeräte
Haushalts-kleingeräte
Unterhaltungselektronik
Beleuchtung
Sonstiges
Traktion
37
.
Beispiel für eine doppelte Dividende: Volkswirtschaftliche Auswirkungen der Errichtung und des Betriebs der geplanten Windparks
Silventus und Munderfing
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
2010 2011 2012 2013 2014
Mio
. €
Bruttoregionalprodukt Investitionen privater Konsum Nettoexporte
Anmerkung: Die dargestellten Ergebnisse sind als Veränderungen aufgrund der Projekte in Relation zu einer Situation ohne Umsetzung der Projekte (business-as-usual-Verlauf) zu betrachten. Die Finanzierung der Projekte wird durch Realisierung von Rücklagen durchgeführt.
Referenz: Tichler, R., Friedl, C., Schneider, F. (2010) Volkswirtschaftliche und energiepolitische Bedeutung der oberösterreichischen Zulieferunternehmen für Windkraftanlagen sowie der Errichtung neuer Windkraftparks in
Oberösterreich; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH.
BIP-Veränderung (Ø p.a., Jahr 1-5): +23,5 Mio. €
Veränderung CO2-Emissionen (Ø p.a., Jahr 1-5): -13.500 t
Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen
38
.
Beispiel für eine doppelte Dividende: Volkswirtschaftliche Auswirkungen der Umsetzung der Maßnahme „Ausbau und Neubau von
Wasserkraftwerken unter Bedachtnahme auf die Potentiale und 2030-Ziele […]“
Anmerkung: Die dargestellten Ergebnisse sind als Veränderungen aufgrund der Projekte in Relation zu einer Situation ohne Umsetzung der Projekte (business-as-usual-Verlauf) zu betrachten.
Referenz: Tichler, R., Schneider, F., Steinmüller, H. [Hrsg.] (2009) Volkswirtschaftliche Analyse des Maßnahmenprogramms ‚Energiezukunft 2030 der Oberösterreichischen Landesregierung‘, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH, in Kooperation mit Energy Economics Group, Technische Universität Wien; Institut für Verkehrswesen, Universität für Bodenkultur Wien.
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Mio
. €
Bruttoregionalprodukt (in Mio. €) Privater Konsum (in Mio. €)
Investitionen (in Mio. €) nicht-energetische Nettoexporte (in Mio. €)
BIP-Veränderung (Ø p.a., Jahr 1-15): +32,2 Mio. €
Veränderung CO2-Emissionen (Ø p.a., Jahr 1-15): -51.300 t
Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen
39
.
Beispiel für eine Reduktion von Treibhausgas-Emissionen • 57 Maßnahmen zur Reduktion von CO2-Emissionen wurden seitens des Energieinstituts für das
Land OÖ hinsichtlich CO2e-Vermeidungskosten analysiert • Davon „rechnen“ sich monetär etwa 40% der Maßnahmen auch in der betriebswirtschaftlichen
Perspektive und reduzieren dabei natürlich auch Emissionen • Hinzu kommt noch die volkswirtschaftliche Relevanz der Maßnahmen (indirekte Effekte,
heimische Wertschöpfung, reduzierte externe Kosten,…)
Referenz: Tichler, R., Schmidthaler, M., Schwarz, Steinmüller, H. (2010) Analyse von Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen in Oberösterreich, Teil 3; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH
siehe www.co2-vermeidung.at
Viele Maßnahmen zur Emissionsreduktion beinhalten
neben dem Trade-off Ökonomie-Ökologie auch eine Divergenz zwischen dem BWL- und dem
VWL-Ergebnis – dies gilt es vermehrt zu berücksichtigen
Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen
40
.
Problemstellung „Amortisationszeiträume“:
Die Amortisationszeiträume von „erneuerbaren Energiesystemen“ (gemäß betriebswirtschaftlicher Perspektive) liegen großteils über den maximalen Realisierungszeiträumen von Großbetrieben/der Industrie sowie über den finanzierbaren Zeiträumen von einkommensschwachen Haushalten
Referenz: Tichler, R., Schmidthaler, M., Schwarz, M, Moser, S., Goers, S., Steinmüller, H. (2010) Analyse von Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen in Oberösterreich, Teil 4; Energieinstitut an der Johannes Kepler
Universität Linz GmbH.
siehe www.co2-vermeidung.at
Notwendigkeit neuer Finanzierungskonzepte für Industrie und einkommens-
schwache Haushalte
Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen
41
.
Reduktion der direkten Effekte geopolitischer Krisen durch Verringerung des Einflusses des Ölpreises bei einer schrittweisen Umstellung auf erneuerbare Energieträger
• Rohölpreissteigerungen weisen große Auswirkungen auf die österr. Volkswirtschaft auf
• Auswirkungen einer Rohölpreiserhöhung auf 200 $ je Barrel im Jahr 2009 auf zentrale Variablen in der österreichischen Volkswirtschaft, ohne grundlegende strukturelle Veränderungen:
Referenz: Tichler, R., Schneider, F. (2008) Auswirkungen der aktuellen sowie einer prognostizierten Ölpreisentwicklung auf die oberösterreichische und österreichische Volkswirtschaft, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz.
Variable Einheit
Differenz des Simulationsszenarios zum business-as-usual-Szenario
Jahr 1 Jahr 2 Jahr 3 Jahr 4
Bruttoregionalprodukt Mio. € -3.600 (-1,3%)
-11.360 (-3,9%)
-8.400 (-2,8%)
-4.180 (-1,4%)
Beschäftigte Personen -19.700 (-0,6%)
-74.450 (-2,1%)
-50.030 (-1,4%)
-13.800 (-0,4%)
Privater Konsum (nicht-energetischer Konsum und Energiekonsum)
Mio. € -510 (-0,3%)
-1.460 (-0,9%)
-450 (-0,3%)
-250 (-0,2%)
Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen
42
.
Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen
Technologie:
Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von
Power-to-Gas
Ausgewählte Projekte des Energieinstituts zum Thema Power-to-Gas
EU-Projekt Store&Go - Store&Go - Innovative large-scale energy STORagE technologies AND Power-to-Gas concepts after Optimisation (Projektleitung Engler-Bunte-Institut am KIT)
Power to Gas – eine Systemanalyse. Markt- und Technolologiescouting und –analyse Förderung des österr. Wirtschaftsministeriums (BMWFW)
Auftrag des österreichischen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit): FTI-Roadmap Power-to-Gas für Österreich (im Auftrag des bmvit)
Förderung durch den österr. Klima- und Energiefonds: Underground Sun.Storage (Projektleitung RAG – Rohöl-Aufsuchungs AG)
Förderung durch den österr. Klima- und Energiefonds: wind2hydrogen (Projektleitung OMV)
Research Studios Austria (Förderung des BMWFW): Optimierung der Energieträger-Gewinnung aus Biomasse unter Einbindung von Überschussstrom („Optfuel“) und Entwicklung eines katalytischen Prozesses zur Methanisierung von CO2 aus industriellen Quellen („EE-Methan aus CO2“) 43
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Umwelt- und energiepolitische Zielsetzung einer verstärkten Integration erneuerbarer Energieträger generiert neue große Herausforderungen für die europäischen Volkswirtschaften
Der Anteil erneuerbarer Energien zur Bereitstellung von Elektrizität wird in den nächsten Jahren und Jahrzehnten auch bei einer potentiellen Verbrauchszunahme stark steigen.
Die Primärenergieträger Windkraft und Sonnenenergie unterliegen in ihrem Aufkommen starken zeitlichen Schwankungen, einer sehr volatilen Produktion.
Nutzung dieser Energieformen zur Bedarfsdeckung in Perioden mit Unterversorgung; ABER: hohe Überschüsse in Zeiten mit einem hohen Aufkommen.
44
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Stromproduktion in Deutschland von 2005 bis 2050
45
Quelle: BMU; Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland – Leitszenario 2009; Reihe Umweltpolitik
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Einspeisung erneuerbarer Energien im Jahr 2050, basierend auf dem Wetter-Jahr 2007 - Dezember
46 Quelle: "Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen"
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
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Grundlegende Intention
• Stromüberschüsse müssen bzw. sollten aus volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten (Ressourceneffizienz) gespeichert und somit gemäß den konventionellen Energiekonzepten auch zu den Speichern (Pumpspeicher) transportiert werden
• enorme Investitionen in den Ausbau der europäischen Stromnetze und -speicher erforderlich
• Ausbau der Stromnetze - etwa für den Transport von elektrischer Energie aus Nordafrika oder aus den Speichergebieten in Skandinavien - wird mit signifikanten Eingriffen in die Topografie verbunden sein, wodurch soziodemografische Probleme zu erwarten sind.
• In bestimmten Segmenten des Stromnetzes sind somit dezentrale Speicher notwendig, die auch eine Langzeitspeicherung ermöglichen bzw. Systeme, die den Energietransport verlagern
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
48
Power to Gas
= Produktion von Wasserstoff H2 aus erneuerbarer elektrischer Energie
= Produktion von synthetischem Methan CH4 aus Wasserstoff und Kohlendioxid
Quelle: Energieinstitut an der JKU Linz
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Möglichkeit der Erweiterung von Power-to-Gas um Power-to-Liquids Anmerkung: die folgende Präsentation integriert keine Power-to-Liquids
49
Power-to-Liquids höhere Kohlenwasserstoffe: Methanol, Ethanol, DME,…
Quelle: Energieinstitut an der JKU Linz
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Wirkungsgrade im System Power-to-Gas
Technischer Wirkungsgrad der Produktion von Wasserstoff: 60-70%
Technischer Wirkungsgrad inkl. der Produktion von Methan: 50-60%
Technischer Wirkungsgrad elektrische Energie: 20-30% (Rückverstromung von synthetischem Methan)
Verbesserung durch Abwärmenutzung und Nutzung von O2 aus der Elektrolyse
Systemischer Wirkungsgrad: +100% ???
50
Ist für die Frage der Weiterentwicklung des Energiesystems der technische oder der systemische Wirkungsgrad anzusetzen?
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Die Elektrolyse stellt in einem Power to Gas System die Koppelung zwischen elektrischer und chemischer Energie dar.
PEM (Proton Exchange Membrane)-Elektrolyse: von den drei im Detail betrachteten Elektrolysetechnologien (PEMEC, AEC und SOEC) die derzeit am stärksten entwickelnde Technologie (größten Potentiale, meisten F&E-Aktivitäten)
PEM-Elektrolyse weist wichtige Vorteile auf: höhere Kompaktheit / höhere Dynamik / hohe Flexibilität des Gesamtsystems
In bestimmten Anwendungsfällen kann aber auch die AEC (alkalische Elektrolyse) für Power to Gas Anwendungen vorteilhaft sein.
Effizienz- und kostenmäßig werden sich diese beiden Technologien mittelfristig auf ähnlichem Niveau finden.
Die Hochtemperaturelektrolyse (SOEC - Solid Oxide Electrolysis) befindet sich generell noch im Entwicklungsstadium, in dem v.a. materialwissenschaftliche Probleme gelöst werden müssen.
51
Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Forschungsbedarf Elektrolyse
Kostenreduktion, Lebenszeiterhöhung und optimierte Betriebsführung als
materialwissenschaftliche sowie regel- und steuerungstechnische Entwicklungen
Elektrolyseentwicklung und Verkauf konzentrieren sich vor allem auf den europäischen (Deutschland, Frankreich) und auf den nordamerikanischen (Kanada, USA) Raum.
In Österreich können v.a. kurzfristige Entwicklungsziele betreffend der Steuerung und Anlagenauslegung mit Pilotanlagen basierend auf momentan verfügbarer Technologie umgesetzt werden
In Österreich wird derzeit keine direkte Elektrolyse-Stack-Forschung (Materialforschung) der beiden kommerziell eingesetzten Elektrolysetechnologien betrieben.
Im Gegensatz dazu wird die SOEC-Entwicklung in Österreich aktiv vorangetrieben.
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Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas
Kosten der kommerziell verfügbaren Elektrolysetechnologien in Abhängigkeit der Anlagengröße
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Quelle: Koppe (2014) in Steinmüller, Tichler, Reiter et al. (2014)
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Technologien zur Methanisierung
CO Methanisierung seit Jahrzehnten industriell z.B. zur Herstellung von synthetischem Erdgas aus Kohle eingesetzt
Adaption der CO Methanisierung für die Nutzung von CO2 im System Power-to-Gas notwendig
Biologische Methanisierung derzeit im Pilotmaßstab realisiert – Vorteil hoher Flexibilität und Robustheit gegenüber Verunreinigungen
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Technische Daten CO2 Methanisierung CO Methanisierung Biologische Methanisierung
Chemische Reaktion CO2 + 4H2 ’ CH4 + 2H2O CO + 3H2 ’ CH4 + H2O CO2 + 4H2 ’ CH4 + 2H2O
Katalysatoren Ni (Ru, Ir, Rh, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag) Mikroorganismen
Betriebsdruck 6-8 bar 13-60 bar 1-3 bar
Temperatur 180-350 ˚C 300-700 ˚C 30-60 ˚C
Effizienz 70-85 % 75-85 % 85-95 %
Entwicklungsstand Demonstration Kommerziell Labormaßstab
Methanisierung ist ein weiterer wesentlicher, jedoch optionaler Verfahrensschritt innerhalb des PtG-Konzeptes
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Power-to-Gas Pilotanlagen in Deutschland
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Einsatz im Energiesystem:
1. Bereitstellung eines Langzeitspeichers für elektrische Energie – verbessertes Management der stark volatilen Stromproduktion (wie Windkraft oder Photovoltaik)
2. Verlagerung des Energietransportes vom Stromnetz zum Gasnetz - Nutzung der großen Transport- und Speicherkapazitäten des vorhandenen Gasnetzes und damit verbundene geringere Intensität des Stromnetzausbaus
3. Anhebung des Anteils erneuerbarer Energieträger in den Sektoren Verkehr und Industrie durch Nutzung von Wasserstoff oder synthetischem Methan aus erneuerbaren Quellen („Greening“)
4. Schaffung von autarken Energielösungen in topografisch schwierigen und abgelegenen Regionen für alle relevanten Energiesegmente: Strom, Wärme und Verkehr
5. Verwertung des Rohstoffes Kohlendioxid durch Bindung von CO2 im synthetischen Methan – CCU (Carbon Capture and Utilization)
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Vielzahl an Anwendungsfeldern für Power-to-Gas Anlagen: (zufällige Reihung)
a) Speicherung elektrischer Energie
b) Substitution von Stromleitungen
c) Entlastung des Lastmanagements von Stromnetzen
d) Substitution von alternativen Speichersystemen mit hohen topografischen Eingriffen
e) Erhöhte Energieproduktion volatiler erneuerbarer Energieträger
f) Herstellung eines zusätzlichen erneuerbaren Produktes
g) CCU: Verwertung des „Rohstoffes“/des Nebenproduktes Kohlendioxid
g) Erhöhte Auslastung der Gasinfrastruktur
h) Reduktion von CO2-Zertifikaten
i) Optimierung des Strombezugs
j) Erschließung neuer entlegener Gebiete mit hohem Stromerzeugungspotential
k) Bereitstellung eines autarken Energiesystems
l) Aufreinigung anderer Gase (Biogas, Kohlegase)
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H2-Toleranz der unterschiedlichen Komponenten in der Erdgasinfrastruktur
Quelle: Eigene Darstellung nach Müller-Syring, G., Henel, M., Köppel, W., Mlaker, H., Sterner, M., Höcher, T. (2013) Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und
Methan in das Erdgasnetz. DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, Bonn.
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