2010 BCG CO2 Stahl 2020

CO2-Bilanz Stahl Ein Beitrag zum Klimaschutz


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Die vorliegende Studie wurde unabhängig im Auftrag der Wirtschaftsvereinigung Stahl durch The Boston Consulting Group erstellt. Besonderer Dank gilt dem Einsatz der Beteiligten aus den Mitgliedsunternehmen der Wirtschaftsvereinigung Stahl sowie den zahlreichen Experten für konstruktive Beiträge und Unterstützung bei der Validierung der Analysen. Verantwortlich für die Erstellung der vorliegenden Studie war die weltweit führen-de Strategieberatung The Boston Consulting Group (BCG). Während angemessene Maßnahmen zur Sicherstellung der Fehlerfreiheit der in dieser Studie dargestellten Informationen getroffen wurden, gibt BCG keine Zusicherungen und Gewährleis-tungen für die Richtigkeit der getroffenen Aussagen und übernimmt keine Haftung für Ungenauigkeiten und Unvollständigkeiten. Die Ergebnisse dieser Studie sollten nicht uneingeschränkt ohne eigene unabhängige Analysen verwendet werden, für welche BCG keine Haftung übernimmt.


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Inhalt

Executive Summary 5

Einführung 5

I. Ausgangssituation weltweit und in Deutschland 6

II. Die Aufgabenstellung der Studie 9

III. Methodik der Studie 9

IV. Die CO2-Bilanz der Stahlindustrie 14

V. Fazit: Politische Klimaziele in Deutschland sind ohne innovative Stahlanwendungen nicht zu erreichen 15

Appendix: Stahlanwendungen zur CO2-Reduktion: Sechs Fallbeispiele 17

Quellenverzeichnis 28


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Executive Summary

Aufgabenstellung der vorliegenden Studie ist es, die Auswirkungen der Stahlindustrie auf die CO2-Emissionen in Deutschland in einer ganzheitli-chen Sichtweise über eine umfangreiche CO2-Bilanz zu analysieren. Dafür werden ausgewähl-te Fallbeispiele in den Bereichen Energieerzeu-gung, Verkehr sowie Haushalte und Klein-verbraucher betrachtet, bei denen Innovationen des Werkstoffs Stahl und die Anwendung von Stahl in innovativen, klimaschonenden Anwen-dungen CO2-reduzierende Wirkung entfalten. Für das Jahr 2020 ergibt sich allein durch die be-trachteten Beispiele zu Stahlanwendungen ein jährliches Gesamteinsparpotential von ca. 74 Millionen Tonnen CO2. Verglichen mit den Gesamtemissionen der Stahl-industrie aus dem Jahr 2007 von ca. 67 Millionen Tonnen resultiert daraus eine positive CO2-Bilanz.

Für die gewählten Fallbeispiele lässt sich ein durchschnittliches Verhältnis der Einsparung gegenüber den Emissionen bei der Produktion des dafür erforderlichen Stahls von 6 : 1 ermit-teln. Die größten Hebel finden sich bei der Wir-kungsgradsteigerung fossiler Kraftwerke und beim Ausbau erneuerbarer Energien, aber auch beispielsweise bei der Reduktion der Emissionen im Verkehr durch leichtere Fahrzeuge. Rund ein Drittel des Klimazieles der Bundesregierung (ei-ner 40%igen Reduktion der Treibhausgasemissi-onen bis zum Jahr 2020 gegenüber 1990) lassen sich nur mithilfe von Stahl erfüllen. Eine leis-tungsfähige Stahlindustrie ist also auch aus kli-mapolitischer Sicht ein wichtiges Glied in der Wertschöpfungskette, um die erforderlichen Werkstoffinnovationen bereitzustellen und ent-sprechende Forschung und Entwicklung zu betreiben.

Einführung

Seit der Klimarahmenkonvention im Jahre 1992 wird dem Klimaschutz international zunehmend Bedeutung zugemessen. Vor allem Deutschland und die EU haben auf diesem Feld in den ver-gangenen Jahren ihre Bemühungen verstärkt und bei vielen Themen eine internationale Vorrei-terrolle eingenommen. Dabei standen und ste-hen insbesondere energieintensive Industrien als bedeutende Emittenten von CO2 im Fokus. Das Ziel, die industriellen Treibhausgasemissionen zu begrenzen und zu senken, hat zu vielfältigen Regulierungsinitiativen geführt, wie speziell dem 2005 eingeführten europäischen CO2-Emissions-rechtehandel. Angesichts der hohen Bedeutung fossiler Energieträger für die Produktionsprozes-se energieintensiver Industrien werfen einseitige oder asymmetrische Regulierungen in der EU und Deutschland aber auch die Frage der inter-nationalen Wettbewerbsfähigkeit gegenüber

außereuropäischen Regionen ohne vergleichba-re Maßnahmen für die dort ansässige Industrie auf, bis hin zur Gefahr von Produktions- und Emissionsverlagerungen („Carbon Leakage“). Dies trifft auch für die Stahlindustrie zu, die auf-grund ihrer hohen prozessbedingten Emissionen aus der Reduktion von Eisenerz zu Roheisen und dessen Verarbeitung zu Stahl für einen we-sentlichen Teil der industriellen CO2-Emissionen in Deutschland steht. Tatsächlich greift eine Fo-kussierung auf die Emissionen im Zusammen-hang mit den Produktionsprozessen zu kurz. Bei ganzheitlicher Betrachtung muss neben den verursachten Emissionen auch in den Blick ein-bezogen werden, welchen Beitrag eine Industrie und ihre Produkte und insbesondere Produktin-novationen zu den erforderlichen Emissionsein-sparungen in anderen Sektoren leisten. Nur auf dieser Basis kann auch aus klimapolitischer Sicht


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bewertet werden, wie wichtig eine wettbewerbs- und leistungsfähige Stahlindustrie für Deutsch-land und die EU ist. Die vorliegende Studie ermit-telt vor diesem Hintergrund eine CO2-Bilanz für

Stahl, in der die CO2-Reduktionen durch Stahl-anwendungen den durch die Produktion dieser Stahlanwendungen verursachten CO2-Emissionen gegenübergestellt werden.

I. Ausgangssituation weltweit und in Deutschland

Im Zusammenhang mit dieser Zielsetzung ist es zunächst hilfreich, sich die Ausgangssituation bei den CO2-Emissionen weltweit und in Deutsch-land vor Augen zu führen: Seit Beginn der In-dustrialisierung hat sich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre um 35 % erhöht.1 Zwischen 1990 und 2007 stiegen die weltweiten CO2-Emissionen um 38 %.2 Vor allem Asien hat an dieser Entwicklung einen großen Anteil. China hat zwischen 1990 und 2007 die CO2-Emis-sionen beinahe verdreifacht und damit die welt-weit höchste Wachstumsrate zu verzeichnen. Analysiert man die CO2-Emissionen pro Kopf, stehen nach wie vor die USA weltweit an der Spitze unter den großen Industrienationen. Dort fielen 2007 knapp 22 Tonnen CO2 je Einwohner an.3 1997 wurde auf der Weltklimakonferenz in Kyoto das sogenannte Kyoto-Abkommen beschlossen, welches 2005 in Kraft trat. Darin verpflichtet sich unter anderem die EU, die Treibhausgase bis 2012 um 8 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Auch wenn der UN-Klimagipfel in Kopenhagen im Dezember 2009 noch keine verbindlichen Ziele vorgab, ist für die nähere Zukunft mit einer weiteren Ausweitung der globalen Anstrengun-gen zur Reduktion der Treibhausgasemissionen zu rechnen.

1 IPCC (2007) 2 BMU (2009), BMWi (2008) 3 BMU (2009), BMWi (2008), US Census Bureau

(2009)

Deutschland, eine der führenden Industrienatio-nen der Welt mit einem Anteil von ca. 6 % an der globalen Wirtschaftsleistung4, verursacht 2,3 % der weltweiten CO2-Emissionen. Zwischen 1990 und 2007 hat Deutschland seine CO2-Emissio-nen von 1.036 Millionen Tonnen (Mt) auf 841 Mt um etwa 19 % reduziert und nimmt damit in der Klimapolitik eine internationale Vorreiterrolle ein (Abb. 1). Die unterschiedlichen Anstrengungen einzelner Wirtschaftsbranchen haben hier nach-weislich Früchte getragen: So konnte von der Automobilindustrie der durchschnittliche Kraft-stoffverbrauch neuer PKWs seit 1990 um 18 % vermindert werden.5 Seit 1990 sank der Energie-verbrauch für die Erwärmung von Räumen um 33 %. Der pro Kilowattstunde anfallende Ausstoß von CO2 (spezifische CO2-Emission des Stromerzeu-gungsmixes) konnte zwischen 1990 und 2006 um fast 20 % reduziert werden.6 Neben den An-strengungen der Industrie selbst sind auch För-derprogramme der Bundesregierung für die posi-tiven Entwicklungen verantwortlich. Betrachtet man die CO2-Emissionen in Deutschland, die sich 2007 auf rund 840 Mt CO2 beliefen, nach den sie verursachenden Sektoren, so ergibt sich folgendes Bild:

4 UNCTAD (2008) 5 BMU (2009), BMWi (2008), VDA (2009), KBA (2009) 6 BMU (2009), BMWi (2008)


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Abbildung 1: Entwicklung der CO2-Emissionen nach Sektoren in Deutschland (1990 – 2007)

Die Energiewirtschaft verursacht fast die Hälfte aller Emissionen. Die CO2-Anteile der Sektoren Verkehr (20 %) und Industrie (10 %) sind seit 1995 etwa konstant. Die durch Haushalt und Gewerbe verursachten CO2-Emissionen sind hingegen stark rückläufig und beliefen sich 2007 nur noch auf 15 %. 2007 beschloss die deutsche Bundesregierung auf Schloss Meseberg das sogenannte „Inte-grierte Energie- und Klimaprogramm“ (IEKP). Zentraler Punkt dieses Programms ist das Ziel, bis 2020 eine Senkung der CO2-Emissionen um 40 % im Vergleich zu 1990 zu erreichen. In absoluten Zahlen entspräche dies einer Reduktion um ca. 400 Millionen Tonnen auf ca. 620 Millionen Tonnen CO2. Bis 2050 wird im Meseberg-Programm sogar eine CO2-Reduktion um 80 % gegenüber 1990 angestrebt. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, hat die

Bundesregierung ein Bündel von Zielen und Maßnahmen formuliert. Diese reichen von einem verstärkten Einsatz von Gaskraftwerken sowie einer Erneuerung des Kraftwerksbestands mit einer Wirkungsgradsteigerung um 7 %, über den Ausbau erneuerbarer Energien auf ca. 25 % der Stromerzeugung und eine Verdoppelung des Kraft-Wärme-Kopplungs-Anteils bis hin zu einer Erhöhung der Energieeffizienz im Stromverbrauch und der Emissionsreduktion im Individual- und Güterverkehr.7 Welchen Beitrag kann nun der Werkstoff Stahl leisten, damit diese ehrgeizigen Ziele des deut-schen Energie- und Klimaprogramms tatsächlich erreicht werden? Anders gefragt: Lassen sie sich überhaupt ohne Stahl erreichen? Um diese Fra-ge sachlich und faktenbezogen beantworten zu

7 BMU (2008) u. a.

0

300

600

900

1.200

98 (10%)

154 (15%)

163 (16%)

193 (19%)

427 (41%)

1.036

1990

92 (10%)

112 (12%)

176 (19%)

182 (20%)

361 (39%)

923

1995

92 (10%)98 (11%)

181 (20%)

163 (18%)

350 (40%)

884

2000

84 (10%)89 (11%)

152 (18%)

130 (15%)

387 (46%)

841

2007

-19%in Mio. t CO2

EnergieHaushalte und KleinverbraucherVerkehr

Verarbeitendes GewerbeIndustrie


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können, legt die Studie eine CO2-Bilanz vor, in der die CO2-Reduktionen durch Stahlanwendun-gen den durch die Produktion dieser Stahlan-

wendungen induzierten CO2-Emissionen gegen-übergestellt werden.

Exkurs 1: Historische Entwicklung der CO2-Emissionen in der Stahlproduktion Die CO2-Emissionen in der Stahlerzeugung –in Deutschland ca. 67 Millionen Tonnen im Jahr 2007 – ent-stehen im Wesentlichen bei der Roheisen- und Rohstahlproduktion. Rund 65 bis 70 % der Gesamtemissi-on pro Tonne produzierten Stahls fallen auf dieser Ebene an. Im Zeitraum von 1960 bis 2008 hat die Stahl-industrie in Deutschland den pro Tonne produzierten Rohstahls anfallenden Energieaufwand kontinuierlich um über 40 % reduziert. Meilensteine zur Erreichung dieses Resultats waren die Verbesserung der Ener-gieeffizienz im Produktionsprozess, eine bessere Nutzung von in der Stahlproduktion anfallenden Neben-produkten, die Reduktion von Ausbringungsverlusten sowie ein verbessertes Recycling von Stahl enthal-tenden Produkten. Die Stahlindustrie in Deutschland konnte ihre CO2-Emissionen je produzierter Tonne Stahlfertigprodukt von 1990 bis 2007 um 23 % senken. Dies war vor allem durch Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung und zur Senkung des Reduktionsmittelverbrauchs möglich, wie z. B. die Verbesserung der Koksqualität. In den Betrachtungen der spezifischen CO2-Emissionen der deutschen Stahlindustrie wurde jeweils das in Deutschland herrschende Verteilungsverhältnis von 68 % über die Hochofenroute und 32 % über die Elek-troofenroute (2008) zugrunde gelegt.


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II. Die Aufgabenstellung der Studie

Wie eingangs betont, will die vorliegende Studie eine ganzheitliche Sichtweise auf die klimapoliti-schen Auswirkungen und Beiträge der Stahlin-dustrie und ihrer Produkte vermitteln. Dazu wird eine CO2-Bilanz vorgelegt, in der durch innovati-ve Stahlanwendungen ermöglichte CO2-Reduktionen auf der einen Seite und durch die Produktion dieser Stahlanwendungen bzw. der Emissionen der gesamten Stahlproduktion her-vorgerufenen CO2-Emissionen auf der anderen Seite gegeneinander abgewogen werden. Der Schwerpunkt der Studie liegt dabei auf Deutsch-land. Nur solche Stahlanwendungen, die sich auf die in Deutschland anfallenden CO2-Emissionen

auswirken, werden berücksichtigt. Die Studie betrachtet ausschließlich CO2-Emissionen und keine anderen Treibhausgase. Die Berechnungen und Analysen der Studie nehmen die tatsächlichen Werte des Jahres 2007 als Ausgangszahlen und kalkulieren das mögliche Einsparpotential stets im Hinblick auf das Jahr 2020. Als Resultat der Untersuchungen ergibt sich schließlich die CO2-Bilanz der Stahl-industrie. Auf diese Weise lässt sich der Beitrag der Stahl-industrie für das Erreichen der politischen Klima-ziele beurteilen.

III. Methodik der Studie

Die Methodik dieser Studie beruht sowohl hin-sichtlich der zugrunde gelegten Ausgangsdaten als auch der unterstellten Prognosen auf exter-nen Daten renommierter Forschungsinstitute sowie auf ausgewählten Fallbeispielen. Was die aktuellen CO2-Zahlen für Deutschland angeht, wurde das Jahr 2007 als Referenzjahr gewählt, für welches Daten unabhängiger Forschungsin-stitute als Grundlage dienen. Die Studie unter-sucht also den Zeitraum von 2007 bis 2020 und konzentriert sich allein auf die Entwicklung in Deutschland. Eine Übertragung der Analyse auf die Europäische Union wäre aber möglich. Die generellen Vorhersagen für die Entwicklung der CO2-Emissionen insgesamt bis 2020, auf denen diese Studie basiert, entstammen in wissen-schaftlichen Untersuchungen modellierten Sze-narien.8 Die Studie basiert auf zwei wesentlichen Grund-prinzipien: Zum einen liegt der Schwerpunkt der 8 Energieszenarien basiert auf Studien des EWI Köln

(2005) und Studien i. A. des Umweltbundesamtes

Ermittlung der CO2-Einsparpotentiale auf Innova-tion, d. h., es wird entweder der Einsatz neu ent-wickelter Stähle zur Effizienzverbesserung in bestehenden Anwendungen betrachtet (z. B. Wirkungsgradsteigerungen in fossilen Kraftwer-ken) oder der Einsatz von Stahl in innovativen Anwendungen (z. B. Windenergie) oder beides. Die dafür erforderlichen Stahlinnovationen sind in Deutschland bereits heute vorhanden oder zu-mindest in der Entwicklung und somit vor 2020 verfügbar. Das Feld der Werkstoffsubstitution wird hingegen bewusst ausgeklammert. Zum anderen wird ein äußerst konservativer Ansatz verfolgt, etwa durch die unten erläuterte Filterlogik, die umfassende Einbeziehung der Emissionen aus der Produktion einschließlich der Rohstoffgewinnung, während die Klimabeiträge durch exportierte Stahlanwendungen ausge-klammert werden. Das gewählte Verfahren hat dabei den Vorteil, dass die ermittelten CO2-Einsparpotentiale durch Stahlanwendungen als besonders zuverlässig gelten können.


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Auf dieser Grundlage aktueller und zukünftiger CO2-Emissionen konzentriert sich die Studie darauf, die CO2-Reduktionsbeiträge der Stahl-anwendungen zu quantifizieren. Die Studie for-muliert also keine umfassende Einschätzung der Entwicklung der gesamten CO2-Emissionen und Gesamtreduktionsgrade der Stahlbranche. Viel-mehr wird auf der Basis von acht ausgewählten Fallbeispielen der Einfluss von innovativen Stahlanwendungen auf die zukünftige Entwick-lung der CO2-Emissionen abgeschätzt und zur Bestimmung des Gesamteffekts überschnei-

dungsfrei hochgerechnet. Bei den gewählten Fallbeispielen lassen sich zum einen Anwendungen unterscheiden, deren Realisierung nur unter Einsatz von Stahl möglich ist, und solche Anwendungen, bei denen andere Werkstoffe maßgeblich beteiligt sind. Zum ande-ren lässt sich nach der Perspektive „Optimierung bestehender Produkte“ oder „Nutzung neuer Anwendungen“ differenzieren (Abb. 2).

Effizienz-steigerung durch

verbesserte Stahl-

eigenschaften

Optimierungs-effekte potentiell auch mit anderen

Werkstoffen erreichbar

Anwendung nur mit Stahl möglich

Auch alternativeWerkstoffe möglich

Neu

eA

nwen

dung

en

Opt

imie

rung

be

steh

ende

rA

nwen

dung

en

Einsatz von Stahl unter

Bedingungen, die keine anderen

Werkstoffe zulassen

Ersatz von bisherigen

Materialien in neuen

Stahleinsatz-feldern

Abbildung 2: Segmentierung der Fallbeispiele nach Wirkung von Stahl auf CO2-Einsparung Abbildung 3 verdeutlicht das Vorgehen am Bei-spiel der im PKW-Verkehr anfallenden CO2-Emissionen: Das im Mittelpunkt der Unter-suchung stehende Delta ergibt sich aus dem Vergleich der Emissionsentwicklung unter An-

nahme des Einsatzes der untersuchten Stahlan-wendungen mit der Emissionsentwicklung seit dem Referenzjahr 2007 ohne Berücksichtigung dieser Stahlanwendungen.


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1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Gesamtemission durch PKW in Mio. t CO2

100

120

80

140

A

B

432 Mrd. km

Gesamt-kmPKW

587 Mrd.km

643 Mrd. km

C

D

C'

172210

C • Emissionen im Zieljahr ohne stahlbezogene Maßnahmen seit 2007

• Randbedingungen Zieljahr

D • Modellierte Emissionen im Zieljahr

A • Emissionen in 1990 – als Nebenrechnung und 2. Referenzpunkt

C' • Emissionen im Zieljahr ohne stahlbezogene Maßnahmen seit 1990

• Randbedingungen Zieljahr

B • Emissionen im Basisjahr (2007)

Spez. CO2-Emissionen in g CO2/km

169C

144D 144D

210C' 210C'

Verlauf der tatsächlichen/

prognostizierten Emissionen

Delta für Berechnung

Abbildung 3: CO2-Einsparungen werden für den Zeitraum 2007 – 2020 berechnet

Für die Auswahl der Fallbeispiele werden die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen-den CO2-Emissionen als ursprüngliche Quelle zugrunde gelegt und die vier grundsätzlich mög-lichen Hebel für eine Absenkung von CO2-Emis-sionen in diesem Bereich betrachtet: die Reduk-tion der Wirkungsgrad- und Effizienzverluste bei der (direkten) Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energieerzeugung bzw. die Reduktion der Verluste bei der Sekundärenergiebereitstellung und -nutzung (Hebel I); die Reduktion der spezi-fischen Emissionen bei bestehenden Produkten (Hebel II); die Reduktion durch Nutzung und Aus-bau neuer Anwendungen zur Vermeidung von Emissionen (Hebel III) sowie die Reduktion durch Steigerung der Materialeffizienz bei bestehenden Anwendungen (Hebel IV). Die sich aus dieser Systematik ergebenden Bei-spiele wurden im Rahmen einer vierstufigen Fil-terlogik weiter eingegrenzt (Abb. 4): Erstens wur-den nur Stahlanwendungen berücksichtigt, die in Deutschland eingesetzt werden und dort einen unmittelbaren Einspareffekt bewirken. Zweitens wurden nur Anwendungen einbezogen, die zu einer signifikanten Veränderung der CO2-Emis-

sionen im untersuchten Zeitraum 2007 – 2020 führen. Drittens wurden keine Fallbeispiele mit einem komplexen Mix von Werkstoffen und mög-lichen Wechselwirkungs- oder Substitutionseffek-ten aufgenommen, um die Eindeutigkeit der spä-teren Anrechnung auf die Stahlanwendungen sicherzustellen. Viertens wurden nur Fallbeispie-le mit einem absoluten CO2-Reduktionspotential von mindestens einer Million Tonnen CO2 be-rücksichtigt. Auf Basis dieser restriktiven Aus-wahl ergaben sich für die weiteren Analysen und Untersuchungen acht Fallbeispiele, bei denen CO2-Emissionen durch den Einsatz von Stahl in neuen Anwendungsfeldern oder den Ersatz von Stahlprodukten mit innovativeren Stählen redu-ziert oder vermieden werden: Effizienzsteigerun-gen bei fossilen Kraftwerken, Zubau von Wind-kraftwerken, weitere regenerative Energien, effi-zientere Transformatoren, effizientere Elektromo-toren, Gewichtsreduktionen von PKWs, Ge-wichtsreduktionen von LKWs und Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung. Die Fallbeispiele stehen für etwa 10 Prozent der in Deutschland produ-zierten Stahlmenge. Sie werden im Appendix genauer beschrieben und charakterisiert.


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8 Fallbeispiele

• Binnen-schifffahrt

• Tunnel• CCS• ...

Ausgansliste• Gewichts-

reduktion PKW• Windkraft• Blattfeder• Reifenstahlnetz• Motorsysteme• Gebaute

Nockenwelle• CCS• Verlustreduktion

in Produktion anderer Produkte

• Pipelines• Baustahl• ...

Fokus auf Deutschland

Relevante Veränderung

von 2007–2020 prognostiziert

Keine vergleichende

Betrachtung von Alternativen

Betrachtung von Fallbeispielen ab 1 Mt

CO2-Reduktions-potential

44269738-00_CTM-20091208-J E-MUN_v01.ppt

Fallbeispiel: Gewichtsreduktion PKW Überblick

• Durch Stahlinnovationen werden im Jahr 2020 gegenüber 2007 ca. 11 Mio. Tonnen CO2weniger emittiert

• Durch Stahlinnovationen seit 1990 werden im Jahr 2020 sogar ~17 Mio. Tonnen CO2eingespart

• PKW Verkehr emittiert im Basisjahr 2007 ca. 110 Millionen Tonnen CO2

• Gewicht eines Fahrzeugs wesentlicher Einflussfaktor auf CO2-Emission

• Innovationen der Stahlindustrie ermöglichen den Bau signifikant leichterer Fahrzeuge

• Modere high performance Stähle ermöglichen in Zukunft weitere wesentliche Gewichtsreduktion

BeschreibungBeschreibung EffektEffekt

7

36269738-00_CTM-20091208-J E-MUN_v01.ppt

BeschreibungBeschreibung

Fallbeispiel: Effizientere TransformatorenÜberblick

EffektEffekt

• Bei der Stromübertragung und –verteilung entstehen Verluste in Stromnetz und bei der Verteilung in Transformatoren

• Der Großteil der Verluste entsteht im Niederspannungsnetz auf der Ebene der Verteiltransformatoren durch Blindleistung

• Der Wirkungsgrad eines konventionellen Verteiltransformators liegt bei ca. 90% und ist primär begrenzt durch die physikalischen Eigenschaften des Stahlkerns

• Durch Kornorientierte-Stahl-Kerne wird eine potentielle Wirkungsgradsteigerung von 4% angenommen (relative Verlustreduktion der Blindverluste um 60%)

• Theoretisch wäre eine Reduktion der Blindleistungsverluste von bis zu 2/3 gegenüber konventionellen Stählen möglich

• Stahlinnovationen erhöhen den Wirkungsgrad der Transformatoren durch Spezialstähle

• Durch Stahlinnovationen werden im Jahr 2020 gegenüber 2007 ca. 3 Mio. Tonnen CO2 weniger emittiert

5

29269738-00_CT M- 20091208-JE- MUN_v01.ppt

Fallbeispiel: WindkraftwerkeÜberblick

• Durch Steigerung des Windkraftanteils werden CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe konventioneller Kraftwerke vermieden

• Windkraft reduziert den gewichteten durchschnittl. CO2-Ausstoss des Energiemixes

• Selbst konservative Institute halten eine Steigerung des Windkraftanteils am deutschen Strommix von heute 6,2% auf ~15% in 2020 für realistisch2

• Windkraftwerke neben Wasserkraft derzeitwirtschaftlichste Form der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien (Wasserkraft-Potential stark beschränkt)

• Flächenpotential bei Onshore-Windkraftwerkenin D weitgehend ausgereizt - Steigerung der Onshore-Kapazität durch Repowering

• Repowering erhöht Kapazität und Auslastung mit größere Höhe und bedeutet kompletten Neubauinklusive Fundament

• Offshore-Potential in Deutschland deutlich größer (ca. 237 TWh/a1 ) – erste Kraftwerke im Bau

• Offshore-Windkraftwerke mit Vorteilen bei der Auslastung und höherem Aufwand in der Infrastruktur (Ca. doppelte Kosten je installiertem Megawatt3 ggü. Onshore)


Quellen: 1 . Kaltschmitt et al. (2006) 2. Energiewirtschaftlichen Institut Köln (2008) 3. Windenergie Rep ort Deutschland 2005

OffshoreOnshore

32

Geographie

Veränderungs-potential gegen 2007

Substitution von W

erkstoffen

Absolute

Potentialhöhe

23

4

1

• AKWs• Solarthermie• See und Binnen-

schifffahrt• Pipeline

• Brücken• Baustahl• ...

• Bahn• Turbine

Luftverkehr

Abbildung 4: Vierstufige Filterlogik führt zu einer „Shortlist“ von acht Fallbeispielen

Die Filterlogik bewirkt, dass zur Sicherstellung einer eindeutigen Zurechnung zu Stahl eine gan-ze Reihe von Stahlanwendungen mit erhebli-chem CO2-Reduktionspotential in dieser Studie nicht berücksichtigt wird. Der Filter der Geogra-phie führt beispielsweise dazu, dass Pipelines zum Gastransport oder der Export deutscher Autos und die dadurch ermöglichten Reduktio-nen der CO2-Emissionen nicht angerechnet wer-den. Der Filter des nennenswerten Verände-rungspotentials hat zur Folge, dass die Bereiche der Schifffahrt oder Carbon Capture and Storage (CCS) nicht einbezogen werden, da zum einen die Schifffahrt ihr Potential bereits entfaltet hat und zum anderen bei CCS bis 2020 keine signifi-kanten Potentiale erwartet werden. Die Werk-stoffsubstitution wird grundsätzlich nicht berück-sichtigt, um den Fokus rein auf Innovationen der Stahlindustrie zu setzen. Der Filter der Substitu-tion von Werkstoffen lässt zum Beispiel die Emis-sionsvermeidung in anderen Industrien, etwa den Minderverbrauch von Zement durch besseren Baustahl, unberücksichtigt. Der Filter eines abso-luten Reduktionspotentials von mindestens einer Million Tonnen CO2 schließlich führt dazu, dass etwa Turbinen im Luftverkehr, Züge oder der

Rollwiderstand bei Reifen nicht aufgenommen wurden. Bei vollständiger Einbeziehung aller möglichen Stahlanwendungen wären die zu er-wartenden CO2-Reduktionseffekte also wesent-lich höher als die in der vorliegenden Studie quantifizierten. Um die auf Grundlage der vierstu-figen Filterlogik ausgewählten acht Fallbeispiele zu bewerten, werden die ausgewählten Stahl-anwendungen in ihrem Lebenszyklus betrachtet. Die anfänglich anfallenden CO2-Emissionen wer-den also auf den gesamten Lebenszyklus der Stahlanwendung umgelegt. Die CO2-Bilanzierung erfolgt durch die Gegen-überstellung des CO2-Reduktionspotentials durch Stahlanwendungen mit den CO2-Emissionen, die im Zuge der Produktion und Bereitstellung dieser Anwendungen entstehen. Dabei wird zunächst das Brutto-CO2-Reduktionspotential durch die Stahlanwendungen kalkuliert, in das auch die Beiträge anderer Werkstoffe einfließen. In einem nächsten Schritt wird der Beitrag von Stahl zur Realisierung dieses Brutto-CO2-Reduktionspotentials in Ansatz gebracht, so dass der dem jeweiligen Einsparpotential zurechenba-re Stahlbeitrag bestimmt werden kann. Das so


13

Emissions- & Zeitfokus

Emissions- & Geographischer Zeitfokus Fokus

Geographischer Fallbeispiele und Fokus Gesamtbetrachtung

Fallbeispiele und Gesamtbetrachtung CO2-BilanzierungCO2-Bilanzierung

Andere THG nicht betrachtet

• >95% der Emissionen aus Stahlindustrie sind CO2

• Basisjahr 2007• Hochrechung auf 2020

Ausschließliche Betrachtung von CO2-Emissionen

für 2007 und 2020

• Abgrenzung der Emissionen der Stahlindustrie und Anwendungen


Filterkriterien• Geographie• Veränderung gegen Basisjahr• Werkstoffsubstitution/-

konkurrenz• Absolute Potentialhöhe• Keine "Gesamthochrechnung"

8 Fallbeispiele und überlappungsfreie Summierung auf Jahreseffekt 2020

Konsistente Netto-Bilanzierung der CO2-

Einsparpotentiale

10 Fallbeispiele

• Binnen-Schifffahrt

• Tunnel• ...

Longlist• Blattfeder• Reifenstahlnetz• Motorsysteme• Gebaute

Nockenwelle• CCS• Verlustreduktion

in Produktion anderer Produkte

• Pipelines• Baustahl• Gewichts-

reduktion PKW• Windkraft• ...


Relevante Veränderung

von 2007–2020 prognostiziert

Keine vergleichende Betrachtung

von Alternative

Betrachtung von Fallbeispielen ab 3 Mt

CO2-Reduktions-potential

442 69 7 38 - 00 _ CT M-2 0 09 1 20 8 -J E-MUN_ v 01 . pp t

Fall beispi el: Gewichtsreduktion PKW Überbl ic k

• Du rc h Stah lin no va tio n en we rde n im J ahr 2 020 g ege nü be r 2 00 7 ca . 1 1 Mio. To n ne n CO2

we ni ger e mit t ie rt

• Du rc h Stah lin no va tio n en s eit 19 90 we rd en im Ja hr 20 20 sog ar ~1 7 Mio . T on ne n CO2e in ge spa rt

• PKW Ve rke hr emi t ti ert im Bas is ja hr 20 07 ca . 1 10 Mil l io n en T o nn en CO2

• Gewic ht ei ne s Fa hrz eu gs we sen tl ic he r Ein flus sfak tor a uf CO2-Emi ssi o n

• Inn ova ti o nen de r Stah li nd ustri e ermö gl i che n de n Bau s ign ifik an t leic hte rer Fa hr zeu g e

• Mo dere h i gh p erforma nce Stä hl e ermö gl i che n in Zu kun ft we ite re we sen tl ic he Gewic hts red uk tio n

Beschr eibungBeschr eibung EffektEffekt

7

362 69 7 38 - 00 _ CT M-2 0 09 1 20 8 -J E-MUN_ v 01 . pp t

Bes ch reib un gBes ch reib un g

Fall beispi el: Effiz ientere TransformatorenÜberblick

Effek tEffek t

• Be i d er Strom üb ertragu ng un d –v ertei lu ng e ntsteh en Ve rlu ste in Stromn etz u nd b ei d er Vertei lu ng in T ran sforma to ren

• Der Groß te il de r Verl us te ents te ht im Ni ed ersp an nu ngs ne tz au f de r Eb en e de r Ve rte il t ra ns fo rmato ren d urch Bl in dl ei stun g

• Der Wi rkun gs grad ei ne s kon ve nt io ne ll en Ve rte il t ran sforma to rs li eg t b ei ca. 90 % un d is t p rimä r be gren zt durc h di e p hys ik al is che n Eig en sch aften d es Sta hl kern s

• Durch Ko rn ori en t ie rte -Stah l -Ke rn e wi rd ei ne p oten t ie ll e Wi rkun gs grad stei ge run g vo n 4% a ng en omm en (rel at i ve Ve rlu stred ukt i on d er Bli nd ve rl us te um 6 0%)

• Th eo re t is ch wäre e i ne Re duk t io n de r Bl in dl ei stun gs verl us te von bi s zu 2 /3 ge gen üb er ko nve nt i on el le n Stä hl en m ög li ch

• Sta hl in no vat i on en e rhö hen de n Wi rkun gs grad de r T rans forma to ren d urch Sp ez ia ls tä hl e

• Durch Stah li nn ov at io ne n werd en i m Ja hr 20 20 g eg en übe r 2 00 7 ca . 3 Mio . T on ne n CO2we ni ge r e mi tt i ert

5

2926 9 7 38 - 00 _ CTM -2 00 9 1 20 8 -J E-MUN_ v 01 .p p t

Fall beispiel: WindkraftwerkeÜberbl ic k

• Du rch Stei geru ng d es W i ndk raf ta ntei l s werde n CO2 -Emi ssi on en a us d er Verbre nn ung fo ssi l er Bren ns to f fe k on ven t io ne ll er Kra f twe rk e ve rmie de n

• W i ndk raf t red uz ie rt de n g ewic htete n du rchs chn it t l. CO2 -Aus stoss des En ergi em ix es

• Se lb st k on serv at iv e In st i tu te ha lten e i ne Stei ge run g de s Wi nd kraf tan te il s am d eu ts che n Stromm ix vo n h eute 6 ,2% a uf ~ 15 % in 20 20 für re al is ti sc h2

• W in d kra ftwe rke n eb en W as serk ra f t de rzei twirtsc ha ftlich ste Fo rm de r Ene rgi ee rzeu gu ng a us e rn eu erb aren En ergi en (Wa sse rk raf t-Pote nt ia l sta rk bes chrä nk t)

• F lä ch en p oten tial be i Ons hore -Wi nd kraf twerke ni n D we itg eh end au sg ere iz t - Ste ige run g d er On sho re-Kap azi tät du rc h Rep owe ring

• Re po werin g erh öh t Kap azi tät und Au sl as tu ng m it g rö ß ere Höh e un d be de utet ko mp letten Ne u ba ui nk lu siv e F und am ent

• Offsh o re-Pote ntial in De utsc hl an d de ut li ch g rö ß er (c a. 23 7 TW h/a1 ) – erste Kraf twerke im Bau

• Offsho re-W in dkra ftwerk e mi t Vortei le n be i d er Aus la stun g un d hö he rem Aufwan d in der Inf ras tru ktur (Ca . d op pel te Koste n je in stal li ertem Me ga watt3 g gü. Ons ho re)


Quellen : 1 . Ka l ts c hm itt e t a l. (2006) 2 . Ener g iewir ts c haf tl ic hen Ins tit u t K öl n (2008) 3 . W indener g ie Report Deuts c h land 2005

Offs h oreOns ho re

32

Geographie

Veränderungs-potential gegen 2007

Substitution von W

erkstoffen

Absolute

Potenzialhöhe

23

4

1

• AKWs• Solarthermie• See & Binnen-

Schifffahrt• Pipeline

• Brücken• Baustahl• ...

• Bahn• Turbine

Luftverkehr

&

98 86

154 89

193129

621

163

152

427

386

180

98

100

1.216

1990

940

2007

722

20201

• Anrechnung Stahlanteil an Einsparpotential

• Anrechnung aller nötigen Aufwände

Andere Werkstoffe

Nur Stahl

Nur Stahl

RohstoffeAndere

Werkstoffe

A

B

C

D

Aufwand EinsparungCO2-Emission

errechnete Netto-CO2-Reduktionspotential wird nun den durch die Anwendung und Produktion des Stahls verursachten CO2-Emissionen ge-

genübergestellt. So erhält man im Ergebnis die CO2-Bilanz der Stahlindustrie. (Abb. 5).

Abbildung 5: Überblick über Schwerpunkt und Methodik der Studie

Exkurs 2: Stahlinduzierte CO2-Emissionen entlang des Produktionsprozesses Die CO2-Emissionen in der Stahlindustrie lassen sich in drei Betrachtungsbereiche gliedern. In Scope I werden die direkt in der Stahlproduktion anfallenden CO2-Emissionen berücksichtigt. In Scope II werden die CO2-Emissionen im Zusammenhang mit der für die Stahlproduktion verwendeten fremdbezogenen Elektrizität erfasst. In Scope III werden hauptsächlich die CO2-Emissionen im Zusammenhang mit dem für die Stahlproduktion notwendigen Rohstoffabbau (primär Eisenerz und metallurgische Kohle) berücksich-tigt. Grundsätzlich gibt es zwei Verfahren der Stahlproduktion: die Oxygenstahlroute (BOF = Basic Oxygen Furnace) zur Primärerzeugung von Rohstahl und die Elektrostahlroute (EAF = Electric Arc Furnace) zur Stahlherstellung aus Schrott. Dabei fallen für beide Verfahren unterschiedlich hohe CO2-Emissionen auf allen Stufen des Stahlproduktionsprozesses – von der Rohstoffgewinnung über Verkokung, Stahlerzeu-gung, Warmwalzen, Kaltwalzen und Vergütung bis zum Endprodukt – an. Für die Zwecke dieser Studie wurden der für Deutschland ermittelte Anteil des BOF-Verfahrens von 68 % und der Anteil des EAF-Verfahrens von 32 % zugrunde gelegt.


14

IV. Die CO2-Bilanz der Stahlindustrie

Auf der Grundlage der skizzierten Aufgabenstel-lung der Studie sowie der beschriebenen Metho-dik ergibt sich für die acht untersuchten Fallbei-spiele folgendes Resultat (Abb. 6): Brutto er-rechnet sich ein CO2-Einsparpotential im Zu-sammenhang mit innovativen Stahlanwendungen von 87 Millionen Tonnen CO2 im Jahr. Unter Be-rücksichtigung des spezifischen Stahlbeitrags der einzelnen Fallbeispiele ergibt sich ein Netto-effekt von ca. 74 Millionen Tonnen CO2 im Jahr. Die fünf größten Einsparmöglichkeiten liegen dabei im Bereich der Erneuerung fossiler Kraft-werke (29,5 Millionen t), im weiteren Ausbau der Windenergie (14,2 Millionen t), in der Gewichts-reduktion von PKWs (11,2 Millionen t), im Aus-bau der Kraft-Wärme-Kopplung (9,2 Millionen t) sowie in weiteren regenerativen Energien (5 Millionen t). Stellt man zur Veranschaulichung das jährliche Netto-Einsparpotential der acht ausgewählten Fallbeispiele von 74 Millionen Tonnen CO2 den gesamten durch die Stahlproduktion in Deutsch-land jährlich verursachten CO2-Emissionen von ca. 67 Millionen Tonnen gegenüber, ergibt sich rechnerisch allein durch diese Beispiele eine positive CO2-Bilanz. Die Emissionen, die durch die Stahlproduktion in Deutschland entstehen, werden also durch die untersuchten Beispiele mehr als kompensiert. Die Bilanz würde bei einer weniger konservativen Filterlogik, also beispielsweise ohne den Fokus auf Deutschland oder den Zeitraum 2007 bis 2020, noch positiver ausfallen. In diesem Fall

lassen sich die gesamten Einsparungen auf das Zwei- bis Fünffache der Summe der analysierten Fallbeispiele schätzen. Führt man sich vor Augen, dass die über 4 Millionen exportierten deutschen Fahrzeuge an ihrem Bestimmungsort mindestens eine ähnliche CO2-Reduktionswirkung von ca. 10 Millionen Tonnen wie in Deutschland entfalten, dass ex-portierte Kraftwerkstechnik den spezifischen CO2-Aussstoß fossiler Kraftwerke in der ganzen Welt reduziert, dass über die Binnenschifffahrt in Deutschland noch einmal ca. 20 % des Straßen-gütertransportaufkommens (ca. 40 Millionen Ton-nen an CO2-Emission stammen aus dem Güter-verkehr) geleistet werden, lässt sich erahnen, wie groß das nicht betrachtete CO2-Potential noch ist. Bezogen auf die ausgewählten Fallbeispiele mit ihren Emissionen aus der Stahlproduktion von ca. 12 Millionen Tonnen CO2 und einem Reduk-tionspotential von ca. 74 Millionen Tonnen kann der Werkstoff Stahl für diese Anwendungen po-tentiell eine CO2-Reduktion erreichen, die etwa sechsmal so hoch liegt wie die durch die Stahl-herstellung für diese Anwendungen verursachten Emissionen. Den wirksamsten Erfolgshebel bie-tet dabei der Bereich fossiler Kraftwerke. Hier beträgt das angesprochene Verhältnis sogar 400 : 1. Für die regenerativen Energien liegt das entsprechende Verhältnis bei 200 : 1, für Wind-kraftwerke beträgt es 32 : 1, für effizientere Transformatoren 14 : 1 und für Kraft-Wärme-Kopplung 9 : 1.


15

Abbildung 6: Ergebnisüberblick: CO2-Reduktionen durch Stahlanwendungen

29,5

14,2

5,0

2,1

1,9

11,2

1,0

9,2

0 10 305

Mio. t

1. HH = Haushalte; GHD = Gewerbe, Handel & Dienstleistung 2. Geothermie, Biomasse, Wasser 3. CO2-Aufwand für andere Werkstoffe nicht betrachtet, Werte gerundet 4. Verhältnis ausschließlich bezogen auf Emissionen der Stahlproduktion, Werte gerundetQuelle: BCG Analyse

<0,1

0,4

0,03

0,1

0,7

8,4

0,9

1,0

0 1 109

Mio. t

FallbeispielFallbeispiel Netto-CO2-EinsparpotentialNetto-CO2-Einsparpotential

1,3:1

14:1

1,1:1

Emissionen bei der Stahl-Produktion3

Emissionen bei der Stahl-Produktion3

Effizienz foss. Kraftwerke

Windkraftwerke

Weitere regen. Energien2

Effizientere Trafos

Effizientere E-Motoren

Gewichtsreduktion PKW

Gewichtsreduktion LKW

Kraft-Wärme-Kopplung

Energie-wirtschaft

Verkehr

HH, Ind., GHD1

3

5

1

2

4

6

7

8

Energie-wirtschaft

Verkehr

HH, Ind., GHD1

3

5

1

2

4

3

5

1

2

4

6

7

6

7

8

Verhältnis CO2-Einsparung/Einsatz4

Verhältnis CO2-Einsparung/Einsatz4

3:1

~400:1

32:1

9:1

∑~74 Mio. t ∑~12 Mio. t

~200:1

6:1

V. Fazit: Politische Klimaziele in Deutschland sind ohne innovative

Stahlanwendungen nicht zu erreichen

Allein die CO2-Reduktionspotentiale der betrach-teten Fallbeispiele resultieren in einer positiven CO2-Bilanz für Stahl. Der Einsatz innovativer Stahlprodukte kann also die assoziierten CO2-Emissionen zur Bereitstellung der Anwendungen durch gesteigerte Effizienz in der Energieerzeu-gung, Verbrauchsminderungen und Emissions-vermeidung ausgleichen und in den gewählten Beispielen sogar einen vielfachen positiven Ef-fekt erzielen. Ein wesentliches Ergebnis der Stu-die ist darüber hinaus, dass die ambitionierten Klimaziele der Bundesregierung ohne die Stahl-industrie nicht erreicht werden können (Abb. 7): Die Bundesregierung strebt an, bis 2020 die CO2-Emissionen gegenüber dem Vergleichsjahr 1990 um 40 % zu senken. Das bedeutet eine Reduktion von rund 840 Millionen Tonnen CO2 im Jahr 2007 auf rund 620 Millionen Tonnen bis 2020. Zu dieser Verminderung um 220 Millionen Tonnen leisten die betrachteten Stahlanwendun-gen mit einem CO2-Brutto-Reduktionspotential

von rund 87 Millionen Tonnen einen Beitrag von etwa 40 %. Rund 80 % der Reduktionspotentiale der in die-ser Studie untersuchten Fallbeispiele lassen sich nur mit Hilfe der Anwendung von Stahl realisie-ren. Das allein dem Werkstoff Stahl zurechenba-re Einsparpotenzial von 74 Millionen Tonnen macht ein Drittel des von der Bundesregierung angestrebten Reduktionszieles aus. Dieser Bei-trag lässt sich nicht durch alternative Werkstoffe ersetzen, da Stahl bei wesentlichen Anwendun-gen technisch und ökonomisch betrachtet, prak-tisch alternativlos ist, so z.B. bei Kraftwerken und Windenergieanlagen. Der Werkstoff Stahl hat durch seine vielfältigen Anwendungen eine wesentliche Bedeutung für viele Bereiche der technischen Infrastruktur wie Gebäude, Verkehrswege oder Versorgung. Eine leistungsfähige Stahlindustrie ist der in dieser Studie entwickelten Logik folgend auch ein wich-tiges Glied in der Wertschöpfungskette, um kli-


16

mapolitisch wesentliche Werkstoffinnovationen bereitzustellen und entsprechende Forschung

und Entwicklung zu betreiben.

98 86

15489

193

129

621

163

152

427

386

2007

Energie-wirtschaftVerkehr

Industrie-Prozesse

~74

HH und KVVerarb. Gewerbe

2020Nationales Klimaziel1

1.036

1990

841

-19%

-220

CO2-Emissionen Deutschland (Mio. t CO2/Jahr)

1. Entscheidung der Deutschen Regierung, Treibhausgasemissionen bis 2020 gegenüber 1990 um 40% zu reduzierenAnmerkung: HH = Haushalte; KV = KleinverbraucherQuelle: UNFCC; IEA; Deutsche Bundesregierung; IPCC; BCG Analyse

Stahlbeitrag: ~33%

Abbildung 7: Beitrag von Stahl zu politischen CO2-Reduktionsplänen der Bundesregierung beträgt bis zu 33 %


17

Appendix: Stahlanwendungen zur CO2-Reduktion: Sechs Fallbeispiele

Im Folgenden sollen die Berechnungen und Er-gebnisse für die wesentlichen untersuchten Fall-beispiele im Detail erläutert werden. Beispiel: Steigerung der Effizienz fossiler Kraftwerke

Die Wirkungsgradverbesserung bei Dampfkraft-werken wurde in den vergangenen Jahren durch eine konsequente Optimierung des Gesamtpro-zesses erreicht. Als wichtigste Einzelmaßnah-men sind dabei die Erhöhung der Dampftempe-raturen und Dampfdrucke, die Verringerung von inneren Verlusten in der Dampfturbine und beim Eigenverbrauch sowie die Verbesserung der Rückkühlung und des Dampferzeugerwirkungs-grads zu nennen. Die Erhöhung der Dampf-zustände erfordert die Entwicklung und den Ein-satz speziell entwickelter neuer hochwarmfester Stahlsorten, die in Kesseln und Dampfleitungen extrem hohen Druck- und Temperaturbelastun-gen widerstehen. Während heute noch Kraftwer-ke aus den 1960er Jahren mit Wirkungsgraden von knapp über 30 % im Einsatz sind, liegen bis zum Jahr 2020 Wirkungsgrade von 51 % bei Steinkohle und 47 % bei Braunkohle (ohne Kraft-Wärme-Kopplung) im Bereich des Möglichen.9 Bei Kombi-Kraftwerken werden etwa zwei Drittel des Stroms über die Gasturbine und ein Drittel über die Dampfturbine erzeugt. Durch angemes-sene Forschungs- und Entwicklungsanstrengun-gen wird man bis 2020 Wirkungsgrade von 63 % bei GuD-Kombikraftwerken verwirklichen können. Erste GuD-Kraftwerke, die um 1980 installiert wurden, hatten noch einen Wirkungsgrad von ca. 50 %. Mit einer Leistung von 340 MW wird die weltweit größte und leistungsfähigste Gasturbine

9 EWI (2005), Siemens (2009) u. a.

derzeit in Irsching getestet. Sie wiegt 440 t und besteht zu 95 % aus Stahl. Moderne Steinkohle-, Braunkohle- und GuD-Kraftwerke weisen im wesentlichen Teil, der Bau- und Elektrotechnik, einen Stahlanteil von ca. 80 bis 90 % auf.10 Bei der Berechnung der CO2-Reduktionspoten-tiale durch effizientere fossile Kraftwerke wurde von folgenden Prämissen ausgegangen: Im Jahr 2007 wird Strom mit durchschnittlichen spezifi-schen Emissionen von 1,16 t CO2/MWh bei Braunkohlekraftwerken, 0,87 t CO2/MWh bei Steinkohlekraftwerken und 0,37 t CO2/MWh bei Erdgaskraftwerken erzeugt.11 Für das Jahr 2020 wird eine Verminderung der spezifischen Emissionen auf 0,95 t CO2/MWh bei Braunkohlekraftwerken, 0,74 t CO2/MWh bei Steinkohlekraftwerken und 0,30 – 0,37 t CO2/MWh bei Erdgaskraftwerken prognostiziert. Würden diese Verbesserungen nicht eintreten, lägen die Emissionen der für 2020 prognostizier-ten Stromproduktionsmenge beim erwarteten Strommix um 37 Millionen t CO2/a höher. Für das Jahr 2020 wurden Prognosewerte des Stromer-zeugungsmix verwendet, um den Effekt der Wir-kungsgradverbesserung zu separieren und den Mixeffekt aus der Betrachtung auszuschließen. Bei einer zunehmenden Bedeutung von Gas würden die Emissionen zusätzlich reduziert, was erst durch Stahl-Pipelines ermöglicht wird.

10 EWI (2005), Platts (2009) u. a. 11 EWI (2005)


18

0

200

400

600

800

1.000

Braunkohle

Steinkohle

Erdgas

Öl

in TWh

599

Nettostrom-erzeugung

20071

540

Verluste,

fossil2

900

Brennstoff-aufwand

fossil

AusgangssituationAusgangssituation CO2-EinsparpotentialCO2-Einsparpotential

• Vergleich im Jahr 2020 zwischen Verlusten bei unveränderten Brennstoffnutzungsgrad und geringeren prognostizierten Verlusten durch Verbesserungen

OptimierungOptimierung

1. Bruttostromerzeugung abzgl. Eigenverbrauch 2. Wirkungsgradverlust, Eigenverbrauch 3. Minderverluste durch Verbesserung und KWK4. "CO2-Gehalt": Produzierte Menge CO2 pro verbrannter Energieeinheit des jeweiligen Brennstoffs Quelle: UBA, EWI, BCG

0,0

0,6

1,2

1,8

-0,19

1,14

Braunkohle

-0,130,87

Steinkohle

-0,060,36

Erdgas

Spezifische Emissionen der Stromerzeugungin Mio. t CO2/TWh

• Erhöhung des durchschnittlichen Brennstoffnutzungsgrads bei Braunkohle, Steinkohle und Erdgas verringert die Verluste

• Drei Hebel: Neubau/Retrofit, KWK und Stilllegen ineffizienter Kraftwerke

• Stromerzeugung durch fossile Brennstoffe in 2007 mit ca. 540 Mio. TWh Verlust durch Wirkungsgradmalus und Eigenverbrauch

1 2 3

BezugsdatenEinsparung/Optimierung

0

200

400

600

800

1.000

112

Verlust "Frozentechn." fossil

Differenz3

606

Brennstoffaufwand,

fossil

Braunkohle

Steinkohle

Erdgas

Öl

in TWh

514

Nettostrom- erzg.2020

414

"CO2-Gehalt" des Strommix,

fossil4

Verbesserung zw. 2007 und 2020

Nicht-fossilX

Abbildung 8: CO2-Reduktion bei fossilen Kraftwerken durch Effizienzgewinne Im Rechenmodell wurde ein Neubau von 13 GW Gaskraftwerken, 6,5 GW Steinkohle- und 4,6 GW Braunkohlekraftwerken unterstellt. Der entspre-chende Materialaufwand zur Installation der Kraftwerke und die korrespondierenden CO2-Emissionen zur Materialerzeugung und Produkt-bereitstellung wurden quantifiziert und auf eine typische Lebensdauer fossiler Kraftwerke von 35 Jahren umgelegt. So ergibt sich eine CO2-Emissionsreduktion durch Stahlinnovationen und -komponenten bis 2020 von ca. 37 Mt CO2. Dar-aus folgt für die Effizienzsteigerung fossiler Kraft-werke ein Verhältnis zwischen CO2-Emissionen im Jahr 2020 und umgelegtem Aufwand für Stahl allein von 400 : 1. Der spezifische CO2-Ausstoß eines Kraftwerks resultiert aus dem Kohlenstoffgehalt des Brenn-stoffs und dem elektrischen Wirkungsgrad des Kraftwerks. Je höher der durchschnittliche elek-trische Wirkungsgrad, desto weniger fossile Brennstoffe müssen zur Erzeugung des Stroms

verbrannt werden. Der durchschnittliche Wir-kungsgrad wiederum ergibt sich aus den jeweili-gen Wirkungsgraden des Kraftwerksbestands. In den vergangenen Jahren hat sich der Wirkungs-grad von Neuanlagen kontinuierlich erhöht und wird sich in Zukunft noch weiter verbessern. Da-mit führt eine Verjüngung des Kraftwerksparks zu einer Senkung der durchschnittlichen spezifi-schen Emissionen. Zwischen 2007 und 2020 werden nach Ablauf ihrer geplanten Lebensdau-er 26 GW an Kraftwerkskapazität fossiler Kraft-werke stillgelegt. Auch der vorgesehene Ausstieg aus der Kernenergie in Deutschland hat einen Kapazitätsverlust zur Folge. Werden bestehende Kraftwerke nach Ende ihrer Lebensdauer durch neuwertige ersetzt, so bedeutet dies einen Sprung des Wirkungsgrads von ca. 11 – 12 % bei Kohlekraftwerken und ca. 10 % bei Gas- und Dampfkraftwerken. Ein weiterer Ausbau von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen führt zusätzlich zu Emissionsverminderungen (Details in der Beschreibung der Kraft-Wärme-Kopplung).


19

1,5

1,3

0,60,7

1,6

0,60,6

0,8

52Nettowirkungs-grad (in %)

167 bar538/538 °C

X20

250 bar540/560 °C

F12

270 bar580/600 °C

P91

285 bar600/620 °C

NF616

300 bar625/640 °C

NF12

300 bar700/720 °C

0,4

42

44

46

48

50

ErhöhungdesTurbinen-wirkungs-grads

Verringe-rung desEigen-bedarfs

Abgas-wärme-nutzung

ZweifacheZwischen-über-hitzung

285 bar Frischdampfdruck600/ Frischdampftemperatur620 °C Temp. Zwischenüberhitzung

WerkstoffentwicklungProzess- und

Komponentenentwicklung

Werkstoff

Quelle: Deutsche Physikalische Gesellschaft: Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland

Abbildung 9: Werkstoffentwicklung wirkt sich positiv auf Verbesserung des Wirkungsgrads aus

Bei einem verstärkten Ausbau von Kohlekraft-werken bis 2020 würden die absoluten Emissio-nen der Stromerzeugungsbranche voraussicht-lich weniger stark zurückgehen. Der Beitrag neu-er Kohlekraftwerke und damit der Beitrag von

Stahl wäre aber deutlich höher, da bei Kohle-kraftwerken aufgrund der höheren spezifischen Emissionen gegenüber Erdgas eine wesentlich stärkere Einsparung stattfände.


20

20,000

30,000

Kapazität 2007 in MW

8,427

> 100

6,650

> 50

5,203

> 20

4,074

> 0

SteinkohleBraunkohleGasGuDÖl

Kapazität, Kraftwerkin MW

0

10,000

26,448

> 500

19,972

> 250

Installierte Leistung nach KW-KapazitätInstallierte Leistung nach KW-Kapazität

39 57 57 103 161 1.959

6,5% 93,5%

Installierte Leistung nach Baujahr bei>100MW-Kraftwerken

Installierte Leistung nach Baujahr bei>100MW-Kraftwerken

2,883

< 1970

23,145

14,908

1981 < 1990

3,483

1991 < 1995

7,716

1996 < 2000

2,712

2001 < 2006

1971 < 1980

Baujahr0

Kapazität 2007 in MW

10,000

15,000

25,000

20,000

5,000

Voraussichtliche Stilllegung bis 2020

Quelle: Platts, BCG Analyse

Anzahl KWe/

(Blöcke

60%

40%

50%

30%

Braun-kohle

Stein-kohle

GuD

Wirkungsgrad

Abbildung 10: Verbesserung der Effizienz fossiler Kraftwerke

Beispiel: Ausbau der Windenergie

Die Berechnung der CO2-Reduktionspotentiale durch Windkraftwerke geht von folgenden Prä-missen aus: Der Anteil der Windenergie am deutschen Strommix hat sich seit Beginn der 90er Jahre auf eine Einspeisung von knapp 40 TWh im Jahr 2007 erhöht. Dies entspricht fast 7 % der Nettostromproduktion. Bis 2020 wird gemäß den politischen Zielsetzungen eine Ein-speisung von 76 TWh – und damit knapp 15% Windkraftanteil – angenommen. Für 2020 geben die Klimaziele einen Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung von ca. 25 % vor. Bei der Berechnung wurden zunächst die Emis-sionen des prognostizierten Strommix im Jahr 2020 berücksichtigt. Danach wurde angenom-men, dass bei einer ab 2007 konstant bleibenden Einspeisung von Strom, der durch erneuerbare Energien erzeugt wird, die „fehlende“ Strommen-

ge durch den verbleibenden Strommix „kompen-siert“ werden müsste. In diesem Fall wären die absoluten Emissionen der Stromproduktion deut-lich höher und es ergibt sich somit ein Windkraft-potential von ca. 16 Millionen t/a zur Verminde-rung der CO2-Emissionen bis 2020.12

12 EWI (2005), BMU (2008), DENA (2005) u. a.


21


• Vergleich im Jahr 2020 zwischen Emissionen bei neuem Strommix und Stagnation im Jahre 2020

• Annahme: Ohne Zuwachs der EE müsste "fehlende" Strommenge kompensiert werden


1. Bruttostromerzeugung abzgl. Eigenverbauch 2. Projektion der Emissionen aus 2007 auf 2020 (fossile KWe bereits optimiert, Stagnation bei EE)Quelle: UBA, EWI, BCG

• Die eingespeister Strommenge durch erneuerbare Energien wird über alle Technologien erhöht

• Starke Zuwächse bei Wind und Biomasse

• Erneuerbare Energien mit 16% Anteil an der Netto-Stromerzeugung

• Spezifische Emissionen der Stromerzeugung sind Resultat des Strommix

1 2 3


0 20 40 60

+2Wasser

+4Fotovoltaik

+2Geothermie

+14Biomasse

+34Wind, Offshore

+4Wind, Onshore

20202007

in TWh

22%

62%

16%

599

Nettostrom-erzeugung1

0

200

400

600

in TWh

318

Emissionen0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

Mio. t CO2

8%

62%

30%

514

Nettostrom-erzeugung1

0

200

400

600

in TWh

0,52 t CO2/ GWh

207

233

160

200

240

Emiss. ohne

Zuwachs EE2

25

Delta Emiss.

Mio. t CO2

0,39 t CO2/ GWh

0,43 t CO2/ GWh

Bereits weniger Emissionen durch effizientere fossile KWe

Atom Fossile & Müll Erneuerbare Energien

Abbildung 11: Reduktion der CO2-Emissionen der Stromproduktion durch erneuerbare Energien

Windkraftanlagen verdrängen also konventionel-le Kraftwerke und führen so zu einer Reduktion der CO2-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Energieträger und zu einer Reduktion des spezifischen CO2-Ausstoßes des deutschen Strommix. Für den angestrebten Ausbau der Windenergie wird bis 2020 ein Zubau von 1,8 GW an Onshore-Windkraft und 10 GW an Offshore-Kapazität angenommen13. Für die Be-reitstellung der Windkraftanlagen entstehen bei der Stahlproduktion Emissionen von ca. 9 Millio-nen t CO2. Dieser Aufwand wurde auf eine zwan-zigjährige Lebenszeit umgelegt. Daraus ergibt sich für die Windkraftwerke ein Verhältnis zwi-schen CO2-Einsparungen im Jahr 2020 und um-gelegtem Aufwand für Stahl allein von 32 : 1. Die bisherige Entwicklung im Bereich der Wind-kraftwerke hat dazu geführt, dass „onshore“ das flächenmäßige Potential so gut wie ausgeschöpft

13 EWI (2008)

ist. Aus Landschaftsschutzgründen ist dieses Potential ohnehin begrenzt. Da moderne Wind-krafträder kontinuierlich größer und leistungsfä-higer geworden sind, kann durch Ersatz älterer kleiner Windkrafträder noch begrenzt zusätzli-ches Onshore-Potential erschlossen werden (Repowering). Die Studie geht daher davon aus, dass die Steigerung des Windkraftanteils am deutschen Strommix von derzeit ca. 7 % auf ca. 15 % im Jahr 2020 zu einem großen Anteil aus dem Ausbau der Offshore-Windenergie folgt, deren Entwicklung noch am Beginn steht. Derzeit wird mit alpha ventus der erste deutsche Wind-park installiert. Gegenüber Onshore-Windrädern haben Offshore-Anlagen unter anderem den Vorteil, dass auf See die durchschnittliche An-zahl der Volllaststunden fast doppelt so hoch ist wie auf dem Land. Zur Erreichung der politischen Zielsetzungen wird für Offshore-Windenergie bis 2020 eine ähnliche Entwicklung angenommen, wie sie für Onshore-Windenergie in den vergan-genen Jahren zu beobachten war.


22

Abbildung 12: Strommenge und Kapazität der Windenergieanlagen in Deutschland von 1994-2020 Bei Onshore-Windrädern bestehen in der Regel Turm, Gondel und das Getriebe des Rotors zum größten Teil aus Stahl. Dies ergibt fast 90 % Materialanteil des Werkstoffs Stahl (exklusive Betonfundament). Bei Offshore-Windanlagen liegt der Stahlanteil noch wesentlich höher als bei Onshore-Windkrafträdern, da hier zusätzlich das Fundament aus Stahl besteht (z. B. Tripods bei alpha ventus). Ein 200-MW-Tripod-Offshore-Windpark besteht aus ca. 100.000 t Stahl. Die Infrastruktur, wie Umspannstation oder Versor-gungsschiffe, weist ebenfalls einen erheblichen Stahlanteil auf.

Eine Leitstudie des Bundesministeriums für Um-welt, Naturschutz und Reaktorsicherheit sowie Prognosen anderer Institute sagen einen noch größeren Zuwachs an Windenergie bis 2020 voraus.13 Bei einem möglichen stärkeren Ausbau von Kohlekraftwerken gegenüber den geplanten Gaskraftwerken bis 2020 wären die Einsparun-gen noch deutlich höher, da der Mix der durch die erneuerbaren Energien verdrängten fossilen Kraftwerke dadurch höhere spezifische Emissio-nen (t CO2/TWh) hätte als prognostiziert.

13 EWI (2008), UBA (2007), DEWI (2009) u. a.

403126

179521

0

50

100

150

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

45

2010 2012

55

2014

62

2016

68

2018

77

2020

Szenario BEE 2009Leitszenario BMU 2008OffshoreOnshore

48

242117

126321

0

20

40

30%

70%

25 26 28 30 32 35

OffshoreOnshore

Szenario EWI

in GW

in TWh

Stro

mm

enge

Kap

azitä

t

44%44%

56%56%


23

Beispiel: Gewichtsreduktion bei PKWs und LKWs

Die Berechnung der CO2-Reduktionspotentiale durch Gewichtsreduktion bei PKWs und LKWs geht von folgenden Prämissen aus: Der PKW-Verkehr in Deutschland emittierte 2007 ca. 110 Millionen Tonnen CO2. Der Verkehr durch LKWs (Fahrzeuge über 3,5 t) war für rund 30 Mt CO2-Emissionen verantwortlich. Die CO2-Emis-sionen im Straßenverkehr werden durch den Kraftstoffverbrauch der Fahrzeuge verursacht, welcher wiederum durch die Faktoren Motoreffi-zienz, Rollwiderstand, Luftwiderstand und Fahr-zeuggewicht beeinflusst wird. Eine Gewichts-reduktion bei PKWs ist durch den Einsatz von High-Performance-Stahl für Fahrwerk und Karos-serie – etwa durch Verwendung von Tailored Blanks – zu erreichen. Ein Vergleich verschiede-ner Baureihen zeigt eine Verlangsamung und in den aktuellsten Fahrzeuggenerationen sogar teil-weise schon eine Umkehr des historischen Trends zu stetig steigendem Fahrzeuggewicht. Neufahrzeuge verbrauchen ca. 10 % weniger Treibstoff als die bestehende PKW-Flotte in Deutschland. Das Gewicht eines Fahrzeugs ist ein wesentlicher Einflussfaktor für den Benzin-verbrauch und damit die CO2-Emission (Einspa-rung bei PKW von ca. 0,35 l/100 kg/100 km).14 Die Innovationen der Stahlindustrie in Form hochfester Stahlsorten ermöglichen nun die Pro-duktion erheblich leichterer Fahrzeuge. Je nach Bauteil (Rohkarosserie, Türen, Klappen) sind Gewichtseinsparungen von 10 bis 40 % möglich. Die Berechnung in dieser Studie isoliert den Bei-trag von Stahl durch Analyse der Reduktions-potentiale des Stahlanteils in Fahrzeugen und betrachtet zusätzliche Effizienzsteigerungseffek-te durch Motorwirkungsgrad, cw-Wert oder Rei-fenrollwiderstand nicht. Diese Effekte werden nur

14 IFEU (2003), IFEU (2006) u. a.

implizit in der prognostizierten CO2-Emission pro Fahrzeug berücksichtigt. Für die Lebenszyklus-betrachtung wurde über die durchschnittliche Gesamtjahresfahrleistung von ca. 13.000 km p. a. eines PKW die mögliche CO2-Reduktion berechnet. Die Emissionen aus der für die Pro-duktion von PKWs nötigen Stahlerzeugung wur-den über die in Deutschland typische Lebens-dauer von acht Jahren umgelegt. Damit ergibt sich aus der prognostizierten Gesamtfahrleistung der deutschen Autoflotte im Jahr 2020 von knapp 600 Milliarden Kilometern eine potentielle CO2-Reduktion von ca. 11 Millionen Tonnen für den PKW-Verkehr. Der Beitrag des Stahls wird dabei aufgrund der Isolation der Gewichtsreduktion des Stahls auf 100 % geschätzt. Die stahlinduzierten CO2-Emissionen zur Produktion der Fahrzeuge summieren sich auf ca. 8 Millionen Tonnen CO2. Für 2020 werden knapp 45 Millionen PKWs in Deutschland erwartet. Daraus ergibt sich für die Gewichtsreduktion von PKWs ein Verhältnis zwi-schen CO2-Einsparungen im Jahr 2020 und um-gelegtem Aufwand für die Stahlerzeugung allein von 1,3 : 1.15 Die Gewichtsreduktion von LKWs wirkt sich nur teilweise auf den LKW-Diesel-Verbrauch aus. Bei vielen Fahrten wird das eingesparte Gewicht als zusätzliche Nutzlast kompensiert. Damit aller-dings lässt sich über eine höhere durchschnittli-che Beladung der Fahrzeuge die Anzahl der nötigen Fahrten reduzieren. Die Fahrtenreduk-tion wirkt nur bei voll beladenen Fahrten und Beladung mit kontinuierlich zuladbaren Gütern. Bei Fahrten mit Volumenrestriktion (große Güter mit geringer Dichte, wie z. B. Leergut oder Mö-bel), Fahrten mit schwerem Stückgut (Maschinen etc.) oder teilbeladenen und leeren Fahrten wirkt

15 KBA (2009) u. a.


24

BezugsgrößenBezugsgrößen

6,3

31,5Gesamt

Leer-fahrten

17,8

Beladen, aber

keine Zuladung

möglich

7,4Anteil FTL

Sprit-verbrauch

Sprit-verbrauch # Fahrten# Fahrten

–

( )( )–

–

–

Leer-fahrten

LTL(Teilladung)

Volumen-beschränkt

SchweresStückgut

FTL(voll beladen)

Zwei Hebel zu CO2-EinsparpotentialZwei Hebel zu CO2-Einsparpotential

Wirkung des Hebels

5 Fahrttypen5 Fahrttypen

1. Anteil der Gewichtsreduktion an maximaler Zuladung der LKWsAnmerkung: LTL = Less than truck load, FTL = Full truck loadQuelle: KBA, BCG

~24%

~56%

~20%

Einflussrelation(%-Änderung CO2 /

% Gewichtsreduktion)1,4% / 10% 5,7% / 10%1

1 2

6,1

30,3

17,1

7,1

km 2007 in Mrd.km 2007 in Mrd. CO2-Emission 2007 in MtCO2-Emission 2007 in Mt

sich nur die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs aus. Sie führt zu ca. 1,4 % CO2-Einsparungen pro 10 % Gewichtsreduktion und berechnet sich über die anteilige Einsparung (ca. 0,06 l/100 kg/ 100 km) am Durchschnittsverbrauch der aktuel-len LKW-Flotte. Die Reduktion der nötigen Fahr-ten führt demgegenüber sogar zu einem relativen Effekt von ca. 5,7% CO2-Reduktion pro 10 % Gewichtsreduktion. Im LKW-Verkehr ist somit

über die genannten Hebel eine Einsparung von ca. 1 Million Tonnen CO2 möglich. Ebenso wie bei den PKWs wird auch bei den LKWs der Beitrag des Stahls aufgrund der Isola-tion der Gewichtsreduktion des Stahls auf 100 % geschätzt. Daraus ergibt sich für die Gewichts-reduktion von LKWs ein Verhältnis zwischen CO2-Einsparungen im Jahr 2020 und umgeleg-tem Aufwand für Stahl allein von 1,1 : 1.

Abbildung 13: CO2-Einsparpotential durch Gewichtsreduktion bei LKWs Beispiel: Effizientere Transformatoren

Die Berechnung der CO2-Reduktionspotentiale durch effizientere Transformatoren geht von fol-genden Prämissen aus: Bei der Stromübertra-gung und -verteilung entstehen Verluste im Stromnetz und bei der Verteilung in Transforma-toren von ca. 4 – 4,5 % der Bruttostromerzeu-gung (Stromproduktion der Kraftwerke nach Ei-genverbrauch). 2007 gingen ca. 25 TWh bei der Übertragung und Verteilung von Strom verloren, was in etwa der Leistung von drei konventionel-len Kohlekraftwerken entspricht und bei den für 2020 geschätzten spezifischen CO2-Emissionen

ca. 13 Millionen Tonnen CO2 verursacht.16 Der Großteil der Verluste entsteht im Niederspan-nungsnetz auf der Ebene der Verteiltransforma-toren durch Blindleistung. Die Verluste am ersten Transformator sind aufgrund sehr hoher Wir-kungsgrade und Auslastung relativ gering. Bei der Übertragung entstehen zwar relevante Ver-luste, welche aber durch Stahlanwendungen nicht oder kaum beeinflussbar sind.

16 AGEB (2008), VDE (2008)


25

637

Brutto-strom-

erzeugung2007

Leitungs-& Über-

tragungs-verlust1

2,9%

Verteil-verlust

Netto-strom-

verbrauch

0

610

620

630

640

in TWh


• Reduktion der nötigen Bruttostrommenge kalkuliert

• CO2-Einsparung gegenüber spez. Emission von Gesamtstrommix


1. Leitungsverlust und Eigenverbrauch, Pumpstrom etc. 2. Verluste aus anderen Effekten als Blindleistung (Wärme, etc.) 3. Wirkungsgrad der Verteiltransformatoren 4. Entspricht Reduktion der Wirkungsgradverluste um 35%Quelle: BMU; Siemens; Uni Hannover; BCG

98,4%

Wirkungs-grad alt3

0,6%

Reduktionspotential

99,0%

Wirkungs-grad, neu3

0%

100%

98%

in % Reduktion der Wirkungsgad-verluste um 35%

539

Brutto-strom-erzgg. 2020

Verteil-verlust alt

~2,9%

6

Verteil-verlust

neu ~1,9%4

0

520

530

540

in TWh

• Reduktion der Verluste in Verteiltrafos durch Optimierung der Blindleistungs-verluste

• Relative Wirkungsgradsteigerung und damit Reduktion der Verluste um 35%

• Verluste in Übertragung und Verteilung durch Reibung-/Wärme- und Blindleistung

• Gesamte Verluste ca. 4,5% von Bruttostromerzeugung

1 2 3

Spez. CO2-Emission des

Strommix'

X


∑~2,3 Mt

Abbildung 14: Fallbeispiel Transformatoren – CO2-Reduktion durch Verlustminderung

Verluste in der Stromübertragung und -verteilung resultieren primär aus Reibung, Wärme und Blindleistung. Der Wirkungsgrad eines konventi-onellen Verteiltransformators liegt zwar bereits bei über 98 % und ist primär begrenzt durch die physikalischen Eigenschaften des Stahlkerns. Durch moderne kornorientierte Stahlkerne ist jedoch eine relative Verringerung der Verluste um etwa 35 % möglich. Um bei stark ausgelaste-ten Anwendungen wie Transformatoren niedrige Ummagnetisierungsverluste zu erreichen und hohen Ansprüchen an Permeabilität gerecht zu werden, wird Stahl mit möglichst einheitlicher Orientierung der Kristallite erzeugt, d. h. kornori-entierte (KO) Bänder.17 Theoretisch ist eine Reduktion der Blindleis-tungsverluste von bis zu zwei Dritteln gegenüber konventionellem Stahl möglich.18 Stahlinnovatio-nen erhöhen also den Wirkungsgrad der Trans-formatoren durch Spezialstahl und verringern

17 SEEDT (2008), Dt. Kupferinstitut (2007) u. a. 18 VDE (2008), SEEDT (2008)

damit die entstehenden Verluste auf der Verteil-ebene. Durch Stahlinnovationen im Bereich der Trans-formatoreneffizienz könnten im Jahr 2020 ge-genüber 2007 ca. 2,3 Millionen Tonnen CO2 we-niger emittiert werden. Für die Berechnungen der Studie wurde der Stahlbeitrag wegen des großen Einflusses der Stahlkerne auf den Wirkungsgrad der Transformatoren und wegen der Ausschließ-lichkeit der Nutzung von Stahl als Werkstoff auf 90 % geschätzt. Die CO2-Reduktion ergibt sich über eine Verminderung der nötigen Brutto-strommengen durch geringere Verluste. Der optimierte Stahl ist zwar teurer, aber durch Re-duktion der Verluste rechnen sich die Investitio-nen schon nach kurzer Zeit. Die aktuellen Er-neuerungsraten von ca. 3 % der installierten Basis pro Jahr müssten allerdings deutlich erhöht werden, um bis 2020 das volle Potential zu errei-chen. Daraus ergibt sich im Bereich der Trans-formatoreneffizienz ein Verhältnis zwischen CO2-Einsparungen im Jahr 2020 und umgelegtem Produktionsaufwand von 14 : 1.


26

Beispiel: Kraft-Wärme-Kopplung

Wärmeenergie spielt besonders in Haushalten (Raumwärme, Warmwasser) und Industrie (Pro-zesswärme) eine große Rolle. Bei Haushalten macht die Raumwärme etwa 80 % des Gesamt-energiebedarfs aus. Die Wärmenachfrage wird in Zukunft zwar durch aktuelle Entwicklungen im Bereich der Wärmedämmung und der Niedrig-energiehäuser sinken, aber trotzdem eine we-sentliche Rolle bei der Energieerzeugung spie-len. Durch Kraft-Wärme-Kopplung wird die Ab-wärme in Kraftwerken zur Stromerzeugung als Wärmeenergie nutzbar. Heißes Wasser oder Dampf aus Kraftwerken wird über Rohrleitungs-netze zu den Endverbrauchern transportiert und dort über Wärmetauscher an die Wärmeversor-gung angeschlossen. Die Brennstoffausnutzung bei der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme kann bis zu 90 % betragen. Die Bundes-regierung strebt an, den Anteil von Kraft-Wärme-Kopplung an Strom- und Wärmeerzeugung zu verdoppeln, und fördert die Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung finanziell. Zur Nut-zung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen wer-den der gleichzeitige Bedarf an Strom und Wär-me sowie die Nähe zum Endverbraucher ange-nommen. Wachstumsfeld für den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind vor allem dezen-trale Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Erzeugung von Nahwärme für Siedlungen, große Gebäude, Schwimmbäder oder Industrieparks. Auch Mini- und Mikro-KWK-Anlagen für einzelne Gebäude oder Haushalte werden in Zukunft verstärkt ein-gesetzt werden. Dabei wird als Nebenprodukt zur Wärmeerzeugung Strom für die Objektversor-gung miterzeugt. Diese Anlagen sind allerdings in der Quantifizierung dieser Studie nicht berück-sichtigt, da hier kein Leitungsnetz und damit re-

levante Mengen Stahl zur Wärmeübertragung benötigt wird.19 KWK-Anlagen erhöhen durch Abwärmetransport in Stahlrohren den Gesamtwirkungsgrad fossiler Kraftwerke. Für die Wärmeerzeugung aus KWK-Anlagen werden geringe zusätzliche CO2-Emis-sionen der Wärmeenergie zugeschlagen (Zu-schlag berechnet nach der finnischen Methode20). Durch diese Stahlanwendung werden im Jahr 2020 gegenüber 2007 ca. 10 Millionen Tonnen CO2 weniger emittiert. Der Stahlbeitrag hierbei wird aufgrund des großen Einflusses der Stahlrohre auf die Realisierbarkeit von KWK-Anlagen und der Ausschließlichkeit der Nutzung von Stahl als Werkstoff auf 90 % geschätzt. Zum Ausbau des Netzes ist eine zusätzliche Trassenlänge von ca. 50.000 km notwendig. Für die Rohrleitungen wird ein Stahlgewicht von ca. 450 t/km angenommen. Stahlinduzierte Emissionen aus der Produktion der Röhren werden über einen Lebenszyklus von 40 Jahren verteilt. Daraus ergibt sich im Bereich Kraft-Wärme-Kopplung ein Verhältnis zwischen CO2-Einsparungen im Jahr 2020 und umgelegtem Produktionsaufwand für Stahl allein von 9 : 1.21 Der angestrebte KWK-Zubau erfordert jedoch intensive politische und wirtschaftliche Anstren-gungen, netzgebundene Wärme bei zurück-gehender Wärmenachfrage in den Haushalten deutlich auszuweiten.

19 IEA (2009) 20 Berechnung des Zuschlags unter Vergleich zu sepa-

rater Erzeugung von Wärme und Strom, siehe auch TU Dresden (2008)

21 BMU (2008), AGFW (2008), UBA (2007) u. a.


27

Exkurs 3: Bedeutung von Stahlrecycling und Materialeffizienz am Beispiel von Verpackungsdosen Die Auswahl von Werkstoffen in den verschiedensten Anwendungen wird vermehrt unter Umweltaspekten und Lebenszyklusbetrachtungen getroffen. Stahlprodukte sind durch Wiederverwertbarkeit und vergleichs-weise einfache Trennbarkeit von übrigen Materialien in nahezu jeder Anwendung zu einem sehr hohen Anteil praktisch verlustfrei recycelbar. Das Recycling von Stahlprodukten spart bis zu zwei Drittel Energie ein. Außerdem führt es zu einer Optimierung des Ressourceneinsatzes und damit zur Schonung natürli-cher Ressourcen.22 Ein anschauliches Beispiel für Stahlrecycling lässt sich im Verpackungsbereich finden. Verpackungen aus Stahl sind besonders relevant für den Recyclingkreislauf durch die vergleichsweise kurze Lebensdauer der Produkte. Durch eine Verringerung der Blechdicken bei Lebensmittel- und Getränkedosen wurden in den letzten Jahren erhebliche Materialeffizienzgewinne realisiert und dadurch CO2-Emissionen aus der Stahl-produktion vermieden. 2008 wurden über 90 % aller Weißblechverpackungen recycelt. Kunststoffe weisen demgegenüber die niedrigste Recyclingquote bei den gängigen Verpackungsmaterialien auf. Während der Verpackungsverbrauch in den letzten zehn Jahren in Deutschland um insgesamt 20 % gestiegen ist, sank der Stahlanteil am Verpackungsverbrauch im selben Zeitraum kontinuierlich.

Abbildung 15: Entwicklung Rohstahlerzeugung und Schrottanteil in der deutschen Stahlindustrie

22 Philipp, Still, Volkhausen (2003)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

10

20

30

40

50+11%

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2007Rohstahlerzeugung Schrott Schrottanteil an Rohstahlerzeugung in %

in Mio. t Schrottanteil in %


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Quellenverzeichnis

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2010 BCG CO2 Stahl 2020