20110921 Hirschberg

Wir schaffen Wissen – heute für morgen

PSI, 21.09.2011

Nachhaltige Elektrizität:Wunschdenken oder bald Realität?Stefan HirschbergLeiter, Labor für Energiesystem-Analysen, Energie-Forschungsbereiche

BPW Club Zürich, 21. September 2011

21.09.2011

Labor für Energiesystem-Analysen Energie-ForschungsbereicheBPW Club Zürich, 21. September 2011, S. Hirschberg 21.09.2011

InhaltInhalt

• Einleitung: Nachhaltigkeit

• Derzeitige Schweizer Energieversorgung

• Trends und Ziele

• Technologische Herausforderungen

• Umweltbelastungen und Risikoaspekte

• Ganzheitliche Betrachtung

• Schlussfolgerungen

Labor für Energiesystem-Analysen Energie-ForschungsbereicheBPW Club Zürich, 21. September 2011, S. Hirschberg

Definition Brundtland-Kommission als Ausgangsbasis akzeptiert

Nachhaltige Entwicklung ist die Fähigkeit

„ die Bedürfnisse der Gegenwart zu befriedigen, ohne gleichzeitig die Möglichkeiten zukünftiger Generationen zur Befriedigung ihrer eigenen Bedürfnisse einzuschränken“ .


Kriterien der Nachhaltigkeit (Beispiele)

Kosten, Versorgungssicherheit Stromerzeugungskosten (Produktion)Finanzielle RisikenAutonomie der Stromproduktion

Ressourcen, Emissionen, KlimaTreibhausgasemissionenRessourcenverbrauchSchäden an Ökosystemen

Akzeptanz, Fairnessproblematische AbfälleTodesfälle durch Schadstoffemissionen & UnfälleLandschaftsqualität

Ökonomie:

Soziales:

Ökologie:

Ökologie

Soziales

Öko

nom

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Integrierte Energiesystem-Analysen am PSI

Datenbanken

Energie-ökonomischeAnalyse

Szenarien-Generierung

Lebenszyklus-Analyse

Umweltauswirkungs-Analyse

Risikoanalyse

Integrierte Analyse


InhaltInhalt









Endenergienachfrage 2010 (911 PJ)

Industrie19%

Haushalte30%

Landwirtschaft1%

Verkehr34%

Dienstleistungen16%

Stromnachfrage 2010 (215 PJ)

Industrie32%

Dienstleistungen27%

Verkehr8%

Landwirtschaft2% Haushalte

31%

Endenergienachfrage 2010 (911 PJ)

Gas13%

Elektrizität24%

Übrige erneuerbare2%

Kohle1%

Holzenergie4%

Fernwärme2%

Industrieabfälle1%

Treibstoffe31%

Erdölbrennstoffe22%

Übersicht über das Schweizer Energiesystem

Energiewirtschaft (2010)� Energieausgaben: 30.53 Mrd. CHF (5.6% des BIP)

� Energieimport: 9.3 Mrd. CHF (4% der gesamten Importausgaben)

� Auslandabhängigkeit: 78.5%


Erdgas23.62%

Photovoltaik1.50%

Heizöl2.80%

Kehrichtverbrennungsanlagen

61.44%

Holz4%

Deponiegas6%

Wind1%

Schweizer Stromproduktion

Mix der Schweizer Stromproduktion (2010)

Speicherkraftwerke30%

Laufwasserkraftwerke25%

Kernkraftwerke 39%

Konv.Therm6%


Fakten zur heutigen Schweizer Energieversorgung

• Fossiler Anteil am Primärenergieverbrauch: 66% (global 80%)

• Umwandlungsverluste:24% von Primär- zu Endenergie60% von Primär- zu Nutzenergie

• Primärenergieverbrauch pro Kopf:42‘000 kWh pro Jahr bzw. 4800 Watt (+ ~4000 W „Graue Energie“)

• CO2-Emissionen pro Kopf: 6 t pro Jahr (+ 4.7 t „Graues CO2“)

• Stromproduktion praktisch ohne fossile Energie

→ nur 19 g CO2-Äq. pro kWh produziert

(112 g CO2-Äq./kWh konsumiert)


Übersicht über das Schweizer Energiesystem

Wie stehen wir bezüglich der Energieziele für 2010? - Stand 2009

� Ziel: Reduktion der fossilen Energieträger um 10%: -1.3% ��

� Ziel: Reduktion der CO2-Emissionen um 10%: -2.7% ��

� Ziel: Begrenzung des Anstiegs der Stromnachfrage auf < 5%: +14.4% (2010) ��

� Ziel: Stromproduktion aus erneuerbaren Energien 1% (0.5 TWh): +0.46 TWh ☺☺☺☺

� Ziel: Wärmeproduktion aus erneuerbaren Energien 3% (3 TWh): +3.37 TWh ☺☺☺☺

Quelle: EnergieSchweiz, 2010


Die Absenkpfade für die Schweiz

0

2

4

6

8

10

12

0 2'000 4'000 6'000 8'000 10'000

Primärenergie [Watt pro Person]

CH

CH+"grau"

2007

2007

2050CO

2-Em

issi

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[Ton

nen

pro

Pers

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Jah

r]


InhaltInhalt









Technologiespektrum

KKWSteinkohle

Erdgas SOFC

Wasser

Wind

SNG

Geothermie

Biogas PV


Herausforderungen für die fossilen Energieträger:

• Endlichkeit der Resourcen

• Versorgungssicherheit

• Einflüsse auf das Klima, die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme

• Schwere Unfälle

• Schwankungen der Brennstoffpreise


Implikationen der “Kaya-Gleichung”

CO2 Emissionen = Kohlenstoffgehalt x Energintensität x Produktion x Bevölkerungder Energie der Wirtschaft pro Person

Ziel:Reduktion um50% bis 2050

Anstieg umFaktor 1.5(IPCC 2000)

Anstieg um Faktor 1.65(1% Wachstum pro Jahr)

Abnahme um Faktor 2.5(-1.8% pro Jahr in alternativemSzenario IEA 2004)

Muss um Faktor 2 reduziertwerden, um Zielzu erreichen

Sehr starke Forcierung von “CO2-freier” Technologien

Muss um Faktor 5 reduziert werden, um Ziel zu erreichen

Muss um Faktor 3 reduziert werden, um Ziel zu erreichen

Quelle: Hirschberg, 2007


Grosswasserkraft: Szenarien für Nettogesamtpotential

Electrowatt-Ekono/BFE Energieperspektiven, 2004


Strom aus Neuen Erneuerbaren: Potenziale langfristig (CH)

Anteil am Gesamtstromverbrauch 2004langfristig

PSI-GaBE/BFE Energieperspektiven;

Hirschberg et al. 2005 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%

Photovoltaik

Windenergie

Geothermie

Biomasse

Kleinwasserkraft<1 MW

max. 16%

?

max. 7.3%

max. 33%

max. 2.2%


Strom aus Neuen Erneuerbaren: Potenzial & Kosten (CH)

Kosten [Rp/kWh]

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

Photovoltaik

Windenergie

Geothermie

Biomasse

Kleinwasserkraft< 1 MW

2.0%

3.6 - 5.5%

0 - 3.6%

1.1%

0.2 - 4.9%

Anteil am Gesamtstromverbrauch2000 2035

5-25 4-20

20-40 10-30

7-15

12-25 12-15

50-90 22-42

Keine Anlage in Betrieb

20042035

PSI-GaBE/BFE Energieperspektiven; Hirschberg et al. 2005


Neue Erneuerbare: Vor- und Nachteile (CH)

Photovoltaik

Windenergie

Geothermie

Biomasse

Kleinwasser-kraft

Derzeit hohe Kosten; Reserveenergie nötigHohe Akzeptanz; Integration in bestehende Gebäude möglich

Beschränkte Zahl geeigneter Standorte; Konflikte mit Landschafts- und Naturschutz; Reserveenergie nötig

Ausgereifte Technologie; Potenzial zur Kostensenkung vorhanden

Keine kommerzielle Anlage in Betrieb; grosse Mengen an Abwärme nur beschränkt nutzbar; Prognosen sehr unsicher

Sehr hohes Potenzial

Konkurrierende Nutzungsmöglichkeiten der Ressourcen (Wärme & Treibstoffe); Technologie zur Reduktion von Schadstoffemissionen erforderlich

Vielfältige Ressourcen

Veränderungen des lokalen Wasserhaushaltsausgereifte Technologie; hohe Akzeptanz (?)

Nachteile / EinschränkungenVorteile

Gru

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schw

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Que

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aBE

für B

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ktiv

en (H

irsch

berg

et a

l., 2

005)


Herausforderungen für die Kernenergie:

• Sicherheit (Ausschluss von Katastrophenszenarien)

• Überzeugende Lösung für die Abfallentsorgung

• Minimierung der Proliferationsrisiken

• Ökonomische Wettbewerbsfähigkeit

• Öffentliche Akzeptanz


InhaltInhalt









Treibhausgasemissionen aus der Stromerzeugung

36 17

123

426

912

6277

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Kerne

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Biogas

Holzga

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Photo

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O2-

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) pr

o kW

h

Quelle: PSI, Bauer et al. 2008


Treibhausgasemissionen, Stromproduktion (2004)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Schweiz USA

Deutsc

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Frank

reich GB

Italie

n

Spanie

n

EU-27

kg(C

O2e

q) /

kWh

Steinkohle Kernenergie Erdgas PhotovoltaikPumpspeicher Wasserkraft Erdöl BraunkohleIndustriegas Windkraft Biomasse Biogas

Quelle: PSI/ecoinvent, 2008


Resultate: Umweltindikatoren, 2005

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

KKW, G

en II

Steink

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wei

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Max

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(=

100%

)

Fossile Energie UranMetalle TreibhausgasemissionenLandnutzung ÖkotoxizitätVersauerung & Überdüngung LandkontaminationNicht rad. Abfälle Radioaktive Abfälle





0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

KKW, G

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LandnutzungVersauerung & Überdüngung



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Max

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(=

100%

)

Fossile Energie UranMetalle TreibhausgasemissionenLandnutzung ÖkotoxizitätVersauerung & Überdüngung LandkontaminationNicht rad. Abfälle Radioaktive AbfälleQuelle: PSI, Bauer et al. 2008


Externe Kosten (durch Luftschadstoffe und Klimagase)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Kerne

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inkoh

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Photo

volta

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Rap

pen

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kWh

Quelle: Hirschberg et al. 2008

ÖkonomieÖkologie


Tschernobyl


Ölbohrlochausbruch

Einsturz Endböschung in Kohlemine

Explosion einer Gaspipeline

Dammbruch (Teton, USA)


Risiken schwerer Unfälle (≥5 Todesfälle)

Que

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Hirs

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008

Soziales

probabilistisch /hypothetisch

1.E-6

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1.E-2

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[Tod

esfä

lle]

historisch /statistisch

historisch / statistischsowie hypothetisch

Methodik:


InhaltInhalt








Labor für Energiesystem-Analysen Energie-ForschungsbereicheBPW Club Zürich, 21. September 2011, S. Hirschberg

Auswahl der Technologien

Auswahl der Indikatoren zur Technologiebewertung

Quantifizierung der einzelnen Indikatoren für alle Technologieoptionen

Normalisierung der Indikatoren

Gewichtung der Indikatoren

Aggregierung: Kombination v. Indikatorwerten & Gewichtungsfaktoren

Berechnung eines Nachhaltigkeitsindex= Rangfolge der Optionen

Technologievergleich: Multi-Kriterien-Analysesubjektive & objektive Elemente


Nachhaltigkeitskriterien

Sour

ce: H

irsch

berg

et a

l., 2

007&

2008

Criterion

RESOURCES Energy Resources

Mineral Resources (Ores) CLIMATE CHANGE

IMPACT ON ECOSYSTEMS

Impacts from Normal Operation Impacts from Severe Accidents WASTES

Special Chemical Wastes stored in Underground Depositories

EN

VIR

ON

ME

NT

AL

DIM

EN

SIO

N

Medium and High Level Radioactive Wastes to be stored in Geological Repositories

IMPACTS ON CUSTOMERS Price of Electricity IMPACTS ON OVERALL ECONOMY Employment

Autonomy of Electricity Generation IMPACTS ON UTILITY Financial Risks

ECO

NO

MIC

DIM

EN

SIO

N

Operation

SECURITY/RELIABILITY OF ENERGY PROVISION Political Threats to Continuity of Energy Service

Flexibility and Adaptation POLITICAL STABILITY AND LEGITIMACY

Potential of Conflicts induced by Energy Systems. Necessity of Participative Decision-making Processes SOCIAL AND INDIVIDUAL RISKS

Expert-based Risk Estimates for Normal Operation Expert-based Risk Estimates for Accidents Perceived Risks

Terrorist Threat QUALITY OF RESIDENTIAL ENVIRONMENT Effects on the Quality of Landscape

SO

CIA

L D

IME

NS

ION

Noise Exposure

Society

Environment

Economy

North

Today‘sgeneration

South/East

Tomorrow‘sgeneration

Society

Environment

Economy

North

Today‘sgeneration

South/East

Tomorrow‘sgeneration

Nord

Süd / Ost

Morgige Generation

Heutige Generation

Umwelt

Gesellschaft Wirtschaft

Kriterium

RESOURCENEnergieresourcenMineralische Resourcen (Erze)

KLIMAWANDEL

AUSWIRKUNGEN AUF DIE ÖKOSYSTEMEAuswirkungen aus dem normalen BetriebAuswikungen schwerer Unfälle

ABFÄLLESpezielle, in Untertagedeponien gelagertechemische AbfälleMittel- und hochradioaktive Abfälle für die Deponierung ingeologischen Endlagern

AUSWIRKUNGEN AUF DIE KONSUMENTENStrompreis

AUSWIRKUNGEN AUF DIE GESAMTWIRTSCHAFTBeschäftigungAutonomie der Stromproduktion

AUSWIRKUNGEN AUF DIE UNTERNEHMENFinanzielle RisikenBetrieb

SICHERHEIT/VERLÄSSLICHKEIT DER ENERGIEVERSORGUNGPolitische Bedrohung kontinuierlicher EnergiedienstleistungenFlexibilität und Anpassung

POLITISCHE STABILITÄTPotential für Konflikte verursacht durch das EnergiesystemNotwendigkeit eines partizipativen Entscheidungsfindungsprozesses

SOZIALE UND INDIVIDUELLE RISIKENExpertenbasierte Risikoeinschätzungen für den normalen BetriebExpertenbasierte Risikoeinschätzungen für UnfälleWahrgenommene RisikenTerroristische Bedrohung

QUALITÄT DES WOHNENSAuswirkungen auf die Qualität der LandschaftLärmexponierung

Öko

nom

isch

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Öko

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007&

2008


Environment: GHG Emissions (2050)

Quelle: Bauer et al., 2008

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

EU Pressurised Reactor

EU Fast Reactor

Pulverised Coal (PC)

PC & Post comb.CCS

PC & Oxyfuel CCS

Integrated Gasification

Int. Gasification & CCS

Combined Cycle (CC)

CC & Post comb. CCS

Internal Comb. <1MW

MC Fuel cell <1MW

MC Fuel cell <1MW

SRC Poplar 9MW

Waste straw 9MW

PV, Thin-film, 3kWp

Thermal power plant

Offshore 24MWWind

kg (CO 2 eq) / kWh

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

kg (CO 2 eq) / kWh

IT

DE

CH

FR

Gen IIIGen IV

EU DruckwasserReaktor

EU Schneller BrüterNuklear

Kohle

ErdgasWKK

Staubkohle (PC)

PC, post comb. cap.

PC oxyfuel

GuD mit integ. Verg. (IGCC)

IGCC, pre comb. cap.

GuD

GuD, post comb. cap.

Verbrennung <1MW

Karbonatbrennstoffz. <1MW

Erdgas

Fossil

Biomasse

WKK

Solar


Kurzumtriebsplantage Pappel 9MW

Strohabfälle 9MW

Dünnfilm-Photovoltaik 3kWp-

Therm. Kraftwerk

Offshore 24MWWind

Erneuerbar


Gesellschaft: Verlorene Lebensjahre - YOLL (2050)

Quelle: NEEDS, Friedrich & Preiss 2008

0 1E-07 2E-07 3E-07 4E-07 5E-07

YOLL / kWh

IT

DE

CH

FR

Nuklear

-Erneuerbar


Kurzumtriebsplantage Pappel 9MW

Strohabfälle 9MW

Them. Kraftwerk

Dünnfilm-Photovoltaik 3 kWp

Offshore 24MW

Biomasse

WKK

Solar

Wind

EU Druckwasser Reaktor

EU Schneller Brüter

Gen III

Gen IV

Fossil

Staubfeuerung (PC)

PC, post comb. cap.

GuD mit integ. Vergas. (IGCC)

IGCC , pre comb. cap.

GuD


Verbrennung <1MW


Kohle

Erdgas

ErdgasWKK

PC, oxyfuel comb.


Gestehungskosten verschiedener Stromerzeugungstechnologien

Quelle: PSI/Energie-Spiegel No. 20, 2010

Kern-energie

ohne CCSmit CCS

Superkrit. Staubkohlefeuerung Erdgas GuD

Kleine Biomasse

WKK

Photo-voltaik,Dach

Wasser-kraft

(Speicher)

mit CCS

Heu

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3020

50

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3020

50

Heu

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3020

50

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50

Heu

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50

Heu

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3020

50

Heu

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3020

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LWR

Heu

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PR

2

030

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205

0

ohne CCS OffshoreOnshore

Wind

Ges

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p/kW

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Gesamtkosten (interne + externe) in 2050

0 2 4 6 8 10 12 14 16

EURO cents / kWh

Fossil

Nuklear

Quelle: NEEDS, Schenler & Hirschberg 2009

Erneuerbare


Pappel 9MW

Strohabfälle 9MW

Offshore 24MW

WKK

Solar



Gen III

Gen IV

WKK Karbonatbrennstoffz. <1MW

Staubfeuerung (PC)PC, post comb. cap.



GuD

GuD, post comb. cap.Verbrennung <1MW

Kohle

Erdgas

Erdgas

PC, oxyfuel comb.

Gestehungskosten Landnutzung Verschmutzung Treibhausgas tief Treibhausgas hoch

Biomasse


Therm. Kraftwerk

Wind


Beispiele komplexer aber potenziell wichtiger sozialer Aspekte:

• Soziale Gerechtigkeit

• Risikoaversion und Risikowahrnehmung

• Resilienz des Energiesystems

• Konfliktpotenzial

�Theoretisch kann jede Externalität monetarisiert werden, in

der Praxis sind die Methoden und Schätzungen aber oft

kontrovers.


MCDA Rangfolge vs. Gesamtkosten (2050)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Gesamtkosten: Euro Cents / kWhGestehungskosten Landnutzung Verschmutzung Treibhausgas tief Treibhausgas hoch

Nuklear

Fossil

Erneuerbar

Durchschnittliche MCDA Rangfolge

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

••

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

••

Quelle: Schenler & Hirschberg 2009

Staubfeuerung (PC)PC, post comb. cap.



GuD


Verbrennung <1MW


Kohle

Erdgas

ErdgasWKK


Pappel 9MW

Strohabfälle 9MW


Therm. Kraftwerk

Offshore 24MW

BiomasseWKK

Solar

Wind



Gen III

Gen IV

PC, oxyfuel comb.


Fazit

Jede Art der Stromproduktion hat heute Stärken und Schwächen, keine erfüllt alle Anforderungen

Es kommt auf die Prioritäten an!(Was ist uns wichtig?)

Ökonomie

SozialesÖkologie


• Keines der analysierten Systeme kann alle Kriterien hinsichtlichNachhaltigkeit & Markt erfüllen.

• Rangordnung der Technologien kann fallspezifisch unterschiedlich sein (Land, Standort, Zustand der Referenztechnologien)

• Kompromisse zwischen ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Nachhaltigkeitskomponenten sind unvermeidlich. Diese sind durch Werturteile beeinflusst.

• Betonung der Ökonomie benachteiligt Erneuerbare; Betonung der Umwelt benachteiligt fossile Ketten; Betonung sozialer Aspekte benachteiligt Kernenergie.

Schlussfolgerungen


Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

[email protected]

lea.web.psi.ch

Documents

20110921 Hirschberg