Aktuelle und kommende Technologien zur Energiewende Hanns-Seidel-Stiftung, 26.07.2012, München Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Köln

Inhalt • Energiekonzept / BMU Leitstudie • Technologien:

• Gasturbine, Hybridkraftwerk • Konzentrierende Solarsysteme (CSP) • Windkraftanlagen • Kostenvergleich PV/CSP/Wind • Energiespeicher

• Kopplung der Energie-Infrastrukturen • Elektromobilität: Beispiel für die Vernetzung von

Technik und System

www.DLR.de • Folie 2

Energiezukunft 2050 Szenario „Trend“

2005 Endenergieverbrauch:

ca. 9.788 PJ

2050 Endenergieverbrauch:

ca. 9.343 PJ

Industrie

GHD

Haushalte

Verkehr

Warmwasser 5 %

Licht 2 %

Prozesswärme 21 %

Raumwärme 33 %

Mechanische Energie 38 %

Information & Kommunikation 1 %

Warmwasser 5 %

Licht 1 %

Prozesswärme 25 %

Raumwärme 23 %

Mechanische Energie 39 %

Information & Kommunikation 2 %

Prozentuale Angaben bezogen auf 2005

Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V., München

Energiekonzept der Bundesregierung 2010

www.DLR.de • Folie 4

BMU Leitstudie 2011

Energiepolitische Zielsetzungen im Energiekonzept der Bundesregierung

2020 2030 2040 2050 Minderung der THG-Emissionen: -40% -55% -70% -80 bis 95% (bezogen auf 1990) Anteil der EE am (Brutto-) Endenergieverbrauch: 18% 30% 45% 60% Anteil der EE am Bruttostromverbrauch: 35% 50% 65% 80% Minderung des Primärenergie- verbrauchs: - 20% - 50% Minderung des Stromverbrauchs: - 10% - 25% Minderung des Endenergie- verbrauchs Verkehr: -10% - 40% Reduzierung des Wärmebedarfs (2020) bzw. des Primärenergiebedarfs (2050) von Gebäuden: -20% - 80%

4 Szenarien

1 Szenario (2060)

- Szenario 2011 A -

2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 2050

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

1453714044

12626

11383

10245

9287

8176

7267

Ener

giev

erbr

auch

, PJ/

a

ÜbrigeVerlusteUmwandl.verluste Strom

NE-Verbrauch

Verkehr

Industrie

GHD

PrivateHaushalte

SZEN11/ENDSTRUK; 8.11.11

BMU Leitstudie

- Szenario 2011 A -

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 20500

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

352

625

991

1412

1822

2132

2431

2828

3073

Ende

nerg

ie e

rneu

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re E

nerg

ien,

PJ/

a

Geothermie,Umweltwärme

Solarstrahlung

Windkraft

Biomasse,biog. Abfälle

Wasserkraft

SZEN 11; EE-END; 7.10.11

BMU Leitstudie

• Effiziente, schadstoffarme Verbrennung • Zuverlässigkeit instationärer Verbrennungsprozesse • Turbinentechnik (Strömung, Wärme) • Einsatz alternativer Brennstoffe

Technologien – I Gasturbinen

Technologien – I Dezentrales Hybridkraftwerk

(Gasturbine/Brennstoffzelle)

Jahreshauptversammlung Stuttgart 23.11.2011

• effiziente, brennstoff-flexible, schadstoff- und wartungsarme dezentrale Systeme

• Direkte Kopplung aus druckaufgeladener SOFC und Gasturbine

• 50-70 kW Hybridkraftwerk

Verbesserung der Leistungsdichte um ca. 20 % durch Druckaufladung

Technologien – II Konzentrierende Solarsysteme

Solarthermisches Kraftwerk Technologien – II

Energierelevante Ziele: • Wirkungsgradverbesserung • Schadensmonitoring im Betrieb • Kostensenkung • System- und Potenzialanalyse Forschungsthemen: • Aerodynamik, Aeroelastik, Aeroakustik • Erdbeobachtung: Windprofile und –prognosen aus Analyse der Wasseroberflächen • Atmosphärenforschung / Klima → Systemanalyse • Fertigungsmethoden

Technologien – III Windkraftanlagen

Technologien – III Neue Konzepte für Aerodynamik und aktiven Rotor

• Leistungsregelung durch Konturänderungen und aktive Strömungsbeeinflussung am Blatt

• Strukturdynamische aeroelastische und aeroakustische Optimierung zwecks Materialeinsparung

• Aerodynamische Optimierung • Lärmreduktion • Modellierung von Schalltransmission

und -immission

Technologien – III Leichtbau und neue Produktionsweisen

- Fertigung: - Vollautomatisierung in der Fertigung - Qualitätsüberwachung

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- konstruktive Ansätze: - neue

Bauweisen/ Konstruktionen

- Einsatz alternativer Materialien

kraftflussoptimierte Faserarchitektur zur Böenlastminderung aeroelastic tailoring

Technologien – III Meteorologie und Betriebsstrategien

• qualitative und quantitative Beschreibung des meteorologischen Umfeldes vor und hinter der Anlage

• Aussagen über Windlasten, Lärmtransport und Lärmimmission Modellbasierte

Regelungsmethoden für optimierte Betriebsweise

• Vorhersagequalität verbessern

CSP, PV, Wind, Brennstoffe: Bereitstellungskosten für Europa

Load: 100 MW, 5500 h/y, 40 yr Linear fuel cost escalation as in 2000-2010, market prices PV, Wind incl. pump storage and 10% backup by natural gas combined cycle, PV Import incl. transport from MENA to Europe CSP incl. thermal energy storage and 10% hybrid operation with natural gas; import from NA over 3000 km distance

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

2005 2010 2015 2020 2025 Year

PV in Europe, Import

CSP Import

Wind Europe

LEC

($/k

Wh)

Gas, Coal

LEC = levelized electricity cost

Technologien I – III

Technologien – IV Energiespeicher – unverzichtbare Bausteine

• Neue Rahmenbedingungen: – Ersatz fossiler & nuklearer planbarer

Kraftwerkskapazitäten durch teilweise fluktuierende, erneuerbare Energie-träger (Wind, Sonne)

– Ersatz von Verbrennungsmotoren durch Elektromotoren im Verkehr

– Nutzung von Abwärme in industriellen Prozessen

• Bedarf an zentralen und dezentralen Speichern für thermische und elektrische Energie

Stromspeicher im Vergleich

1 MWh 1 TWh 1 GWh 1 kWh 100 TWh

Huntdorf

Praxair, TX

Rehden, Wingas

Goldisthal

Fairbanks, Alaska

Technologien – IV

Technologien – IV Wasserstofferzeugungspfade

Erdöl

Kohle

Erdgas

Kernenergie

Solarenergie

Wasserkraft

Windenergie

Geothermie

Biomasse

Solarthermie Dampfturbine

Generator

Elektrolyseur

Was

sers

toff

Generator

Stromnetz

Gasnetz

Gastherme Gas-WP

Wärmepumpe Klimaanlage

GuD-Kraftwerk BHKW

Elektrolyse

Fernwärme Nahwärme

Elektroantrieb

Gasantrieb

Brennstoff-zelle

H2

H2

Methanisierung

H2

Zukünftige Kopplung der Energie-Infrastrukturen

Elektro- heizer

Wasserstoff- antrieb

Einspeisung

Ener

giew

irtsc

haftl

iche

Inte

grat

ion Integration in das Verkehrsnetz

Fahrzeug

Systemanalyse

Elektromobilität Vernetzung von Technik und System

Handlungsbedarf für die Entwicklung von Technologien für die Energiewende

Gemeinsame Entwicklung von Strategien mit Industrie, KMU,

Energieversorgung, Wissenschaft, Verbänden und Politik:

• Technologiepotenziale durch FuE heben • Demonstrationsprojekte ermöglichen • Umsetzungsstrategien entwickeln (Systemanalyse) • Energiebalance prüfen: Wo liegt das Optimum zwischen

Energieeffizienz und erneuerbaren Energien?

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Linder Höhe 51147 Köln mailto:ulrich.wagner@dlr.de Im Internet finden Sie uns unter http://www.dlr.de