Grundlagen Volkswirtschaftslehre: Schwerpunkt · PDF file• Beitrag zur allgemeinen Preisentwicklung (Inflation/VPI) und deren Auswirkungen ... Tichler, R., Schneider, F., Steinmüller,

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Grundlagen Volkswirtschaftslehre:

Schwerpunkt Umweltökonomie

Dr. Robert Tichler

Universitätslehrgang "Energiemanagement"

Teil III

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Volkswirtschaftliche Bewertung von Energieträger

Welche makroökonomischen Parameter bzw. welche wohlfahrtsökonomischen Parameter können für einen

spezifischen Energieträger bewertet werden?

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• Auswirkungen der heimischen Produktion, des heimischen Handels, des heimischen Transports des Energieträgers

auf Beschäftigte, Investitionen, Konsum, Bruttoinlandsprodukt

• Wertschöpfungszufluss/-abfluss durch den Energieträger (Nettoexporte); Auswirkungen auf Leistungsbilanz

• Substitution anderer Energieträger

• Soziale Effekte; Auswirkung auf Verteilung in Volkswirtschaft

• Beitrag zur allgemeinen Preisentwicklung (Inflation/VPI) und deren Auswirkungen

• Auswirkungen auf öffentlichen Haushalt: öffentliche Einnahmen, öffentliche Ausgaben

• Notwendige zusätzliche Infrastrukturausgaben (z.B. Speicher, Netze)

• Externe Effekte:

• Positiver oder negativer Beitrag zur Versorgungssicherheit • Ökologische Auswirkungen (v.a. Emissionen) • Auswirkungen auf Gesundheit, Lebenskomfort

Beispiele für volkswirtschaftliche Parameter:

Volkswirtschaftliche Bewertung von Energieträger

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Diskussion:

• Koks …?

• Wasserkraft …?

• Pellets …?

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Energiebilanzen

Primärenergieträger-Einteilung: • Steinkohle • Braunkohle • Brenntorf • Erdöl • Naturgas • Brennholz • Biogene Brenn- und Treibstoffe • Umgebungswärme • Windkraft • Photovoltaik • Wasserkraft

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Energiebilanzen

Sekundärergieträger: • Elektrische Energie • Fernwärme • Braunkohlebriketts • Koks • Sonstiger Raffinerieeinsatz • Benzin • Petroleum (Kerosin) • Dieselkraftstoff • Gasöl für Heizzwecke (= Heizöl extraleicht, = Ofenheizöl) • Heizöl (leicht, mittel, schwer) • Flüssiggas (entspricht nicht LNG) • Sonstige Produkte der Erdölverarbeitung • Raffinerierestgas • Gichtgas • Kokereigas

Ist die Zuteilung der Sekundärenergieträger in erneuerbar und fossil eindeutig?

Welche Problemstellungen könnte es geben?

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Energiebilanzen

Umwandlungseinsatz: • Einsatz eines Energieträgers zur Produktion eines anderen Energieträgers. • Beispiel: Der Umwandlungseinsatz von Wasserkraft erzeugt elektrische Energie

Umwandlungsausstoß:

• Erzeugte Energie eines bestimmten Energieträgers durch einen vorgelagerten Energieträger

• Beispiel: Der Umwandlungsausstoß von elektrischer Energie wird durch den Umwandlungseinsatz von Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik, Steinkohle, Erdgas,… erzeugt

• Die Transformation von Umwandlungseinsatz zu Umwandlungsausstoß bildet die Umwandlungsverluste ab.

• Eine eindeutige Zuordnung in den Energiebilanzen der verschiedenen Umwandlungsverluste der Energieträger beispielsweise in der Stromproduktion ist in den Energiebilanzen nicht möglich

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Energiebilanzen

Signifikanter Umwandlungseinsatz in Österreich: • Erdöl

• Steinkohle

• Koks

• Gasöl für Heizzwecke

• Heizöl

• Naturgas

• Gichtgas

• Kokereigas

• Brennbare Abfälle

• Biogene Brenn- u. Treibstoffe

• Umgebungswärme

• Wasserkraft

• Windkraft und Photovoltaik

Umwandlungseinsatz in Österreich: österreichische Wertschöpfung

Welche Anlagen sind hierbei in Österreich besonders relevant?

Importe von Primärenergie: Wertschöpfungsabflüsse

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Energiebilanzen

Zentrale Variablen: • Bruttoinlandsverbrauch • Energetischer Endverbrauch Zusammensetzung des Bruttoinlandsverbrauchs: Möglichkeit 1: + Inländ. Erzeugung v. Rohenergie + Importe + Lagerbestandsveränderung - Exporte = Bruttoinlandsverbrauch Möglichkeit 2: + Umwandlungseinsatz + nicht energetischer Verbrauch + Verbrauch des Sektors Energie + Energetischer Endverbrauch - Umwandlungsausstoß = Bruttoinlandsverbrauch

• Problemstellung elektrische Energie: „Verbrauch“…

• Bruttoinlandsverbrauch von Strom…

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Energiebilanzen

Elektrische Energie

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Energiebilanzen

Anteil Erneuerbare in Österreich von 2005 bis 2011

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Energiebilanzen

Stromerzeugung in Österreich 1990 - 2010

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Energiebilanzen

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

2015 2016

GWh

Netzabgabe Eigenbedarf aus Erzeugung Verbrauch für Pumpspeicherung physikalisce Exporte

Quelle: E-Control

Inlandstromverbrauch der letzten Monate (Datenstand: März 2016)

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Energiebilanzen

-200.000

0

200.000

400.000

600.000

800.000

1.000.000

1.200.000

1.400.000

1.600.000

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

TJ

Inländ. Erzeugung v. Rohenergie Importe Lager Exporte Bruttoinlandsverbrauch

Zeitliche Entwicklung Energie in Österreich, Teil 1

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Energiebilanzen

Zeitliche Entwicklung Energie in Österreich, Teil 2

0

200.000

400.000

600.000

800.000

1.000.000

1.200.000

1.400.000

1.600.000

TJ

Umwandlungseinsatz UmwandlungsausstoßVerbrauch des Sektors Energie Transportverluste+MeßdifferenzenNichtenergetischer Verbrauch Energetischer Endverbrauch

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Energiebilanzen Sektorale Untergliederung der Energiebilanzen (vgl. Statistik Austria)

Eisen- und Stahlerzeugung Textil und Leder

Chemie und Petrochemie Sonst. Produzierender Bereich

Nicht Eisen Metalle Eisenbahn

Steine und Erden, Glas Sonstiger Landverkehr

Fahrzeugbau Transport in Rohrfernleitungen

Maschinenbau Binnenschifffahrt

Bergbau Flugverkehr

Nahrungs- und Genussmittel, Tabak

Öffentliche und Private Dienstleistungen

Papier und Druck Private Haushalte

Holzverarbeitung Landwirtschaft

Bau

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Energiebilanzen Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 1) ÖNACE-Hauptsegmente der Wirtschaftssektoren (gemäß Statistik Austria) • Sachgütererzeugung • Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden • Bauwesen • Verkehr und Nachrichtenübermittlung • Energie und Wasserwirtschaft • Land- und Forstwirtschaft, Fischerei • Handel; Rep. v. Kfz. u. Gebrauchsgütern • Beherbergungs- und Gaststättenwesen • Kredit- und Versicherungswesen • Realitätenwesen, Unternehmensdienstleistungen • Öffentliche Verwaltung, Sozialversicherung, Exterritoriale Organisationen • Sonstige Dienstleistungen Privater KONSUM!!!

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Energiebilanzen Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 2) Sachgütererzeugung (ÖNACE): Eisen- und Stahlerzeugung Chemie und Petrochemie Nicht Eisen Metalle Fahrzeugbau Maschinenbau Nahrungs- und Genussmittel, Tabak Papier und Druck Steine und Erden, Glas Textil und Leder Sonst. Produzierender Bereich Holzverarbeitung

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Energiebilanzen Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 3) Bergbau, Gewinnung von Steinen und Erden (ÖNACE): Bergbau Bauwesen (ÖNACE): Bau

Energie- und Wasserwirtschaft (ÖNACE): Verbrauch des Sektors Energie Land- und Forstwirtschaft, Fischerei (ÖNACE): Landwirtschaft

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Energiebilanzen

Problematik der sektoralen Untergliederung der Energiebilanzen: Zuteilung auf ÖNACE-Wirtschaftssektoren (Teil 4) Verkehr und Nachrichtenübermittlung (ÖNACE): Eisenbahn Sonstiger Landverkehr (auch privater Konsum enthalten!!!) Transport in Rohrfernleitungen Binnenschifffahrt Flugverkehr Handel; Rep. v. Kfz. u. Gebrauchsgütern; Beherbergungs- und Gaststättenwesen; Kredit- und Versicherungswesen; Realitätenwesen u. Unternehmensdienstl.; Öffentl. Verwaltung, Sozialversicherung, Exterritoriale Organisationen; sonstige Dienstleistungen (ÖNACE): Öffentliche und Private Dienstleistungen

Problem private Haushalte

Frage: wieso existieren diese Problemstellungen?

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Energiebilanzen

Zentrale Variablen in der Energiebilanz Österreich 2014

Quelle: eigene Darstellung auf Basis von Daten von Statistik Austria

Variable TJ Inländ. Erzeugung v. Rohenergie 512.836 Importe aus dem Ausland 1.180.454 Lager -42.569 Exporte ans Ausland 269.911 Bruttoinlandsverbrauch 1.380.811 Umwandlungseinsatz 858.213 Umwandlungsausstoß 774.097 Verbrauch des Sektors Energie 128.976 Transportverluste u. Messdifferenzen 19.594 Nichtenergetischer Verbrauch 84.944 Energetischer Endverbrauch 1.063.181

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Energiebilanzen

Verlauf der österreichischen Energie-Nettoexporte


-1.500.000

-1.000.000

-500.000

0

500.000

1.000.000

1.500.000

197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007200920112013

TJ

Importe Exporte Nettoexporte

Bei einem durchschn. Preis von 4 Cent/kWh würde dies ca. 11 Mrd. € an Wertschöpfungsabfluss durch Energienettoexporte entsprechen

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Energiebilanzen

Energetischer Endverbrauch in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

Diesel elektrischeEnergie

Naturgas biogeneBrenn- u.

Treibstoffe

Fernwärme Benzin Brennholz Gasöl(Heizöl EL)

TJ

1 GWh = 3,6 TJ

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Energiebilanzen

Bruttoinlandsverbrauch Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

Erdöl Naturgas biogeneBrenn- u.

Treibstoffe

Wasserkraft Steinkohle Diesel Brennholz

TJ

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Energiebilanzen

Nicht-energetischer Verbrauch in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

sonst. Produkte derErdölverarb.

Koks Naturgas

TJ

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Energiebilanzen

Energie-Importe nach Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

Naturgas Erdöl Diesel elektrischeEnergie

Steinkohle Koks Benzin

TJ

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Energiebilanzen Energie-Exporte von Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

Naturgas elektrische Energie Diesel

TJ

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Energiebilanzen

Umwandlungseinsatz in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

Erdöl Wasserkraft Naturgas Steinkohle biogeneBrenn- u.

Treibstoffe

Koks

TJ

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Energiebilanzen

Umwandlungsausstoß in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

TJ

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Energiebilanzen

Inl. Erzeugung v. Rohenergie in Österreich 2011: bedeutendste Energieträger


0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

biogene Brenn-u. Treibstoffe

Wasserkraft Naturgas Brennholz Erdöl brennbareAbfälle

TJ

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Energiebilanzen

Rechenbeispiel (altes Klausurbeispiel)

In Salzburg wurden im Jahr 2009 169 TJ an Biogas erzeugt. 22 TJ davon entfielen auf den energetischen Endverbrauch in Salzburg (davon 11 TJ im Dienstleistungs-sektor, 6 TJ im Sektor Papier und Druck, 2 TJ in den privaten Haushalten, je 1 TJ in den Sektoren Steine/Erden/Glas und Holzverarbeitung), es existierte kein Import und kein Export von Biogas in Salzburg. 89 TJ wurden in Kraftwerken zu Strom umgewandelt, 48 TJ in KWK-Anlagen zu Strom und Wärme und 10 TJ zu Wärme in Heizwerken. Wie hoch war der Bruttoinlandsverbrauch von Biogas in Salzburg im Jahr 2009?

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Energiebilanzen

Rechenbeispiel (altes Klausurbeispiel)

In Salzburg wurden im Jahr 2009 169 TJ an Biogas erzeugt. 22 TJ davon entfielen auf den energetischen Endverbrauch in Salzburg (davon 11 TJ im Dienstleistungs-sektor, 6 TJ im Sektor Papier und Druck, 2 TJ in den privaten Haushalten, je 1 TJ in den Sektoren Steine/Erden/Glas und Holzverarbeitung), es existierte kein Import und kein Export von Biogas in Salzburg. 89 TJ wurden in Kraftwerken zu Strom umgewandelt, 48 TJ in KWK-Anlagen zu Strom und Wärme und 10 TJ zu Wärme in Heizwerken. Wie hoch war der Bruttoinlandsverbrauch von Biogas in Salzburg im Jahr 2009?

Ergebnis: Variante 1: (I.E.) 169 + (M) 0 - (X) 0 + (L.B.) 0 = 169 Variante 2: (UE) 89+48+10 + (N.E.) 0 + (VE) 0 + (EV) 22 – (UA) 0 = 169

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Energiebilanzen

Rechenbeispiel

In Niederösterreich wurden im Jahr 2011 47.839 TJ an Erdgas exploriert/erzeugt. Die Lagerbestandsveränderung betrug laut Statistik Austria -71.504 TJ. Insgesamt wurde in NÖ eine Erdgasmenge von 219.143 TJ importiert und 125.008 TJ wurden exportiert. Wie hoch waren die Nettoexporte von Erdgas in Niederösterreich im Jahr 2011 in TJ?

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Energiebilanzen

Rechenbeispiel

In Niederösterreich wurden im Jahr 2011 47.839 TJ an Erdgas exploriert/erzeugt. Die Lagerbestandsveränderung betrug laut Statistik Austria -71.504 TJ. Insgesamt wurde in NÖ eine Erdgasmenge von 219.143 TJ importiert und 125.008 TJ wurden exportiert. Wie hoch waren die Nettoexporte von Erdgas in Niederösterreich im Jahr 2011 in TJ und wie hoch der Bruttoinlandsverbrauch?

Ergebnis B.I.V. Variante 1: (I.E.) 47.839 + (M) 219.143 - (X) 125.008 + (L.B.) -71.504 = 70.470 BIV Variante 2: nicht berechenbar Ergebnis Nettoexporte: (X) 125.008 - (M) 219.143 = -94.135

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Energiebilanzen

Nutzenergieanalyse Österreich 2011

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Energiebilanzen

Nutzenergieanalyse Österreich 2011 neue Darstellung für Haushalte;

inkl. Zuordnung Traktion zu Haushalten

Raumwärme

Warmwasser

Kochen

Kühlen und Gefrieren

Großgeräte

Haushalts-kleingeräte

Unterhaltungselektronik

Beleuchtung

Sonstiges

Traktion

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.

Beispiel für eine doppelte Dividende: Volkswirtschaftliche Auswirkungen der Errichtung und des Betriebs der geplanten Windparks

Silventus und Munderfing

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

2010 2011 2012 2013 2014

Mio

. €

Bruttoregionalprodukt Investitionen privater Konsum Nettoexporte

Anmerkung: Die dargestellten Ergebnisse sind als Veränderungen aufgrund der Projekte in Relation zu einer Situation ohne Umsetzung der Projekte (business-as-usual-Verlauf) zu betrachten. Die Finanzierung der Projekte wird durch Realisierung von Rücklagen durchgeführt.

Referenz: Tichler, R., Friedl, C., Schneider, F. (2010) Volkswirtschaftliche und energiepolitische Bedeutung der oberösterreichischen Zulieferunternehmen für Windkraftanlagen sowie der Errichtung neuer Windkraftparks in

Oberösterreich; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH.

BIP-Veränderung (Ø p.a., Jahr 1-5): +23,5 Mio. €

Veränderung CO2-Emissionen (Ø p.a., Jahr 1-5): -13.500 t

Beispiele volkswirtschaftlicher Analysen von energie- und umweltpolitischen Fragestellungen

38

.

Beispiel für eine doppelte Dividende: Volkswirtschaftliche Auswirkungen der Umsetzung der Maßnahme „Ausbau und Neubau von

Wasserkraftwerken unter Bedachtnahme auf die Potentiale und 2030-Ziele […]“

Anmerkung: Die dargestellten Ergebnisse sind als Veränderungen aufgrund der Projekte in Relation zu einer Situation ohne Umsetzung der Projekte (business-as-usual-Verlauf) zu betrachten.

Referenz: Tichler, R., Schneider, F., Steinmüller, H. [Hrsg.] (2009) Volkswirtschaftliche Analyse des Maßnahmenprogramms ‚Energiezukunft 2030 der Oberösterreichischen Landesregierung‘, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH, in Kooperation mit Energy Economics Group, Technische Universität Wien; Institut für Verkehrswesen, Universität für Bodenkultur Wien.

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Mio

. €

Bruttoregionalprodukt (in Mio. €) Privater Konsum (in Mio. €)

Investitionen (in Mio. €) nicht-energetische Nettoexporte (in Mio. €)

BIP-Veränderung (Ø p.a., Jahr 1-15): +32,2 Mio. €

Veränderung CO2-Emissionen (Ø p.a., Jahr 1-15): -51.300 t


39

.

Beispiel für eine Reduktion von Treibhausgas-Emissionen • 57 Maßnahmen zur Reduktion von CO2-Emissionen wurden seitens des Energieinstituts für das

Land OÖ hinsichtlich CO2e-Vermeidungskosten analysiert • Davon „rechnen“ sich monetär etwa 40% der Maßnahmen auch in der betriebswirtschaftlichen

Perspektive und reduzieren dabei natürlich auch Emissionen • Hinzu kommt noch die volkswirtschaftliche Relevanz der Maßnahmen (indirekte Effekte,

heimische Wertschöpfung, reduzierte externe Kosten,…)

Referenz: Tichler, R., Schmidthaler, M., Schwarz, Steinmüller, H. (2010) Analyse von Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen in Oberösterreich, Teil 3; Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH

siehe www.co2-vermeidung.at

Viele Maßnahmen zur Emissionsreduktion beinhalten

neben dem Trade-off Ökonomie-Ökologie auch eine Divergenz zwischen dem BWL- und dem

VWL-Ergebnis – dies gilt es vermehrt zu berücksichtigen


40

.

Problemstellung „Amortisationszeiträume“:

Die Amortisationszeiträume von „erneuerbaren Energiesystemen“ (gemäß betriebswirtschaftlicher Perspektive) liegen großteils über den maximalen Realisierungszeiträumen von Großbetrieben/der Industrie sowie über den finanzierbaren Zeiträumen von einkommensschwachen Haushalten

Referenz: Tichler, R., Schmidthaler, M., Schwarz, M, Moser, S., Goers, S., Steinmüller, H. (2010) Analyse von Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen in Oberösterreich, Teil 4; Energieinstitut an der Johannes Kepler

Universität Linz GmbH.

siehe www.co2-vermeidung.at

Notwendigkeit neuer Finanzierungskonzepte für Industrie und einkommens-

schwache Haushalte


41

.

Reduktion der direkten Effekte geopolitischer Krisen durch Verringerung des Einflusses des Ölpreises bei einer schrittweisen Umstellung auf erneuerbare Energieträger

• Rohölpreissteigerungen weisen große Auswirkungen auf die österr. Volkswirtschaft auf

• Auswirkungen einer Rohölpreiserhöhung auf 200 $ je Barrel im Jahr 2009 auf zentrale Variablen in der österreichischen Volkswirtschaft, ohne grundlegende strukturelle Veränderungen:

Referenz: Tichler, R., Schneider, F. (2008) Auswirkungen der aktuellen sowie einer prognostizierten Ölpreisentwicklung auf die oberösterreichische und österreichische Volkswirtschaft, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz.

Variable Einheit

Differenz des Simulationsszenarios zum business-as-usual-Szenario

Jahr 1 Jahr 2 Jahr 3 Jahr 4

Bruttoregionalprodukt Mio. € -3.600 (-1,3%)

-11.360 (-3,9%)

-8.400 (-2,8%)

-4.180 (-1,4%)

Beschäftigte Personen -19.700 (-0,6%)

-74.450 (-2,1%)

-50.030 (-1,4%)

-13.800 (-0,4%)

Privater Konsum (nicht-energetischer Konsum und Energiekonsum)

Mio. € -510 (-0,3%)

-1.460 (-0,9%)

-450 (-0,3%)

-250 (-0,2%)


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.


Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen

Technologie:

Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von

Power-to-Gas

Ausgewählte Projekte des Energieinstituts zum Thema Power-to-Gas

EU-Projekt Store&Go - Store&Go - Innovative large-scale energy STORagE technologies AND Power-to-Gas concepts after Optimisation (Projektleitung Engler-Bunte-Institut am KIT)

Power to Gas – eine Systemanalyse. Markt- und Technolologiescouting und –analyse Förderung des österr. Wirtschaftsministeriums (BMWFW)

Auftrag des österreichischen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit): FTI-Roadmap Power-to-Gas für Österreich (im Auftrag des bmvit)

Förderung durch den österr. Klima- und Energiefonds: Underground Sun.Storage (Projektleitung RAG – Rohöl-Aufsuchungs AG)

Förderung durch den österr. Klima- und Energiefonds: wind2hydrogen (Projektleitung OMV)

Research Studios Austria (Förderung des BMWFW): Optimierung der Energieträger-Gewinnung aus Biomasse unter Einbindung von Überschussstrom („Optfuel“) und Entwicklung eines katalytischen Prozesses zur Methanisierung von CO2 aus industriellen Quellen („EE-Methan aus CO2“) 43

Ausführliche Darstellung einer techno-ökonomischen Analyse einer neuen Technologie: Volkswirtschaftliche, systemische und techno-ökonomische Aspekte von Power-to-Gas

Umwelt- und energiepolitische Zielsetzung einer verstärkten Integration erneuerbarer Energieträger generiert neue große Herausforderungen für die europäischen Volkswirtschaften

Der Anteil erneuerbarer Energien zur Bereitstellung von Elektrizität wird in den nächsten Jahren und Jahrzehnten auch bei einer potentiellen Verbrauchszunahme stark steigen.

Die Primärenergieträger Windkraft und Sonnenenergie unterliegen in ihrem Aufkommen starken zeitlichen Schwankungen, einer sehr volatilen Produktion.

Nutzung dieser Energieformen zur Bedarfsdeckung in Perioden mit Unterversorgung; ABER: hohe Überschüsse in Zeiten mit einem hohen Aufkommen.

44


Stromproduktion in Deutschland von 2005 bis 2050

45

Quelle: BMU; Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland – Leitszenario 2009; Reihe Umweltpolitik


Einspeisung erneuerbarer Energien im Jahr 2050, basierend auf dem Wetter-Jahr 2007 - Dezember

46 Quelle: "Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen"


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Grundlegende Intention

• Stromüberschüsse müssen bzw. sollten aus volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten (Ressourceneffizienz) gespeichert und somit gemäß den konventionellen Energiekonzepten auch zu den Speichern (Pumpspeicher) transportiert werden

• enorme Investitionen in den Ausbau der europäischen Stromnetze und -speicher erforderlich

• Ausbau der Stromnetze - etwa für den Transport von elektrischer Energie aus Nordafrika oder aus den Speichergebieten in Skandinavien - wird mit signifikanten Eingriffen in die Topografie verbunden sein, wodurch soziodemografische Probleme zu erwarten sind.

• In bestimmten Segmenten des Stromnetzes sind somit dezentrale Speicher notwendig, die auch eine Langzeitspeicherung ermöglichen bzw. Systeme, die den Energietransport verlagern


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Power to Gas

= Produktion von Wasserstoff H2 aus erneuerbarer elektrischer Energie

= Produktion von synthetischem Methan CH4 aus Wasserstoff und Kohlendioxid

Quelle: Energieinstitut an der JKU Linz


Möglichkeit der Erweiterung von Power-to-Gas um Power-to-Liquids Anmerkung: die folgende Präsentation integriert keine Power-to-Liquids

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Power-to-Liquids höhere Kohlenwasserstoffe: Methanol, Ethanol, DME,…

Quelle: Energieinstitut an der JKU Linz


Wirkungsgrade im System Power-to-Gas

Technischer Wirkungsgrad der Produktion von Wasserstoff: 60-70%

Technischer Wirkungsgrad inkl. der Produktion von Methan: 50-60%

Technischer Wirkungsgrad elektrische Energie: 20-30% (Rückverstromung von synthetischem Methan)

Verbesserung durch Abwärmenutzung und Nutzung von O2 aus der Elektrolyse

Systemischer Wirkungsgrad: +100% ???

50

Ist für die Frage der Weiterentwicklung des Energiesystems der technische oder der systemische Wirkungsgrad anzusetzen?


Die Elektrolyse stellt in einem Power to Gas System die Koppelung zwischen elektrischer und chemischer Energie dar.

PEM (Proton Exchange Membrane)-Elektrolyse: von den drei im Detail betrachteten Elektrolysetechnologien (PEMEC, AEC und SOEC) die derzeit am stärksten entwickelnde Technologie (größten Potentiale, meisten F&E-Aktivitäten)

PEM-Elektrolyse weist wichtige Vorteile auf: höhere Kompaktheit / höhere Dynamik / hohe Flexibilität des Gesamtsystems

In bestimmten Anwendungsfällen kann aber auch die AEC (alkalische Elektrolyse) für Power to Gas Anwendungen vorteilhaft sein.

Effizienz- und kostenmäßig werden sich diese beiden Technologien mittelfristig auf ähnlichem Niveau finden.

Die Hochtemperaturelektrolyse (SOEC - Solid Oxide Electrolysis) befindet sich generell noch im Entwicklungsstadium, in dem v.a. materialwissenschaftliche Probleme gelöst werden müssen.

51


Forschungsbedarf Elektrolyse

Kostenreduktion, Lebenszeiterhöhung und optimierte Betriebsführung als

materialwissenschaftliche sowie regel- und steuerungstechnische Entwicklungen

Elektrolyseentwicklung und Verkauf konzentrieren sich vor allem auf den europäischen (Deutschland, Frankreich) und auf den nordamerikanischen (Kanada, USA) Raum.

In Österreich können v.a. kurzfristige Entwicklungsziele betreffend der Steuerung und Anlagenauslegung mit Pilotanlagen basierend auf momentan verfügbarer Technologie umgesetzt werden

In Österreich wird derzeit keine direkte Elektrolyse-Stack-Forschung (Materialforschung) der beiden kommerziell eingesetzten Elektrolysetechnologien betrieben.

Im Gegensatz dazu wird die SOEC-Entwicklung in Österreich aktiv vorangetrieben.

52


Kosten der kommerziell verfügbaren Elektrolysetechnologien in Abhängigkeit der Anlagengröße

53

Quelle: Koppe (2014) in Steinmüller, Tichler, Reiter et al. (2014)


Technologien zur Methanisierung

CO Methanisierung seit Jahrzehnten industriell z.B. zur Herstellung von synthetischem Erdgas aus Kohle eingesetzt

Adaption der CO Methanisierung für die Nutzung von CO2 im System Power-to-Gas notwendig

Biologische Methanisierung derzeit im Pilotmaßstab realisiert – Vorteil hoher Flexibilität und Robustheit gegenüber Verunreinigungen

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Technische Daten CO2 Methanisierung CO Methanisierung Biologische Methanisierung

Chemische Reaktion CO2 + 4H2 ’ CH4 + 2H2O CO + 3H2 ’ CH4 + H2O CO2 + 4H2 ’ CH4 + 2H2O

Katalysatoren Ni (Ru, Ir, Rh, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag) Mikroorganismen

Betriebsdruck 6-8 bar 13-60 bar 1-3 bar

Temperatur 180-350 ˚C 300-700 ˚C 30-60 ˚C

Effizienz 70-85 % 75-85 % 85-95 %

Entwicklungsstand Demonstration Kommerziell Labormaßstab

Methanisierung ist ein weiterer wesentlicher, jedoch optionaler Verfahrensschritt innerhalb des PtG-Konzeptes


Power-to-Gas Pilotanlagen in Deutschland

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Einsatz im Energiesystem:

1. Bereitstellung eines Langzeitspeichers für elektrische Energie – verbessertes Management der stark volatilen Stromproduktion (wie Windkraft oder Photovoltaik)

2. Verlagerung des Energietransportes vom Stromnetz zum Gasnetz - Nutzung der großen Transport- und Speicherkapazitäten des vorhandenen Gasnetzes und damit verbundene geringere Intensität des Stromnetzausbaus

3. Anhebung des Anteils erneuerbarer Energieträger in den Sektoren Verkehr und Industrie durch Nutzung von Wasserstoff oder synthetischem Methan aus erneuerbaren Quellen („Greening“)

4. Schaffung von autarken Energielösungen in topografisch schwierigen und abgelegenen Regionen für alle relevanten Energiesegmente: Strom, Wärme und Verkehr

5. Verwertung des Rohstoffes Kohlendioxid durch Bindung von CO2 im synthetischen Methan – CCU (Carbon Capture and Utilization)

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Vielzahl an Anwendungsfeldern für Power-to-Gas Anlagen: (zufällige Reihung)

a) Speicherung elektrischer Energie

b) Substitution von Stromleitungen

c) Entlastung des Lastmanagements von Stromnetzen

d) Substitution von alternativen Speichersystemen mit hohen topografischen Eingriffen

e) Erhöhte Energieproduktion volatiler erneuerbarer Energieträger

f) Herstellung eines zusätzlichen erneuerbaren Produktes

g) CCU: Verwertung des „Rohstoffes“/des Nebenproduktes Kohlendioxid

g) Erhöhte Auslastung der Gasinfrastruktur

h) Reduktion von CO2-Zertifikaten

i) Optimierung des Strombezugs

j) Erschließung neuer entlegener Gebiete mit hohem Stromerzeugungspotential

k) Bereitstellung eines autarken Energiesystems

l) Aufreinigung anderer Gase (Biogas, Kohlegase)


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H2-Toleranz der unterschiedlichen Komponenten in der Erdgasinfrastruktur

Quelle: Eigene Darstellung nach Müller-Syring, G., Henel, M., Köppel, W., Mlaker, H., Sterner, M., Höcher, T. (2013) Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und

Methan in das Erdgasnetz. DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, Bonn.


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Mag. Dr. Robert Tichler

Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz

Altenberger Straße 69, 4040 Linz

+43 732 2468 5659

[email protected]

www.energieinstitut-linz.at

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Grundlagen Volkswirtschaftslehre: Schwerpunkt · PDF file• Beitrag zur allgemeinen Preisentwicklung (Inflation/VPI) und deren Auswirkungen ... Tichler, R., Schneider, F., Steinmüller,