ludwig bölkow systemtechnik Leitplanken der künftigen ... · © 2014 Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH LBST.de 2 ludwig bölkow systemtechnik Klimapolitik Grundlegende Mechanismus

LBST.de © 2014 Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH

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ludwig bölkow

systemtechnik

Leitplanken der künftigen Energieversorgung

Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Fakultät für Elektro- und Informationstechnik (EIT)

3. April 2019

Dr. Werner Zittel

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH


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ludwig bölkow

systemtechnik

Klimapolitik

Grundlegende Mechanismus von Wachstumsszenarien – Systemanalyse: Die Grenzen des Wachstums von 1972

Der Umbau der Energiewirtschaft

Der Niedergang fossiler Energieträger (mit wirtschaftlichen Grenzen

Erneuerbare Energien bedeuten höheren Metalleinsatz? (Recycling)

Sinkender Grenznutzen komplexer Systemdynamik

Die bevorstehende Aufgabe

Zusammenfassung / Fridays for Future = Hoffnung

Inhalt


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systemtechnik

Klimapolitische Verpflichtungen der Staatengemeinschaft

Limits to growth-Report 1972 CO2-Anstieg auf 400 ppm bis zum Jahr 2000 (Fortschreibung des Trends)

Verabschiedung der Klimarahmenkonvention (UN-FCCC) in Rio de Janeiro 1992 Diese bildet den rechtlichen Rahmen für alle klimapolitischen Folgeaktivitäten auf UN- und WMO-Ebene.

Kioto-Protokoll im Jahr 1997; Klimareduktionsverpflichtungen der Industriestaaten um ~5.2% bis 2008-2012 gegenüber desm Basisjahr 1990

Klimakonferenz von Paris (COP 21; 2015) mit drei langfristigen Zielen - Begrenzung der Erwärmung auf deutlich unter 2°C - Erhöhung der Fähigkeit zur Anpassung an den Klimawandel (Resilienz) - Umlenken aller Finanzströme, um sie mit diesen Zielen kompatibel zu machen

Völkerrechtlich verpflichtend zugesagtes gemeinsames Ziel (4.11.2016) Globales Ziel von Netto-Null-Treibhausgasemissionen in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts. Dies bedeutet den weitgehenden Verzicht des Verbrennens aller fossilen Energieträger

Nach Germanwatch 2016


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ppm

1860

Historische Daten: Limits to Growth, D. Meadows et al., 1972

1910

Atmosphärische CO2-Konzentration 1958-1972

1960

300


5

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ppm

400

Schlussfolgerung: Die CO2-Konzentration 2015 weicht kaum vom Trend 1958 – 1972 ab.

1860

Historische Daten: Limits to Growth, D. Meadows et al., 1972

Modell- rechnung

Exp. Data Mauna Loa

Modellrechnung (CO2)

2010 1910

Atmosphärische CO2-Konzentration 1958-1972

1960

300


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systemtechnik

Energiekonzept der Bundesregierung (28. Dezember 2010)

Emissionsminderungsziele: Wege: • Defossilisierung und Elektrofizierung der

gesamten Energieversorgung • Steigerung der Energieeffizienz und –

suffizienz • Umstieg auf Erneuerbare Energien

Minderungspfad wird eingehalten • wenn er von allen Emissions-Sektoren

eingehalten wird: • Elektroenergiewirtschaft • Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

(GHD) • Verkehr • Haushalte • Landwirtschaft, …

Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)


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systemtechnik


Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017


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systemtechnik

„Ein Tempolimit ist gegen jeden Menschenverstand“

Kommentar des Verkehrsministers


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ludwig bölkow

systemtechnik

„Ein Tempolimit ist gegen jeden Menschenverstand“

Kommentar des Verkehrsministers

Mein Menschenverstand (WZ): Geringere Geschwindigkeiten kosten nichts, reduzieren aber Energieverbrauch, Emissionen und die Anzahl schwerer Unfälle


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systemtechnik

Wachstum … was heißt das?


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systemtechnik

X= const * Cα * L 1-α

X = ökonomischer Output (BIP)

C = Kapital

L = Arbeitskräfte

α = Elastizität

(sog. „Cobb-Douglas“ Wachstumsfunktion)

Ökonomisches Wachstum ist vor allem durch Innovationen getrieben. Diese resultieren in Effizienzgewinnen (Erhöhung von „const“)

Der Anstieg von const erhöht den „output per Arbeitskraft“ X/L

Dadurch werden die notwendigen Investitionen und Arbeitskräfte reduziert und können in zusätzliche Produktion oder neue Produkte gelenkt werden.

….soweit die Theorie!

X

L, C

Neoklassisches ökonomisches Wachstumsmodell (Solow)


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systemtechnik

Quelle: Produktionsfaktor Energie – der stille Riese, J Grahl, R. Kümmel, 2000

BIP development Theoretische BIP-Entwicklung Solow Residuum (Abweichung von der Realität)

Solow Residuum (=Abweichung der Theorie)

Year

BSP

Beispiel: BIP Entwicklung der USA


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systemtechnik

Kritik am neoklassischen Wachstumsmodell und Input-Output Analyse

Ökonomisches Wachstum hängt nur von Innovation und Investitionen ab

Dieses Modell ist nicht durch empirische Daten bestätigt

Energie- und Ressourceninput spielen in der Theorie keine Rolle

Realistische Modelle müssen Material- und Energieabhängigkeit der Wirtschaft berücksichtigen


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systemtechnik

BIP-Entwicklung der USA; Modellierung mit Cobb-Douglas Funktion

Quelle: Produktionsfaktor Energie – der stille Riese, J Grahl, R. Kümmel, 2000

BIP development Theoretische BIP-Entwucklung Solow Residuum (Abweichung von der Realität)

Solow Residuum (=Abweichung der Theorie)

Year

BSP


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systemtechnik

BIP-Entwicklung der USA; Modellierung mit Energieabhängiger Funktion

Quelle: Produktionsfaktor Energie – der stille Riese, J Grahl, R. Kümmel, 2000/Original von Ayres, Warr

GDP development Theoretical GDP development Solow Residuum (difference between Reality and theory)

Year

GDP

Reale BIP-Entwickklung Gerechnete BIP-Entwicklung

LINex Wachstumsfunktion: X = const · U · exp [a·L/U –b(U+L)/C]

L = Arbeit C = Kapital U = Exergie a, b = Konstanten

20

15

10

5

0


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systemtechnik Kapital (ø 27%) Arbeit (ø 9%) Exergie (ø 64%)

Relativer Anteil von Kapital, Arbeit und Energie am ökonomischen Wachstum der USA

Quelle: Ayres/Warr

%

100

80

60

40

20

0


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systemtechnik

Realitätsnahes ökonomisches Wachstumsmodell ist energieabhängig

USA Germany

Quelle: R. Kümmel et al: Capital, Labor, Energy and creativity: modeling innovation diffusion, Structural Change and Economic Dynamics 13 (2002) 415-433 Ayres et al: Accounting for growth: the role of physical work

X = const · U · exp [a·L/U –b(U+L)/C] L = Arbeit C = Kapital U = Exergie

Vergleich von BIP-Entwicklung und Berechnung


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systemtechnik

Die Basis des Erfolges der Industriegesellschaften

Interpretation 1:

– Die Entwicklung der heutigen Zivilisation beruhte primär auf Innovation

Interpretation 2:

– Die Entwicklung der heutigen Zivilisation beruhte primär auf steigendem Energie- und Ressourcenverbrauch


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systemtechnik

Das autonome Differentialgleichungssystem erster Ordnung dxi/dt = Fi(x1, x2, …. Xn), i=1,2,…, n oder in Vektorschreibweise dx/dt = F(x), (1) heißt dynamisches System. Der Term autonom erinnert an die Tatsache, dass die Funktionen Fi Nicht explizit zeitabhängig sind.

Systemdynamische Modellierung


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systemtechnik Einfache Systeme

Lineares Wachstum dN/dt = constant => N= c · t + c0

Exponentielles Wachstum dN/dt = α · N => N = N0 exp (α · t) Logistisches oder organisches Wachstum (Ricardo-Verhulst Modell) dN/dt = α · N · (1 – N/R) R= Kapazität der Ressource

Einfaches gekoppeltes System:

Overshoot and collaps: dR/dt = β · R · (1-R/S) – c · N S = Kapazität einer

regenerierbaren Resource dN/dt = α · N · (1 – N/R) [Beispiel: Bevölkerungsentwicklung der Osterinseln in Abhängigkeit der

Waldressourcen (=Basis für Schiffe, Tierwelt und Lebenmittel)]

Wachstumsfunktionen


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systemtechnik

dN/dt = α · N · (1 – N/R)

N

t

R

N0 < R

N0>R

N = R

1+e

t-t0 b R/2

t0

dN/dt

t t0

Organisches Wachstumsmodell


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systemtechnik

kum. Ölverbrauch

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

1920

1924

1928

1932

1936

1940

1944

1948

1952

1956

1960

1964

1968

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2000

2004

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2028

2032

2036

2040

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2064

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2076

2080

2084

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2096

2100

Mto

e

Ölverbrauch

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1920

1924

1928

1932

1936

1940

1944

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2000

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2044

2048

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2064

2068

2072

2076

2080

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2100

Mto

e/a

Öl-Zuw achsra te (3 Ja hre ge m itte lt)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

1920

1924

1928

1932

1936

1940

1944

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1952

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1960

1964

1968

1972

1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

2004

2008

2012

2016

2020

2024

2028

2032

2036

2040

2044

2048

2052

2056

2060

2064

2068

2072

2076

2080

2084

2088

2092

2096

2100

Mto

e

1920 2100

Cumulative

Annual

Annual growth rate

kum. Ölverbrauch

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

1920

1924

1928

1932

1936

1940

1944

1948

1952

1956

1960

1964

1968

1972

1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

2004

2008

2012

2016

2020

2024

2028

2032

2036

2040

2044

2048

2052

2056

2060

2064

2068

2072

2076

2080

2084

2088

2092

2096

2100

Mto

e

Ölverbrauch

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1920

1924

1928

1932

1936

1940

1944

1948

1952

1956

1960

1964

1968

1972

1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

2004

2008

2012

2016

2020

2024

2028

2032

2036

2040

2044

2048

2052

2056

2060

2064

2068

2072

2076

2080

2084

2088

2092

2096

2100

Mto

e/a

Öl-Zuw achsra te (3 Ja hre ge m itte lt)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

1920

1924

1928

1932

1936

1940

1944

1948

1952

1956

1960

1964

1968

1972

1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

2004

2008

2012

2016

2020

2024

2028

2032

2036

2040

2044

2048

2052

2056

2060

2064

2068

2072

2076

2080

2084

2088

2092

2096

2100

Mto

e

1920 2100

Cumulative

Annual

Annual growth rate

kumuliert

jährlich

Jährliche Wachstumsrate

Beispiel Weltölverbrauch


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systemtechnik

Allgemeine Beispiele

Technische Infrastrukturen (Kanäle, Eisenbahn, Straßen, Flugverkehr…) Technische Innovationen (Dampfmaschine, Computer, …) Marktdurchdringung von Energieträgern Produktion von Materialien (Kohle, Stahl…) Transportaktivitäten (Güter, Personen) Transporttechnologien (Schiffe, Autos, Flugzeuge) CO2-Emissionen und atmosphärische CO2-Konzentration Grundmuster für Extrapolationen ist die historische Analyse

Quelle: C. Marchetti, Stable Rules in Social and Economic Behavior, 1986 On transport in Europe: The Last 50 Years and the Next 20, First Forum on Future European Transport Munich 14-16th September 1987


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systemtechnik

• Messopotamien: Aufstieg und Fall von Ur • Römisches Reich

• Maya • Anazasi, Pueblo im Cañon de Chelley

• Polynesien: Viele kleine Inseln sind bevölkert, einige waren vor langer Zeit bevölkert, Lektüre: J. Tainter, The collaps of complex societies, 1988 J. Diamond, Kollaps, Brandner, Taylor, The Simple Economics of Easter Island: A Ricardo-Malthus Model of Renewable Resource Use The American Ecomic Review, Vol. 88, Issue 1 (Mar 1998) 119-138 Janssen, Scheffer, Overexploitation of Renewable Resources by Ancient Societies and the Role of Sunk-Cost Effects Ecology and Society, 9(1) 2004, see at: www.ecologyandsociety.org/vol9/iss1/art6

Kollaps historisch bedeutsamer Kulturen

http://www.ecologyandsociety.org/vol9/iss1/art6


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systemtechnik

Kollaps des Römischen Weltreiches

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

400 200 0 200 400 600 800 1000

Flächenausdehnung [Million Quadratmeilen]

Fläche des Römischen Weltreiches

Quelle: J. Tainter, The Collaps of Complex Societies, Cambridge University Press, 1988


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ludwig bölkow

systemtechnik

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

-400 -200 0 200 400 600 800 1000

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Flächenausdehnung [Million Quadratmeilen] Silbergehalt des Dinar [g]

Silbergehalt des Dinar

Quelle: J. Tainter, The Collaps of Complex Societies, Cambridge University Press, 1988 C. Howgego, Ancient History from Coins, Routledge, London, 1995

Fläche des Römischen Weltreiches

Kollaps des römischen Weltreiches


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ludwig bölkow

systemtechnik

World Model by J. Forrester, 1971

Source: J. Forrester World Dynamics, Wright-Allen Press, 1971

Die Grenzen des Wachstums, D. Meadows et al.1972


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ludwig bölkow

systemtechnik

World Model by J. Forrester, 1971

Source: J. Forrester World Dynamics, Wright-Allen Press, 1971

Die Grenzen des Wachstums, D. Meadows et al.1972

Bevölkerung

Ressourcen

Kapital

Landwirtschaft

Umwelt


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systemtechnik

Critical review of Club of Rome scenarios (CRASH SZENARIOS)

BAU-scenario

Resources

Industrial Output/cap

Environ- mental Damage

Population

Food/cap

1900 2100

unlimited Resources

1900 2100

Business as usual


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ludwig bölkow

systemtechnik

Critical review of Club of Rome scenarios (CRASH SZENARIOS)

BAU-scenario

Resources



Population

Food/cap

1900 2100

unlimited Resources

1900 2100

+ environmental control

+ agricultural productivity improvement

1900 2100 1900 2100

+ birth control

Business as usual Advanced technology

1900 2100


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systemtechnik

Critical review of Club of Rome scenarios (STABILISED SCENARIOS)

BAU-scenario

Resources



Population

Food/cap

1900 2100 1900 2100 1900 2100 1900 2100

Stabilised population

+ Stabilised capital

1900 2100

Delayed measures

Sustainable Developments (strict recycling)


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systemtechnik

Erneuerbare Energien


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systemtechnik

Globale Investitionen in Erneuerbare Energietechnologien

0

20

40

60

80

100

120

140

2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

Mrd. USD

Asien/Pazific (ohne China&Indien)

Europa

China

USA

Quelle: Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF


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systemtechnik

Investitionen in Erneuerbare und Kostendegression

0

2

4

6

8

10

12

14

0

100

200

300

400

500

600

2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

cts/kWh Mrd. USD Mtoe PEV

Investitionen

PEV-Reg (Mtoe)

cts/kWh

Quelle: Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF BP Statistical Review of World Energy 2018


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100

200

300

400

500

600

1995 2000 2005 2010 2015

GW

Sonstige Staaten Niederlande Japan Dänemark Portugal Kanada Italien UK Frankreich Indien Spanien Deutschland USA China

Installierte Windenergie-Leistung weltweit

Quelle: BP 2018 (WWEA 2019)


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100

200

300

400

500

600

1995 2000 2005 2010 2015

GW

Sonstige Staaten Südkorea Belgien China Frankreich Tschechien USA Italien Japan Spanien Deutschland

Installierte Fotovoltaik-Leistung weltweit

Quelle: BP 2018 (BSW 2019)


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systemtechnik

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1990 1995 2000 2005 2010 2015

TWh/a

Geothermie PV Wind

Regenerative Stromerzeugung ohne Wasserkraft

Quelle: BP 2018 (2018 geschätzt)

Wachstumsrate 2017: Bruttostrom: + 2,5%

Nuklearenergie: +0,85% Wasserkraft: +0,86%

Windenergie: +17% PV: +35%


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systemtechnik

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

TWh/a

Extrapolation bis 2050 (EWG-100%-Szenario)

Nuklearstrom Geothermie+Biomasse PV Wind Wasser Batteriespeicher

Bruttostromerzeugung

Quelle: BP 2018, (2018 geschätzt) Projektion LBST 2010; Szenario EWG „Global 100% Renewable Energy“, 2018


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systemtechnik

Energieszenario mit 100% regenerativer Versorgung bis 2050

0

5000

10000

15000

20000

25000

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Mtoe

BatteryBiomass_SzenarioBiomass_BPPV_SzenarioPV_BPWind_SzenarioWind_BPHydro_SzenarioHydro_BPuraniumLigniteHard CoalGasNGL


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systemtechnik

Steigender Aufwand der Ressourcennutzung

(„Substitution fossiler Energieträger durch Metalle“)


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Weltweite Kohleförderung

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

19

81

19

82

19

83

19

84

19

85

19

86

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

Mtoe Indonesia India

Australia China

South Africa Colombia

Brazil Bulgaria

Greece Serbia

Turkey Kazakhstan

Ukraine Russian Federation

Other CIS USSR

Other Asia Pacific Vietnam

Thailand South Korea

Pakistan New Zealand

Mongolia Japan

Other Africa Zimbabwe

Uzbekistan Czech Republic

Canada Mexico

Venezuela Other S. & Cent. America

Hungary Romania

Spain Other Europe

Poland Germany

United Kingdom US

China

USA

Polen Deutschland UK

Indonesien Indien Australien

CIS

Quelle: BP Stat Rev 2018


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Weltweite Zementproduktion


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Weltproduktion von Rohstoffen 2014

Tonnen

Fossile Energieträger

Eisen und Eisenveredler

Nichteisenmetalle

Edelmetalle

Sonstige


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Sinkender Erzgehalt bei zunehmender Erschöpfung der Lagerstätten

USA


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Quelle: Xstrata, Annual Report 2009

Sinkender Erzgehalt der Minen von Xstrata


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Quelle: R. Koppelaar 2016

Beispiel Kupfer: steigender Energieaufwand bei sinkender Konzentration


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Kupferkreislauf 2015

Quelle: The Copper Fact Book 2017

Verluste: 8190 kt (= 30%)


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Recycling-Raten von Aluminium


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Die Konsequenzen II

Es drohen Strukturbrüche

Der Erhalt der sozialen Stabilität muss hohen Stellenwert erhalten (Bsp. Diebstahl von Kupfer, Eisenbahnschienen etc.)

Technologische Optimierungen sind nicht immer sinnvoll, die Reduktion von Dämpfungsgliedern erhöht das Risiko einer Instabilität (Resilienz)

Neues Denken ist gefordert: Die Aufgabe heißt Umstrukturierung der Gesellschaft zu nachhaltigem Denken und Handeln

– Aufwertung der Nähe (Entschleunigung statt Beschleunigung)

– Stabile Verhältnisse stehen im Gegensatz zu Wachstumsorientierter Veränderung

– Die Wirtschaft braucht neue Leitbilder und Randbedingungen

– Langlebige und modular reparable Produkte auf reg. Basis


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Die Aufgabe

Der Umbau der Energieversorgung (im Prinzip einfach):

Der Umbau der Produktion (deutlich größere Herausforderung):

Heute:

Zukunft:

Fossile Energie Erneuerbare Energie

Rohstoffe Produkte Abfall

Rohstoffe Produkte Biologisch abbaubar

Fossile Energie


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Was heißt langfristig nachhaltig?

Firmenchefs denken/planen in Quartalen bis zur nächsten Gesellschafter- versammlung oder maximal in Jahren (bis zur nächsten Bonuszahlung)

Politiker denken/planen in Jahren (bis zur nächsten wichtigen Wahl)

Mütter denken/planen in Jahrzehnten?

Was ist eine langfristig verträgliche Planung:

– Bis 2030?

– Bis 2050?

– Bis 2100?

– Bis 3000?

– …

Die ersten Hochkulturen entstanden vor 5.000-6.000 Jahren

Die Entwicklung der Landwirtschaft und dörflicher Strukturen entstand vor ca. 10.000 Jahren

Die ältesten kulturellen Belege reichen ca. 30.000 (Kunst) - 300.000 (Waffen) Jahre zurück

Die Entwicklung der Menschheit lässt sich 1,5 Millionen Jahre zurückverfolgen


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Die Pubertätsjahre der Menschheit

Die dynamische Phase der Veränderungen wird in diesem Jahrhundert stattfinden. Sie werden das Ende dieser Phase vermutlich erleben.

Heute leben wir in den „Pubertätsjahren“ der Menschheitsgeschichte

Je nachdem, wie wir diese Phase meistern, werden wir langfristig stabile Verhältnisse in einer lebenswerten Umgebung … oder nacktes Überleben auf einer verwüsteten und ausgeplünderten Erde haben.

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Energie (Mtoe) Bevölkerung (Mrd.)

Bevölkerung

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Die Pubertätsjahre der Menschheit

Die dynamische Phase der großen Veränderungen wird in diesem Jahrhundert stattfinden. Die nächsten 20-30 Jahre sind sehr wichtig!!! Heute lebende Jugendliche werden das Ende dieser Phase vermutlich erleben.

Heute leben wir in den „Pubertätsjahren“ der Menschheitsgeschichte

Je nachdem, wie wir diese Phase meistern, werden wir langfristig stabile Verhältnisse in einer lebenswerten Umgebung … oder nacktes Überleben auf einer verwüsteten und ausgeplünderten Erde haben.

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Energie (Mtoe) Bevölkerung (Mrd.)

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Zusammenfassung

Unser bisheriges Verhalten führt unweigerlich in Crash-Szenarien mit Strukturbrüchen!!!

Gefordert sind neue Technologien mit geringem Materialverbrauch

– Miniaturisierung

– Vollständiges Recycling

– Biologisch abbaubare Endprodukte (Multifunktionsmaterialien auf biogener Basis)

Wir brauchen neue gesellschaftliche Leitbilder:

– Suffizienz versus Bulimie [Warum ist mehr und schneller besser?]

– Die Wirtschaft muss in eine Gleichgewichtsökonomie überführt werden

– Kooperativ versus sozialdarwinistisch

– Lebensfreude versus Lebensangst

– Positiv motiviert und nach vorne orientiert

Die Politik muss die Leitbilder in Richtlinien und Anweisungen abbilden

=> Die Jugend ist gut beraten endlich Handlungen der Verantwortlichen einzufordern, damit die Menschheit ihre Pubertätsphase einigermaßen lebenswert übersteht !!!

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