Analyse der Umsetzbarkeit verschiedener Technologien zur Erreichung der Klimaziele mit Fokus auf den Straßenverkehr hinsichtlich Energie- und Flächenbedarf sowie Kosten in Österreich, Europa und weltweit

Abstract

Um Klimaneutralität im Jahr 2050 zu erreichen, ist eine vollständige Substitution der fossilen Energieträger durch erneuerbare Energie erforderlich. Der Einsatz von klimafreundlichen Technologien in der Elektrizitätserzeugung sowie in den Sektoren Verkehr, Industrie, Haushalt, Gewerbe und Landwirtschaft ist unbedingt notwendig. Zur Analyse der Umsetzbarkeit verschiedener Technologien zur Erreichung der Klimaziele hinsichtlich Energie- und Flächenbedarf sowie Kosten wurde in dieser Arbeit ein auf beliebige Regionen anwendbares Modell entwickelt. Der Fokus lag dabei am Straßenverkehrssektor, der in drei Zukunftsszenarien betrachtet wurde, um den zukünftigen Strombedarf verschiedener Bestandsentwicklungen im Verkehr zu berechnen. Des Weiteren wurde ein möglicher Weg zur vollständigen Umstellung der industriellen Energiebereitstellung sowie des Haushalts- und Gewerbesektors auf erneuerbare Energien untersucht, woraus der künftige Elektrizitätsbedarf in diesen Sektoren berechnet wurde. Durch die Überlagerung von sektorenspezifischen Lastprofilen konnte der Systemlastgang der betrachteten Region ermittelt werden. Aus der Berechnung des jährlichen Elektrizitätsbedarfs konnte der notwendige Ausbau an erneuerbaren Erzeugern mit den jeweiligen Einspeiseprofilen ermittelt werden. Eine anschließende Gegenüberstellung des gesamten Erzeugungsprofils und des Systemlastgangs der Verbraucher erlaubte eine Untersuchung der Residuallast und damit des lang- sowie kurzfristigen Flexibilitätsbedarfs (Speicherbedarf) des Stromnetzes. Die Anwendung der entwickelten Methodik erfolgte in dieser Arbeit am Beispiel von Österreich, EU, USA, China und Japan. Für Österreich ergibt sich auf Basis der Modellberechnungen in den untersuchten Szenarien ein jährlicher inländischer Gesamtstrombedarf von 114 TWh (Szenario „E-Fuel“), 127 TWh (Szenario „50:50“) und 143 TWh (Szenario „100% BEV“). Bei Betrachtung der untersuchten Ausbauszenarien ergibt sich je nach Mobilitätsszenario eine notwendige installierte Leistung regenerativer Stromerzeuger von 55 bis 83 GW. In der Berechnung des Flächenbedarfs für den Ausbau Erneuerbarer Erzeuger und die Stromspeicherung ergibt sich je nach Mobilitätsszenario eine zusätzlich benötigte Fläche in Österreich von zwischen 1.800 und 2.500 km2. Für die Erzeugung synthetischer Kraftstoffe für Österreich in Marokko wären in den Szenarien „50:50“ und „E-Fuel“ PV-Kapazitäten von 31 bzw. 55 GW und damit Flächen von 440 bzw. 770 km2 notwendig. Die Kosten für den inländischen Ausbau Erneuerbarer Energien, die Errichtung und den Betrieb des Speichers in Österreich und die Gestehungskosten synthetischer Kraftstoffe belaufen sich auf 9 („E-Fuel“), 7 („50:50“) und 4,5 („100% BEV“) Mrd. Euro pro Jahr im Zeitraum bis 2050 (exkl. Netzerweiterungskosten).

To achieve climate neutrality in 2050, a complete substitution of fossil energy sources by renewable energy is required. The use of climate-friendly technologies in electricity generation as well as in the transport, industry, household, commercial and agricultural sectors is absolutely necessary.To analyze the feasibility of different technologies to achieve climate goals in terms of energy and land requirements and costs, a model applicable to any region was developed in this work. The focus was on the road transport sector, which was considered in three future scenarios in order to calculate the future electricity demand of different stock developments in transport. Furthermore, a possible pathway for the complete conversion of the industrial energy supply as well as the household and commercial sector to renewable energies was investigated, from which the future electricity demand in these sectors was calculated. By superimposing sector-specific load profiles, it was possible to determine the system load profile of the region under consideration. From the calculation of the annual electricity demand, the necessary expansion of renewable generators with the respective feed-in profiles could be determined. A subsequent comparison of the entire generation profile and the system load profile allowed an investigation of the residual load and thus the long-term and short-term flexibility requirements (storage requirements) of the power grid. The application of the developed methodology was carried out in this work using Austria, the EU, the USA, China and Japan as examples. Based on the model calculations, the total annual domestic electricity demand for Austria in the scenarios examined is 114 TWh (Scenario "E-fuel"), 127 TWh (Scenario "50:50") and 143 TWh (Scenario "100% BEV"). Considering the studied expansion scenarios, the required installed capacity of renewable electricity generators ranges from 55 to 83 GW, depending on the mobility scenario. In the calculation of the area required for the expansion of renewable generators and electricity storage, the additional area required in Austria is between 1,800 and 2,500 km2 , depending on the mobility scenario. To produce synthetic fuels for Austria in Morocco, an installed PV capacity of 31 and 55 GW and thus areas of 440 and 770 km2 would be required in the "50:50" and "E-Fuel" scenarios, respectively. The costs for the domestic expansion of renewable energies, the construction and operation of the storage facility in Austria and the production costs of synthetic fuels amount to 9 ("E-Fuel"), 7 ("50:50") and 4.5 ("100% BEV”) billion euros per year in the period up to 2050 (excluding grid expansion costs).