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Energiewende wohin ?
Robert Schlögl
MPI CEC: www.cec.mpg.de
Fritz-Haber-Institut Berlin
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Systemic views on energy supplyWhy Energiewende? (presently out of focus)
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The target issue
The target functions contain a number of variables each; there is no agreement on these : How can we find a direction?
The target is affected by multiple influences many of which are out of our control: not fixed but a moving target requires adaptive rather than stiff regulations.
N = f(n1,n2,n3...)P = f(p1,p2,p3...)V = f(v1,v2,v3...)
N+P+V = 9
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How fast transforms the German energy system?
• The current debate concentrates on nuclear/renewable electrical energy.
• These account for about 10% of the energy content (emissions) of the total system.
• The main targets of the energy system transformation are hardly touched.
• Extreme focus on pricing arguments.
Source: AGEB 2013
Coal
Lignite
Motor fuels
Heavy oil heating
Light oil heating
Gas
Electricity
District heating
Renewable
Losses
0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000
2011
1990
1998200020022004200620082010201250
100
150
200
250
300
350
400
Verkehr
Hauhalt
Produk-tion
Strom
Jahr
CO
2 E
mis
sio
n (
Mio
t)
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Energy efficiency
• A critical issue: why do we need energy for what? • Relevant for industry (much already done) but also for trade and sales
and of course for all individuals (consume in total about 50% of the energy bill).
• Many issues of tradition and behaviour with strong political marks („Km-Pauschale”).
• In industry an important issue; also chemistry contributes with materials and processes:– LED lighting– Lubricants and tyres– Catalysis and high temperature materials
• Without disruptive changes not enough potential by evolutionary trends.
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Energy efficiency evolution
Country Energy efficiency [%] GDP growth [%]
United States - 29 + 151
Russia - 28 + 536
China - 64 + 1562
India - 40 + 424
UK - 40 + 121
Germany - 36 + 92
Source: EVONIK magazin, 2013
2000
2010
2022
2050
0 20 40 60 80 100
ÖlKohleGasNuklearErneuerbar
Energiekonzept 2010
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015600.0
650.0
700.0
750.0
800.0
850.0
900.0
950.0
1000.0
Year
Mt
CO
2
Between 1990 and 2012
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Systemic: unexpected responses
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A systemic solutionStorage (transport) of large amounts of energy
I have a plan....
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The energy challenge is systemic
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Energy storageFor volatile renewables
indispensable at large usage fractions
• Multiple methods.• Different in
temporal and capacity properties.
• Only thermo-mechanical and partly batteries operational at technological levels.
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All begins with a chemical challenge:resolve the volatility
• Integration of primary solar electricity into demand structure is the most efficient energy system.
• Splitting of water to obtain hydrogen as primary solar fuel is the challenge. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Tageszeit (h)
Re
lati
ve
Le
istu
ng
• Electrolysis at partial variable load is the key technology.• Oxygen evolution is the limiting reaction.• Electrode degradation and use of excessive amounts of
noble metal limit practical application.
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MPI CECtackling the basic concepts of energy integration
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Chemical energy conversion
molecular catalysis
models
theory
spectroscopy
electro-chemistry
materials
interface chemistry
kinetics
Catalysis as chemo- electro- and photocatalysis is the enabling basic
science of energy storage.
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Start at the beginning:Properties of solar energy
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The role of chemistry
• Chemical energy conversion is the critical interface between electricity and „fuels“. The relevant science is “catalysis”.
• Without the splitting of water through electricity the sustainable energy system is not possible.
• In the hierarchy of storage systems chemical systems are slow but of unlimited size: seasonal and strategic storage, bulk energy transport.
• Shorter storage with hydrogen ?• CEC needs to be ready at about 50% renewable primary electricity: not
now but absolutely certain! Start now with development.• Methane is an excellent platform molecule for multiple applications
interfacing fossil and sustainable energy with the same technology and storage infrastructure.
• Despite many claims its generation on large scales is not without challenges .
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Electrolysis without noble metals:learning from nature
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0 100 200 300 400 500 600
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
i-MnOx/MWCNTox
(c)
Mn2+
Mn3+
Mn4+
Temperature / °C
Fra
ctio
n /
%
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
(b)
Mn2+
Mn3+
Mn4+
Fra
ctio
n /
%
s-MnOx/MWCNTox
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
Mn2+
Mn3+
Mn4+
Fra
ctio
n /
%
(a)s-MnOx
Nano- Mn2O3 made electrically contacted by functionalized CNT
electricalcurrent lead
reactioncentre
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The potential of Biomass: energy carrier
• Biomass is ubiquitous.• It can be used without
interference to food.• It is low in specific energy
content.• It requires complex
refining:– Direct conversion
(fermentation)– pyrolysis– gasification
Energy carrier Energy
Biodiesel (raps) 1.7
Bioethanol (maize) 3.5
Bioethanol (sugar cane) 4.5
Bioethanol (switch grass) 2.0
Biogas (silage) 10.0
PV (D) 90
PV (BR) 170
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Free energy production from solar conversion in kWh/m2/a:
Source: recalculated from data Leopoldina Biomass study 2012
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Power to gas: part of the renewable energy system
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CO2 hydrogenation: The key to solar fuels
• The most simple reaction seems to be methanation. Potent cataylsts show, however grave stability problems when operated at high load.
• The hydrogenation of COx to alcohols is a more robust reaction to obtain solar fuels and platform chemicals.
• Nanostructuring of metal particles is the critical tool for controlling selectivity.
• Stability is governed by metal-support interactions.
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Die Energiewende
• Die „Wende“ ist ein systemischer langsamer Prozess einer Wandlung des Energiesystems. Bewusste Veränderung benötigt Durchblick und Konzeptionsstärke.
• Die Zielrichtung ist vorgegeben, das genaue Ziel hängt von Rahmenbedingungen ab. Dazu zählen belastbare Technologien.– „Die Wissenschaft“ widmet sich intensiv der Energieforschung.– Stellt Lösungen für kurz- und langfristige Herausforderungen bereit.– Koordiniert sich und sorgt für Technologietransfer.
• Das Ziel benötigt aber auch stabile Rahmenbedingungen für Forschung und die Strategie der Wandlung.
• Information über Handlungsoptionen, Transparenz zu Lasten und Kosten und Akzeptanz durch Bevölkerung als Vorraussetzungen für verlässliche politische Konzepte und deren Umsetzung.
Systemisch denken, gemeinsam konzipieren und entschlossen umsetzen.
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The Price:A German discussion with global implications
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Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen
Max Planck
Thank You
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German electricity
• Total output and import/export changed over time and after „Wende“.
• Renewables enormously increased their shares but not because of „Wende“ (EEG).
• Nuclear decreased substantially partly because of “Wende”
• Recently lignite and coal grow on expense of gas: negative feedback due to pricing.
1990 1995 2000 2010 2011 2012480
500
520
540
560
580
600
620
640
Generation
Consumption
Ele
ctri
cal
Po
wer
(T
Wh
)
1990 1995 2000 2010 2011 20120
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Lignite
Coal
Nuclear
Renewables
Gas
Oil
Ele
ctri
cal
Po
wer
(T
Wh
)
Source: AGEB 2013
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ESYS: The contribution of „Science“
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Abgesang: mehr Klartext
• Ingenieure• Können die Energiewende technisch bewältigen. Sie brauchen klare und
verlässliche Ansagen, keine Verschlimmbesserungen. Die äußeren Rahmenbedingungen ändern sich schneller als der Umbau des Systems: Flexibilität von Lösungen aber keine „Moden“ in den Bedingungen!
• Impulse• Müssen als Resultat einer aufgeklärten gesellschaftlichen Diskussion von
der Politik kommen: Die Energiewende führt zuerst zu Nachhaltigkeit, die auf längere Sicht auch preiswert ist. Sie ist nicht „billig“. Wir können sie uns dann leisten, wenn wir geschickt und unideologsich vorgehen.
• Innovationen• Werden dringend benötigt. Der Staat ist für Unterstützung der Entwicklung
nicht aber für deren Subvention gefragt. Nicht Konkurrenz um „die“ Innovation. Wir brauchen Optionen und sich ergänzende neue Systeme.
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Kanada
USA
Japan
Dänemark
Frankreich
Deutsch-
land Italien
Niederlande Schweiz Großbritannien
Forschungsausgaben Energie2011 incl. NuklearQuelle: BmWi, 2013
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Noch mehr Klartext
• Stop mit dem Mikromanagment in der öffentlichen Debatte.• Konsens herstellen: Warum betreiben wir eine Energiewende?• Entscheiden der Rollenverteilung:• Industrie, Gesellschaft, Kunden, Staat: Wer macht grundsätzlich was?• Akzeptieren:
– Die Energiewende ist dynamisch.– Es kann daher nicht den fixen Plan geben: „Zielkorridor“– Wir benutzen immer noch 90% unsere Energie aus fossilen und nuklearen
Quellen: die EE sind nicht das „Übel“.• Uns fehlen noch wesentliche wissenschaftliche und technologische
Grundlagen zur „nachhaltigen“ Energieversorgung: Forschung und DEMO Projekte zur Klärung von Wegen und Kosten der Energiewende.
• Der Umbau des Energiesystems ist ein Generationenwerk: Überhastung ist extra teuer, Verschleppung noch teurer in der Zukunft!
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To do: industry:PV has a bright future!!
• Accept responsibility for the energy system:
• Stop building on subsidies.• Face global competition
through technology.• Deliver energy not solar cells:
– For utilities as partner– For small units as sole energy
technology provider.• Support smart grid.• Diversify into or partner with
energy storage system providers.
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To do: politics
• Think longer-term!!• Think in energy systems.• Stop direct intervention by
subsidies.• Create stable boundaries for
energy system evolution: guide phasing out of fossil.
• Act for the region as well as internationally (EU!).
• Support subsidiary electricity systems: „decentralized“ is no contradiction to “centralized”.
• Give stable R+D support for the PV industry.
Tota
l co
ntr
ibu
tion
to
ele
ctric
ity
Pe
ak co
ntrib
utio
n to
ele
ctricity
Multiple technology-open innovations are needed to close
the integration gap for renewables
OFA Consulting GmbH
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Electricity prizes
• Electricity prices are high in Germany in international and EU relations.
• The prize evolution is different for private households and high tension consumers.
• A substantial contribution for the small users comes from the EEG finance (about 5 ct/kWh).
• Meet the tendency towards individual off-grid solutions.
2008 2009 2010 2011 2012 201380
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
Private
Large indus-try
Pri
ze I
nd
ex 2
008=
100
Source AGEB 2013, BMWI 2012
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