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Dienstag, 15. März 2016

Wie viel Öl wird noch gebraucht?

Warum der Ölpreis soweit sinkt

In den letzten Jahren konnte man an der Börse den stark schwanken Ölpreis sehen zwischen 144 $ für ein Barrel und neuerdings weniger als 40 $ für ein Barrel hat der Preis innerhalb kurzer Zeit geschwankt. Es ist offensichtlich eine grundlegende Veränderung im Energiemarkt abzusehen. Betrachtet man das Wachstum der Erneuerbaren so beobachtet man seit 20 Jahren einen kontinuierlichen Anstieg bei den Installationen von Wind und Solarenergie.
Abb. 1: Das Wachstum des Stromverbrauchs und der Energieerzeugung aus Wind und Sonne. (Eigene Darstellung)
Extrapoliert man diese Installation neuer Energiequellen, so findet man, dass nach einigen Jahren genügend Elektrizität von diesem System erzeugt wird um alle Energie Bedürfnisse der Menschheit zu befriedigen.

Ende der fossilen Energieerzeugung

Die entscheidende Frage ist, wie lange wird dieser Übergang dauern und, daraus abgeleitet, wie viel Öl ist für diese Phase noch notwendig?

In diesem Blog werde ich zeigen dass die Menge des noch zu fördernden Öls wesentlich geringer ist als die noch vorhandenen Ölreserven! Damit ergibt sich für die Ölförderländer eine ganz merkwürdige Situation: Sie wissen nämlich bereits jetzt dass sie in einigen Jahren kein Einkommen durch den Verkauf von Öl mehr erzielen können. Es ist wie auf einen Markt auf den viel zu viel Kartoffeln im Angebot sind der Preis für die Kartoffeln weit absinkt so ist es auch hier. Es ist nicht nur aktuell zu viel Öl-Förderung vorhanden sondern es sind darüber hinaus, einige werden Staunen, zu viele Ölreserven vorhanden um einen guten Preis für diesen, im Moment noch immer sehr wertvollen, Energierohstoff zu erzielen.

Berechnung des Ölbedarfs

In den letzten Jahren haben wir ein Wachstum von etwa 22% für die aus Wind und Sonne gewonnene Energie (Abb. 1). Wir müssen nun berechnen, wie viel Energie weltweit aktuell benötigt wird. Obwohl dies scheinbar einfach ist, müssen wir einige Daten umrechnen. Es ist nämlich ein erheblicher Unterschied ob Energie in Form von Strom oder von einem fossilen Rohstoff vorliegt so kann man aus der thermischen Energie einer Tonne Kohle nur etwa ein Drittel dieser Energie in Strom umwandeln. Dies gilt sowohl für Öl, Kohle, Gas und andere Brennstoffe.

Abb. 2: Annahme, der Stromverbrauch wächst wie bisher ohne Substitution der fossilen Brennstoffe.

Die Stromerzeugung basiert heute noch im Wesentlichen auf wenige Quellen das Verbrennen von Kohle, Erdgas, Uran, die Erzeugung von Wasserkraft und aktuell mit wenigen Prozenten auf anderen regenerativen Systemen (Wind, Sonne!). 

Interessanterweise werden nur geringe Mengen der Ölförderung für die Erzeugung von Strom eingesetzt. Öl dient im Wesentlichen zum Antrieb von Transportsystemen, ob es Autos, Lastkraftwagen, Schiffe oder Flugzeuge sind. Sicher wird nicht in den ersten Jahren der Flugverkehr auf Elektroantrieb umgestellt aber mit einem Energiebedarf von etwa 3% ist diese Segment nicht entscheidend für die globale Umstellung.
Abb. 3: Energiebedarf (rot), Anteil fossile Energie (blau) und erneuerbare ohne Wasserkraft (grün). Die Differenz roter und bleuer Kurve wird heute von Wasserkraft und Kernenergie bereitgestellt. Zukünftig, ab etwa 2035, kann aller Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt werden

Umstellung auf Elektroantrieb

Will man die vollständige Umstellung auf elektrische Antriebe, ein Ziel das innerhalb der nächsten 20 Jahre gut erreicht werden kann, dann wird das Öl, ausgedrückt in einer Energiemenge (TWh) durch eine Strommenge ersetzt die nominal nur ein Drittel so viel TWh entspricht. Da, wie bereits angedeutet, die Verbrennungsprozesse in Motoren nur ca. 30% Wirkungsgrad haben. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass einzelne Wirkungsgrade hier nur grob abgeschätzt werden, da es einerseits Verbesserung in Wirkungsgraden gibt andererseits durch verschiedene veränderte Nutzungsgewohnheiten häufig auch niedrige Wirkungsgrade eintreten.

Abb. 4: Gleicher Inhalt wie Abb 3, jedoch mit einer logarithmischen Skala für die Energie.
Man erkennt das gleichmäßige Wachstum der Erneuerbaren, das hier mit 18,5% pro Jahr angenommen wurde.

Strombedarf wächst weltweit

Die insgesamt benötigte Elektrizitätsmenge wird erheblich ansteigen, zum Einen, weil es längerfristig einen globalen Trend zu mehr Energieverbrauch gibt aber zum Zweiten weil die bisher von Brennstoffen erzeugten Arbeitsleistungen zusätzlich durch Strom substituiert werden wird. Wir müssen also die gesamte Strommenge berechnen, die aus dem konventionellen Strombedarf und aus dem substituierten Strombedarf für den Antrieb und auch noch für thermische Vorgänge, insbesondere Heizungen, entstehen. 

Wenn Heizen auch noch elektrisch wird

Bei Heizungen sei darauf hingewiesen dass mit Wärmepumpen ähnlich wie bei Verbrennungsmotoren, allerdings hier positiv, dreimal so viel (Wärme-) Energie erzeugt werden kann als durch den Einsatz vergleichbaren Brennstoffe. 

Abb. 5: Bis 2035 werden noch 528 000 TWh Energie aus fossilen Energieträgern benötigt.

Berechnet man den zusätzlichen Energiebedarf in Form von Strom, so kann man diesen mit dem aktuellen Wachstum bei der Installation erneuerbare Energiequellen vergleichen. 

Ab 2025 wird der Öl-, Kohle- und Gasbedarf rückläufig

Zu dem Zeitpunkt, an dem die erneuerbaren Energiequellen mehr Energie liefern als der gesamte globale Bedarf an Strom ist, wird kein weitere Rohstoff zum Verbrennen benötigt. Dies wird irgendwann zwischen 2035 und 2040 geschehen. Bis dahin muss allerdings noch konventionelle fossile Energie verbrannt werden mit natürlich stark rückläufiger Tendenz ab 2025. 
Abb. 6: Aktueller Anteil der verschiedenen fossilen Energieträger an der weltweiten Energieversorgung

Zählt man die jährlich verbrannte fossile Ressource zusammen, erhält man den gesamten noch vorhandenen Bedarf an fossilen Ressourcen. Es ist nicht trivial den Wechsel insbesondere von Kohle Öl und Erdgas exakt zu beschreiben vermutlich wird die Kohle als erstes aus der Erzeugung herausgenommen da diese am einfachsten durch erneuerbaren Strom substituiert werden kann Kohle wird heute praktisch nur für die Verbrennung in Kohlekraftwerken und zur Stahlerzeugung eingesetzt. Auf die Stahlerzeugung werde ich hier nicht weiter eingehen. Erdgas wird etwa zur Hälfte für die Stromerzeugung und zur anderen Hälfte für die Erzeugung von Wärme verwendet die Substitution bei der Wärmeerzeugung wird als erstes geschehen da es ökonomisch sehr interessant ist aus Strom mit Hilfe von Wärmepumpen sofort drei Mal mehr Wärmeenergie zu erzeugen als ein gleichartiger Anteil an Erdgas produzieren würde. Insbesondere ist es auch bequemer elektrisch zu heizen als mit den doch nicht ganz unerheblichen Gefahren einer Erdgasheizung und den erheblichen Kosten einer Erdgasinfrastruktur.
Des letzte Element in dieser Veränderung wird die vollständige Substitution von Öl, hier ist weiterhin der Flugverkehr ausgeklammert, darstellen.
Die tatsächlichen Möglichkeiten Erdöl zu fördern wird auf der Energie Kolumne von Dr. Björn Peters beschrieben.

Abb. 7: Die verfügbaren, gesicherten fossilen Rohstoffreservern sind weit größer als der Bedarf ,der bis zum Ende des fossilen Zeitalters (ca. 2035) vorhanden ist.  

 Welche Staaten leiden am meisten

Jeder Staat, der heute seine Staatsfinanzen im Wesentlichen aus den geförderten Öl- und Erdgaserlösen erzielt, wird in Zukunft große Probleme bekommt. Hier kann man insbesondere an Russland und die arabischen Staaten denken aber auch einige andere, wie Venezuela und Nigeria haben hier eine schlechte Zukunft. Da diese vorgestellte Analyse den einzelnen Ländern in ähnlicher Form vermutlich bereits bekannt ist, wird nun versucht werden möglichst viel der noch vorhandenen Ressourcen auf dem Weltmarkt zu verkaufen. Die klassische Folge eines solchen Verkaufs Wettbewerbs ist ein erheblicher Preisverfall.
Abb. 8: Wie hoch muss der Ölpreis sein, damit verschiedene Staaten wirtschaften können? Quelle: Deloitte University Press

Man könnte nun meinen, dass dieser Preisverfall schnell auf die Wachstumskurve der erneuerbaren Energien zurückschlägt. Genau dies ist aber erstaunlicherweise nicht der Fall, der Grund liegt darin, dass bereits heute mit Photovoltaik Strom zu einem äquivalenten Preis von 20 Dollar pro Barrel erzeugt werden kann. Das bedeutet erst bei einem Preis von unter 20 $ pro Barrel Rohöl ist überhaupt eine ökonomisch getriebene Ablösung moderner Photovoltaik durch Ölkraftwerke denkbar.

Allerdings wird ein Investor sehr wohl abwägen, ob es nicht wesentlich besser ist langfristige Energiequellen wie Photovoltaik zu installieren, die zudem fast keine Wartung benötigen, als sich auf den Bau oder Betrieb von konventionellen Kraftwerken zu verlassen. Wir werden also einen starken Wandel bei der Energieerzeugung und den Gewinnen, die einzelnen Ländern dadurch entstehen, sehen.

Gibt es neue Gewinner?

Spannend ist hierbei, inwieweit Länder mit sehr günstigen Solareinstrahlung dies nutzen um Strom zu exportieren. Letztendlich ist aber die vorhandene Fläche für Solarenergie derart groß dass es kaum einen vergleichbaren Wettbewerbsvorteil gibt wie es bei der Ölförderung. 
Solareinstrahlung auf der Welt, Quelle: IRENA
Ein weiterer Aspekt ist natürlich die Verteilung der Energie und insbesondere die Speicherung. Es ist unklar ob ein globales Stromnetz das Kontinente überspannt und dieses Problem löst wie es heute von dem chinesischen Netzbetreiber China Grid angestrebt wird, oder ob große Speicher etwa in Form des Lageenergiespeicher diese Aufgabe übernehmen und damit eine kontinuierliche globale und saubere Energieversorgung in Zukunft gewährleisten.

Quellen:

Alle Rohstoff-Daten wurden der BP Datenbank entnommen, dort ist auch eine Excel-Tabelle abrufbar um die Daten bequem weiter zu verarbeiten!

Hinweis zu den Rechnungen:
Es wurden folgende, vereinfachende, Annahmen getroffen:
Die Umrechnung der Energieeinheiten auf TWh basiert auf der Tabelle von Volker Quaschning.
Die Energieumwandlung von Energie-Rohstoffen in Strom erfolgt mit 33% Wirkungsgrad.
Von der Gasproduktion gehen 50% in die direkte thermische Nutzung.
Steinkohle wird nur in Kraftwerken verbraucht.
Öl wird nicht zur Stromerzeugung verwendet.
Das Wachstum des weltweiten Energieverbrauchs beträgt 2,88%.
Das Wachstum aller erneuerbaren Energien beträgt 18,5%.
Das Bezugsjahr für die Verteilung der Rohstoffnutzung ist 2014.

Die Vereinfachungen wurden bewusst gewählt um die Komplexität handhaben zu können. Exaktere Zahlen würden nur eine scheinbare Steigerung der Prognosegenauigkeit bringen. Für den Wert beim Wachstum der Erneuerbaren wurde in der Rechnung der sehr konservative Wert von 18,5% genommen, historisch waren diese Werte immer höher, Eine plausible Änderung der Zahlen in der Analyse würde nur das Ende der fossilen Brennstoffe etwas früher (2030) oder etwas später (2040) bedeuten.

Kommentare:

  1. Ich bin etwas verwundert, dass "global renewable electricity production" anscheinend sogar eine steigende Wachstumsrate hat, während "mean produced wind and solar energy" dagegen konstant zu wachsen scheint. Woher der Unterschied?

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    1. Auf Abbildung 4, logarithmische Darstellung, wird unterstellt, dass die Erneuerbaren (grün) ab jetzt konstant mit 18,5% wachsen, historisch sind sie immer schneller gewachsen. Der Energieverbrauch wächst konstant mit 2,88% pro Jahr, das ergibt in der Logarithmischen Darstellung eine Gerade, in der linearen Darstellung, Abbildung 3, eine Wachstumskurve.

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  2. Verzeihung, ich war etwas ungenau. Ich meinte Abb. 1 und 4. Die sind ja beide logarithmisch.

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    1. Ja, Abb. 1 und 4 sind logarthmisch um das Wachstum besser zu visualisieren. Tut mir leid wenn ich mich ungenau ausgedrückt habe.

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  3. Nein, ich wollte wissen, wo der Unterschied bei den grünen Kurven in Abb. 1 und 4 herkommen? Es sieht so aus, als würde "global renewable" etwas anderes enthalten wie "mean produced wind and solar", oder nicht?

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    1. Ja, es gibt einen Unterschied. In "Global Renewabe" sind alle anderen erneuerbaren Quellen, z.B. Geothermie, auch enthalten. Wind und Sonne die in den letzten Jahren um 22% wuchsen sind in Abbildung 1 dargestellt. In Abbildung 4 und allen anderen ist die Annahme, dass alle Erneuerbaren (Global Renewable) zusammen jährlich um 18% wachsen, also eine konservative Annahme.

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