Analyse der Stromgestehungskosten von Erneuerbaren Energien heute und in Zukunft

Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen
Lehrstuhl für Energiewirtschaft

Analyse der Stromgestehungskosten von Erneuerbaren Energien heute und in Zukunft

Christoph Böhm

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... iii

Tabellenverzeichnis ... v

Abkürzungsverzeichnis ... vii

1. Aufgabenstellung und Einleitung ... 1

2. Aktuelle Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien im Elektrizitätsbereich ... 2

2.1. Windenergieanlagen ... 2
2.2. Solarthermische Kraftwerke ... 4
2.3. Photovoltaikanlagen ... 6
2.4. Geothermische Kraftwerke ... 7
2.5. Wasserkraftwerke ... 9
2.5.1. Niederdruckkraftwerke ... 9
2.5.2. Mitteldruckkraftwerke ... 10
2.5.3. Hochdruckkraftwerke ... 10
2.6. Biomasseanlagen ... 11
2.6.1. Biomasseverbrennungsanlagen ... 11
2.6.2. Biomassevergasungsanlagen ... 12
2.6.3. Biomassevergärungsanlagen ... 12

3. Analyse der Stromgestehungskosten unter Beachtung aktueller Technologien ... 13

3.1. Windenergieanlagen ... 15
3.2. Solarthermische Kraftwerke ... 16
3.3. Photovoltaikanlagen ... 17
3.4. Geothermische Kraftwerke ... 18
3.5. Wasserkraftanlagen ... 19
3.6. Biomasseanlagen ... 20
3.6.1. Biomasseverbrennungsanlagen ... 20
3.6.2. Biomassevergasungsanlagen ... 21
3.6.3. Biomassevergärungsanlagen ... 22

4. Technologische Weiterentwicklungen im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien ... 23

4.1. Windenergieanlagen ... 23
4.2. Solarthermische Kraftwerke ... 25
4.3. Photovoltaikanlagen ... 27
4.4. Geothermische Kraftwerke ... 28
4.5. Wasserkraftwerke ... 30
4.6. Biomasseanlagen ... 32

5. Analyse der Stromgestehungskosten zukünftiger Technologien ... 34

5.1. Beschreibung des erstellten Modells zur Berechnung der Stromgestehungskosten von Technologien zur Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativen Energien ... 36
5.2. Auswirkungen neuer Technologien auf die Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen ... 37
5.3. Auswirkungen neuer Technologien auf die Stromgestehungskosten von Solarthermieanlagen ... 39
5.4. Auswirkungen neuer Technologien auf die Stromgestehungskosten von Photovoltaikanlagen ... 41
5.5. Auswirkungen neuer Technologien auf die Stromgestehungskosten von Geothermieanlagen ... 42
5.6. Auswirkungen neuer Technologien auf die Stromgestehungskosten von Wasserkraftanlagen ... 43
5.7. Auswirkungen neuer Technologien auf die Stromgestehungskosten von Biomasseanlagen ... 45

6. Zukünftige Wandlungstechnologien auf Basis nuklearer Energieträger ... 49

6.1. Kernfusion ... 51
6.2. Kernspaltung mit Uran/ Plutonium aus Meerwasser ... 54
6.3. Vergleich der Stromgestehungskosten mit denen von aktuellen und zukünftigen Technologien zur Nutzung regenerativer Energien ... 55

7. Zusammenfassung ... 59

Literaturverzeichnis ... 62

1. Aufgabenstellung und Einleitung

„Wer zu spät an die Kosten denkt, ruiniert sein Unternehmen. […]“ ¹⁾
Philip Rosenthal (1916-2001)

Die Nutzung erneuerbarer Energien – insbesondere zur Stromerzeugung – hat in den vergangenen Jahren aufgrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) erheblich zugenommen. Im Jahr 2006 betrug der Anteil erneuerbarer Energien an der Bereitstellung elektrischer Energie in Deutschland 12% am gesamten Stromverbrauch, was etwa 73874 GWh entspricht. ²⁾ Zudem drängen sich erneuerbare Energien vor dem Hintergrund des Klimawandels immer mehr in das öffentliche Bewusstsein und erlangen somit neben der Versorgungsbedeutung auch einen Zuwachs an politischer Wichtigkeit. Die elektrische Energie aus regenerativen Energien ist jedoch zum großen Teil noch nicht wettbewerbsfähig. Die Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativer Energie wird von der Öffentlichkeit als zu teuer angesehen.

Die Analyse der Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung erneuerbarer Energien ist somit nach wie vor eine wichtige energiewirtschaftliche Aufgabestellung. Dazu müssen unter anderem zunächst die Kosten dieser Nutzung erfasst und analysiert werden.

Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Problemstellung ist es das Ziel dieser Arbeit, eine Analyse der Stromgestehungskosten von erneuerbaren Energien durchzuführen. Hierfür soll zunächst eine Skizzierung aktueller Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien im Elektrizitätsbereich vorgenommen und die aus diesen Technologien resultierenden Stromgestehungskosten erfasst werden. Im Anschluss sollen zu erwartende zukünftige Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien vorgestellt, sowie deren Stromgestehungskosten mithilfe eines auf MS-Excel basierenden Berechnungsmodells ermittelt werden.

Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Vergleich und der kritischen Bewertung der Stromgestehungskosten von aktuellen und zukünftig zu erwartenden Technologien. Dabei wird die Entwicklung jeder Form der erneuerbaren Energien anhand eines Beispiels einer Betrachtung auf kurzfristiger und auf langfristiger Sicht unterzogen.

Der zukünftig stärkste Konkurrent der erneuerbaren Energien ist die Kernenergie. Obwohl der Ausstieg aus der Kernenergie von einigen Ländern bereits festgelegt wurde, wird in anderen Ländern weiterhin auf die Effizienz von Kernkraftwerken gesetzt. Ein kurzer Vergleich der in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse mit zukünftigen Wandlungstechnologien auf Basis fossiler Energieträger soll einen Ausblick auf die zukünftige Entwicklung der weltweiten Energieversorgung ermöglichen.

2. Aktuelle Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien im Elektrizitätsbereich

Es kann zwischen drei großen Formen von Energieträgern unterschieden werden. ³⁾ Als nukleare Energie wird die aus Kernspaltung oder Kernzerfall gewonnene Energie bezeichnet. Die sich noch in der Entwicklung befindliche Gewinnung von nuklearer Energie durch Kernfusion wird hierbei künftig eine bedeutende Rolle spielen. Unter den fossilen Energieträgern finden sich die Braun- und Steinkohle, sowie Erdöl und Erdgas. Zudem zählt das bisher wirtschaftlich seltener genutzte Methanhydrat (in Wasser eingefrorenes Methan) ebenfalls zu den fossilen Energieträgern. ⁴⁾ Der dritte und – im Gegensatz zu den fossilen Energieträgern – unbegrenzt vorhandene Energieträger sind die sogenannten regenerativen oder auch erneuerbaren Energien. Neben der Solarthermie, der Photovoltaik, der Geothermie, der Energiegewinnung aus Wasserkraft und Biomasse ist die Windkraft als einzige der erneuerbaren Energien zu den bisher etablierten Energieträgern in spätestens acht Jahren konkurrenzfähig. ⁵⁾

2.1. Windenergieanlagen

Die nutzbare Energie des Windes resultiert aus den Energieströmen, die durch die Solarstrahlung der Sonne entstehen. Die Energie des Windes ist also nicht direkt von der Sonneneinstrahlung abhängig. ⁶⁾ Windenergie entsteht als Ergebnis einer Ausgleichsströmung zwischen zwei Gebieten mit unterschiedlichem Luftdruck aufgrund unterschiedlicher Lufttemperaturen. Die dabei entstehende kinetische Energie der anströmenden Luft wird zur Rotation der Flügel ausgenutzt. Die somit erzeugte mechanische Energie wird von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Bereits vor 3000 Jahren wurde die Energie des Windes im landwirtschaftlichen Sektor genutzt. In Europa begann der Siegeszug der Windenergie im 9. Jh.n.Chr. Sie wurde damals vorzugsweise zum Getreidemahlen, Holzsägen und Wasserpumpen genutzt. Ende des vorigen Jahrhunderts wurden in Holland Windmühlen mit einer Nennleistung von bis zu 50 kW ⁷⁾ errichtet. Seit 1980 hat die Windkraftnutzungstechnologie gewaltige Fortschritte vorzuweisen. Die Anlagen wurden größer, leichter, stabiler, effizienter und geräuschärmer. Die anfallenden kWh-Kosten konnten dadurch stetig gesenkt werden. Der aktuelle Markttrend geht in grössere und seriengefertigte Anlagen. Heute sind teilweise Anlagen mit bis zu 5 MW Nennleistung und Windparks mit einer Gesamtnennleistung von 100 MW und mehr vorzufinden. ⁸⁾ Anfang Oktober 2004 errichtete REpower Systems AG in der Nähe des Ortes Brunsbüttel eine solche 5 MW Anlage mit einem Rotordurchmesser von 126 m, welche mit 180 m Gesamthöhe die zurzeit weltweit größte Windkraftanlage ist. Der Großteil der aktuell eingesetzten Windkraftanlagen besitzt neben einer horizontalen Achse drei Rotorblätter und wird hauptsächlich durch Onshore-Anlagen realisiert. ⁹⁾ Sie haben im allgemeinen Turmhöhen von ca. 40–120 m, Rotordurchmesser von ca. 40–95 m und haben Nennleis-tungen von 600–2800 kW installiert. Moderne Windkraftanlagen nutzen das Auftriebsprinzip der Windkraft. Hierbei wird dem Wind nicht ein Widerstand entgegengesetzt, sondern der Wind erzeugt beim Umströmen der Rotorblätter einen Auftrieb, der den Flügel in Rotation versetzt. Damit kann dem Wind bis zu 60% seiner Energie entzogen und so im Vergleich zum Widerstandsprinzip ein 4-mal höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Wie bereits beschrieben, besteht momentan ein Trend zu immer größeren Anlagen mit immer größeren Leistungen (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Entwicklung der Grösse von typischen Windkraftanlagen zwischen 1980 und 2003 [nur in der Download-Version verfügbar]
(Quelle: Bundesamt für Energie (Hrsg.) (2005), S. 109)

[...]

1) Zitate.de – Ihr perfektes Zitat des Jahres 2008a, Stand 14.04.2008
2) Vgl. BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT (Hrsg.) (2007), S. 11
3) Vgl. THUMANN, J.R. (2007), S. 2
4) Vgl. WALLMANN, Klaus (2006): Energiequelle Methanhydrat – Kieler Forschernetzwerk hält Nutzung frühestens in zehn Jahren für möglich, Stand 14.04.2008
5) Vgl. O.V. (2005): Der unbestrittene Vorteil von Windparks in NRW ist vor allem die Nähe zum Verbraucher, Stand 14.04.2008
6) Vgl. BÖHM, D. (2007), S. 8
7) Vgl. BUNDESAMT FÜR ENERGIE (Hrsg.) (2005), S. 103
8) Vgl. BUNDESAMT FÜR ENERGIE (Hrsg.) (2005), S. 23
9) Vgl. BUNDESAMT FÜR ENERGIE (Hrsg.) (2005), S. 109