Der Energiemarkt und dessen techno-ökonomische Modellierung
– Potentiale zukünftiger Technologien

Interdisziplinäre

Diplomarbeit

im Fach Innovationsökonomik

vorgelegt von: 

Alexander Albrecht

Abgabetermin: 29. März 2004

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ...  II
Abkürzungsverzeichnis  ...  V
Abbildungsverzeichnis  ...  VII
Wirtschaftswissenschaftliches Symbolverzeichnis  ...  IX
Naturwissenschaftliches Symbolverzeichnis ...  X
Energieeinheiten und Umrechnungen  ...  XI

1 Vorwort und Aufbau der Arbeit ...  2

2 Energie und ihre Facetten  ...  3
2.1 Begriffsbestimmung und Formen von Energie ...  4
2.2 Energie aus naturwissenschaftliche Sicht – Erscheinungsformen der Energie  ...  6
2.2.1 Die Hauptsätze der Thermodynamik ...  8
2.3 Energie aus technischer Sicht  ...  9
2.4 Energie aus ökonomischer Sicht ...  12
2.5 Besonderheiten der Energiemärkte ...  13
2.6 Trends im Energiemarkt und wichtige Ergebnisse ...  15

3 Energieträger und Umwandlungssektoren ...  16
3.1 Fossile Primärenergieträger  ...  17
3.1.1 Primärenergieträger Kohle  ...  18
3.1.2 Primärenergieträger Erdöl  ...  22
3.1.3 Primärenergieträger Erdgas ...  26
3.1.4 Schlussfolgerungen Fossile Energieträger  ...  30
3.2 Kernenergie ...  31
3.2.1 Kernspaltung  ...  32
3.2.2 Kernfusion mit magnetischem Einschluss  ...  35
3.3 Erneuerbare, regenerative Energien ...  39
3.3.1 Windkraft  ...  40
3.3.2 Wasserkraft ...  42
3.3.3 Biomasse  ...  44
3.3.4 Solare Energie  ...  45
3.3.4.1 Photothermik (Solarwärme)  ...  46
3.3.4.2 Photovoltaik (Solarstrom)  ...  49
3.4 Schlussfolgerungen: erneuerbare Energien  ...  53
3.5 Neue Konzepte: Wasserstoff und die Brennstoffzelle ...  55

4 Energieökonomik ...  60
4.1 Energiesysteme – Ein Vergleich mit Blick auf die Kostenstrukturen  ...  61
4.1.1 Investitionskosten ...  62
4.1.2 Stromgestehungs- und Grenzkosten ...  63
4.1.3 Erntefaktoren ...  65
4.2 Energiesysteme – Ein Vergleich mit Blick auf die Nachhaltigkeit  ...  66
4.2.1 Nachhaltige Entwicklung  ...  66
4.2.2 LCA - Emissionen der unterschiedlichen Energiesysteme  ...  68
4.2.2.1 Gesundheitsgefährdende Emissionen und Strahlungen ...  68
4.2.2.2 Klimaschädliche Emissionen und der Treibhauseffekt  ...  70
4.2.3 Externe Kosten im Energiesektor ...  73
4.2.4 Technische Optionen zur Minderung der Kohlendioxidemissionen ...  76
4.2.5 Schlussfolgerungen  ...  78
4.3 Energie aus Sicht der Innovationsökonomik – Der technische Fortschritt ...  80
4.3.1 Technischer Fortschritt und Nachhaltigkeit  ...  80
4.3.2 Energieinventionen ...  83
4.3.3 Energieinnovationen aus Sicht der Evolutorik/ Neo-Schumpeterianik ...  84
4.3.4 Backstop-Technologien und die Hotelling-Regel  ...  85
4.3.5 Technologie-Diffusion im Energiemarkt  ...  88
4.4 Substitutionsmechanismen im Energiemarkt  ...  91
4.5 Energie, technischer Fortschritt und Wirtschaftswachstum  ...  92

5 Energieökonomik - Die Energienachfrage  ...  95
5.1 Energienachfrage, wirtschaftliche Entwicklung und Energiepreise ...  95
5.2 Energienachfrage und Strukturwandel  ...  97
5.3 Determinanten der Energienachfrage  ...  98
5.3.1 Der Energiepreis ...  98
5.3.2 Globales Wirtschaftswachstum  ...  99
5.3.3 Bevölkerungswachstum  ...  100
5.4 Schlussfolgerungen ...  101

6 Energiemodelle  ...  103
6.1 Energiemodellarten: Top-down vs. bottom-up ...  103
6.2 Weitere Unterscheidungen ...  105
6.3 Umfassende Energiemodelle und Fazit  ...  106

7 TIMES  ...  108
7.1 Einleitung und Einordnung des Modells  ...  108
7.2 Vorgehensweise und Abbildung des Energiesystems  ...  110
7.3 Beschreibung des Energiesystems: Das RES und seine Komponenten  ...  111
7.3.1 Processes und Commodities ...  112
7.3.2 Input: Sets und Parameter  ...  113
7.3.3 Zeithorizont, zeitliche Auflösung und Indexierung  ...  115
7.3.3.1 Zeitfenster ...  116
7.3.3.2 Alterungsprozesse (Vintaging)  ...  117
7.3.4 Regionale Aufteilung  ...  118
7.3.5 Commodities und Prozesse – eine genauere Betrachtung ...  119
7.3.6 Einheiten und Diskontraten ...  122
7.4 Output  ...  124
7.4.1 Gleichungen  ...  124
7.4.2 Variablen  ...  125
7.5 Die (Neoklassische) Zielfunktion  ...  126
7.5.1 Unterscheidung der Investitionsarten ...  128
7.5.2 Güterpartialmarktgleichgewicht und elastische Nachfrage ...  131
7.6 Zusammenfassung der techno-ökonomischen Implementierungen in TIMES  ...  132
7.7 Grundlegende Annahme der Neoklassik in TIMES  ...  133

8 TIMES – Eine kritische Würdigung  ...  135
8.1 Marktstrukturen  ...  136
8.2 Neoklassische Grundannahmen ...  137
8.2.1 Der homo oeconomicus und Risiko  ...  137
8.2.2 Heterogene Akteure, Technologien und Energieträger ...  138
8.3 Die (Kosten-) Minimierung der Zielfunktion  ...  141
8.4 Technischer Fortschritt und Innovationsprozess  ...  142
8.4.1 Endogenous Technological Learning (ETL)  ...  143
8.4.2 Diffusion und technologische Übergänge  ...  145
8.5 Endogenisierung des technischen Fortschrittes in TIMES ...  146

9 Schlussfolgerungen und Fazit ...  150

Anhang  ...  151

Literaturverzeichnis ...  155

Abkürzungsverzeichnis
AC Durchschnittskosten (average costs)
ATP Adenosin-Triphosphat
BIP Bruttoinlandsprodukt
BSZ Brennstoffzelle
CDM Clean-Development-Mechanism
CG Commodity Group
CNG compressed natural gas
COM commodity
CUR currency
DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications
dwl dead weight loss
EFOM Energy Flow Optimisation Model
ELIFE Ökonomische Lebensdauer
ETL Endogenous Technological Learning
ETSAP Energy Technology Systems Analysis Programme’s
EU Europäische Union
F&E Forschung und Entwicklung
GAMS General Algebraic Modelling System
GDP Gross domestic product
GSM Global System for Mobile Communications
GuD (Kombinierte) Gas- und Dampf (-kraftwerke)
GUS Gemeinschaft unabhängiger Staaten
IAEA Internationale Atomenergieagentur
IEA International Energy Agency
IKS Informations- und Kommunikationssysteme
IMF International Monetary Fund
KI Künstliche Intelligenz
KKW Kernkraftwerk
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
LCA Life Cycle Assessment
LNG Liquified Natural Gas
LPG Liquified Petroleum Gas
MARKAL MARKet ALlocation
MC Grenzkosten (marginal costs)
MESAP Modular Energy System Analysis and Planning
OECD Organization for Economic Cooperation and Development
OPEC Organization of Petroleum Exporting Countries
PCG Primary Commodity Group
PEM Protonen leitende Membranen
PPP purchasing power parity
PRC process
PV Photovoltaik
REA Rauchgasentschwefelungsanlage
REG region
RES Referenzenergiesystem
REV Rationelle Energieverwendung
ROZ Research-Oktanzahl
SKE Steinkohleeinheiten
tce tonnes of coal Equivalent
TIMES The Integrated MARKAL EFOM System
TLIFE Technische Lebensdauer
toe tonnes of Oil Equivalent
TS Time Slice
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UN United Nations
W-LAN Wireless Local Area Network

Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1 Schema für ein mögliches Energieflussbild ... 4
Abb. 2.2 Reserven und Ressourcen ... 5
Abb. 2.3 Frequenzspektrum mit zugehörigen Wellenlängen  ... 7
Abb. 2.4 Verfahren der technischen Energieumwandlung  ... 10
Abb. 2.5 Energieverluste in der Wertschöpfungskette ... 11
Abb. 3.1 Anteile der Energieträger am Weltenergiekonsum  ... 16
Abb. 3.2 Aufteilung in Sektoren  ... 17
Abb. 3.3 Regionale Verteilung  ... 17
Abb. 3.4 Kohlekraftwerk  ... 19
Abb. 3.5 Anteil der Kohle an der Stromerzeugung  ... 20
Abb. 3.6 Reserven der Kohle  ... 21
Abb. 3.7 Funktionsweise Raffinerien  ... 22
Abb. 3.8 Entwicklung der Rohölpreise ... 23
Abb. 3.9 Aufteilung der weltweiten Erdölreserven ... 25
Abb. 3.10 Weltergasreserven  ... 29
Abb. 3.11 Reichweiten der konventionellen (fossilen) Energieträger in Jahren ... 30
Abb. 3.12 Weltweite Nachfrage nach Kernenergie für die Elektrizitätsversorgung  ... 31
Abb. 3.13 Kernenergiepolitik europäischer Länder ... 33
Abb. 3.14 Vergleich des Transportaufkommens für unterschiedliche Energieträger ... 37
Abb. 3.15 Various forms of renewable energy  ... 39
Abb. 3.16 Horizontalachsenkonverter  ... 40
Abb. 3.17 Laufwasserkraftwerk  ... 42
Abb. 3.18 Wasserspeicherkraftwerk  ... 42
Abb. 3.19 Turbinen für die Wasserkraft  ... 43
Abb. 3.20 Potentiale der Wasserkraft nach Kontinenten ... 44
Abb. 3.21 Flachkollektoren ... 46
Abb. 3.22 Röhrenkollektoren ... 46
Abb. 3.23 Deckungsgrad eines Einfamilienhauses bei der Warmwassererzeugung ... 47
Abb. 3.24 Solarturmkraftwerk ... 48
Abb. 3.25 Aufbau einer Solarzelle (Wafer)  ... 49
Abb. 3.26 Diode  ... 50
Abb. 3.27 Schema zukünftiger PV-Kraftwerke  ... 52
Abb. 3.28 Weltweite Potentiale an erneuerbare Energien ... 54
Abb. 3.29 Brennstoffzelle  ... 57
Abb. 3.30 PEM-Brennstoffzelle  ... 58
Abb. 4.1 Veränderung der Anteile der Primärenergieträger am Weltenergiekonsum  ... 60
Abb. 4.2 Veränderung der Einsatzverhältnisse in der Elektrizitätswirtschaft ... 60
Abb. 4.3 Weltweite Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien  ... 61
Abb. 4.4 Investitionskosten  ... 62
Abb. 4.5 Stromgestehungskosten ... 63
Abb. 4.6 Kurzfristige Grenzkosten im deutschen Strommarkt ... 64
Abb. 4.7 Erntefaktoren und kumulierter Primärenergieaufwand ... 65
Abb. 4.8 Kumulierte Emissionen ... 68
Abb. 4.9 Gesundheitsrisiken verschiedener Stromerzeugungstechnologien  ... 69
Abb. 4.10 Treibhauseffekt  ... 71
Abb. 4.11 Entwicklung der CO2-Emissionen in ausgewählten Regionen  ... 72
Abb. 4.12 Direkte CO2-Emissionen bei fossilen Brennstoffen in kg pro GJ  ... 73
Abb. 4.13 Externe Kosten bei der Stromerzeugung (BRD)  ... 74
Abb. 4.14 Externe Kosten bei Stromerzeugung (EU) in €-Cent/ kWh ... 74

[...]

Tabellenverzeichnis
Tab. 8.1: Determinanten der Energiepreise  ... 147
Tab. 8.2: Technologiekennzahlen ... 148

1. Vorwort und Aufbau der Arbeit

Die Themenstellung für diese Diplomarbeit stellte die Universität Augsburg in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching bei München. Ziel der Arbeit ist es, in der ersten Hälfte (Kapitel 2 bis 5) den Energiemarkt in seinen realen Charakteren darzustellen. Im zweiten Teil (Kapitel 6 bis 8) wird der Energiemodellgenerator TIMES präsentiert. Diese Abbildung der Realwelt soll auf Konsistenz und auf ökonomische Grundannahmen analysiert werden.

Im nachfolgenden Kapitel werden die physikalischen Grundlagen, der Begriff „Energie“ und zentrale Ergebnisse bzw. Trends im Energiemarkt vorgestellt. Im dritten Kapitel folgen die fossilen und erneuerbaren Energieträger sowie Umwandlungstechnologien, die das Energieangebot repräsentieren. Die physikalischen und ökonomischen Ausführungen bilden die Grundlage für die nachfolgenden Kapitel. Das vierte und fünfte Kapitel widmet sich der Energieökonomik. Im ersten Part wird die Umwelt- und Innovationsökonomik im Energiesektor genauer dargestellt. Dabei werden die einzelnen Energietechnologien in verschiedenen Kontexten genauer analysiert, sowie der technische Fortschritt und Innovationen im Energiesektor hinterleuchtet. Im fünften Kapital bzw. zweiten Part werden die Energienachfrage und ihre Einflussfaktoren wie Bevölkerungswachstum und Sozialprodukt aufgezeigt. Der Fokus liegt durchgehend auf weltweiter Ebene. Wenn die Daten für eine globale Erfassung nicht zugänglich waren, wurde auf supranationale oder deutsche Daten zurückgegriffen.

Im sechsten Kapitel werden Energiemodelle und ihre Anforderungen generell dargestellt. Das siebte Kapitel ist dem Modellgenerator TIMES gewidmet. Der Aufbau, die Funktionsweise und ausgewählte Features werden erläutert. Im Anschluss werden die ökonomischen Annahmen, die dem Modell zugrunde liegen, aufgezeigt und im achten Kapitel mit Aspekten der evolutorischen/ Neo-Schumpeterainischen Ökonomik abgeglichen. Der Schwerpunkt liegt in der Marktstruktur, in den grundlegenden Annahmen der Neoklassik und in der Modellierung des technischen Fortschritts. Das neunte und letzte Kapitel rundet die Diplomarbeit mit Fazit und Ausblick ab.

[...]

Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht.
Und Gott sah, daß das Licht gut war.

Altes Testament, Das Erste Buch Mose (Genesis), 
Die Schöpfung 

Was ist eigentlich „Energie“? Jeder benutzt sie täglich – ist sich aber ihrer wahren Bedeutung kaum bewusst. Viele sehen „Energie“ als etwas Selbstverständliches. Ist es aber nicht. Ein Großteil der Menschheit hat nur einen beschränkten Zugang zu nutzbarer, nutzenstiftender Energie. „Energie ist Leben“. Schon das alte Testament erklärt Energie in Form von Licht als Ursprung und Ausgangspunkt der Schöpfungsgeschichte. In der griechischen Mythologie beginnt die menschliche Entwicklungsgeschichte mit dem Raub des Feuers durch Prometheus. Eine moderne Formulierung dieser Vorstellung gab Boltzmann im Jahre 1886. Jede Form des Lebens ist demnach auf die Zufuhr und Nutzung von Energie angewiesen.¹

Energie ist eine grundlegende Ressource für Wohlstand, Sicherheit und Unabhängigkeit. Energie treibt Maschinen an, befördert Menschen, ermöglicht die Zubereitung von Nahrung, spendet Wärme und Licht, unterstützt den Zugang und die Aufbereitung von Informationen und erspart somit Zeit. Die heutige Dienstleistungs-, Informations- und Kommunikationsgesellschaft hätte sich ohne die edelste Form von Energie, der Elektrizität, nicht entwickeln können. Dies ist ein entscheidender Aspekt in einer hoch industrialisierten Welt. Energie kann daher als essentielles Gut oder essentieller Produktionsfaktor gesehen werden. Der Energiemarkt ist ein Multi- Milliarden-Markt. Der US-Elektrizitätsmarkt alleine ist mit einem jährlichen Umsatz von 220 Mrd. US-$ größer als die gesamte Telekommunikationsbranche. Der Markt für Treibstoffe, Brennstoffe oder Batterien tätigt einen jährlichen weltweiten Umsatz von 1400 Mrd. US-$. Kaum ein anderer Markt weist so hohe Wachstumsraten aus wie der Energiemarkt. Dabei ist der Energiemarkt sehr ineffizient: Durch die Umwandlung bis hin zum Transport gehen etwa 70 Prozent der Primärenergie verloren – Energie im Wert von jährlich rund einer Billion US-$ weltweit. Auch ist die heutige Nutzung von Energie mit erheblichen negativen Einwirkungen auf die Natur verbunden.² 

2 Energie und ihre Facetten

2.1 Begriffsbestimmung und Formen von Energie

Energie (vom griechischen en-ergon = innere Arbeit) ist die Fähigkeit oder Möglichkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten (mechanische Energie) oder Wärme abzugeben (thermische Energie). Gemessen wird Energie in der Einheit Joule [J] als Produkt von Zeit und Leistung. Ein Joule entspricht einer Wattsekunde (J = Ws). Nach der Reihenfolge ihres Einsatzes lässt sich Energie in vier Stufen einteilen: Primärenergieträger sind die in der Natur in ihrer ursprünglichen Form vorkommenden Energieträger wie die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl oder Erdgas sowie erneuerbare, regenerative Energiequellen wie Wind, Wasser oder solare Energie Der Großteil der Primärenergie muss durch Umwandlung in Kraftwerken, Raffinerien etc. in Sekundärenergieträger umgeformt werden (wie Strom, Fernwärme, Heizöl oder Benzin), so dass sie direkt nutzbar sind. Die Energie am Ort des Verbrauchs nennt man Endenergie. Einen direkten „Nutzen“ stiftet sie aber in dieser Form nur selten. Sie muss durch Endgeräte (bspw. Elektrogeräte) in Nutzenergie (Kraft, Wärme, Licht) umgewandelt werden. Die Energie verendet nach dem Gebrauch durch den Menschen i.d.R. in Form einer „Energiesuppe“. Energie kann nach dem Energieerhaltungssatz nicht vernichtet, sondern nur von einer Energieform in eine andere überführt werden.³

Abbildung 2.1 Schema für ein mögliches Energieflussbild4
[in Downloaddatei enthalten]

Der kommerzielle Weltenergiekonsum von 400 EJ beruht auf 80 Prozent fossiler, erschöpfbarer Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas. 20 Prozent fallen auf erneuerbare Energien und die Kernenergie.

Fossile Energieträger sind endlich. Man kann die vorhandenen Mineralien klassifizieren in Reserven und Ressourcen. Reserven sind bekannte Vorkommen, die mit großer Genauigkeit erfasst und zu heutigen Preisen mit aktueller Technik wirtschaftlich gewinnbar sind (technisch und ökonomisch verfügbare Energiemengen). Ressourcen sind nachgewiesene oder mit gewisser Unsicherheit als vorhanden eingeschätzte Vorkommen, die aber derzeit mit heutiger Technologie und/ oder unter den heutigen ökonomischen Verhältnissen noch nicht förderbar sind, die jedoch als potenziell förderbar gelten. Auch nicht nachgewiesene, aber geologisch mögliche, künftig gewinnbare Mengen an Energierohstoffen („yet to find“) zählen zu den Ressourcen. In die Gruppe der Ressourcen gehören also die insgesamt vorhandenen Mineralien.

[....]

1 Vgl. Erdmann (1995, 1)

2 Vgl. SAM (2002, 5)

3 Vgl. IWP (2003), Mineralölwirtschaftsverband (2001, 7), Erdmann (1998, 205)

4 aus: Erdmann (1995, 119)