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

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Wirtschaftswissenschaftliches Symbolverzeichnis

Naturwissenschaftliches Symbolverzeichnis

Energieeinheiten und Umrechnungen

1 Vorwort und Aufbau der Arbeit

2 Energie und ihre Facetten
2.1 Begriffsbestimmung und Formen von Energie
2.2 Energie aus naturwissenschaftliche Sicht – Erscheinungsformen der Energie
2.2.1 Die Hauptsätze der Thermodynamik
2.3 Energie aus technischer Sicht
2.4 Energie aus ökonomischer Sicht
2.5 Besonderheiten der Energiemärkte
2.6 Trends im Energiemarkt und wichtige Ergebnisse

3 Energieträger und Umwandlungssektoren
3.1 Fossile Primärenergieträger
3.1.1 Primärenergieträger Kohle
3.1.2 Primärenergieträger Erdöl
3.1.3 Primärenergieträger Erdgas
3.1.4 Schlussfolgerungen Fossile Energieträger
3.2 Kernenergie
3.2.1 Kernspaltung
3.2.2 Kernfusion mit magnetischem Einschluss
3.3 Erneuerbare, regenerative Energien
3.3.1 Windkraft
3.3.2 Wasserkraft
3.3.3 Biomasse
3.3.4 Solare Energie
3.3.4.1 Photothermik (Solarwärme)
3.3.4.2 Photovoltaik (Solarstrom)
3.4 Schlussfolgerungen: erneuerbare Energien
3.5 Neue Konzepte: Wasserstoff und die Brennstoffzelle

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

5 Energieökonomik - Die Energienachfrage
5.1 Energienachfrage, wirtschaftliche Entwicklung und Energiepreise
5.2 Energienachfrage und Strukturwandel
5.3 Determinanten der Energienachfrage
5.3.1 Der Energiepreis
5.3.2 Globales Wirtschaftswachstum
5.3.3 Bevölkerungswachstum
5.4 Schlussfolgerungen

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

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

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

9 Schlussfolgerungen und Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1 Schema für ein mögliches Energieflussbild

Abb. 2.2 Reserven und Ressourcen

Abb. 2.3 Frequenzspektrum mit zugehörigen Wellenlängen

Abb. 2.4 Verfahren der technischen Energieumwandlung

Abb. 2.5 Energieverluste in der Wertschöpfungskette

Abb. 3.1 Anteile der Energieträger am Weltenergiekonsum

Abb. 3.2 Aufteilung in Sektoren

Abb. 3.3 Regionale Verteilung

Abb. 3.4 Kohlekraftwerk

Abb. 3.5 Anteil der Kohle an der Stromerzeugung

Abb. 3.6 Reserven der Kohle

Abb. 3.7 Funktionsweise Raffinerien

Abb. 3.8 Entwicklung der Rohölpreise

Abb. 3.9 Aufteilung der weltweiten Erdölreserven

Abb. 3.10 Weltergasreserven

Abb. 3.11 Reichweiten der konventionellen (fossilen) Energieträger in Jahren

Abb. 3.12 Weltweite Nachfrage nach Kernenergie für die Elektrizitätsversorgung

Abb. 3.13 Kernenergiepolitik europäischer Länder

Abb. 3.14 Vergleich des Transportaufkommens für unterschiedliche Energieträger

Abb. 3.15 Various forms of renewable energy

Abb. 3.16 Horizontalachsenkonverter

Abb. 3.17 Laufwasserkraftwerk

Abb. 3.18 Wasserspeicherkraftwerk

Abb. 3.19 Turbinen für die Wasserkraft

Abb. 3.20 Potentiale der Wasserkraft nach Kontinenten

Abb. 3.21 Flachkollektoren

Abb. 3.22 Röhrenkollektoren

Abb. 3.23 Deckungsgrad eines Einfamilienhauses bei der Warmwassererzeugung

Abb. 3.24 Solarturmkraftwerk

Abb. 3.25 Aufbau einer Solarzelle (Wafer)

Abb. 3.26 Diode

Abb. 3.27 Schema zukünftiger PV-Kraftwerke

Abb. 3.28 Weltweite Potentiale an erneuerbare Energien

Abb. 3.29 Brennstoffzelle

Abb. 3.30 PEM-Brennstoffzelle

Abb. 4.1 Veränderung der Anteile der Primärenergieträger am Weltenergiekonsum

Abb. 4.2 Veränderung der Einsatzverhältnisse in der Elektrizitätswirtschaft

Abb. 4.3 Weltweite Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien

Abb. 4.4 Investitionskosten

Abb. 4.5 Stromgestehungskosten

Abb. 4.6 Kurzfristige Grenzkosten im deutschen Strommarkt

Abb. 4.7 Erntefaktoren und kumulierter Primärenergieaufwand

Abb. 4.8 Kumulierte Emissionen

Abb. 4.9 Gesundheitsrisiken verschiendener Stromerzeugungstechnologien

Abb. 4.10 Treibhauseffekt

Abb. 4.11 Entwicklung der CO2-Emissionen in ausgewählten Regionen

Abb. 4.12 Direkte CO2-Emissionen bei fossilen Brennstoffen in kg pro GJ

Abb. 4.13 Externe Kosten bei der Stromerzeugung (BRD)

Abb. 4.14 Externe Kosten bei Stromerzeugung (EU) in €-Cent/ kWh

Abb. 4.15 Ökobilanzierung von Fahrzeugantrieben

Abb. 4.16 Innovationsaktivität im Energiemarkt

Abb. 4.17 Strukturwandel des weltweiten Primärenergiesytems

Abb. 5.1 Entwicklung des Ölpreises im Vergleich zum Wirtschaftswachstum

Abb. 5.2 GDP top 20 Ranking 2002

Abb. 5.3 (Reales) GDP Wachstum

Abb. 5.4 Weltbevölkerung 2000 und 2300

Abb. 6.1 Energiemodelle

Abb. 7.1 Arbeitsweise TIMES

Abb. 7.2 Referenzenergiesystem

Abb. 7.3 RES für die Energienachfrage privater Haushalte

Abb. 7.4 Investitionen vor dem Modellzeitraum

Abb. 7.5 SETs der Modellierung des Zeithorizontes

Abb. 7.6 Time Slices

Abb. 7.7 Zubauperioden und Alterung

Abb. 7.8 Regionale Austauschprozesse

Abb. 7.9 Wirkungsgrade in TIMES

Abb. 7.10 Modellierung der Verfügbarkeit von NCAP

Abb. 7.11 Verteilung der Investitionskosten bei kleinen Investitionen

Abb. 7.12 Verteilung der Investitionskosten bei großen Investitionen

Abb. 7.13 Gütermarktgleichgewicht und elastische Nachfrage

Abb. 8.1 Monopol

Abb. 8.2 Erfahrungskurve (ETL)

Tabellenverzeichnis

Tab. 8.1: Determinanten der Energiepreise

Tab. 8.2: Technologiekennzahlen

Wirtschaftswissenschaftliches Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Naturwissenschaftliches Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Andreas Pyka und Herrn Prof. Horst Hanusch (Univ. Augsburg, Lehrstuhl für Volkswirtschaftslehre), die mir das Thema gestellt und mir von Anfang an beratend und fördernd zur Seite gestanden haben. Außerdem danke ich Herrn Dr. Thomas Hamacher (MPG IPP), der mich bei der Analyse und Interpretation des Modells TIMES als auch bei naturwissenschaftlichen Fragestellungen stets unterstützte und mir neue Denkimpulse gab. Ebenfalls bin ich Herrn Dr. Christian Eherer für seine Einführung in und Unterstützung bei TIMES sehr verbunden.

2 Energie und ihre Facetten

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]

2.1 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Schema für ein mögliches Energieflussbild^[4]

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Reserven und Ressourcen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ressourcen werden zu Reserven bei verbesserten Fördertechnologien, die wiederum vom technischen Fortschritt (und Innovationen) im Energiemarkt abhängen. Der Vergrößerung der Reserven steht aber auch eine Verringerung durch deren Abbau und Konsum gegenüber. In den letzten Jahren sind die Reserven stetig gestiegen. Die Reichweite (Nutzungsdauer) gibt an, in wie vielen Jahren die Reserven oder Ressourcen des jeweiligen fossilen Energieträgers bei dem aktuellen Verbrauch erschöpft sein werden. Die statische Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ist eine Momentaufnahme in einem dynamischen System. Sie ist insbesondere vom technischen Fortschritt und der Nachfrage abhängig. In den nächsten 40 Jahren ist mit keinem Engpass zu rechnen. Allerdings ist jede Tonne Erdöläquivalent (toe), die wir heute nutzen, unwiederbringlich verloren.^[5]

2.2 Energie aus naturwissenschaftliche Sicht – Erscheinungsformen der Energie

Energie tritt im naturwissenschaftlichen Kontext in verschiedenen Formen auf. Die physikalische Grundeinheit für Energie ist das Joule [J]:

1 Joule = 1 Newton · 1 Meter = 1 kg · m² /s² = 1 Watt · Sekunde

Dahingegen wird die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit als „Leistung“ bezeichnet und in Watt [W] oder Kilowatt [kW] gemessen.

1 kW = 1000 J/s 1 W = 1 V·A 1 kWh = 3600 kWs = 3,6E+06 J

Ein Kilowattjahr [kWa] entspricht 365·24 = 8760 kWh, ein Terrawattjahr [TWa] 1E+09 kWa oder 31,54E+18 J.

Für die einzelnen Erscheinungsformen der Energie haben sich jeweils typische Einheiten eingebürgert. Als Wärme Q (thermische Energie; J, kWh, cal) bezeichnet man die Energie der untergeordneten Bewegung der Moleküle bzw. Atome aller Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig). Bei -273°C befinden sich alle Atome in Ruhe – mit zunehmender Temperatur (zunehmender Zuführung von Energie) geraten sie mehr und mehr in Bewegung. Die mechanische Bewegungsenergie (kinetische Energie; J, eV) Ekin = ½·m·v2 beschreibt die Bewegung von Körpern der Masse m und der Geschwindigkeit v. Die Energie des Windes oder fallenden Wassers wären ein Beispiel für kinetische Energie. Die mechanische Ruheenergie Epot = m·g·h (potentielle Energie; J, eV) ist eine Energie, die ein Körper durch Bewegung entgegen anziehender Kräfte in einem Gravitations- oder elektromagnetischen Feld angenommen hat und so zur „Rückumsetzung“ bereitsteht. Ein Beispiel hierfür ist die fast unendliche potentielle Energie der Wassers der Ozeane, wenn am sie zusammen als riesigen Stausee betrachtet. Als Energie des elektrischen Stroms [Ws, kWh] bezeichnet man das Produkt aus Stromstärke (Ampere), Spannung (Volt) und Zeit. So verbrauchen 10 Glühbirnen à 100 W bei 220 Volt (1000/220 ≈ 4,5 Ampere) bei einer Stunde Betrieb eine „elektrische“ Energie von 1 kWh bzw. 3,6E+06 J. Elektrizität hat die Entwicklung im 20. Jahrhundert revolutioniert. Strom ist eine Energieform, die leicht und effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Der Nachteil ist die schlechte Speichermöglichkeit für Elektrizität. Die Energie der elektromagnetischen Strahlung ist den elektromagnetischen Wellen zugeordnet. Ein Beispiel hierfür wären Radiowellen (Anwendungen wie Rundfunk), Infrarot (Anwendungen wie Fernbedienungen, Datenkommunikation) oder Mikrowellen (Standards wie UMTS, GSM, DECT, Bluetooth, W-LAN oder Anwendungen wie Handys, Autoschlüssel, Mikrowellengeräte, mobile Geräte, Netzwerke, etc.).

Energie der elektromagnetischen Strahlung ist eine Schlüsselenergie des menschlichen Lebens, da die Sonnenenergie in dieser Form auf die Erde gelangt (vgl. Abschnitt 4.2.2.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 Frequenzspektrum mit zugehörigen Wellenlängen^[6]

Als Bindungsenergie allgemein versteht man eine Energie, die aufgebracht werden muss, um ein gebundenes System wieder in ihre einzelnen Konstituenten zu trennen. Die chemische Bindungsenergie tangiert die Bindungsenergie von Atomen zu Molekülen. Zerlegt man beispielsweise CO2 in seine Bestandteile C und O2, so sind dafür 4,2 eV nötig. Für die biologische Sicht der chemischen Bindungsenergie spielen die Photosynthese und die Zellatmung eine zentrale Rolle. Durch Photosynthese wird die Energie der Sonneneinstrahlung für das Aufbrechen von CO2 und H2O genutzt, um diese zu Kohlenwasserstoff-Verbindungen (wie Kohlehydrate) mit einer höheren Bindungsenergie unter Sauerstoff-Freisetzung umzuwandeln.^[7] Pflanzen wandeln so die Lichtquanten in chemische Energie um und speichern sie als Zucker. Bei Mensch und Tier ist der Atmungsprozess die Umkehrung der Photosynthese: Die vom Zucker gespeicherte Sonnenenergie wird wieder frei gesetzt. Dabei wird Adenosin-Triphosphat (ATP), ein energie reiches Molekül gebildet, die Grundlage allen irdischen Lebens.^[8] Diese Vorgänge in Lebewesen wiederholt der Mensch mittels Wissenschaft und Technik in anderer Form zur Produktion von Gütern und Dienstleistungen, indem er die von Sonne und Photosynthese erzeugten Brennstoffe wie Biomasse, Kohle oder Erdöl benutzt. Analog beschreibt die nukleare Bindungsenergie die Bindung von Kernbestandteilen (Protonen und Neutronen) unter dem Einfluss der starken Wechselwirkungen zu Atomkernen. Die Bindungsenergie für mittelschwere Kerne (wie Eisen) ist am höchsten.

Durch die Spaltung eines schweren Kerns in zwei mittelschwere (Kernspaltung) oder durch die Verschmelzung zweier leichter Kerne zu einem schwereren (Kernfusion) wird folglich Energie frei.

Die aufgeführten Energieformen können durch Umwandlungsprozesse (meist verbunden mit Energieverlusten) in Arbeit transformiert werden. So kann durch einen Stausee die potentielle Energie in Rotationsarbeit einer Turbine umgesetzt werden, durch Wind (kinetische Energie) ein Rotorblatt in Bewegung gesetzt werden, das einen Generator antreibt, u.v.m.^[9]

2.2.1 Die Hauptsätze der Thermodynamik

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Obige Beispiele und Ausführungen können auch ein wesentliches physikalisches Grundgesetz veranschaulichen: das Gesetz der Energieerhaltung. Innerhalb eines abgeschlossenen Systems kann Energie weder erzeugt, noch vermindert werden. Die Gesamtenergie bleibt konstant, auch wenn sich die Energieform dabei ändert. Bei offenen Systemen treten Verluste ein, die allerdings wiederum Energie (z.B. in Form von Wärme) enthalten.

Der Physiker James Joule entdeckte die Beziehung zwischen mechanischer („ordentlicher“) und thermischer („unordentlicher“) Energie: erstere kann vollständig in letztere umgewandelt werden (1J = 0,2388 cal.); umgekehrt ist diese Vollständigkeit nicht gegeben. Bezeichnet man die arbeitsfähige Energie mit Exergie, den Rest mit Anergie, so kann der erste Hauptsatz verstanden werden, dass die Summe aus Exergie und Anergie die Gesamtenergie ist und immer konstant bleibt.

Im Gegensatz zum Sprachgebrauch handelt es sich eigentlich nicht um einen Energie verbrauch, sondern vielmehr um eine Umwandlung. So wird die chemische gebundene (potentielle) Energie in fossilen Primärenergieträgern in kinetische umgewandelt. „Verbraucht“ wird dabei nur der Träger, in dem die potentielle Energie gespeichert ist.

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gibt es viele unterschiedliche Versionen in der Literatur. Er besagt allgemein, dass Exergie in einem geschlossenen^[10] System tendenziell abnimmt. Der Tendenz nach wird alle kinetische und potentielle Energie (mechanische Energie) in thermische Energie (Wärme) umgewandelt (Gesetz der Entropiezunahme). Der zweite Hauptsatz verbietet die vollständige Umwandlung von Wärme in Arbeit. In anderen Worten: Exergie geht bei jedem Prozess zumindest partiell in Anergie über. Die Unordnung (Entropie) nimmt dabei in Form von Emissionen (Wärme- und Stoffströme) zu und die Nutzbarkeit der Energie nimmt ab. Durch die Wärmeabstrahlung in den Weltraum wird die produzierte Entropie entsorgt, solange unser Ökosystem nicht gestört wird (vgl. Treibhauseffekt Abschnitt 4.2.2.2).^[11]

Die wesentliche Aussage des zweiten Hauptsatzes ist also, dass Leben und die dafür notwendige Befriedigung von Bedürfnissen unumgänglich mit der Entwertung von arbeitsfähiger Energie und verfügbarer Materie (Stoffdissipation) verbunden ist.^[12] Dabei wird die Entropie erhöht – die Unordnung nimmt zu. Lebewesen erhalten oder erhöhen ihren Ordnungszustand durch arbeitsfähige Energie aus ihrer Umgebung, z.B. durch die Aufnahme von Nahrung.^[13] Die durch Umwandlung von Energie entstehenden Energieverluste verursachen demnach eine Zunahme der Entropie (im geschlossenen System). Beide Hauptsätze können zusammengefasst werden: „Alle natürlichen und technischen Prozesse sind mit Energieumwandlung und Entropieproduktion verbunden.“^[14]

2.3 Energie aus technischer Sicht

„Die technische Betrachtungsweise der Energie besteht darin, ein in der Natur vorkommendes Energiepotential zu erschließen, es gegebenenfalls zu manipulieren und schließlich zur Verrichtung nützlicher Dinge einzusetzen.“^[15] Somit ist Energie aus technischer Sicht an zwei Voraussetzungen gebunden: zum einen muss umwandelbare Energie vorhanden, zum anderen müssen Verfahren beherrschbar sein, um die Energie freisetzen zu können.

So wird ein Stoff (bspw. Uran) erst dann ein Energieträger, wenn das Know-how und die Bereitschaft gegeben sind, die darin gespeicherte Energie (bspw. nukleare Bindungsenergie) nutzbar zu machen (bspw. durch Kernspaltung). Für die technische Nutzung muss Energie in transienter Form vorliegen, wie bei Wasser- oder Windkraft. In den meisten Fällen – wie bei fossilen Energieträgern – sind oft mehrere Umwandlungsschritte notwendig (bspw. Raffinerien).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4 Verfahren der technischen Energieumwandlung^[16]

Hierbei treten gemäß des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik Energieverluste auf. Die verbleibende Energie nach der Umwandlung ist also geringer als die eingesetzte Energie. Ein Maß für Umwandlungsverluste stellt der energetische Wirkungsgrad dar: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Der Wirkungsgrad einer Anlage gibt an, zu wie viel Prozent die eingesetzte in die gewünschte Energie umgewandelt wurde. In Kraftwerken werden ca. 40 Prozent der in Form von Kohle, Öl oder Gas eingesetzten Energie in Strom umgewandelt, der Rest geht als Abwärme verloren. Beim Stromtransport vom Kraftwerk zum Haushalt treten weitere Verluste in Höhe von etwa 5 Prozent auf. Eine Glühbirne setzt beispielsweise 5 Prozent des verbrauchten Stroms in Licht um.^[17] Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich als Produkt der einzelnen Umwandlungswirkungsgrade: 0,35 x 0,95 x 0,05 ≈ 1,7 Prozent. Im Beispiel werden demnach nur 1,7 Prozent der eingesetzten Primärenergie wirklich genutzt.

Bessere Wirkungsgrade sind unter anderem durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und technische Maßnahmen (durch technischen Fortschritt) zu erreichen.^[18]

Sieht man sich die gesamte Nutzenergie im Verhältnis zur eingesetzten Primärenergie an, so stellt man fest, dass etwa ⅔ der Primärenergie bei der Umwandlung in Form von Abwärme verloren geht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5 Energieverluste in der Wertschöpfungskette^[19]

Aus thermodynamischen Gründen gibt es bei bestimmten Formen der Energieumwandlung erhebliche Verluste. Dazu gehören Carnotsche Wärmekraftmaschinen, bei denen thermische in mechanische Energie umgesetzt wird.

Carnot’scher Wirkungsgrad ωmax = geleistete Arbeit / Wärmezufuhr bei hoher Temperatur bzw. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten= 1 – Tmp0/ Tmp1, wobei Tmp0 die Ausgangstemperatur, Tmp1 die Dampf-Eingangstemperatur in °Kelvin ist.

Beispielsweise beträgt bei einem thermischen Kraftwerk die Eingangstemperatur 300°C und die Ausgangstemperatur hinter dem Generator 20°C. So ergibt sich ein maximal möglicher Wirkungsgrad ω = 1 – (293°K / 573°K) ≈ 49 Prozent. Heutige (Kohle-) Kraftwerke erreichen aber durchschnittlich global nur 32 Prozent.^[20]

2.4 Energie aus ökonomischer Sicht

Bei der Betrachtung der Energie aus ökonomischer Sicht steht der Energiepreis im Vordergrund – insbesondere seit den beiden Ölpreisschocks der 70er Jahre. Er unterscheidet sich nicht nur zwischen Energieträgern, sondern auch zwischen Abnehmern. Haushalte und Kleinverbraucher zahlen gewöhnlich mehr als (industrielle) Großabnehmer. Des Weiteren beschäftigt sich die Energieökonomik mit weitergehenden Fragen wie a) der Wirtschaftlichkeit von Energietechnologien und b) den Preisbildungsregeln auf den Energiemärkten.^[21]

Wirtschaftlichkeit von Energietechnologien

Die Höhe der Produktionskosten der einzelnen Energietechnologien bestimmen, ob die Technik eine Chance hat bzw. (bei vollkommenem Wettbewerb) konkurrenzfähig ist. Diese Diskussion ist vor allem bei neuen regenerativen Energien aktuell, die es derzeit schwer haben, sich gegen die billigen fossilen Energieträger (bei unvollkommenem Wettbewerb^[22]) durchzusetzen. Für eine derartige Wirtschaftlichkeitsrechnung müssen Daten wie Investitionskosten und Kapitalkosten, technische/ wirtschaftliche Nutzungsdauer, Finanzierungsart, Abschreibungsmethoden- und möglichkeiten, fixe und variable Betriebskosten, Steuern, Subventionen, Gewinnverteilung, etc. eruiert werden. Auch der Erntefaktor spielt eine wichtige Rolle. Er gibt die energetische Amortisationszeit eines Kraftwerkes in Jahren oder Monaten an. Er besagt demnach, wie lange es dauert, bis die Energie, die für den Bau eines Kraftwerkes oder einer Technologie allgemein benötigt wurde, wieder durch das neue Kraftwerk erzeugt wird.

Preisbildungsregeln auf den Energiemärkten

Diese industrieökonomische Disziplin der Energieökonomik versucht aus den beobachteten Preisbildungsregeln Aussagen über die zukünftige Entwicklung der Energiepreise, der Energienachfrage und der Technologien aufstellen zu können. Hierfür müssen zentrale Aspekte geklärt werden, wie die Fragen, wie viele knappe Ressourcen oder Produktionsfaktoren für die Erschließung neuer respektive für die Förderung alter Lagerstätten aufgewendet, wie viele Energiereserven für zukünftige Generationen reserviert, wie viele Ressourcen für den Umweltschutz eingesetzt oder wie viele knappe Produktionsfaktoren zur Substitution von Energieträgern durch neue effizientere Technologien und erneuerbare Energien verwendet werden sollen. Aus volkswirtschaftlicher Sicht sind alle Energieträger knappe Güter im doppelten Sinne. Zum einen sind fossile Energieträger endlich, zum anderen ist deren Erschließung mit Kosten durch den Einsatz der knappen Produktionsfaktoren Arbeit, Kapital, Energie (und Humankapital) verbunden. Aufgrund der Endlichkeit besteht der Marktpreis neben den Kosten auch aus der so genannten Knappheitsrente (vgl. Abschnitt 4.3.4).

Die Energienachfrage hängt allgemein primär vom Nutzen, den die Energie beim Konsum stiftet, ab. Solange der Vorteil der Energienutzung höher bewertet wird als die Opportunitätskosten des Energiebezugs, tritt eine Nachfrage nach Energie überhaupt in Erscheinung. Diese Überlegung ist wohl aufgrund des hohen Energieverbrauchs, insbesondere der Industrienationen, stets gegeben. Die Nachfrage kann im ökonomischen Sinne durch Preiserhöhungen reduziert werden. Im Energiemarkt sind allerdings Veränderungen der Gewohnheiten langfristiger Natur – die kurzfristige Preiselastizität ist daher sehr gering (vgl. Kapitel 5). Das Energieangebot kann verknappt oder auch ausgedehnt werden. Ersteres beispielsweise durch die Drosselung der Ölförderung durch die OPEC, letzteres unter anderem durch den beschleunigten Abbau vorhandener oder durch die Erschließung neuer Lagerstätten. Auch Wirkungsgradverbesserungen bei der Erschließung und Umwandlung können das aggregierte Energieangebot ausweiten, ebenso langfristig das (zusätzliche) Angebot an erneuerbaren Energien.

2.5 Besonderheiten der Energiemärkte

Es würde wohl keine eigenständige Disziplin „Energieökonomik“ geben, wenn die Märkte perfekt wären. Statische Allokationseffizienz und Pareto-Optimalität sind in der Energiebranche selten gegeben. Die Tendenz zu (natürlichen) Monopolen und Oligopolen ist im Energiemarkt sehr häufig. Insbesondere bei leitungsgebundenen Dienstleistungen sind die Markteintrittsbarrieren für Newcomer und alternativen Energiesystemen (wie erneuerbare Energien) sehr hoch. Fehlender Konkurrenzdruck birgt die Neigung zu überhöhten Kosten und ineffizienter Allokation. Investitionen im Energiemarkt sind stets langfristiger Natur.

Lange Vorlauf- und Nutzungszeiten schränken die Flexibilität ein. Da keine perfekte Voraussicht herrscht und Investitionen meist sehr kapitalintensiv und irreversibel sind, können auch Unter- und Überkapazitäten aufgrund von langfristigen Lieferverträgen die Folge sein. Andererseits ist die Nachfrage relativ träge gegenüber makroökonomischen Schocks. Energiemärkte besitzen den Charakter von Infrastruktureinrichtungen. Ein Versorgungsengpass oder gar ein Zusammenbruch wie etwa der Stromausfall in den USA hat weitreichende Folgen für Wirtschaft und Gesellschaft. Dies wird verschärft durch die ungleichmäßige Verteilung der fossilen Energieträger, was viele Industrienationen meist abhängig von ölreichen Staaten macht. Eine weitere Besonderheit des Energiemarktes ist die Endlichkeit einer „Produktpalette“ – der fossilen Energieträger. Dies wirft die Frage auf, wie viel zukünftigen Generationen reserviert werden sollte, um der intertemporalen Generationengerechtigkeit nachzukommen. Auch Schadstoffemissionen sind im Kontext der nachhaltigen Entwicklung zu sehen. Keine andere Branche hat derart negative Einflüsse auf die Umwelt. Das Energieproblem besteht nicht vorrangig in der Versorgung, sondern in der Entsorgung von Abfällen und Emissionen. Durch die Inanspruchnahme von Energie und der daraus meist resultierenden Emissionen (Entropiezunahme) nimmt der Mensch Einfluss auf das Ökosystem. Energie, insbesondere durch den Ausstoß von Kohlendioxid, ist mutmaßlich hauptverantwortlich für den anthropogenen Treibhauseffekt. Auch Wasserverunreinigungen, Umweltbelastungen des Bodens, Lärm oder Landschaftszerstörungen sind die Folge der (technischen) Energienutzung. Gefahren für Mensch, Tier, Pflanzen und Klima sind das Resultat und belasten zukünftige Generationen. Die Umweltpolitik plädiert daher seit längerem für eine Internalisierung dieser negativen externen Effekte durch beispielsweise einen Handel mit Treibhausgasemissionsberechtigungen oder durch fiskalpolitische Instrumente wie Steuern oder Abgaben. Das größte Problem hierbei ist, dass die zentrale Voraussetzung die Kenntnis über die Höhe der externen Kosten – also der Preis für die Umweltbelastung – ist. In der Theorie gibt es hierfür mehrere Ansätze, um diese Kosten zu eruieren. In der Praxis allerdings sind diese Werte sehr kritisch zu sehen, da sich ein Ökosystem nun mal schlecht monetär bewerten lässt. Nicht zu vernachlässigen sind in diesem Kontext Unfälle mit zum Teil katastrophalen Folgen (wie Tschernobyl). Aufgrund der derzeit niedrigen Energiepreise wird Energie weder sparsam, noch rationell eingesetzt. Das heutige Wohlstandniveau könnte auch durch weniger Energieeinsatz (und somit weniger Umweltbelastung) erreicht werden.

Aus den vorstehenden Argumenten wird klar, dass Energiemärkte zu Pareto-ineffizienten Strukturen neigen. Man spricht daher von Marktversagen. Der Staat könnte dieses korrigieren, indem er sich für eine ausgewogene, sichere, wirtschaftliche und umweltverträgliche Energieversorgung einsetzt.

Instrumente wie Preisaufsicht, Genehmigungen, Steuern & Subventionen sowie Eingriffe bei Absprachen wären geeignete Instrumente. Das Einschreiten des Staates setzt allerdings voraus, dass er über die erforderlichen Informationen verfügt. Daher muss hierbei auch auf die Theorie des Staatsversagens hingewiesen sein. Der Trend der Deregulierung und Liberalisierung der Energiemärkte mag ein erster Schritt sein, Ineffizienzen zu minimieren.

2.6 Trends im Energiemarkt und wichtige Ergebnisse

Heute werden weltweit jährlich 400 EJ an Energie verbraucht. Dabei unterscheidet sich der Pro-Kopf-Verbrauch zwischen Industrienationen (insbesondere in den USA) und Entwicklungsländern enorm. Heute geht nicht nur 70 Prozent an Energie bei Umwandlungsprozessen verloren, auch wird mit ihr (insbesondere mit Strom) verschwenderisch umgegangen. Energie könnte effizienter eingesetzt und genutzt werden.^[23] Der Gesamtenergieverbrauch gemessen an Primärenergie ist in den letzten Jahren stetig gestiegen, insbesondere durch die Verlagerung der Wertschöpfung in den tertiären Sektor. Mit ihm auch die Emissionen – insbesondere CO2. In Entwicklungsländern ist wegen des zu erwartenden starken Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstums mit einer starken Zunahme der Energienachfrage zu rechnen. Aufgrund der ansteigenden klimaschädlichen Emissionen ist in letzter Zeit ein zunehmender politischer Druck entstanden. Klimapolitik und Sensibilisierung der Bevölkerung hinsichtlich ökologischer Aspekte waren in vielen westlichen Industrienationen^[24] oftmals erfolgreich. Seit den Ölpreisschocks der 70er Jahre hat sich die Energieeffizienz gesteigert, da innovative Energieprodukte eingeführt wurden. Im Elektrizitätssektor sind fallende, aber volatile Strompreise zu verzeichnen. Ausschlaggebend ist die zunehmende Deregulierung und Liberalisierung nach EU-Richtlinien, was zur Erhöhung der Flexibilität und Transparenz der Märkte beiträgt. Aufgrund der dadurch sinkenden Markteintrittsbarrieren können vor allem im Gas- und Strommarkt Konsolidierungstendenzen/ Fusionen beobachtet werden.

Eine ausführliche Darstellung bieten die Kapitel drei, vier und fünf dieser Arbeit.

3 Energieträger und Umwandlungssektoren

Alle Energieträger lassen sich auf vier Grundformen zurückführen: (a) die Gravitation zwischen Erde, Sonne und Mond, die die Gezeiten hervorruft, (b) die Wärme aus dem Erdinneren, die zum größten Teil aus dem laufenden Zerfall radioaktiver Atome stammt, (c) die Kernenergie in Form von Kernspaltung und -fusion und (d) die Sonnenenergie, die wieder in zwei Gruppen geteilt ist: (i) die im Laufe von vielen Millionen Jahren gespeicherten Energien in Form von Kohle, Öl und Gas und (ii) die sich laufend aus dem Energiestrom der Sonne zur Erde erneuernden Energien: Photovoltaik, Wasser, Wind, Biomasse, Wellen, Umgebungswärme, etc.. Regenerative Energien sind grundsätzlich alle Formen der Sonnenergie [ii], Gezeitenenergie und Erdwärme. Nicht regenerativ sind Kohle, Öl, Gas („fossile Energien“) und Kernenergie, obwohl letztere für unsere Bedürfnisse ebenfalls praktisch unerschöpflich ist.^[25]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Anteile der Energieträger am Weltenergiekonsum^[26]

Der globale konventionelle und unkonventionelle Primärenergiebedarf beträgt jährlich etwa 10.000 Mtoe (≈ 400 EJ ≈ 1,1E+14 kWh ≈ 13 TWa);^[27] circa 50 EJ davon für Elektrizität, 80 EJ für Verkehr^[28]. Dominant ist weiterhin Erdöl (35 Prozent), Kohle und Gas (beide jeweils 22 Prozent). Diese fossilen Energien haben einen Anteil von etwa 80 Prozent, die Kernenergie von etwa 6 Prozent, die erneuerbaren etwa 12 Prozent. Bei einer Weltbevölkerung von 6,3 Milliarden Menschen ergibt dies einen Wert von 1,5 toe (≈ 65 GJ) pro Person jährlich (50 kWh täglich). Die regionale Verteilung verdeutlicht Abbildung 3.1. Den Anteil der Sektoren am Primärenergieverbrauch spiegelt Abbildung 3.2. wider.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Aufteilung in Sektoren^[29] Abbildung 3.3: Regionale Verteilung^[30]

60 Prozent der weltweit konsumierten Energie entfällt auf die OECD-Staaten.^[31]

3.1 Fossile Primärenergieträger

Kohle, Erdöl und Erdgas sind Produkte der Natur. Sie lagern unter der Erdoberfläche und werden durch Schürfen, Graben oder Bohren Zutage gefördert. Dort werden sie zur Energiegewinnung roh oder in veredelter Form verbrannt. Man nennt sie daher natürliche, fossile Brennstoffe (fossiles [lat.] = ausgegraben) oder nicht-erneuerbare/ nicht-regenerative Energien, denn die Vorräte sind endlich. Der konventionelle und unkonventionelle Weltenergiebedarf wird heute zu etwa 80 Prozent aus fossilen Energiequellen gedeckt; der konventionelle zu über 90 Prozent.^[32] Im Verkehrssektor (individuelle Mobilität) haben fossile Energieträger ein Anteil von knapp 100 Prozent.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts ist der prozentuale Anteil der fossilen Energierohstoffe am Energieverbrauch zwar geringfügig, aber stetig zurückgegangen. Zunächst bedingt durch Strom aus Wasserkraft, seit den 60er Jahren auch wegen Strom aus Kernkraft. Der Anteil und die Zusammensetzung der Energieträger am Energieverbrauch (Energiemix) haben sich im Laufe der Zeit deutlich verändert. Kohle beherrschte bis Mitte des letzten Jahrhunderts den Energiemarkt; sie wurde in den 50er Jahren durch Erdöl und später auch durch Erdgas abgelöst.^[33]

3.1.1 Primärenergieträger Kohle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die älteste Technik der Energiegewinnung im kommerziellen Sinn ist Kohleverbrennung. Kohle – die Ressource des Nordens^[34] – ist die zusammenfassende Bezeichnung für alle kohlenstoffreichen festen Brennstoffe, die durch (thermische) Zersetzung („Verkohlung“) organischer Stoffe entstanden sind. Abgeschlossen von Luft und unter hohem Druck wurde aus abgestorbenem organischen Material im Laufe der Jahrmillionen erst Torf, dann Braun-, später Steinkohle. Braunkohle ist etwa 40-50 Mio. Jahre alt (60- 70 Prozent C-Gehalt). Aus der im Tagebau abgebauten Braunkohle werden durch Vergasen und Verschwelen die wertvollen Bestandteile gewonnen, die man zu Ölen oder Benzin weiterverarbeitet. Der übrig bleibende so genannte Schwelkoks gilt als wertvoller Brennstoff. Die Steinkohle mit einem Kohlenstoffanteil von 70- 90 Prozent ist ca. 250- 280 Mio. Jahre alt und entstand in den Epochen von Jura (vor 190 Mio. Jahren) bis Karbon (vor 345 Mio. Jahren). Je nach Kohlenstoffgehalt werden die verschiedenen Arten der Steinkohle unterschieden: Anthrazit gehört zur Gruppe der Steinkohle und besitzt einen Kohlenstoffanteil von 90- 99 Prozent; Diamant hat einen Anteil von 100 Prozent. Je höher der Gehalt an kohlenstoffartigen Verbindungen, desto höher der Brennwert.^[35]

Die Entwicklung der Kohleindustrie begann im 18. Jahrhundert, als der Energieträger Holz der wachsenden Energienachfrage im Zeitalter de Industrialisierung nicht mehr gerecht werden konnte. Damalige Schlüsseltechnologien wie die Dampfmaschine wurden mit Kohle betrieben und lösten somit einen dynamischen Feedback-Prozess zwischen Technologien zur Energienutzung und Technologien zur Energiegewinnung aus. Mit dem Vordringen der Mineralölprodukte wurde die Kohle in den 50er Jahren aus den Energiemärkten der westlichen Welt verdrängt. Erst zu Beginn der 80er erlebte die Kohleindustrie wieder eine Renaissance: Bedingt durch die hohen Erdölpreise und den technischen Fortschritt in der Kohleförderung erfuhr Kohle als Energieträger einen Boom. Heute beschränkt sich ihr Einsatz auf die Stromerzeugung sowie auf die Stahl- und Eisenherstellung.^[36] Seit 1920 hat sich der Einsatz von Kohle verdreifacht – der Anteil an der gesamten Energieerzeugung allerdings von 4/5 auf 1/4 reduziert.^[37]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Kohlekraftwerk^[38]

Zunächst wird die Kohle fein gemahlen, bevor sie zusammen mit vorgeheizter Luft in den Kessel eingeblasen und verbrannt wird. Der Kesselraum ist mit Rohren ausgekleidet, die mit reinstem demineralisierten Wasser gefüllt sind. Bei einer Verbrennungstemperatur von etwa 1600 °C entwickelt sich daraus in den Rohren Wasserdampf. Der Dampf trifft mit einer Temperatur von ca. 540 °C und einem Druck von 180 bar auf die Schaufeln der Turbine. Deren Rotationsenergie wird auf einen Generator übertragen, der elektrische Energie erzeugt. Die Turbine dreht sich mit 3000 Umdrehungen pro Minute, also 50 pro Sekunde (Frequenz des Wechselstroms (50 Hz)).

Der größte Nachteil der Kohle sind die mit ihr verbundenen Emissionen, die praktisch alle Bereiche des Ökosystems tangieren. Neben Staub, Schwermetallen, NOx oder SO2 ist es vor allem das CO2, das maßgeblich für die globale Erwärmung verantwortlich ist. Kein anderer Energieträger emittiert derartig viel Kohlenstoffmonoxid wie Kohle: sie produziert zweimal soviel CO2 wie Erdöl oder –gas bei gleicher Exergie.^[39] 25 Prozent der gesamten globalen CO2-Emissionen sind auf die Verbrennung von Kohle zurückzuführen.^[40] Zwar wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte bei der Emissionsreduzierung gemacht, allerdings nicht in erster Linie bei CO2. Handelbare Emissionszertifikate könnten hier Abhilfe schaffen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die bei der Verbrennung anfallende Asche (7 % der Kohle) ist bei den hohen Temperaturen flüssig und wird zur Abkühlung in ein Wasserbecken geleitet. Zur Reinigung durchströmen die heißen Abgase zunächst eine Anlage zur Rauchgasentstickung, in der die Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniakluftgemisch (NH3) vernichtet werden. Die anschließende Entstaubung^[41] findet durch einen Elektrofilter statt. Dessen Filtergut geht, da es zu einem Teil aus Kohlenstaub besteht, in den Feuerraum zurück. Die Gase werden dann durch eine Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) geführt, wobei das Schwefeldioxid unter Mitwirkung von Kalkstein oder Calciumoxid sowie Restsauerstoff als Gips gebunden wird. Hierbei entstehen zusätzlich große Mengen an Abwasser, die ebenfalls gereinigt werden müssen.^[42] Heutige Steinkohlekohlekraftwerke besitzen einen durchschnittlichen (globalen) Wirkungsgrad von 32 Prozent (moderne Anlagen sogar bis zu 44 Prozent) und produzieren dabei eine Leistung von 8,1 kWh pro kg Steinkohle^[43], also eine Energie von 29 MJ pro kg. Dabei werden jährlich etwa 2200 Mtoe Kohle weltweit verbraucht (~ 26000 TWh jährlicher Output; 22 Prozent des Weltenergieverbrauchs)^[44]. Der Preis pro Tonne Steinkohle liegt bei etwa 40 US-$.^[45] Weltweit ist die Kohle mit einem durchschnittlichen Anteil von 38 Prozent Energieträger Nr. 1 in der Stromerzeugung:^[46]

In vielen Ländern (USA, China, Indien u.a.) ist der Kohleanteil sogar deutlich höher. Die Hälfte des deutschen Stromverbrauchs im Jahre 2002 basierte auf Strom aus Kohle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: Anteil der Kohle an der Stromerzeugung^[47]

Der (europäische) Steinkohlemarkt ist geprägt durch Protektionismus: Zölle, Subventionen und Importkontingente verhindern einen gemeinsamen transparenten Weltmarkt. Neben vielen Industrienationen verfügen auch Entwicklungsländer über erhebliche Kohlevorkommen.^[48]

Am Energieinhalt gemessen ist Kohle der dominierende nicht-erneuerbare Energierohstoff mit Anteilen von ca. 80 Prozent an den fossilen Reserven und ca. 90 Prozent an den Ressourcen. Dabei haben Stein- und Braunkohle ähnliche Reserven und Ressourcen.^[49] Die gesamten Kohlereserven betragen etwa 1 Ttce (0,7 Ttoe): Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.6: Reserven der Kohle^[50]

Braun- und Steinkohle haben jeweils eine Reichweite von über 200 Jahren (Ressourcen von über 1200 Jahren). Daher wird wohl auch in Zukunft Kohle eine primäre Rolle bei der Energieversorgung spielen, obwohl Transport, Lagerung und Handhabung umständlicher sind als bei anderen fossilen Energieträgern. Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Kohlekraftwerke stellen Kombikraftwerke und Druckkohlenstaubfeuerung mit integrierter Kohlevergasung dar. Angestrebt sind Wirkungsgrade von 60 Prozent bei einer CO2-Abscheidung von 90 Prozent. Außer Strom soll auch Wasserstoff für andere Verwendungen wie z. B. der Brennstoffzelle im Straßenverkehr erzeugt werden. Die Stromkosten der neuen Technologie sollen nur 10 Prozent über den der heutigen Techniken liegen.^[51] Hoffnung setzt die Kohleindustrie immer noch in die Kohleveredelung: Durch Kohlevergasung oder –verflüssigung könnten Sekundärenergieträger entstehen, die das Erdöl substituieren.^[52]

3.1.2 Primärenergieträger Erdöl

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Erdöl, der wichtigste Primärenergieträger, ist aus tierischen und organischen Stoffen entstanden, die vor Jahrmillionen nach ihrem Absterben auf den Meeresboden sanken. Von den Sedimenten eingehüllt konnten diese nicht verwesen und somit Faulschlamm bilden. Bakterien und Enzyme wandelten diesen Schlamm unter hohem Druck und bei hoher Temperatur in einer Tiefe von 2000 bis 4000 Metern in die Stoffe des heutigen Erdöls um. Das von den einzelnen Bohrungen eines Feldes kommende Öl wird durch Rohrleitungen einer zentralen Sammelstelle zugeleitet. Von hier aus fließt es in den unter niedrigem Druck stehenden Gasabscheider. Durch Verwirbelung und Aufschlag auf Prallbleche wird das Öl in kleine Tröpfchen zerteilt, wodurch das Gas leichter entweichen kann. Nach diesem Vorgang kann das Erdöl nun zur Raffinerie befördert werden.^[53] Eine Erdölraffinerie ist ein Industriebetrieb, der aus dem Naturprodukt Erdöl durch Trennung (Destillation), Reinigung (Entschwefelung) und Veredelung (Reformierung) höherwertige Produkte (z.B. Benzin, Kerosin oder Heizöl) herstellt. Erdöl wird in der Raffinerie vor der Verarbeitung Rohöl und nach der Verarbeitung Mineralöl genannt.^[54] Das Rohöl wird auf 350°C erhitzt, dabei gehen alle Stoffe, deren Siedepunkt darunter liegt, in den gasförmigen Zustand über.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.7: Funktionsweise Raffinerien^[55]

In den Ölraffinerien wird das Rohöl bei verschiedenen Destillationstemperaturen u. a. in Benzin („erste Fraktion“), Diesel/ Heizöl und Kerosin zerlegt, aber auch in Gase, Schmierstoffe oder Bitumen. Dabei werden die Rückstände des ersten Destillationsturmes (Stoffe mit Siedepunkt bei über 360° C) an den zweiten Turm (Vakuumsdestillation) weitergeleitet.

Die seit 1859 existierende Mineralölindustrie expandierte im Verkehrssektor besonders stark aufgrund der im Jahre 1860 entwickelten Explosionsmotoren. 1870 begannen die USA mit der inländischen Erdölförderung, 1921 die arabischen Länder, 1973 Europa. Erdöl findet man vorwiegend im „Mittleren Osten“ (Iran, Saudi-Arabien), im Mittelmeerraum (Libyen), in Venezuela, in den USA, in Rumänien und in den ehemaligen Staaten der UdSSR. Um den Erdölpreis beeinflussen zu können, schlossen sich die wichtigsten Förderländer zusammen. Das 1960 in Bagdad gegründete Kartell OPEC^[56] mit Sitz in Wien hat heute einen Förderanteil von 40 Prozent (Tendenz steigend) der weltweiten Ölförderung mit einer Tagesförderung von etwa 3,5 Mtoe. Es besitzt über 75 Prozent der weltweiten Reserven an Rohöl. Die OPEC hatte zwar Öl, aber weder Zugang zu den Verbrauchern, noch die Technologien für die Veredelung – vica versa die OECD-Länder. Joint Ventures und ein internationales Handelssystem (Schaffung von Erdölmärkten und Terminbörsen) für Rohöl und Erdölprodukte war die nahe liegende Lösung, was stark zur Transparenz der Erdölpreise beitrug.^[57] Die OPEC-Länder verfügen über alle Voraussetzungen, um eine monopolistische Preispolitik ausüben zu können und die westliche Welt (OECD-Länder) in Abhängigkeit zu bringen. Die Ölpreisschocks der Jahre 1973 und 78, ausgelöst durch Produktionsunterbrechungen und Reduzierung der Fördermenge, stehen dafür Beispiel: die Erdölimportierenden Länder hatten mit Stagflation zu kämpfen. Andererseits zeigt der Preisverfall von 1986 auch, dass ein Kartellbruch zum einen nicht unwahrscheinlich ist, zum anderen dass dieser Bruch die Preise auf Wettbewerbsniveau drücken kann.^[58]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.8: Entwicklung der Rohölpreise^[59]

Der Preis für Erdöl unterlag starken Schwankungen. Heute liegt der Preis pro Barrel (=159 Liter) etwa bei 30 US-$. Es werden täglich 10 Mtoe Erdöl gefördert.^[60] Die Erdölpreise werden stark von der Disziplin des OPEC-Kartells abhängen. „Erdöl ist die Leitenergie der Weltwirtschaft, sein Preis die Referenzgröße für die Energiemärkte schlechthin.“^[61] Vom Erdölpreis wird daher indirekt die Wirtschaftlichkeit der nichtfossilen Energieträger beeinflusst.

Erdöl hat heute einen Anteil von etwa 35 Prozent am globalen Energiekonsum. Es ist nach wie vor führend im Verkehrssektor (~ 40 Prozent des geförderten Erdöls fließen in den weltweiten Verkehrssektor), als Rohstoff für die Petrochemie und als Grundstoff für eine große Palette von Produkten. Öl verteidigt mit leichten Verlusten seine Stellung im Wärmemarkt, während der Einsatz in der Elektrizitätserzeugung stark zurückgefahren wurde.^[62] Moderne Verbrennungsmotoren besitzen einen Wirkungsgrad von etwa 25 bis 30 Prozent.^[63] Der Energieinhalt beträgt 12 kWh pro kg Öl, also eine Energie von 43 MJ pro kg.^[64] Weltweit werden jährlich circa 3500 Mtoe Rohöl verbraucht.

Die Mineralölindustrie ist weltweit durch oligopolistischen Wettbewerb geprägt. Die OPEC-Förderländer, die über 3/4 der Erdölreserven verfügen, werden in naher Zukunft eine Monopolstellung einnehmen – unter der Voraussetzung, dass das Kartell ihre Disziplin beibehält. Insbesondere bei den Rohölreserven hält sich beharrlich das Vorurteil, die Vorräte seien in wenigen Jahrzehnten erschöpft. Dabei sind die Rohölreserven derzeit so hoch wie nie zuvor: Die weltweit nachgewiesenen und zu heutigen Preisen wirtschaftlich gewinnbaren Reserven liegen bei rund 140.000 Mtoe (1050E+09 Barrels). Legt man den heutigen weltweiten Verbrauch von 3500 Mtoe p.a. zu Grunde, ergibt sich eine rechnerische Reichweite der Rohölreserven von 40 Jahren. zwei Drittel der Erdölreserven befinden sich im Nahen Osten – ein Viertel alleine in Saudi-Arabien.

Die Reichweite von 40 Jahren wurde bereits schon vor 40 Jahren manifestiert. Von einem Mangel kann daher zurzeit keine Rede sein. Stetige Verbesserungen in Wirkungsgraden bei den Verbrennungsmotoren reduzieren zwar auf der einen Seite den Verbrauch, auf der anderen jedoch fragen insbesondere Entwicklungsländer mehr Erdöl nach. Auch die Anzahl der in Zukunft zugelassenen Kraftfahrzeuge wird drastisch steigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.9: Aufteilung der weltweiten Erdölreserven^[65]

Die unkonventionellen Erdölreserven (z.B. Ölschiefer, Teer- und Ölsand) und die konventionellen haben zusammen eine Reichweite von etwa 60 Jahren^[66] (- Reichweite der Ressourcen von über 100 Jahren). Die unkonventionellen Reserven sind relativ gleichmäßig über den Globus verteilt, sind jedoch heute weniger umweltverträglich und in der Förderung und Umwandlung unwirtschaftlich.^[67]

Die Vorteile des Öls gegenüber Kohle sind zum einen die höhere Energiedichte, zum anderen sind Transport, Lagerung und Handling einfacher und billiger. Die Verbrennung ist umweltschonender, die Märkte transparenter. Potentiale stecken vor allem in den Verbrennungsmotoren: Diese können noch erheblich verbessert werden hinsichtlich CO2-Ausstoß und Verbrauch.^[68] Die Abhängigkeit der westlichen Welt von „dem“ Primärenergieträger Erdöl bleibt weiterhin bestehen. Deshalb müssen alternative Antriebe und Energieträger im Verkehrssektor Einsatz finden. Batterie- und Hybridfahrzeuge, Verbrennungsmotoren mit alternativen Kraftstoffen wie Erdgas – all dies sind potentielle Innovationen. Die viel versprechende alternative Antriebstechnologie ist die Brennstoffzelle.

3.1.3 Primärenergieträger Erdgas

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erdgas galt lange als wertloses Abfallprodukt, das bei der Erdölgewinnung entstand („assoziiertes Erdgas“) und anschließend abgefackelt wurde. Die Erdgasindustrie ist älter als die Mineralölindustrie. 1825 wurde die erste Erdgasquelle in den USA erschlossen. Bis in die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts wurden Kokereigas und Raffineriegas (Abfallprodukt der Mineralölverarbeitung) vermarktet.^[69] Heute ist Erdgas weltweit der drittgrößte Energielieferant.

Die Entstehung von Erdgas ist ein natürlicher Vorgang, der vor ca. 15 bis 600 Mio. Jahren einsetzte und bis in die Gegenwart andauert. Ausgangsmaterial sind wie bei Kohle und Erdöl organische Substanzen sowohl pflanzlicher als auch tierischer Natur. Abgestorbene Mikroorganismen, Plankton und Algen, die sich auf dem Grund riesiger Ozeane ablagerten, wurden von undurchlässigen Gesteins- und Erdschichten (Sedimenten) überdeckt. Luftabschluss und hoher Druck des sich aufschiebenden Gebirges setzten dann einen langwierigen chemischen Prozess in Gang, in dessen Verlauf die organischen Substanzen über lange Zeiträume in gasförmige Kohlenwasserstoffe – Erdgas – umgewandelt wurden. Erdgas entstand aus dem Erdölmuttergestein; ist aber auch als Folgeprodukt der Steinkohle bekannt. Häufig tritt es zusammen mit Erdöl auf, da es auf ähnliche Weise entsteht. Der Begriff Erdgas umfasst alle gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus der Erde stammen und brennbar sind.

Erdgas ähnliche Gase (Sumpfgas, Faulgas) bilden sich aus Biomasse unterschiedlicher Art durch Fäulnisprozesse unter Einwirkung von Bakterien. Diese Gase erzeugt man auch synthetisch aus Abfällen der Landwirtschaft und nutzt sie wirtschaftlich (Sekundärenergieträger Biogas).

Chemische Analysen zeigen, dass sich Erdgas zum überwiegenden Teil (bis zu 99 Prozent) aus Methan (CH4) und zu einem geringen Anteil aus höheren Kohlenwasserstoffe und Spuren anderer Gase (N) zusammensetzt. Die chemische Zusammensetzung schwankt beträchtlich (L(ow)-Gas vs. H(igh)-Gas) – je nach Herkunftsland. Ein Hauptbestandteil ist aber immer Methan. Der Methangehalt ist zugleich das Qualitätskriterium von Erdgas: Je mehr Methan enthalten ist, desto höher die Qualität des Erdgases und desto höher sein Brennwert.^[70]

Erdgas ist ungiftig, geruchlos und leichter als Luft. Es ist energetisch besser nutzbar als flüssige Kraftstoffe und entzündet sich erst bei einer Temperatur von ca. 600° C (Benzin bei ca. 360° C). Andererseits sind die Förderung, der Transport und die Verteilung von Gas technisch sehr komplex, kapitalintensiv und gefährlich.^[71]

Der hohe Methan-Anteil bringt es mit sich, dass Erdgas von den fossilen Energieträgern den geringsten Kohlenstoffgehalt und den höchsten Wasserstoffgehalt aufweist. Auf Grund des hohen Wasserstoffanteils setzt Erdgas bei der Verbrennung nicht nur besonders hohe Energien frei, sondern emittiert auch weniger CO2 als die anderen fossilen Brennstoffe. Für das umweltfreundlichere Erdgas spricht auch sein Transport: Erdgas gelangt über ein unterirdisch verlegtes Leitungsnetz direkt von den Lagerstätten zum Verbraucher. Aus besonders weit entfernten Förderstätten kommt Erdgas über Pipelines oder Tiefseeleitungen und wird in das Versorgungsnetz eingespeist. Verdichterstationen sorgen für den richtigen Druck in den Transportleitungen. Reduzierungsanlagen passen letztendlich den Druck an die örtlichen Gasleitungen an.^[72]

Der Energieverbrauch ist täglichen und saisonalen Schwankungen unterworfen. Da aber der Import und die Inlandsproduktion konstant sind, wird im Sommer das überschüssige Gas in ausgeförderten Erdgas-Lagerstätten zwischengelagert. Die Bedarfsspitzen im Winter können dann aus diesen Speichern gedeckt werden. Engpässe in der Versorgung sind somit ausgeschlossen.^[73]

Grundsätzlich steht Erdgas in zwei unterschiedlichen Formen zur Verfügung: CNG (Compressed Natural Gas) ist ein komprimiertes Erdgas, das weitestgehend in dem Zustand, in dem es gefördert wird, Verbrennungsmotoren antreiben kann. Daher wird in der individuellen Mobilität vorwiegend CNG als Treibstoff eingesetzt.

LNG (Liquified Natural Gas) ist ein verflüssigtes Erdgas vor allem für den Transport. Die Verflüssigung geschieht bei einer Temperatur von -163°C. Dabei reduziert sich das Volumen auf 1/600 des Ausgangsvolumens. Nicht zu verwechseln ist dies mit LPG (Liquified Petroleum Gas), ein industriell hergestelltes Flüssiggas. LPG (auch als „Autogas“ bekannt) wird größtenteils bei der Verarbeitung von Rohöl in der Raffinerie als Nebenprodukt produziert. Dieses Gas besteht im Wesentlichen aus Butan und Propan.^[74]

Erdgas findet Einsatz in den privaten Haushalten, der Industrie sowie teilweise in der individuellen Mobilität. Auch bei der Stromerzeugung werden kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke (GuD) eingesetzt. Diese modernen, ab 2005 verfügbaren GuD-Erdgas-Kraftwerke weisen einen (elektrischen) Wirkungsgrad von 58 Prozent auf und eine Leistung von 400 MW – wesentlich höherer als andere Kraftwerke.

Durch dezentrale Anlagen mit Kraftwärmekopplung (KWK) kann der Wirkungsgrad bei einer Leistung von 20-300 MW auf etwa 90 Prozent erhöht werden. Dies ist möglich, indem man die Abwärme des Kraftwerkes in lokale Heizungen, Warmwassererzeugung oder Industrien für Niedertemperatur-Wärme einspeist.^[75] Da Erdgas meist eine ausgebaute Infrastruktur hat, könnten dezentrale Kraftwerke an beliebiger Stelle errichtet werden. Auch andere Kraftwerke können KWK haben, allerdings meist nur mit zentralem Standort, bei dem sich die Wärmeauskopplung auf nur wenige Abnehmer konzentriert. Die gekoppelte Erzeugung von Strom und (Fern-, Nah-) Wärme ist eine sehr effiziente Art der Energiewandlung und kann daher nicht nur einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung des Primärenergieverbrauchs um etwa 20 Prozent, sondern auch einen Teil zur Emissionsreduzierung um etwa 60 Prozent leisten.^[76] KWK hat in der EU einen Anteil von 10 Prozent bei der Stromerzeugung.^[77]

Der Energiegehalt pro m3 Gas beträgt 9 kWh, also 32 MJ pro m3 Gas.^[78] Jährlich werden weltweit etwa 2200 Mtoe an Erdgas (etwa 22 Prozent des Weltenergiebedarfs) verbraucht. Der Preis pro Kubikmeter variiert je nach Einsatzbereich und Qualität. Der Einstandspreis ohne Steuern liegt bei etwa 0,01 US-$ pro kWh.^[79] Einen Weltmarkt für Erdgas wie bei Erdöl und Kohle gibt es nicht – ebenso wenig ein Produzentenkartell wie OPEC. Zurzeit haben sich drei große Regionen zu getrennten Märkten zusammengeschlossen: Europa (mit Nordafrika), Nordamerika und Ostasien mit 96 Prozent der Welt-Erdgasförderung. Da die Nutzung von Erdgas erhebliches Know-how und eine kapitalintensive Infrastruktur voraussetzt, weisen die Märkte ein natürliches Monopol mit Bottlenecks vor allem bei der lokalen Feinverteilung auf. Lieferverträge in der Gasindustrie sind meist durch Langfristigkeit gekennzeichnet („Take or Pay Commitments“). Ab 2010 soll nach EU-Richtlinien der Zugang Dritter zu den Leitungsnetzen („Third Party Access“) ermöglicht und der Gasmarkt um 33 Prozent geöffnet werden.^[80]

Die Erdgasvorkommen sind weltweit wesentlich gleichmäßiger verteilt als die Erdölreserven.^[81] Die konventionellen, weltweit bekannten und sicher gewinnbaren Reserven werden auf 135.000 Mtoe geschätzt, was eine rechnerische Reichweite von 60 Jahren ergibt. Die Ressourcen vermutet man auf etwa 300.000 Mtoe (Reichweite von 140 Jahren). Schließt man unkonventionelle Ressourcen mit ein, erhält man eine Reichweite von knapp 500 Jahren. Da mit großer Wahrscheinlichkeit auch in Zukunft bedeutende Lagerstätten entdeckt und erschlossen werden, ist in absehbarer Zeit mit keiner Verringerung der Reichweite zu rechnen. Aufgrund der verschiedenen Quellen beim Bezug von Erdgas ist keine Abhängigkeit von einzelnen Ländern zu erwarten.^[82]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.10: Welt-Erdgasreserven

Innovative Technologien basierend auf Erdgas finden insbesondere im Verkehrssektor Einsatz – bei der individuellen Mobilität. Kraftfahrzeuge mit Erdgasantrieb werden bereits von verschiedenen Automobilherstellern angeboten – oft in Kombination mit herkömmlichen Otto- oder Dieselmotoren. Erdgas ist zurzeit der sauberste Antrieb und weist die ruhigste Verbrennung (ROZ beträgt 130) auf.^[83]

Erdgas könnte mittelfristig Erdöl und Kohle substituieren. Erdöl aufgrund seiner geringeren Reichweite, Kohle wegen ihrer hohen CO2-Emissionen. Erdgas besitzt daher einen höheren ökonomischen Wert als andere fossile Brennstoffe.^[84]

3.1.4 Schlussfolgerungen Fossile Energieträger

Die fossilen Energieträger werden nach allen Prognosen bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts dominieren, da sich die Energieversorgungsstrukturen nur langsam ändern. Mit Versorgungsengpässen ist kurzfristig nicht zu rechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.11: Reichweiten der konventionellen (fossilen) Energieträger in Jahren^[85]

Die IEA (International Energy Agency) rechnet mit einer Zunahme des Verbrauchs an Erdöl, Kohle und Erdgas zusammen um mehr als ein Drittel bis zum Jahre 2010. Weitere technische Fortschritte bei der Ausschöpfung der vorhandenen Reserven und beim Aufspüren neuer Vorkommen sind zu erwarten. Die weitaus größten Energiepotentiale sind in Form von Kohle verfügbar. Öl und Gas werden deutlich schneller verbraucht sein als Kohle. Die konventionellen Ölvorkommen und Erdgasreserven sind in Staaten mit instabilen politischen und ökonomischen Verhältnissen konzentriert. Die Abhängigkeit von diesen Ländern nimmt zu und birgt ein diverses Versorgungsrisiko. Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie beträchtlich schädliche Einflüsse auf die Umwelt haben. Diese zeigen sich einerseits in der Boden- und Gewässerbelastung, in der Luftverschmutzung, dem Treibhauseffekt (siehe Kapitel 4) und dem zunehmend größer werdenden Ozonloch; andererseits in der Zerstörung der Landschaft durch den Abbau von Stein- und Braunkohle, Erdöl und anderen Energieträgern sowie in der Meeres- und Küstenverschmutzung durch Ölförderung und Transporte.^[86]

3.2 Kernenergie

Bei der Kernenergie steht die Wechselwirkung zwischen den Bausteinen der Atomkerne, Protonen und Neutronen im Vordergrund. Kernbausteine verspüren eine starke Bindungsneigung auf sehr kurzen Distanzen (1 fm). Nützt man diese Neigung aus, so können Bindungsenergien^[87] im MeV Bereich freigesetzt werden.^[88] Die Erzeugung von Energie durch Materie wird seit den 50er Jahren angewandt. Sie dient vor allem der Deckung der Stromnachfrage weltweit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung 3.12: weltweite Nachfrage nach Kernenergie für die Elektrizitätsversorgung^[89]

Die Gewinnung von Energie aus Kernumwandlung ist durch Spaltung schwerer Kerne (wie Uran) oder Fusion leichter Kerne (wie Tritium oder Deuterium) möglich.^[90] Bei der Kernspaltung wird Uran als Brennmaterial eingesetzt, das in zwei mittlerschwere Kerne zerfällt. Bei der Kernfusion (stützend auf den Fusionsreaktionen im Sonneninnern)^[91] hingegen verschmelzen zwei Isotope des Wasserstoffes zu einem α-Teilchen (Helium-Kern). Letztere nukleare Energieerzeugung ist noch in der Entwicklungsphase. Ob diese Umwandlungstechnik jemals marktreif wird, hängt vor allem von der gesellschaftlichen Akzeptanz der Kernenergie allgemein ab. Die Kernenergie war und ist ein Streitpunkt: Sie dient nicht nur der friedlichen Nutzung für die Energieversorgung, auch die Militärs bemächtig(t)en sich ihrer.

3.2.1 Kernspaltung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der 1938 von Otto Hahn und Fritz Straßmann entdeckte Beschuss von 235Uranisotop^[92] mit langsamen Neutronen war der Meilenstein für die technische Machbarkeit der Kernspaltung.

Bei der Kernspaltung nützt man bei sehr schweren Kernen die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon aus, die so gering ist, dass sie kaum ausreicht, um die Nukleonen entgegen den elektrostatischen Abstoßungskräften zwischen den positiv geladenen Protonen zusammenzuhalten. Es genügt eine geringe AkKernspaltungilen schweren Kerne zu mittelschweren zu spalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Spaltung von 235U-Kernen werden zwei bis drei schnelle Neutronen frei. Diese müssen abgebremst werden, da nur langsame (thermische) Neutronen weitere Uran-Kerne spalten können. Von den freigewordenen Neutronen darf nur eines einen weiteren Kern (für die Kettenreaktion) spalten. Für das Abfangen und Abbremsen benutzt man Moderatoren wie Graphit oder (schweres) Wasser. Die anderen überschüssigen Neutronen müssen mittels Regelstäben zwischen den Brennstäben eingefangen werden. Für die gewünschte Kettenreaktion ist eine „kritische Masse“ an spaltbarem Material notwendig, da sonst der Neutronenverlust zu hoch wäre. Nach dem Neutronenbeschuss zerbricht der 235U-Kern in zwei mittelschwere Kerne – (angeregtes) Barium und Krypton – deren Massensumme kleiner ist als die Masse des Urankerns.

Die Massendifferenz wird gemäß der Einstein’schen Äquivalenzrelation ∆E = ∆mc2 in Energie umgewandelt. Diese Energie erhitzt das Kühlwasser, der Dampf treibt die Turbine des Stromgenerators an. Pro Uran-Kern werden etwa 200 MeV Energie frei. Moderne Kernreaktoren haben einen Wirkungsgrad von rund 35 Prozent.^[93]

Ausgangsmaterial ist das in der Natur vorkommende Uranerz, welches zu 0,7 Prozent aus dem 235U-Isotop besteht (99,3 Prozent 238U-Isotop). Für die Kettenreaktion ist es notwendig, dass der Anteil des 235U auf 3 Prozent angereichert wird. 100 Tonnen dieses angereicherten Materials halten einen Reaktor für drei Jahre in Betrieb. Aus 22 t Natur-uran werden etwa 1 TWh Strom gewonnen. Aus 1 kg 235U erhält man eine Energie von knapp 80 TJ, also 22,2E+06 kWh.^[94] Der Preis pro kg Natururan liegt knapp unter 50 US-$, die Umwandlung und Anreicherung bei etwa 100 US-$ pro kg.^[95]

Die Kernenergie deckt heute 6 Prozent des weltweiten Primärenergiebedarfs und 17 Prozent der globalen Elektrizität. Über 440 Reaktoren^[96] mit etwa 65 Prozent Verfügbarkeit und etwa 360 GW Leistung (2500 TWh jährlicher Output) stehen in 31 Ländern in Betrieb. Dabei werden ca. 55000 t Natur-Uran jährlich verbraucht^[97]. Insbesondere im asiatischen Raum ist mit weiteren Bauten zu rechnen. Nach Schätzung der IAEA wird die Kernenergiekapazität bis 2015 aber nur begrenzt zunehmen, da manche Staaten aus der Kernenergie aussteigen (wollen).^[98]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.13: Kernenergiepolitik europäischer Länder^[99]

Die Reichweite von Uran wird derzeit auf ca. 40-70 Jahre geschätzt; die Ressourcen auf ca. 500 Jahre.^[100] Neue Fördertechnologien und neu entdeckte Reserven werden diese Nutzungsdauer verlängern. Uran-Reserven sind vor allem in Nordamerika, Australien und Afrika vorhanden, weniger in Europa und im Fernen Osten. Entwicklungsländer besitzen etwa 40 Prozent der weltweiten Reserven.^[101] Einschlägige Gutachten gehen davon aus, dass der globale peak an Kernspaltungsreaktoren etwa 2010 erreicht wird, ab 2060 rechnet man nicht mehr mit der Energieversorgung durch Kernspaltung.^[102]

In den meisten Industrienationen müssen Kernkraftwerke (KKWs) höchsten Sicherheitsansprüchen gerecht werden. Daher wirken KKWs bei Wirtschaftlichkeitsrechungen meist unrentabler als die fossilen Kraftwerke, da die Kernenergie eine sehr kapitalintensive Energie ist.^[103] Dies schlägt sich auch im Kernenergiepreis nieder. Dies würde sich entscheidend ändern, wenn man den Energiekosten /-preisen die externen Kosten der Umweltverschmutzung auferlegen würde: KKWs sind CO2-frei^[104] im Vergleich zu fossilen Kraftwerken (vgl. Abschnitt 4.2). Sie stellen daher eine Option zur Minderung der CO2-Emissionen dar als Substitut der fossilen Kraftwerke, die zurzeit weltweit rund 63 Prozent der weltweiten Elektrizitätserzeugung decken.^[105] Ohne verstärkten Einsatz der KKWs kann das fokussierte Emissionsziel kaum erreicht werden. Selbst neue, gasbefeuerte Kraftwerke erreichen keinen vergleichbar niedrigen CO2-Ausstoß.

Ab frühestens 2020 sollen neue, innovative Reaktoren und Brennstoffzyklen eingesetzt werden. Die Systeme der nächsten Generation basieren auf den drei allgemeinen Grundtypen: gasgekühlte (Kugelhaufen-Modul-Reaktoren), wassergekühlte (aktuelle Generation-III) und schnelle Reaktoren (schnelle Neutronen). Diese „Generation-IV“-Reaktoren sollen ein geringeres Kapitalrisiko (durch geringere Entwicklungskosten) und Abfallaufkommen haben und sind wesentlich kleiner als die derzeitigen Reaktoren. Höhere Wirkungsgarde, verbesserte Sicherheit sowie die Möglichkeit, Wasserstoff aus Wasser oder anderen Rohstoffen nahezu emissionsfrei zu erzeugen (der dann in Brennstoffzellen und Fahrzeugmotoren verwendet werden kann) charakterisieren diese innovativen Technologien.^[106]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Zukunft der Kern(spaltungs)energie wird hauptsächlich von folgenden Faktoren abhängen: der Entsorgung von radioaktivem Abfall, der Wirtschaftlichkeit von Reaktoren der nächsten Generation-IV, dem Klimaschutz (CO2-Reduzierungsverpflichtung der EU), der Radioaktivität (Zerstörung von biologischen Zellen und Erwärmung durch Absorption), der Versorgungssicherheit und dem militärischen Missbrauch.^[107]

3.2.2 Kernfusion mit magnetischem Einschluss

Die Kernfusion ist eine der wenigen Innovationen im Energieversorgungssektor. Ende der 40er Jahre begannen die ersten Versuche, die Kernschmelzung der Sonne auch auf der Erde nutzbar zu machen. Quelle der Energie aus der thermonuklearen Kernfusion ist die innere Bindungsenergie der Atomkerne. Durch das Verschmelzen zweier Isotope des Wasserstoffes – Deuterium (D) und Tritium (T) – zu Helium (He) wird thermische Energie freigesetzt, da die Bindungsenergie des He-Kerns größer ist als die Summe der Kernbindungsenergien von Deuterium und Tritium. Um die Verschmelzung von D und T zu ermöglichen, sind hohe Geschwindigkeiten der Teilchen nötig.^[108] Dies wird durch hohe Temperaturen erreicht. Daher wird anfänglich das D-T-Gemisch mit einer externen Energiequelle („Heizung“) auf eine Temperatur von 100 bis 200 Millionen Grad erhitzt. In diesem Plasma-Zustand (vierter Aggregatzustand) ist der (D, T-) Atomkern von seinem Elektron getrennt (ionisiert) und kann somit fusionieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Plasma kann durch elektrische^[109] und magnetische Felder beeinflusst werden. In Fusionsanlagen nutzt man diese Eigenschaft aus, indem man das heiße Plasma in einem Magnetfeldkäfig einschließt/ fixiert und so von den Reaktorwänden fernhält, da ansonsten das Plasma abkühlen könnte.

„Zündet“ das Plasma, dann laufen gemäß obiger Reaktionsgleichung genau so viele Fusionsprozesse ab, dass die Energie der erzeugten He-Kerne (α-Teilchen) ausreicht, die Temperatur des Plasmas ohne externe Heizung weiter aufrechtzuerhalten. Das brennende Plasma erzeugt eine Reaktion, so dass die entstehenden Neutronen – die 80 Prozent der gewonnen Energie tragen – thermische Energie abführen können, da sie den Magnetfeldkäfig ungehindert verlassen können.^[110] Durch Abbremsung dieser Neutronen im Strukturmaterial und in der Ummantelung der Plasmakammer (sog. Blanket) entsteht Wärme, die über einen konventionellen Dampfkreislauf in Elektrizität umgewandelt wird. Dadurch soll eine Fusionsleistung von 2 MW pro m3 freigesetzt werden^[111], was zu einer typischen Reaktorleistung von 1 bis 10 GW führt.^[112]

Bei der Fusion entsteht keine Kettenreaktion. Das Brennmaterial wird kontinuierlich nachgefüllt. Daher ist es physikalisch ausgeschlossen, dass es zu einem Reaktorunglück kommen kann. Der Reaktor schaltet sich bei Instabilitäten selbstständig ab, da das Plasma bei Instabilitäten nicht mehr weiter brennen kann.

Wegen Verunreinigungen des Plasmas durch schwere, weniger ionisierbare Kerne wie Eisen oder Kupfer, die gegen das Plasmagefäß stoßen, entstehen Röntgenstrahlen, die gesundheitsgefährdend sind. Ferner ist das radioaktive Lithium, das für die D-T-Verschmelzung benötigt wird, ein weiterer Faktor, der die Kernfusion zurzeit in keinem guten Licht stehen lässt.^[113] Die aktuelle Fusionsforschung beschäftigt sich unter anderem mit den Fragen, wie diese Verunreinigungen des Plasmas minimiert und der Wärmeeinschluss noch weiter optimiert werden können.

Deuterium ist in fast unerschöpflicher Menge in den Weltmeeren vorhanden. Das radioaktive Tritium (β-Strahler) mit einer Halbwertszeit von 12 Jahren muss durch Neutronenbeschuss von Lithium (Li) im Fusionsreaktor gebrütet werden.

Die weltweiten Vorräte von Lithium in der 2 km tiefen Deckschicht der Erdkruste stellen ebenfalls keine Einschränkung dar.^[114]

Die Fusion ist mit 172E+06 kWh pro kg He bzw. 97,3E+06 kWh pro kg D-T-Gemisch (350 TJ) die ergiebigste Energiequelle. Sie stellt knapp viermal mehr Energie zur Verfügung als die Kernspaltung pro kg Brennmaterial.^[115]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Vergleich zu anderen Energieträgern ist die thermonukleare Kern-fusion am umweltfreund-lichsten hinsichtlich der jährlichen Belieferung mit Brennmaterial.

Dabei emittiert sie weder CO2, noch andere toxische Gase, was sie als die Energieversorgung der Zukunft erscheinen lässt: Die Kernfusion ist in der Lage, die steigende Energienachfrage zu befriedigen und gleichzeitig die Umwelt geringer zu belasten. Das (biologische) Gefährdungspotential bei einem Reaktorunglück ist geringer als das der Kernspaltung. Der Jahresverbrauch eines Fusionskraftwerks mit einer Leistung von 1 GW beträgt 100 kg Deuterium und 150 kg Tritium (aus 300 kg Lithium erbrütet). Es fallen also praktisch keine Transporte für die Brennstoffver- und -entsorgung an wie bei anderen Energieträgern.^[116]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.14: Vergleich des Transportaufkommens für unterschiedliche Energieträger^[117]

Mit der kommerziellen Energiegewinnung aus Kernfusion ist vor 2050 nicht zu rechnen.^[118] Hohe Ausgaben in der Grundlagenforschung sind notwendig sowie die Kernenergie wieder an gesellschaftlicher Akzeptanz gewinnen muss. Eine Einschätzung der Wirtschaftlichkeit von Fusionsreaktoren ist momentan schwer möglich. Es existiert noch kein funktionsfähiger Reaktor, der eine fundierte Kosteneinschätzung ermöglichen würde. Nach derzeit gängigen Schätzungen würden die Anlagenkosten für einen Fusionsreaktor zwei- bis dreimal höher sein als bei einem Spaltreaktor.

Das IPP prognostiziert einen Stromgestehungspreis von etwa 0,10 € pro kWh ab der zehnten Anlage.^[119] Die potentielle Verfügbarkeit von Fusionsreaktoren liegt nach aktuellen Schätzungen unter der von aktuellen Spaltreaktoren, da Fusionsreaktoren häufiger gewartet werden müssen. Um mit diesen Reaktoren wirtschaftlich konkurrieren zu können, muss ein Fusionsreaktor niedrigere Brennstoffkosten, höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie geringere Endlagerkosten aufweisen.^[120]

„Die wirtschaftliche Attraktivität einer Energiequelle wird aber nicht nur durch den Strompreis bestimmt, sondern auch durch Akzeptanz, Ressourcen und Umweltaspekte. Unter diesen Gesichtspunkten betrachtet stellt die Fusion eine schier unerschöpfliche ­ also quasi erneuerbare ­ Energiequelle mit günstigen Umwelteigenschaften dar. […] Dann könnte Fusion im Jahr 2100 etwa 20 bis 30 Prozent des europäischen Strombedarfes decken“^[121] und die Spaltreaktoren, deren Brennmaterial bis dahin erschöpft ist, ablösen.

3.3 Erneuerbare, regenerative Energien

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erneuerbare Energien sind – im Gegensatz zu fossilen und nuklearen Energieträgern – Energieflüsse und keine Vorräte. Regenerative Energien sind jene Energien, die sich von selbst erneuern, also praktisch unendlich verfügbar sind, solange sie nicht stärker genutzt werden, als es ihrer Erneuerungsrate entspricht. Ihre Marktanteile sind heute noch gering, da die Kosten von regenerativen Energien weit höher liegen als die bei den fossilen. Die drei wichtigsten Quellen sind die Solarstrahlung^[122], Erdwärme^[123] und Gravitationskraft^[124]. Diese können entweder direkt oder indirekt in Form von Biomasse, Wind, Wasserkraft, Wellenenergie oder Umgebungswärme genutzt werden. Seit den beiden Ölpreisschocks war die westliche Welt ständig auf der Suche nach alternativen Energiequellen, um die Abhängigkeit der OPEC zu minimieren. Die verschiedenen Formen von erneuerbarer Energie hängen primär von der Sonneneinstrahlung ab, die jährlich etwa 5,4 Millionen EJ an Energie liefert. 30 Prozent davon werden von der Erde zurückreflektiert, die restlichen knapp 4 Millionen EJ könnten theoretisch als Energielieferant genutzt werden (10.000-mal als derzeitiger Energieverbrauch p.a.).^[125]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.15: Various forms of renewable energy

3.3.1 Windkraft

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Drehbewegungen der Rotorachse werden mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt. Mit Hilfe einer Windrichtungsnachführung kann der Rotor immer optimal zur Windströmung ausgerichtet werden. Eine Bremse der Rotorblätter verhindert zu hohe Umdrehungen und somit mechanische Schäden. Für eine Windkraftanlage werden ca. 500 m2 Land benötigt. Die mittlere Windgeschwindigkeit sollte über 5 m/s (≈ 18 km/h) liegen, was Windkraft nicht für alle Regionen interessant erscheinen lässt (z.B. hat Süd-Deutschland eine mittlere Windgeschwindigkeit von unter 4 m/s).

Wie die anderen Formen regenerativer Energien wurde auch die Entwicklung der Windkrafttechnologie nach dem Ölpreis-Schock der 70er Jahre vorangetrieben, um die Abhängigkeit insbesondere von Öl zu verringern. Windenergie entsteht mit Hilfe der indirekten Nutzung der Sonnenenergie: Einfallendes Sonnenlicht erwärmt die Luft. Je senkrechter das Licht auf die Erde trifft, desto stärker erwärmt sich die Luft.^[126] Da die erwärmte Luft über dem Land sich nun ausdehnt und leichter wird, steigt sie auf. In den freiwerdenden Raum strömt kühlere Meeresluft nach (Seebrise). In der Nacht kehrt sich der Vorgang um: Die Luftmassen über Land kühlen schneller ab als über der Wasseroberfläche. Die Luft über der Landfläche verdichtet sich, wird schwerer und strömt in Richtung Meer (ablandiger Wind). Die im Wind enthaltene kinetische Energie kann in modernen Windkraftanlagen zur Stromerzeugung und zum Antrieb von Maschinen genutzt werden. Die marktgängigen Windkraftanlagen sind so genannte Horizontalachsenkonverter. Sie können am Land (onshore) oder im Meer (offshore) errichtet werden.^[127]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.16: Horizontalachsenkonverter^[128]

Das Problem der starken Abhängigkeit der Leistung von der Windgeschwindigkeit liegt in der dritten Potenz: Steht einem Windkraftwerk am Standort X nur die halbe Windgeschwindigkeit gegenüber dem Standort Y zur Verfügung, sinkt seine Leistung auf ein Achtel. Aus physikalischen Gründen kann ein frei umströmtes Windrad höchstens 59 Prozent der Windenergie aufnehmen. Dies ist der theoretisch mögliche Wirkungsgrad. In der Praxis werden Werte von etwa 45 Prozent erreicht.

[...]

---

^[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)

^[5] Vgl. Stahl (1998, 4-5), WBGU (2003, 47), Hirschberg, Voß (1999, 3), Voß (2002,4 ), Erdmann (1995, 31- 34); Abbildung 2.2 aus Stahl (1998, 4)

^[6] aus: Katz (1997, 6)

^[7] Vgl. Erdmann (1995, 5- 6)

^[8] Vgl. Kümmel (1998, 10)

^[9] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 18- 22), Erdmann (1995, 3-6)

^[10] bei offenen Systemen tritt an die Stelle des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik die Theorie offener dynamischer Systeme

^[11] Vgl. Erdmann (1995, 5), Kümmel (1998, 11-12), Diekmann, Heinloth (1997, 21-24)

^[12] Aussage gilt nur dann, wenn man das Universum als ein abgeschlossenes System sieht

^[13] Vgl. Voß (2002, 2-3)

^[14] Kümmel (1998, 11)

^[15] Erdmann (1995, 6)

^[16] aus: Erdmann (1995, 8)

^[17] Vgl. Umweltlexikon (2004)

^[18] praktisches Beispiel: Pro Tag kann ein Pferd eine Leistung von drei bis sechs kWh leisten, wofür es bei einer Durchschnittsleistung von 600 bis 700 Watt Nahrung mit einem Energiegehalt von knapp 30 kWh fressen muss. Der energetische Wirkungsgrad liegt demnach zwischen 10 und 20 Prozent. Die Durchschnittsleistung eines Menschen hingegen liegt bei 50- 100 Watt, allerdings kann er diese aufgrund seiner Intelligenz und Kreativität effektiver einsetzen. Zur Fortbewegung und zur Erbringung mechanischer Arbeit beträgt der menschliche Energiebedarf etwa 120 W. Für kurzfristige Leistungspitzen (200 W) steigt der Energiebedarf auf knapp 600 W (energetischer Wirkungsgrad ähnlich wie beim Pferd): vgl. Kümmel (1998, 17), Erdmann (1995, 6)

^[19] aus: SAM (2002, 22); vgl. auch Kümmel (1998, 74)

^[20] Vgl. Erdmann (1995, 9-10)

^[21] Vgl. Erdmann (1995, 12-17)

^[22] Statische Allokationseffizienz ist in den Energiesektoren kaum anzutreffen.

^[23] aufgrund der ineffizienten Nutzung der Energie liegt ein „Marktversagen“ vor

^[24] ohne die USA

^[25] Vgl. Roth (2001, 2); Unerschöpflichkeit der Kernenergie insbesondere bei der Kernfusion

^[26] konventionell und unkonventionell (Biomasse); vgl. Boyle (2003, 67) ergänzt und abgeglichen um BP (2003), WBGU (2003, 40); Roth (2001, 1), Forschungszentrum Karlsruhe (2003), Stahl (1998, 1), Kümmel (1998, 83); Erdmann (2001, 2); Kohle: Steinkohle und Braunkohle

^[27] Stand 2002; BRD etwa 15EJ (aus Kümmel (1998, 73)

^[28] Vgl. Kümmel (1998, 84); Energie-Spiegel (2002, 1), Mineralölwirtschaftsverband (2001, 21)

^[29] Vgl. WBGU (2003, 18)

^[30] aus: Mineralölwirtschaftsverband (2001, 7): Stand 2000: 2,1 tSKE = 1,47 toe pro Kopf p.a.

^[31] Vgl. SAM (2002, 8)

^[32] Vgl. WBGU (2003, 40), Forschungszentrum Karlsruhe (2003), Stahl (1998, 1); beim unkonventionellen Energiebedarf ist der Anteil von Biomasse sehr hoch.

^[33] Vgl. Stahl (1998, 1-3)

^[34] Vgl. Erdmann (1995, 87)

^[35] Vgl. Pohl (2003), Krefelder Schulen (o. J.)

^[36] Vgl. Erdmann (1995, 85-87)

^[37] Vgl. Boyle (2003, 157)

^[38] Vgl. Prasser (2003, 18); Rauchgasreinigung: Rauchgasentschwelen und -entsticken

^[39] Vgl. Boyle (2003, 157), Erdmann (1995, 93-96)

^[40] Vgl. IWP, Deutsches Energie Effizienz Institut (2003)

^[41] Reihenfolge kann auch umgekehrt sein

^[42] Vgl. Blume (2001)

^[43] bei Braunkohle 2 bis 6 kWh / kg

^[44] Vgl. BP (2003, 32): Stein- und Braunkohle

^[45] Vgl. Tagesschau vom 11.11.2003: BRD Kohle: 160 € / t

^[46] Vgl. Reichel (2003, 3)

^[47] aus: Reichel (2003, 4)

^[48] Vgl. Erdmann (1995, 87f): insbesondere die Schutzpolitik der BRD

^[49] Vgl. Steinkohleportal.de (2002)

^[50] aus: BP (2003, 31)

^[51] Vgl. Reichel (2003, 12, 21), Erdmann (1995, 95)

^[52] Vgl. Erdmann (1995, 96)

^[53] Vgl. Schönstätter Marienschule (2003), Krefelder Schulen (o.J.), Pohl (2003)

^[54] Vgl. WIKIPEDIA (2003)

^[55] aus: chemienet.info (2003)

^[56] Algerien, Indonesien, Iran, Irak, Kuwait, Libyen, Nigeria, Katar, Saudi Arabien, VAE, Venezuela.

^[57] Vgl. OPEC (2003), Erdmann (1995, 49-67), Schönstätter Marienschule (2003), Stahl (1998, 7)

^[58] Vgl. Erdmann (1995, 51-56)

^[59] aus: Tecson (2003)

^[60] Vgl. Boyle (2003, 240), OPEC (2003)

^[61] Erdmann (1995, 49)

^[62] Vgl. Kehrer (2000), Krefelder Schulen (o. J.)

^[63] Vgl. Brilon (2001, 2)

^[64] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 25, 27)

^[65] aus: BP (2003, 5)

^[66] Vgl. Steinkohleportal.de (2003)

^[67] Vgl. Stahl (1998, 10)

^[68] Beispielsweise sind Fortschritte hinsichtlich des Wirkungsgrades beim Dieselmotor durch die Common Rail Technologie zu verzeichnen, was den Verbrauch senkt, die Leistung steigert und die Emissionen reduziert.

^[69] Vgl. Erdmann (1995, 69)

^[70] Vgl. ÖVGW (2003), Tigas (2003), gibgas (2003), WIKIPEDIA (2003), VEG (2003), Pohl (2003)

^[71] Vgl. Erdmann (1995, 71), ÖVGW (2003)

^[72] Vgl. Stahl (1998, 8), ÖVGW (2003), Erdmann (1995, 73-75)

^[73] Vgl. ÖVGW (2003), tigas (2003), WBGU (2003, 74)

^[74] Vgl. Erdgas (2003), gibgas (2003)

^[75] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 94), Greenpeace (2003), WBGU (2003, 75, 103), Maichel (2000, 16)

^[76] Vgl. Kail, Haberberger (2001, 1-2), Traube (1999, 10), WBGU (2003, 74)

^[77] Vgl. Staiß (2002, 3)

^[78] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 25)

^[79] Vgl. BP (2003, 29)

^[80] Vgl. Bogner (1998, 15), Stahl (1998, 9), Erdmann (1995, 77-78)

^[81] Vgl. Egli (2003, 1)

^[82] Vgl. gibgas (2003)

^[83] Vgl. gibgas (2003)

^[84] Vgl. Erdmann (1995, 79)

^[85] Die Referenzdaten für die Reserven wurden bevorzugt aus BP (2003) entnommen und ergänzt um Boyle (2003). Die Quantitäten basieren auf Mittelwerten von 2000-2002. Sie wurden abgeglichen für ein arithmetisches Mittel mit WBGU (2003: IEA 2002c), Diekmann/ Heinloth (1997), Steinkohleportal.de (2001), Stahl (2003) und Mineralölwirtschaftsverband (2001). Alle Angaben wurden gerundet, da kein Anspruch auf absolute Genauigkeit besteht. Für die Ressourcen basieren auf Daten von IEA (2002) aus WBGU (2003). Die Daten in der Literatur sind allerdings sehr unterschiedlich.

^[86] Vgl. Prognos (1999, K6), Lucke (2001, 6), Stahl (1998, 3), Mineralölverband (2001, 10)

^[87] Die Masse eines Nuklids ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bausteine. Der Massendefekt entspricht der Kernbindungsenergie und wird durch die Einstein'sche Äquivalenzrelation ∆E = ∆mc2 beschrieben.

^[88] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 223f)

^[89] aus: BFE (2003, 1)

^[90] Vgl. IPP (2002, 8)

^[91] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 110)

^[92] Isotope = Atomkerne mit gleicher Protonenzahl

^[93] Vgl. Kümmel (1998, 79-81), Tamm (2002, 11), Krienke (o. J., 7), Erdmann (1995, 176f), Diekmann, Heinloth (1997, 27), WBGU (2003, 78)

^[94] Vgl. Erdmann (1995, 177), Boyle (2003, 404), WBGU (2003, 52)

^[95] Vgl. OECD / IEA (2001, 144- 146)

^[96] ¼ davon allein in den USA

^[97] Vgl. WBGU (2003, 52), laut BP 600 Mtoe; Umrechungsfaktor auf Natururan in Literatur uneinheitlich

^[98] Vgl. BFE (2003, 1), Erdmann (1995, 176), Boyle (2003, 395, 451)

^[99] aus: BFE (2003, 3)

^[100] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 43, 251), Stahl (1998), Boyle (2003, 451), Steinkohleportal.de (2002)

^[101] Vgl. Stahl (1998, 13)

^[102] Vgl. Boyle (2003, 437)

^[103] vor allem wegen der langen Bauzeiten von KKW’s

^[104] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 277)

^[105] Vgl. Erdmann (1995, 185), OECD / IEA (2001, 51)

^[106] Vgl. Kronenberg (o. J.)

^[107] Vgl. Erdmann (1995, 181-185), BFE (2003, 2)

^[108] Die anziehenden Kernkräfte müssen die abstoßenden Kräfte aufgrund der positiv geladenen Kerne überwiegen.

^[109] Beispielsweise für die externe Heizung: wird elektrischer Strom durch das Plasma geleitet, so erzeugt dieser Wärme aufgrund der Widerstände der Teilchen.

^[110] Vgl. IPP (2002, 8-14, 38), Werner v. Siemens Gymnasium (2003), Forschungszentrum Karlsruhe (2003)

^[111] Vgl. Kümmel (1998, 81)

^[112] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 27), Forschungszentrum Karlsruhe (2003)

^[113] Vgl. IPP (2002, 9-13)

^[114] Vgl. Boyle (2003, 430), Diekmann, Heinloth (1997, 293f), Kümmel (1998, 82)

^[115] Vgl. Boyle (2003, 430), Diekmann, Heinloth (1997, 288)

^[116] Vgl. Forschungszentrum Karlsruhe (2003), Grunwald (2002, 8, 44), Diekmann, Heinloth (1997, 303)

^[117] Forschungszentrum Karlsruhe (2003)

^[118] Vgl. Diekmann, Heinloth (1997, 288, 303), IPP (2001)

^[119] Vgl. IPP (2001)

^[120] Vgl. Voß (o. J.)

^[121] IPP (2001)

^[122] Wärme, Photosynthese (Biomasse), Wind, Wasser (kinetische Energie)

^[123] Geothermik

^[124] Wasser (potentielle Energie)

^[125] Vgl. Boyle (2003, 24); dito Abbildung

^[126] An den Polen verteilt sich die Wärme auf einer großen Fläche; am Äquator dagegen auf kleiner Fläche

^[127] Vgl. Kümmel (1998, 85-87), dieBrennstoffzelle.de (2002, 14), Diekmann, Heinloth (1997, 162)

^[128] aus: TauernWind (2003)