Potenziale und Marktwachstum - Wasser- und Windkraft

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Einführung
2.1 Einführung in die Wasserkraft
2.2 Techniken zur Nutzung der Wasserkraft
2.3 Einführung in die Windkraft
2.4 Techniken zur Nutzung der Windenergie

3 Potenziale
3.1 Wasserkraft
3.2 Windkraft

4 Ökologische Betrachtung
4.1 Energetische Amortisation und Emission
4.2 Natur- und Landschaftsschutz

5 Externe Kosten

6 Potenziale für Deutschland und die Kosten
6.1 Potenziale
6.2 Kosten
6.2.1 Kosten der Wasserkraft
6.2.2 Kosten der Windkraft
6.3 Förderungsmaßnahmen
6.3.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
6.3.2 Wirkungen des

7 Abschliessende Bewertung und Schluss

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Externe Kosten ausgewählter Energieträger

Abbildung 2: Kostenentwicklung bei Windkraftanlagen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: CO2 Emissionen

Tabelle 2: Technische und wirtschaftliche Daten ausgewählter Anlagen zur Nutzung der Wasserkraft

Tabelle 3: Potenzial/Stromproduktion aus Wasserkraft (TWh/a)

Tabelle 4: Stromerzeugung ausgewählter Staaten 2004

Tabelle 5: Vergütungssätze nach dem EEG für Neuanlagen, die ab 01.08.2004 in Betrieb genommen wurden

Tabelle 6: Umrechnungsfaktoren

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Wichtige Herausforderungen die im 21. Jahrhundert bewältigt werden müssen sind der Schutz des globalen Klimas, die Schonung wertvoller Ressourcen und eine weltweite nachhaltige Entwicklung^[1]. Eine Voraussetzung dafür ist die Energiewende. Spätestens durch aktuelle Ölpreissteigerungen, Kostenerhöhungen der Stromproduzenten, gesteigerten Mehrverbrauch wachsender Wirtschaftsstandorte wird auf die Endlichkeit der traditionellen oder klassischen Primärenergien hingewiesen.

„How to Kick the Oil Habit – As prices rise, the race for new energy sources – from wind farms to liquid coal – heats up….”

TIME Asia, 31. Oktober 2005, S.26

Erneuerbare Energien (EE) sind eine wichtige Alternative zu fossilen Energieträgern, da sie sich laufend durch natürliche Prozesse erneuern und nach unseren Zeitmaßstäben unendlich lange verfügbar sind.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den natürlichen Energiequellen Wind und Wasser. Während Windmühlen aus dem Alltagsbild in Deutschland im letzten Jahrhundert verschwanden, als Elektrizität ausreichend und billig zur Verfügung stand, wurde Wasserkraft weiterhin genutzt. Die Ölkrisen der siebziger Jahre und das verstärkte Umweltbewusstsein belebten die Nutzung von Windenergie wieder. Heutzutage dienen in Deutschland Wind- und Wasserkraft fast ausschließlich elektrischer Stromerzeugung, im Gegensatz zu anderen Regionen der Welt, in denen Wind- und Wasserenergie zum Antrieb von Pumpen, Maschinen oder Generatoren eingesetzt werden.

Diese Arbeit bietet zunächst einen Überblick über Wind- und Wasserkraft und die Möglichkeiten der technischen Nutzung dieser beiden Energieformen.

Im darauf folgenden Kapitel wird der Begriff „Potenzial“ in der Energieerzeugung unter verschiedenen technischen, ökologischen und ökonomischen Restriktionen beschrieben.

Danach werden am Fallbeispiel Deutschland das Potenzial und die Kosten dargestellt. Hierbei wird der Zusammenhang zwischen dem Marktwachstum und der Kostensenkung betrachtet. Dieser Zusammenhang ist u. a. wichtig in der Ausgestaltung der Fördermaßnahmen. Ein Vergleich zwischen verschiedenen Förderungsmodellen in Europa würde den Rahmen der Arbeit sprengen, daher werden lediglich das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) und die Auswirkungen in Bezug auf Wind- und Wasserkraft in Deutschland betrachtet. Schließlich werde ich noch mal kurz auf mögliche Entwicklungen eingehen.

2 Einführung

2.1 Einführung in die Wasserkraft

Auf der Erde wird ein natürlicher Wasserkreislauf aufrechterhalten. Dieser hängt u. a. vom Niederschlag, den Verdunstung, den Bodenverhältnisse und der Topografie ab. Diese Einflussgrößen weisen erhebliche räumliche und zeitliche Schwankungen auf (Kaltschmitt /Wiese, 1994, S. 112). Weltweit ist die Wasserkraft eine bedeutende regenerative Energiequelle mit einer ausgereiften Technologie. Im Jahre 2002 lieferte die Wasserkraft ca. 16,2% der Stromerzeugung weltweit. Dieses entspricht in etwa einem Anteil von 90% der genutzten EE (BMU, 2005c, S. 36). Jedoch stellt die Nutzung der Wasserkraft durch große Staudämme eine nicht nachhaltige Nutzung der EE dar, da sie z. T. mit gravierenden sozialen und ökologischen Folgen einhergeht (Vgl. 4.2, S.8).

2.2 Techniken zur Nutzung der Wasserkraft

Voraussetzung für die Nutzung der Wasserkraft zur Stromerzeugung ist eine ausreichende Menge und Fallhöhe des Wassers damit eine Wasserturbine angetrieben werden kann. Bei Anlagen zur Nutzbarmachung des Energieangebots kann unterschieden werden zwischen Laufwasser- und Speicher- bzw. Pumpspeicherkraftwerken sowie Kleinwasserkraftwerken.

Folgende Techniken sind für die Nutzung der Wasserkraft in Verwendung:

- Speicherkraftwerke
- Laufwasserkraftwerke
- Kleinwasserkraftwerke

2.3 Einführung in die Windkraft

Luftbewegungen in den unteren Atmosphärenschichten werden als Wind bezeichnet. Diese Luftströmungen sind durch starke zeitliche und örtliche Schwankungen geprägt, die als Ausgleich von Gebieten unterschiedlichen Luftdrucks (d. h. Hoch- und Tiefdruckgebiete) und dem daraus entstehenden Druckgefälle dienen. Die im Wind enthaltene Energie ist technisch mit Hilfe von Windkraftkonvertern nutzbar (Kaltschmitt/Wiese, 1993, S. 73). Der internationale Ausbau der Windenergienutzung ist besonders stark seit 1998 erfolgt. Europa ist der wichtigste Kontinent für die Windenergie zur Stromerzeugung mit einem Anteil von 72,5% (34.705 MW). Der europäische Markt wird dominiert von Spanien und Deutschland. Von den insgesamt 5.921 MW installierter Leistung im Jahr 2004 entfallen 4.101 MW auf diese beiden Länder (Ender, 2005b, S. 38).

2.4 Techniken zur Nutzung der Windenergie

Im Bereich Windenergie konnten durch technische Entwicklung enorme Fortschritte erzielt werden. In den letzten 20 Jahren hat sich die technische Entwicklung der Windkraftanlagen hauptsächlich auf die Konstruktion immer größere Anlagen konzentriert, zur optimalen Nutzung guter Windverhältnisse an den verschiedenen Standorten.

Die Strommenge, die eine vor zehn Jahren gebaute Windkraftanlage in einem Jahr erzeugte, speist eine moderne Anlage heute an einem einzigen Tag ins Netz. Im Jahr 2002 wurde ein Prototyp einer Windkraftanlage mit einer Leistung von 4,5MW installiert, der Ertrag entspricht in etwa dem Jahresstromverbrauch von 5000 deutschen Haushalten (BMU, 2004a, S. 25).

Durch technische Weiterentwicklung sind bedeutende Verbesserungen in folgenden Bereichen zu erwarten (Vgl. WindEnergie e.V., 2005):

- Optimierung der Komponenten, z.B. schlankere Rotorblätter für eine verbesserte Aerodynamik,
- Verbesserung der Regelungssoftware und Netzanbindungssysteme,
- Zukunftsweisende neue Baumaterialien und Konstruktionen für belastbare und dennoch leichte Windkraftanlagen.

Als Offshore-Windenergie wird die Nutzung der Windenergie im Meer bezeichnet. Hohe Windgeschwindigkeiten und die mögliche Errichtung sehr leistungsstarker Windparks offshore liefern nach Westwood (2003) um 40% höhere Energieerträge als küstennahe Standorte auf dem Festland (Energie-fakten, 2005).

Die Windenergie-Technologie ermöglicht mittlerweile den Einsatz großer Windkraftanlagen mit einer Leistung von bis zu 5 Megawatt (MW). Mittelfristig bis langfristig wird davon ausgegangen, dass ein erheblicher Teil der Stromerzeugung über Offshore-Windparks abgedeckt werden könnte.

3 Potenziale

Bei der Behandlung regenerativer Energien wird der Begriff des „Potenzials“ genutzt. Dieser beschreibt, welchen Beitrag die Techniken der Nutzung EE zur Energieversorgung (in Zukunft) leisten können.

Die Möglichkeiten zur Deckung der Energienachfrage werden ganz wesentlich von den verfügbaren Energiepotenzialen bestimmt. Unterschieden werden kann zwischen den theoretischen, den technischen, den wirtschaftlichen und den erschließbaren Potenzialen (Kaltschmitt/Wiese, 1993, S. 7):

Unter dem theoretischen Potenzial einer EE wird ihr physikalisches Angebot innerhalb einer gegebenen Region zu einer bestimmten Zeit verstanden. Dabei handelt es sich z.B. um die potenzielle Energie des in den Flüssen enthaltenen Wassers oder die kinetische Energie des Windes. Aufgrund technischer Schranken bei der Nutzung, ist die Aussagekraft des theoretischen Potenzials begrenzt.

Das technische Potenzial beschreibt den Anteil der EE der unter Berücksichtigung der technischen Restriktionen nutzbar ist. Weitere Einflussfaktoren sind u. a. die Gegebenheiten am konkreten Standort, ökologische Restriktionen, strukturelle Einschränkungen, Speicher- und Transportrestriktionen sowie Produktionskapazitäten.

Das wirtschaftliche Potenzial entspricht dem Anteil des technischen Potenzials, der wirtschaftlich im Vergleich zu anderen Energieformen sinnvoll genutzt werden kann. Hierzu dient die energetische Amortisation des investierten Kapitals innerhalb der Anlagennutzungsdauer u. a. als Kriterium (Vgl. 4.1, S. 8). Ebenfalls wird das wirtschaftliche Potenzial durch die Energieträgerpreise beeinflusst.

Das ausschöpfbare oder Erwartungspotenzial beschreibt den zu erwartenden tatsächlichen Beitrag zur Energieversorgung. Dieses Potenzial ist allenfalls innerhalb eines längeren Zeitraumes vollständig erschließbar und somit i. d. R. geringer als das wirtschaftliche Potenzial.

Gemäß Horlacher (2000, S.488) muss die Zeitkomponente bei dem Potenzial mit berücksichtigt werden. So können sich die technischen bzw. wirtschaftlichen Potenziale verändern (mit Ausnahme des theoretischen Potenzials) aufgrund veränderter wirtschaftlicher oder energiepolitischer Rahmenbedingungen und des technischen Fortschritts. Durch Förderprogramme oder energie- und umweltpolitische Entscheidungen können Hemmnisse auf- oder abgebaut werden die unmittelbar die Nutzungsmöglichkeiten beeinflussen. Wird z.B. eine staatliche Förderung gewährt kann das Erwartungspotenzial im Einzelfall größer als das wirtschaftliche Potenzial sein.

3.1 Wasserkraft

Das jährliche theoretische Potenzial der Wasserkraft, d. h. die potenzielle Energie aller Gewässer, wird weltweit mit 35000 TWh/a angegeben, von denen ca. 26,7 % wirtschaftlich nutzbar sind (s. A. 1, S.25). Von diesem wirtschaftlichen Potenzial wurden 2002 zur Stromerzeugung ca. 28,4% genutzt, das entspricht 2655 TWh. Der Anteil EE an der gesamten Stromerzeugung betrug 2002 weltweit 17,9% und ist in den letzten Jahren leicht gesunken (1990: 19,3%). Ursächlich hierfür ist das geringe Wachstum der Wasserkraftnutzung in den westlichen Industrieländern (OECD), das hinter dem Anstieg des gesamten Stromverbrauchs zurück blieb.

Die Klimagefährdung durch CO2, die fortschreitende Industrialisierung und die ansteigende Weltbevölkerung werden auch in Zukunft in Ländern mit großen Potenzialen Impulse für den weiteren Ausbau der Wasserkraft geben. In den meisten Industrieländern der Welt sind die Potenziale bereits weitgehend ausgenutzt (in Deutschland und der Schweiz werden bereits über 70 % des technischen Potenzials genutzt), in den Entwicklungsländern gibt es jedoch noch große ausschöpfbare Potenziale (Afrika, Asien, Südamerika).

3.2 Windkraft

Etwa 2 % der von der Sonne eingestrahlten Leistung werden ständig in Luftströmungen umgesetzt. Dies entspricht weltweit einer theoretischen Leistung von etwa 4 PW (Petawatt). Nur ein Bruchteil der im Wind enthaltenen Energie ist nutzbar, da der Hauptanteil in höheren für Windkraftanlagen nicht zu erreichenden Luftschichten oder auf dem Meer anfällt und aufgrund zu geringer Windgeschwindigkeiten an Land. Moderne Windkraftanlagen erreichen heute einen Wirkungsgrad von 50%, der mittlere Wirkungsgrad liegt bei 45%. Damit sind moderne Windkraftanlagen schon sehr nah der maximal möglichen Energieausbeute.

Nach Westwood (2003) liegt aufgrund kräftiger, stetiger Winde die Energieerzeugung Offshore schätzungsweise 40% höher als an Land. Somit scheint ein hohes Potenzial vorhanden, dass bisher kaum genutzt wird. Nach Schätzungen des EWEA (2005) werden in Europa noch in diesem Jahrzehnt 10.000 Megawatt Offshore-Leistung installiert sein, bis 2020 sollen es dann 70.000 MW sein. Vor den Küsten Dänemarks, Schwedens, Großbritanniens und Irlands stehen bereits heute Offshore-Windparks mit über 300 Anlagen die zusammen 600 MW realisieren. Auch in Deutschland sind in Nord- und Ostsee bereits ca. 50 Projekte beantragt. Aufgrund aufwändiger Genehmigungsverfahren und hohen Umweltauflagen sind bisher nur wenige genehmigt, realisiert ist bisher eine 4,5 MW- Anlage in Emden. Diese geplanten Offshore-Windparks in Deutschland unterscheiden sich jedoch zu bereits realisierten skandinavischen und britischen Projekten. Aufgrund des Landschaftsschutzes werden die Parks weit vor der Küste in bis zu 40m tiefem Wasser erbaut.

4 Ökologische Betrachtung

Die Erzeugung von Energie aus Wasser- und Windkraft ist vor allem unter den Aspekten Klima- u. Ressourcenverträglichkeit interessant. Umweltwirkungen entstehen vorwiegend bei der Herstellung, dem Betrieb und der Entsorgung der Anlagen. Anhand der energetischen Amortisationszeit^[2] und den dabei entstehenden Treibhausgas-Emissionen ist ein grober Vergleich möglich zwischen den Auswirkungen EE und konventioneller Energien. Für einen ökologisch optimierten Ausbau erneuerbarer Energien ist es wichtig weitere Umweltanliegen zu berücksichtigen. Im Bereich der Wasserkraft können u. a. Auflagen der Fischereibehörden die Modernisierung und Erweiterung von Kraftwerken behindern (Lönker, 2003, S.43). Im Bereich der Windenergie haben sich mittlerweile massive Widerstände organisiert. In Nordrhein-Westfalen bestehen derzeit mehr als 150 Bürgerinitiativen gegen die Windenergie, die vor allem Landschaftsschutzgesichtspunkte als Grundlage für ihre ablehnende Haltung nennen (Windkraftgegner, 2005).

[...]

^[1] Nach Brundtland (1987); Rio-Agenda 21 (1992) wird nachhaltige Entwicklung wie folgt definiert: „Nachhaltige Entwicklung befriedigt die Bedürfnisse der heutigen Generation ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriediegen und ihre eigenen Lebensstile zu wählen.“ (Vgl. BMU, 2004a, S.99)

^[2] Die energetische Amortisationszeit beschreibt die Zeit, die eine Anlage benötigt um die Energie zu erzeugen, die für Herrstellung, Betrieb und Entsorgung benötigt werden (Vgl. BMU, 2004a, S.99).