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Erneuerbare Energien, Potenziale und finanzielle Förderung im Zeitablauf

Diplomarbeit 2001 42 Seiten

Energiewissenschaften

Leseprobe

1 Einleitung

Mit dem Anstieg der Weltbevölkerung und zunehmendem Wohlstand, besonders in den westlichen Industrieländern, steigt auch die Nachfrage nach Energie kontinuierlich an. Mit Beginn der Industrialisierung und dem Fortschreiten des technologischen Wandels haben sich die Menschen eine von immer mehr Technik geprägte Umwelt geschaffen. Die Aufrechterhaltung des bereits erreichten Niveaus an Lebensqualität erfordert einen enormen Verbrauch an Ressourcen zur Energiegewinnung. Um der stark wachsenden Nachfrage nach Energie Rechnung tragen zu können, war die Energiepolitik des zwanzigsten Jahrhunderts darauf ausgerichtet, möglichst im großen Umfang günstige Energie bereitzustellen. Die fossilen Energieträger wie Erdöl, Erdgas, Steinkohle und Kernkraft erfüllten diese Voraussetzungen besonders gut, bis man in den siebziger Jahren durch zahlreiche Studien und Prognosen zur Erkenntnis kam, dass diese Energien bald erschöpft sein würden. Diese Befürchtungen konnten Mitte der achtziger Jahre relativiert werden. Geht man von den bekannten Reserven sowie den zusätzlichen Ressourcen aus, die aufgrund geologischer Zusammenhänge vermutet werden, so gelangt die Bundesanstalt für Geowissenschaft und Rohstoffe (1998) zu der Einschätzung, dass bei derzeitigem Verbrauch die Ölressourcen für 65 Jahre, die Gasressourcen für 150 Jahre und die Kohleressourcen für 2000 Jahre reichen werden.[1]

Seit den achtziger Jahren beschäftigt sich die Forschung zunehmend mit einem anderen Problem, nämlich die Belastung der Erdatmosphäre. Das bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehende Kohlendioxid (CO2) wird hauptsächlich, neben anderen „Klimaschadstoffen“, als mögliche Ursache für eine nachhaltige globale Klimaveränderung, dem Treibhauseffekt, angesehen.[2] Um weitere Umweltbelastungen zu vermindern und die Ressourcen zu schonen, wird verstärkt nach alternativen Energiequellen geforscht, die frei von klimarelevanten Gasen wie CO2 und Schadstoffgasen wie SO2, NOx u.a. sind[3]. Diese Energiequellen resultieren aus Sonnenenergie, Windenergie sowie aus der Nutzung der Erdwärme

und des Biomassepotenzials. Im Gegensatz zu den konventionellen Energieträgern sind die aus den alternativen Energiequellen hervorgegangenen Energieträger in ihrem Vorkommen nicht begrenzt und werden als erneuerbare Energien bezeichnet.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, welche erneuerbaren Energieträger vorhanden sind, welche Potenziale in jedem Energieträger stecken, und wie diese Potenziale mit welchen finanziellen Mitteln und in welchem Umfang gefördert werden.

Diese Untersuchung beschränkt sich auf die Bundesrepublik Deutschland.

Um das Verständnis des Themas „Erneuerbare Energien“ zu erleichtern, werden zunächst die wesentliche Begriffe und Definitionen erläutert.

2 Potenziale in erneuerbaren Energien

2.1 Begriffsdefinition

2.1.1 Erneuerbare Energien

Unter einem Energieträger wird ein Stoff oder eine physikalische Erscheinungsform von Energie verstanden, aus dem direkt oder durch Umwandlungen Nutzenergie gewonnen werden kann.[4]

Energieträger können unterteilt werden in Primärenergieträger (z.B. Erdöl, Braun- und Steinkohle), d.h. Energieträger, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden und Sekundärenergieträger (Benzin, elektrischer Strom) bzw. erneuerbare Energieträger und erschöpfliche, endliche Energieträger.

Die erneuerbaren Energieträger resultieren im Wesentlichen aus drei unterschiedlichen Energiequellen:[5]

1. eingestrahlte Energie der Sonne (Fotosynthese), Windenergie und Wasserkraft,
2. Massenanziehungskraft zwischen den Planeten (Gezeitenenergie der Meere),
3. Energie aus der Erde (geothermische Energie).

Die direkte Sonneneinstrahlung wird von den Menschen als Wärme und Licht genutzt. Dabei vollzieht sich die Nutzung der Wärme als „passive“ Nutzung, bei der die Wärmestrahlung durch geschickte Bauweise von Gebäuden zur Erwärmung und Heizung genutzt wird, und als „aktive“ Nutzung, bei der durch technische Einrichtungen die Wärmeenergie gespeichert oder an den Ort der Nutzung transportiert wird, unterschieden.[6]

Durch die Entwicklung der Halbleitertechnik ist die direkte Umsetzung von Licht in Elektrizität, die Fotovoltaik, hinzugekommen. Bei der Nutzung der Wasserkraft ist die Bewegungsenergie des Wassers die treibende Kraft, bei der Windenergie die Luftströmung. Beide Effekte werden primär durch die Sonneneinstrahlung erzeugt. Das Sonnenlicht ermöglicht auch durch Fotosynthese das Pflanzenwachstum. Die Gesamtheit aller Stoffe organischer Herkunft sowohl aus dem Bereich der Pflanzen als auch aus dem Bereich der Tiere bezeichnet man als Biomasse.

Unter Geothermie wird die Erdwärme verstanden, die an manchen Orten direkt genutzt werden kann, im Allgemeinen aber erst in sehr großen Tiefen eine geeignete Temperatur erreicht und deshalb nur durch aufwendige Technik nutzbar ist.

Im weiteren Verlauf der Arbeit beschränke ich mich auf die Untersuchung der folgenden Energieträger: Wasserkraft, Windenergie, Geothermie, Fotovoltaik und Biomasse.

2.1.2 Potenzialbegriffe

Für die Abschätzung der Potenziale erneuerbarer Energiequellen wird zwischen vier verschiedenen Potenzialbegriffen unterschieden:[7]

- Unter dem theoretischen Potenzial versteht man das gesamte physikalische Angebot eines regenerativen Energieträgers. Es stellt somit eine theoretische Obergrenze des verfügbaren Energieangebots dar. In der Regel sind theoretische Potenziale wenig aussagekräftig in Bezug auf den möglichen Beitrag der erneuerbaren Energiequellen zur Energieversorgung.
- Das technische Potenzial regenerativer Energien beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung der gegebenen technischen Restriktionen nutzbar ist. Damit gibt es immer verschiedene technische Potenziale in Abhängigkeit von der zugrunde gelegten Technik.
- Unter dem wirtschaftlichen Potenzial einer erneuerbaren Energie wird der Anteil des technischen Potenzials verstanden, der unter wirtschaftlichen Bedingungen genutzt werden kann. Das wirtschaftliche Potenzial ist zeitabhängig und wird sehr stark von den konventionellen Vergleichssystemen und den Energieträgerpreisen, die bekanntlich erheblichen Schwankungen unterliegen, beeinflusst. Außerdem ist die Wirtschaftlichkeit selbst eine relative Größe, da sie von einer Reihe unterschiedlicher Parameter wie Zinssatz, Abschreibungsdauer, Eigenkapitalanteil abhängig ist.
- Anstelle einer solchen ungenauen Schätzung des wirtschaftlichen Potenzials wird ein sogenanntes Erwartungspotenzial angegeben. Dieses Potenzial stellt die erwartete Ausschöpfung des wirtschaftlichen Potenzials dar, die sich unter der Voraussetzung anstellen würde, dass die Systeme innerhalb des betrachteten Zeitraums wirtschaftlich konkurrenzfähig sind. Dieser Betrag ist in der Regel geringer als das wirtschaftliche Potenzial, da es nicht sofort, sondern nur innerhalb eines längeren Zeitraums vollständig erschließbar ist.

2.2 Wasserkraft

Wasserkraft wurde schon in vorindustrieller Zeit als mechanische Energie eingesetzt, hauptsächlich zum Betrieb von Mühlen, Säge- und Hammerwerken. Heute dient die Nutzung der Wasserkraft ausschließlich der Stromerzeugung. Von allen erneuerbaren Energien hat Wasserkraft weltweit die größte Bedeutung. Sie ist technisch recht einfach zu beherrschen, und große Energieflüsse können auf kleinem Raum konzentriert werden. Die Möglichkeiten zur Nutzung der Wasserkraft hängen von vielen geographischen und klimatischen Bedingungen ab. Länder, in denen diese Bedingungen günstig zusammenpassen, nutzen dies dementsprechend aus. Zum Beispiel betrug der Anteil der Wasserkraft an der Stromversorgung im Jahre 1992 in Norwegen 99 %, in Österreich 76 %. Im Vergleich dazu verfügt Deutschland

lediglich über einen Anteil von 3,6%.[8] Das natürliche Potenzial der Gewinnung von Wasserkraft beruht auf Abfluss und Gefälle. Je größer das Gewässer, je höher der Wasserdurchfluss und je größer die Fallhöhe ist, desto höher ist das Potenzial Energie zu gewinnen. Neben der Nutzung der Wasserkraft aus Bächen und Flüssen bietet es sich an, die enormen Reserven des Meeres in nutzbare Energie zu überführen.

Die wesentlichen Erscheinungsformen der im Meer enthaltenen Energie sind Gezeitenenergie, Wellenenergie und Meeresströmung. Ein Gezeitenkraftwerk nutzt die örtlichen Wasserstandsschwankungen des Tidenhubs, die durch die Gravitationswechselwirkungen zwischen Sonne, Erde und Mond hervorgerufen werden.[9] Gezeitenkraftwerke sind an der deutschen Nord- und Ostseeküsten aufgrund des relativ geringen Tidenhubs kaum einsetzbar. Mindestvoraussetzung für das Betreiben eines Gezeitenkraftwerkes sind 3 bis 5 Meter mittlerer Tidenhub.[10]

Bei der Nutzung der Wellenenergie wird versucht, die unterbrochene und in ungleichen Perioden anfallende kinetische Energie von Meereswellen in einen gleichmäßigen Energiefluss umzuwandeln und zu speichern. An den deutschen Küsten ist eine wirtschaftliche Nutzung der Wellenenergie zur Zeit kaum möglich, da die Technologie dafür noch nicht ausgereift ist und der Nutzen die erforderliche Kosten bei weitem nicht rechtfertigen würde.[11]

Meeresströmungen entstehen als Folge der schwankenden, breitenabhängigen Sonneneinstrahlung und der daraus resultierenden horizontalen Unterschiede in der atmosphärischen Temperatur, Dichte und Feuchtigkeitsverteilung. Für die Gewinnung von Nutzenergie aus Meeresströmung besteht aufgrund der geogra-phischen Lage für Bundesrepublik Deutschland kein direkter Zugang.

Die technischen Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Wellenenergie und Meeresströmung sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft und es ist auch nicht absehbar, dass es hier zu durchgreifenden Entwicklungen kommt. Daher sollen diese Energieträger nicht weiter untersucht werden.

Die großen Potenziale zur Nutzung der Wasserkraft in Deutschland liegen in den südlichen Bundesländern, da hier der Voralpenraum für ein günstiges Gefälle sorgt.

Das theoretische Potenzial der Wasserkraft in Deutschland wird auf ca. 100 TWh pro Jahr, das gesamte technische Potenzial auf etwa ein Viertel davon auf knapp 25 TWh geschätzt.[12] Im Jahr 1999 wurde rund 20 TWh Strom aus Wasserkraft ins Netz eingespeist.[13] Das Potenzial ist also zu rund 80 % erschlossen.

Allein rund drei Viertel der insgesamt vorhandenen Energiepotenziale konzentrieren sich auf die Fläche der Bundesländer Bayern (ca. 50%) und Baden-Württemberg (ca. 25%). Verglichen damit ist das Energiepotenzial einer Stromerzeugung aus Wasserkraft in den Küstenbundesländern (Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern und Niedersachsen) mit rund 1% sehr gering.

Von den noch zu erschließenden 5 TWh könnten 0,4 bis 0,8 TWh durch Reaktivierung stillgelegter Kleinkraftwerke mit einer Leistung von 100 kW bis 1 MW gewonnen werden und eine fast ebenso große Energiemenge durch Modernisierung veralteter Anlagen.[14] Der Rest entfällt auf das Ausbaupotenzial für Neuanlagen. Dies dürfte vorerst aber kaum erschließbar sein. Der Neubau von Kleinanlagen (unter 1 MW) ist derzeit absolut unwirtschaftlich. Der Neubau von Großanlagen (über 1 MW) an Flussläufen oder durch Talsperren ist meist wirtschaftlich, wird aber wegen der ökologischen Auswirkungen vielfach nicht akzeptiert.[15]

2.3 Windkraft

Die Windenergie ist eine spezielle Form der Sonnenenergie. Durch die auf die Erdatmosphäre mit unterschiedlichen Stärke strahlende Sonnenenergie entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete. Die Luftdruckunterschiede setzen die Luftpartikel in Bewegung, die wir als Wind wahrnehmen.

Windkraftanlagen wandeln die Strömung von Luft in mechanische Kraft oder Strom um. Dies erfolgt mit Hilfe eines Rotors, der sich entweder um eine waagerechte oder

um eine senkrechte Achse dreht. Zum Erzeugen von elektrischer Energie werden fast ausschließlich Horizontalachser mit einem, zwei oder drei Flügeln eingesetzt.[16]

Von der ganzen Palette der erneuerbaren Energien nimmt die Windenergie nach der Wasserkraft den zweiten Platz ein. Bezogen auf die Zuwachsraten der produzierten Leistung könnte man die letzten zehn Jahre des 20. Jahrhunderts als die „Dekade des Windes“ bezeichnen. Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 ist die Leistung der Windkraftanlagen von etwa 9 MW im Jahr 1988 auf rund 6100 MW im Jahr 2000 angestiegen.[17] Damit lieferte die Windenergie 9,2 TWh Strom, also etwa 2 % der gesamten Stromproduktion in Deutschland im Jahr 2000.[18] Somit konnte Deutschland seinen Spitzenplatz in der Weltrangliste ausbauen und liegt deutlich vor den USA mit ca. 2.500 MW, Spanien und Dänemark beide jeweils ca. 2.000 MW.[19]

Abb. 1: Installierte Leistung von Windkraftanlagen in Deutschland von 1989 bis

2000 (in MW)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bilanz

der Windenergienutzung im Jahr 2000, in: Umwelt, Nr. 3 / 2001, S. 156.

Diese Entwicklung wird voraussichtlich mit der gleichen Geschwindigkeit weiter gehen. Nach Angaben von Peter Ahmels, Präsident des Bundesverbandes Windenergie, wird die installierte Leistung bis Ende dieses Jahres um 2.000 MW auf mindestens 8.000 MW ansteigen.[20]

Ausschlaggebend für die Windenergieproduktion ist die Luftgeschwindigkeit. Die Leistung einer Windturbine korreliert nämlich mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.[21] Das heißt, verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, so verachtfacht sich die im Wind erhaltene Leistung.

Gegenwärtig und in absehbarer Zukunft ist eine Windenergienutzung bei jahresdurchschnittlichen Windgeschwindigkeiten von mehr als 4 m/s, bezogen auf 10 Meter Höhe über dem Boden, ökonomisch sinnvoll.[22] Für Bundesrepublik Deutschland ergibt sich eine Landfläche von ca. 47.500 km2 mit Windgeschwindigkeiten zwischen 4 und 5 m/s, ca. 7.200 km2 mit 5 bis 6 m/s und knapp 900 km2 mit mehr als 6 m/s.[23] Die größten zusammenhängenden Gebiete mit mehr als 4 m/s durchschnittlicher Windgeschwindigkeit sind im norddeutschen Küstenbereich zu finden, kleinere sind in Mittelgebirgen vorhanden. Doch sind diese Gebiete aufgrund einer Vielzahl von Restriktionen nicht vollständig für eine Energiegewinnung aus der Windkraft nutzbar. Die Flächen können bereits anderweitig genutzt sein als Siedlungsfläche, Industriegebiet, Verkehrsfläche oder landwirtschaftliche Nutzfläche, oder es kann sich um ein Naturschutzgebiet handeln. Betrachtet man nur die Flächen, wo Windgeschwindigkeiten von mehr als vier Meter pro Sekunde bestehen und die keiner Restriktion unterliegen, kommt man auf ein technisch nutzbares Flächenpotenzial von ca. 26.160 km2.[24] Würde man diese Flächen vollständig nutzen, dann könnte man auf ihnen bis zu 117 TWh elektrischen Strom pro Jahr gewinnen.[25] Zieht man davon die gegenwärtige Nutzung der Windkraft zur Stromerzeugung, ca. 9,2 TWh im Jahr 2000 ab, so bleibt noch ein

[...]


[1] Neu, A. D., Eine Zwischenbilanz zum Einsatz und zur Förderung erneuerbarer Energie in Deutschland, in: Kieler Diskussionsbeiträge, Juli 2000, S. 4.

[2] Neu, A. D., a.a.O., S. 5.

[3] Räuber, A., Erneuerbare Energien, Stand-Aussichten-Forschungsziele, Bundesminister für Forschung und Technologie (Hrsg.), Bonn 1992, S. 17.

[4] Kaltschmitt, M.; Wiese, A., Erneuerbare Energieträger in Deutschland, Potentiale und Kosten. Berlin 1993, S. 4.

[5] Räuber, A., a.a.O., S. 7.

[6] Räuber, A., a.a.O., S. 12.

[7] Kleemann, M.; Meliß, M., Regenerative Energiequellen, Berlin 1988, S. 22.

[8] Räuber, A., a.a.O., S. 80.

[9] Enquete–Kommission (Hrsg), Energie und Klima: Erneuerbare Energien, Band 3, Karlsruhe 1990, S. 184.

[10] Enquete–Kommission, a.a.O., S. 188.

[11] Heimann, M., Regenerative Energien, Technik-Daten-Zahlen-Fakten, Hauptberatungsstelle für Elektrititätsanwendung – HEA - e. V. (Hrsg), Dortmund 1998, S. 131.

[12] Kaltschmitt, M.; Wiese, A., a.a.O., S. 120.

[13] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Wasserkraft als erneuerbare Energiequelle, in: Zeitschrift Umwelt, Nr.3 / 2001, S. 167.

[14] Enquete–Kommission, a.a.O., S. 178.

[15] Enquete–Kommission, a.a.O., S. 180.

[16] Lehmann, H.; Reetz, T., Zukunftsenergien: Strategien einer neuen Energiepolitik, Berlin 1995, S. 71.

[17] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Weiterer Ausbau der Wind- energienutzung im Hinblick auf den Klimaschutz, in: Umwelt, Nr. 6 / 2001, S. 398.

[18] o. V., Erneuerbare Energien, in: Energiewirtschaft, 100 Jg. (2001), S.6.

[19] Hug, R., Ein Jahr EEG: Frischer Wind für Strom aus erneuerbaren Energiequellen,

http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikel_april_2001.html, Abruf: 29.08.01 um 14:50.

[20] Sauer, H. D., Windräder hinter dem Horizont, in: Neue Zürcher Zeitung, Nr. 193 vom 22.8.2001, S. 49.

[21] Sauer, H. D., a.a.O., S. 49.

[22] Kaltschmitt, M.; Fischedick, M., Wind und Solarstrom im Kraftwerksverbund: Möglichkeiten und Grenzen, Institut für Energiewirtschaft und rationelle Energieanwendung an der Universität Stuttgart (Hrsg.), 1. Aufl., Heidelberg 1995, S. 40.

[23] Kaltschmitt, M.; Wiese, A., a.a.O., S. 82.

[24] Kaltschmitt, M.; Fischedick, M., a.a.O., S. 43.

[25] Kaltschmitt, M.; Fischedick, M., a.a.O., S. 44.

Details

Seiten
42
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2001
ISBN (eBook)
9783832452490
ISBN (Buch)
9783838652498
Dateigröße
521 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v220197
Institution / Hochschule
Universität Hamburg – Wirtschaftswissenschaften
Note
1,2
Schlagworte
regenerative energie fotovoltaik windkraft erneuerbare wasserkraft

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