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Energiewirtschaftliche Tagesfragen et
Die Rolle rege­nera­tiver Energien bei der welt­weiten Elektri­zitäts­erzeu­gung

erschienen in Energiewirtschaftliche Tagesfragen et 05/2003 S.290-293



In den 90er-Jahren betrug das durch­schnittliche weltweite Wachstum des Netto­strom­verbrauch knapp 3 %. Mit Ausnahme der Wasserkraft ist der Anteil regenerativer Energien noch sehr gering. So decken überwiegend konventionelle thermische Kraftwerke, die damit mehr als ein Drittel aller energiebedingten weltweiten Kohlendioxidemissionen verursachen, diesen Mehrbedarf. Die meisten regenerativen Kraftwerke verzeichnen jedoch deutlich stärkere Wachstumsraten. Sie können in den nächsten zwei Jahrzehnten den Anteil konventioneller Kraftwerke zurückdrängen und einen wirksamen Beitrag zum Klimaschutz liefern.

Wirkungsgradverbesserungen bei konventionellen Kraftwerken und die Verwendung kohlendioxidärmerer Brennstoffe wie Erdgas anstelle von Kohle können zwar die spezifischen Treibhausgasemissionen bei der Stromerzeugung reduzieren. Dies wird jedoch durch den steigenden Bedarf wieder kompensiert, sodass nur ein drastischer Ausbau der Nutzung regenerativer Energien langfristig einen wirklichen Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgasen leisten kann. Dabei decken die erneuerbaren Energien bereits heute mehr als ein Fünftel des weltweiten Elektrizitätsbedarfs.

Die Wasserkraft dominiert den regenerativen Energiemarkt

Der Löwenanteil der regenerativen Elektrizitätserzeugung wird derzeit von der Wasserkraft erbracht. Dabei fällt sowohl die Erzeugung als auch der Anteil am Stromaufkommen in den einzelnen Ländern stark unterschiedlich aus (Tabelle 1 und Bild 1). In den folgenden Betrachtungen wird der Anteil der Nettoerzeugung der Wasserkraft auf den Nettostromverbrauch bezogen. Hierbei sind jedoch Transportverluste, Verluste durch Speicherung z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken und Import oder Export von Elektrizität nicht berücksichtigt, sodass der Anteil wie bei Norwegen oder Paraguay auch über 100 % betragen kann. Auch Albanien, Tadschikistan, Kamerun, Kongo, Äthiopien, Sambia, Bhutan oder Nepal decken mit weit über 90 % fast ihren gesamten Elektrizitätsbedarf durch die Wasserkraft.
Theoretisch ließe sich die weltweite Erzeugung aus Wasserkraft in etwa noch vervierfachen. In vielen Gebieten der Erde sind die Potenziale der Wasserkraft hinge-gen schon weit erschlossen. Auf Grund ihrer starken Eingriffe in die Natur werden Großprojekte wie das im Bau befindliche Dreischluchtenprojekt in China mit 18,2 GW Leistung international stark kritisiert. Naturverträgliche Kleinanlagen werden wegen der deutlich höheren spezifischen Kosten jedoch nur in geringem Umfang errichtet. Dennoch ist zu erwarten, dass die Wasserkraft mittelfristig ihre dominante Stellung unter den Regenerativen behaupten kann.

Tabelle 1: Länder mit der größten Nettoerzeugung durch Wasserkraft sowie installierte Leistung und Anteil am Nettoverbrauch
Land
 
Netto­erzeu­gung in TWhInstal­lierte Leis­tung
in GW
Anteil am
Netto­verbrauch
Kanada352,766,970,6%
Brasilien304,559,084,4%
USA273,198,97,5%
China220,170,018,2%
Russland157,843,420,6%
Norwegen140,227,0124,6%
Japan86,621,69,2%
Schweden77,816,455,9%
Indien75,824,514,9%
Frankreich66,720,816,3%
Venezuela62,313,283,0%
Paraguay53,07,4102,9%
Österreich41,48,075,5%
Schweiz36,510,469,4%
Andere700,6206,214,2%
Welt2.649,1693,719,3%
Stand: Jahr 2000, Quelle: [1]
Weltweite Stromerzeugung durch Wasserkraft
Bild 1: Entwicklung der weltweiten Stromerzeugung aus Wasserkraft und Veränderung in den letzten Jahren (Daten:[1])
Die Biomassenutzung weckt große Erwartungen

Nach der Wasserkraft erbringt die Biomasse weltweit den zweithöchsten Anteil an der regenerativen Stromerzeugung, wenn auch mit deutlichem Abstand. Im Gegensatz zu den meisten anderen regenerativen Energien sind weltweite Zahlen für die Biomassenutzung nur schwer erhältlich, da sie in vielen Ländern von privaten Erzeugern in kleineren dezentralen Anlagen erfolgt. Der Umfang der weltweiten Nutzung lässt sich am amerikanischen Markt abschätzen. Hier wurden im Jahr 2001 allein mit Holz 36,9 TWh erzeugt, was in der Größenordnung der Wasserkraftnutzung in der Schweiz entspricht.
Inwieweit man die Abfallverbrennung als regenerative Energienutzung ansehen kann, ist stark umstritten. Zwar besteht der Müll aus großen Mengen organischer Reststoffe, aber auch aus Erdölprodukten. Dennoch ordnet die Statistik die energetische Abfallverwertung oftmals bei der Biomasse ein. Die USA erzeugten im Jahr 2001 durch Abfallnutzung 22,8 TWh. Schlägt man diese der Biomasse zu, erbringt sie immerhin 1,6 % der amerikanischen Nettostromproduktion.
Auch andere Länder setzen auf die Biomassenutzung große Hoffnungen. Im gleichen Jahr erzeugte z. B. Spanien durch Biomassenutzung und Hausmüllverbrennung rund 1,9 TWh, was einem knappen % des Nettostrombedarfs entspricht. Die künftigen Ziele des Landes an der iberischen Halbinsel sind beachtlich. Bis zum Jahr 2010 soll die Produktion auf über 16 TWh gesteigert werden. Ob sich dieses erreichen lässt, ist auf Grund der noch moderaten Steigerungsraten derzeit zu bezweifeln.
Deutschland scheut die Formulierung von derartig ehrgeizigen Zielen. Mit 4,9 TWh beträgt auch hier die Stromerzeugung aus Biomasse und Müll ein knappes % des Stromaufkommens. Schätzt man die weltweite Biomasse- und Abfallnutzung zur Stromerzeugung auf 1,5 % des globalen Nettostromaufkommens ab, liefert die Biomasse rund 200 TWh.

Geothermie wird oft unterschätzt

Als regenerative Energiequelle mit der dritthöchsten Stromerzeugung deckt die Geothermie rund 0,4 % des weltweiten Stromverbrauchs. Auf den Philippinen hat sie dabei mit fast einem Viertel den größten Anteil an der Versorgung eines Landes. Island und El Salvador folgen mit einem Fünftel des Stromaufkommens. Zusammen mit einem Wasserkraftanteil von gut 80 % basiert die isländische Stromversorgung damit ebenfalls nahezu vollständig auf regenerativen Energien (Tabelle 2).
In den letzten 10 Jahren stieg die welt-weit installierte Geothermieleistung jährlich im Mittel gut 3 %. Damit liegt das Wachs-tum nur geringfügig über der Zunahme des Elektrizitätsbedarfs, sodass die Geothermie in den nächsten Jahren vermutlich keinen wesentlich höheren Anteil erlangen wird.

Tabelle 2: Elektrizitätserzeugung und installierte Leistung von Geothermie sowie Anteil am Nettoverbrauch
Land
 
Erzeugung in TWh 1)Instal­lierte Leis­tung in MW 2)Anteil am Netto­ver­brauch 3)
USA15,47 2.228 0,4%
Philippinen9,18 1.905 24,3%
Mexiko5,68 865 3,1%
Indonesien4,58 748 5,3%
Italien 4,40 692 1,6%
Japan 3,53 549 0,4%
NeuSeeland 2,27 438 6,8%
Island 4) 1,45 202 20,7%
ElSalvador 0,80 161 19,5%
CostaRica 0,59 143 10,0%
Andere 1,62 298 0,0%
Summe 49,57 8.229 0,4%
1) Stand:2000, Quelle:[2]    2) Stand: Frühjahr2002, Quelle:[3]    3) bezogen auf 2000, Quelle:[1]
4) Erzeugung und Leistung Stand 2001, Quelle:[4]
Windkraft weist ein stürmisches Wachstum auf

Mit 25 bis 35 % verzeichnet die Windkraft derzeit die größten Wachstumsraten unter den Regenerativen (Bild 2). Mit 0,3 % ist ihr Anteil am Elektrizitäts-verbrauch derzeit noch etwas geringer als der Geothermie (Tabelle 3). Noch in die-sem Jahr wird die Windkraft die Geothermie vom dritten Platz verdängen. In gut fünf Jahren holt sie dann bei gleichbleiben-den Zuwachsraten die Biomasseerzeugung ein. Ende dieses Jahrzehnts könnte dann die Windkraft hinter der Wasserkraft mit einem Anteil von knapp 3 % an der welt-weiten Stromerzeugung die mit Abstand zweitgrößte regenerative Energiequelle sein. Um die Wasserkraft vom regenerativen Thron stoßen zu können, benötigt die Windkraft aber selbst bei weiterhin optimistisch hohen Wachstumsraten noch mindestens 15 bis 20 Jahre.
Entscheidend dabei ist aber, dass sich der Ausbau der Windkraftnutzung nicht nur auf einige wenige Länder beschränkt. Zwar stehen in vielen Ländern Windkraftanlagen, doch haben diese bislang lediglich in Dänemark einen zweistelligen Anteil an der Stromversorgung. Anderenorts bewegt sich dieser Anteil im Promillebereich. Drei Viertel der weltweiten Windleistung stehen in den vier Ländern Deutschland, Spanien, USA und Dänemark. Dabei verfügen auch andere Länder wie Großbritannien über gigantische Potenziale, die theoretisch mehr als den gesamten Elektrizitätsbedarf des Landes decken könnten.
Da die Erzeugung der Windkraft je nach Windangebot stark schwankt, können Windkraftanlagen nur einen geringen Anteil an gesicherter Leistung zur Verfügung stellen. Darum dürfte die Erzeugung aus Windkraft in den einzelnen Ländern auf maximal 20 bis 30 % beschränkt bleiben, wenn nicht globale Verbundnetze oder Speichermöglichkeiten künftig für einen Ausgleich sorgen. Das könnte bedeuten, dass die hohen Zuwachsraten der Windkraft spätestens im nächsten Jahrzehnt wieder sinken.

Tabelle 3: Elektrizitätserzeugung und installierte Leistung der Windkraft sowie Anteil am Nettoverbrauch
Land
 
Erzeu­gung
in TWh 1)
Instal­lierte Leis­tung in MW 2)Anteil am Netto­ver­brauch 3)
Deutsch­land11,58.7342,3%
Spanien7,23.5503,6%
USA5,84.2450,2%
Dänemark4,32.45612,7%
Indien2,41.4560,5%
Italien1,07000,4%
Groß­britannien0,95250,2%
Niederlande0,95230,9%
China0,74060,1%
Griechen­land0,63581,2%
Andere3,01.9640,0%
Summe38,324.9170,3%
1) Stand: 2001, Quellen: [5; 6; 7; 8], eigene Berechnungen    2) Stand: 2001, Quelle: [9]
3) bezogen auf 2000, Quelle: [1]

Weltweit installierte Leistung der Windkraft
Bild 2: Entwicklung der weltweiten installierten Windkraftleistung in den letzten Jahren (Daten:[9])
Hohe Kosten und enorme Potenziale bei der Photovoltaik

Die Photovoltaik lässt sich prinzipiell nahezu überall auf der Erde einsetzen, auch wenn der Ertrag in Mitteleuropa deutlich niedriger als z. B. in Afrika ausfällt. Haupt-vorteile der Photovoltaik sind die Modulari-tät und mögliche Gebäudeintegration. So könnten allein Anlagen auf verfügbaren Dächern und Gebäudefassaden in Deutschland gut 25 % des Strombedarfs decken [10]. Die hohen Kosten erlauben hingegen derzeit nur einen wirtschaftlichen Betrieb von kleinen Inselanlagen. Netzge-koppelte Systeme werden in einigen Ländern wie Japan, Deutschland oder Spanien durch Gesetze oder staatliche Programme gefördert.
Auch die Photovoltaik weist in den letzten Jahren Zuwachsraten von 30 % auf (Bild 3), befindet sich aber noch auf einem deutlich niedrigeren Niveau als die Windkraft, sodass sie selbst bei weiter hohen Wachstumsraten in den nächsten zehn Jahren noch keinen bedeutenden Anteil an der Weltstromversorgung bekommen wird (Tabelle 4). Auch im Jahrzehnt danach wird die Photovoltaik vermutlich erst die heutige Bedeutung der Windkraft erlangen. Langfristig sind die Potenziale der Photovoltaik jedoch gigantisch. Gelingt es, die Kosten in den nächsten beiden Jahrzehnten auf die anderer regenerativer Energien oder noch mehr zu drücken, könnte sie bis zum Jahr 2050 zu einer der wichtigsten regenerativen Energienquelle aufsteigen.

Tabelle 4: Elektrizitätserzeugung und installierte Leistung der Photovoltaik sowie Anteil am Nettoverbrauch
Land
 
Erzeugung
in TWh 1)
Instal­lierte Leis­tung
in MW 2)
Anteil am Netto­verbrauch 3)
Japan0,35452,20,037%
Deutschland0,12194,70,023%
USA0,20167,80,005%
Australien0,0433,60,020%
Niederlande0,0120,50,012%
Schweiz0,0117,60,027%
Spanien0,0215,60,008%
Mexiko0,0215,00,006%
Frankreich0,0113,90,003%
Kanada0,018,80,001%
Andere0,25290,30,004%
Summe1,031230,00,008%
1) Stand: 2001, eigene Berechnungen    2) Stand: 2001, Quellen: [11]    3) bezogen auf 2000, Quelle: [1]

Weltweit installierte Leistung der Photovoltaik
Bild 3: Entwicklung der weltweiten installierten Photovoltaikleistung in den letzten Jahren (Daten:[9])
Zehn Jahre Pause beim Ausbau der solarthermischen Stromerzeugung

Mittel- und langfristig weckt auch die solarthermische Stromerzeugung große Hoffnungen. Ein % der verfügbaren Fläche in der Sahara würden theoretisch ausreichen, um den gesamten Elektrizitätsbedarf der Erde durch solarthermische Kraftwerke zu decken. In Mittel- oder Nordeuropa hingegen macht die Errichtung solarthermi-scher Kraftwerke keinen Sinn, da auf Grund des deutlich geringeren direkten Solarstrahlungsanteils hier die Kosten exorbitant höher sind. In Sonnengürtel der Erde produzieren solarthermische Kraftwerke hingegen durchaus zu interessanten Kosten. Mittelfristig könnten sie es sogar mit fossilen Kraftwerken aufnehmen.
Gegenüber der Photovoltaik und der Windkraft weisen sie noch einen weiteren Vorteil auf: Verhältnismäßig einfach lassen sich Speicher in solarthermische Kraftwerke integrieren. Je nach Speichergröße können diese auch nachts oder in Schlechtwetterperioden Strom liefern. In den 80er-Jahren zu Zeiten der Ölkrisen errichteten die USA in Kalifornien solarthermische Kraftwerke mit einer Leistung von 354 MW, die seitdem erfolgreich betrieben wurden. Mit einer jährlichen solaren Stromerzeugung von rund 0,6 TWh decken sie damit 0,004 % des weltweiten Strombedarfs.
Der Verfall der Ölpreise stoppte diese Entwicklung. Durch eine Neufassung des spanischen Einspeisegesetzes sind die finanziellen Rahmenbedingungen für den Neubau neuer Kraftwerke auf der iberischen Halbinsel geschaffen worden. Auf Grund der nötigen Planungs- und Bauzeiten ist jedoch frühestens in 2 bis 3 Jahren mit der Inbetriebnahme neuer Anlagen zu rechnen. Selbst bei optimistischen Annahmen wird damit die solarthermische Stromerzeugung den Promillebereich bis Ende des Jahrzehnts nicht verlassen.

Kein Klimaschutz ohne Regenerative Energien

Mit Ausnahme der Wasserkraft weisen alle hier beschriebenen regenerativen Energien höhere Wachstumsraten als der Nettostromverbrauch auf. Tabelle 5 zeigt die Entwicklung bis zum Jahr 2020, wenn die Zuwachsraten der letzten Jahre fortgeschrieben werden. Da sie jedoch noch einen sehr geringen Anteil an der Stromversorgung haben, können sie die Zunahme des Verbrauchs in den nächsten zehn Jahren nicht kompensieren.

Tabelle 5: Aktuelle Erzeugung und Projektion bis zum Jahr 2020 bei Fortschreibung der aktuellen Zuwachsraten
 aktuelle
Erzeu­gung in TWh
und Anteil 1)
Steige­rung
2)
 
Erzeu­gung in TWh und Anteil im Jahr 2010Erzeugung in TWh
und Anteil
im Jahr 2020
Wasser­kraft2.649,1 (19,3%)+2,1%3.329 (18,6%)3.936 (16,8%)
Bio­masse200  (1,5%)+9,0%434  (2,4%)1.028  (4,4%)
Geo­thermie49,6  (0,4%)+3,2%64  (0,4%)87  (0,4%)
Wind­kraft38,3  (0,3%)+32,3%475  (2,7%)7.800 (33,4%)
Photo­voltaik1,0 (0,008%)+26,3%8 (0,04%)87  (0,4%)
Solar­thermie0,6 (0,004%)+30,0%3 (0,02%)40  (0,2%)
Summe2.938,6 (21,4%) 4.313 (24,1%)12.978 (55,5%)
Netto­ver­brauch13.719,1 (100%)+2,7%17.907 (100%)23.374 (100%)
1) Wasserkraft, Geothermie und Nettoverbrauch: Jahr 2000; andere: 2001; Biomasse geschätzt
2) Steigerung Wasserkraft: Jahre 1991-2000; Biomasse geschätzt; Geothermie: 1990-2002; Windkraft: 1994-2001; Pho-tovoltaik: 1992-2001; Solarthermie: Schätzung ab 2005; Nettoverbrauch: 1991-2000

Bis zum Jahr 2010 wird deshalb die Erzeugung aus konventionellen Kraftwerken um 25 % ansteigen. Dies bedeutet eine weitere Zunahme der CO2-Emissionen, denn Einsparungen durch den Ersatz alter ineffektiver Anlagen durch emissionsärmere Kraftwerke können dieses Wachstum nicht kompensieren. Eine mögliche Verbrauchsreduzierung durch die rationellere Verwendung vom Strom könnte zwar diese für das Klima negative Entwicklung bremsen, erscheint aus heutiger Sicht jedoch wenig wahrscheinlich.
Dennoch wird der Anteil der regenerativen Energien bis zum Jahr 2010 leicht zunehmen. Vor allem Biomasse und Windkraft haben an dieser Entwicklung einen wichtigen Anteil. Bis zum Jahr 2020 ließe sich dann die Leistung konventioneller Kraftwerke stabilisieren oder leicht reduzieren. Bei gleichzeitigem Rückgang der spezifischen Emissionen der fossilen Kraftwerke könnte dann auch eine Verringerung der CO2-Emissionen im Elektrizitätsbereich erzielt werden. Wichtig wäre hierbei jedoch, dass die bisherigen Steigerungsraten gehalten oder sogar noch übertroffen werden. Kommt es z. B. bei Windkraft zu einem Wachstumsrückgang, muss dieser durch die Solarenergie oder Biomasse kompensiert werden. Anderenfalls rücken alle Klimaschutzziele in unerreichbare Ferne.

Volker Quaschning
Literatur
[1] US Department of Energy, Energy Information Administration (DOE/EIA): International Energy Annual 2000. Washington 2002.
[2] Dickson, M.; Fanelli, M.: Power from geothermal energy. Renewable Energy World Vol. 4 No 4, July-August 2001, pp.210-217.
[3] Dickson, M.; Fanelli, M.: Power and heat from geothermal energy. Renewable Energy World Vol. 5 No 4, July-August 2002, pp.216-221.
[4] Statistics Iceland: Iceland in Figures 2002. Reykjavik 2002.
[5] Instituto para la Diversificación y Ahor-ro de la Energía IDAE: Boletín IDAE No. 4, 2002, Eficiencia Energética y Energías Reno-vables. Madrid 2002.
[6] Danish Energy Authority: Energy Statistics 2001. Kopenhagen 2002.
[7] US Department of Energy, Energy Information Administration (DOE/EIA): Annual Energy Review 2001. Washington 2002.
[8] Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW: Sieben % Ökostrom. Internet: www.strom.de 2002.
[9] BTM Consult: World Market Update. Ringkøbing, verschiedene Jahrgänge.
[10] Quaschning, V.: Systemtechnik einer klimaverträglichen Elektrizitätsversorgung für Deutschland im 21. Jahrhundert. VDI-Fortschritt-Beriche, Reihe 6, Nr. 437, Düsseldorf 2000 (download unter www.volker-quaschning.de)
[11] IEA-PVPS: Trends in Photovoltaic Applications in selected IEA countries between 1992 and 2001.


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