Die Existenz, der Verlauf und die Auswirkungen von Klimaveränderungen, die auf das Einwirken des Menschen zurückzuführen sind, werden bereits seit längerem von der Wissenschaft diskutiert. Seit ein eindeutiger Trend für das Ansteigen der mittleren Temperatur auf der Erde erkennbar ist (Bild 1.1) und ein weiteres Ansteigen befürchtet werden muss, wird diese Diskussion auch in der Öffentlichkeit geführt. 1998 wurde bei langjährigen Satellitenmessungen, die zuvor eine Abnahme der Temperatur in der unteren Troposphäre - also in den Luftschichten bis 9 km Höhe - feststellten, ein systematischer Messfehler nachgewiesen [Gaf98; Wen98]. Seitdem gibt es keinerlei stichhaltige Argumente mehr, eine bereits existierende anhaltende globale Erwärmung anzuzweifeln.
Bild 1.1 Entwicklung der Jahresmitteltemperaturen in der Nähe der Erdoberfläche für den Zeitraum 1851 bis 1997 als Abweichung vom Mittelwert der Jahre 1851 bis 1890 (Daten: [Ste98])
Somit bleibt noch die Frage, inwieweit sich die bereits beobachteten Klimaveränderungen fortsetzen und wie sehr diese von Menschen beeinflusst werden. Führende Klimaforscher wie der Direktor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie Prof. Hasselmann gehen davon aus, dass sich die beobachteten Temperaturveränderungen mit einer geschätzten Wahrscheinlichkeit von nur fünf Prozent als natürliche Klimaschwankungen erklären lassen - also mit 95 Prozent Wahrscheinlichkeit auf menschliche Einwirkungen zurückzuführen sind [Has97]. Angesichts dieser hohen Wahrscheinlichkeit und der extrem negativen Folgen weiterer Klimaveränderungen für die Menschheit sollten dringend Maßnahmen ergriffen werden, die das weitere Ansteigen der Temperaturen verhindern. Ein wichtiger Teil des Maßnahmenkatalogs ist, wie in Kapitel 2 erläutert wird, die drastische Reduzierung der Emissionen aus dem Energiesektor.
Ziel dieser Arbeit ist zu untersuchen, inwieweit Reduktionen klimawirksamer Gase in der Elektrizitätswirtschaft, die einen wichtigen Teil des Energiesektors umfasst, in Deutschland umgesetzt werden können. Hierzu wird im folgenden Kapitel einleitend der Status quo der Elektrizitätswirtschaft in Deutschland beschrieben und detaillierter auf die Klimaproblematik und die notwendigen Maßnahmen eingegangen. Weiterhin werden Zielvorgaben für die Zeithorizonte der Jahre 2020 und 2050 formuliert und erläutert, wodurch sich diese Ziele erreichen lassen.
Bei der Formulierung der Zielvorgaben wird bewusst auf wirtschaftliche Gesichtspunkte verzichtet, denn die heutige rein betriebswirtschaftliche Rechnung lässt in der Regel den volkswirtschaftlichen Gesamtnutzen außer Acht, weil zum Beispiel Folgekosten für Klimaveränderungen nicht erfasst werden. Eine Diskussion über die Einbeziehung möglicher Folgekosten endet jedoch meist bei einer subjektiven Prophezeiung eintretender Schäden an Material und Lebewesen und deren finanzielle Bewertung. Fragen wie nach dem Wert eines Menschenlebens können und dürfen nicht Gegenstand einer verantwortungsbewussten Formulierung von Zielvorgaben sein. Letztendlich sind für eine etwaige Umgestaltung der Energiewirtschaft auch nicht betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte allein ausschlaggebend, vielmehr bestimmt der gesellschaftliche Konsens und der Einfluss verschiedenster Interessengruppen, in welchem Umfang Klimaschutz umgesetzt wird, um Chancen auch für künftige Generationen zu bewahren. Eine wissenschaftliche Arbeit kann in diesem Zusammenhang bestenfalls Argumente liefern, die künftige Entwicklung - wenn überhaupt - jedoch nur sehr gering beeinflussen.
Aus diesem Grund soll hier untersucht werden, welche Möglichkeiten aus technischer Sicht bestehen, die formulierten Zielvorgaben in der Elektrizitätswirtschaft zu erreichen, ohne hierbei Rückschritte in der Versorgungssicherheit in Kauf nehmen zu müssen. Um die Zielvorgaben einhalten zu können, ist ein massiver Ausbau der Nutzung regenerativer Energien notwendig. Deshalb wird in Kapitel 3 eine kurze Einführung in Technologien wie Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft und die Nutzung der Biomasse gegeben, und anschließend werden die jeweiligen Potentiale ermittelt. Hierbei kann auf vorhandene Studien wie z.B. [Kal93] zurückgegriffen werden, die jedoch dem heutigen Erkenntnisstand angepasst werden müssen.
Bei einer Umstrukturierung der Elektrizitätswirtschaft mit einem enormen Ausbau der Nutzung regenerativer Energieträger wird diese zunehmend von Schwankungen im Angebot der regenerativen Energiequellen beeinflusst. Deshalb müssen hier Auswirkungen von Fluktuationen mit einer Simulation des regenerativen Kraftwerksparks für die angenommenen Ausbaustufen der Jahre 2020 und 2050 näher untersucht werden. Nach einer Beschreibung der Vorgehensweise bei der Simulation werden die Ergebnisse dieser Untersuchung in Kapitel 4 dargestellt.
In den hier untersuchten Zeiträumen von 20 bis 50 Jahren wird sich nicht nur die Angebotsseite sondern auch die Nachfrageseite der Elektrizitätswirtschaft verändern. Die bisher durchgeführten Studien zum verstärkten Einsatz regenerativer Energien vernachlässigen meist diese Entwicklungen und unterstellen oftmals sogar eine gleichbleibende Nachfragestruktur, die jedoch stark auf die heutige Elektrizitätsversorgung mit ihren negativen Einwirkungen auf das Klimageschehen abgestimmt ist. So wurde bisher in Deutschland versucht, die Nachfrage durch günstige Nachttarife und den Einsatz von Speicherheizungen zu vergleichmäßigen, um Kernkraft- und Kohlekraftwerke besser einsetzen zu können. Bei verstärktem Einsatz regenerativer Energien sind jedoch andere Maßnahmen wie ein optimiertes „Demand Management“ notwendig, um die Nachfrage an das sich ändernde Angebot anzupassen. Werden notwendige und auch aller Wahrscheinlichkeit nach zu erwartende Veränderungen in der Nachfragestruktur vernachlässigt, kommt es zu einer erheblichen Unterschätzung der Einsatzmöglichkeiten regenerativer und damit klimaverträglicher Energieträger. Studien wie [Edw96] drücken somit fälschlicherweise implizit aus, dass sich notwendige Klimaschutzmaßnahmen in der Elektrizitätswirtschaft für Deutschland nicht erreichen lassen, wenn man - überspitzt ausgedrückt - Nachtspeicherheizungen mit Photovoltaikanlagen betreiben wird. Die Aussagekraft dieser Ergebnisse ist jedoch gering, und sie sind im Hinblick sowohl auf die Unterschätzung der Risiken künftiger Klimaveränderungen als auch die wissenschaftlich unzulässige Beschränkung der Betrachtungen auf die Angebotsseite unzureichend. Deshalb werden in Kapitel 5 zwei Pfade einer möglichen Veränderung auf der Nachfrageseite untersucht und Möglichkeiten einer Anpassung der zeitabhängigen Nachfrage an das veränderte Angebot diskutiert.
Eine Umstrukturierung der Elektrizitätswirtschaft schafft jedoch auch einen größeren Bedarf an Speicherkapazitäten sowie die Notwendigkeit für einen Ausbau weiträumiger Elektrizitätsnetze. Diese Thematik wird auf Basis der Ergebnisse für die veränderte Angebots- und Nachfrageseite in Kapitel 6 untersucht. In Kapitel 7 werden die Untersuchungsergebnisse abschließend zusammengefasst und diskutiert, inwieweit die hier betrachteten Veränderungen in der Elektrizitätswirtschaft zu einem wirksamen Klimaschutz im 21. Jahrhundert beitragen können.
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