erneuerbare energie - Zeitschrift für nachhaltige Energiezukunft

Aktuelle Probleme der Versorgung mit Erdgas und Szenarien zur Klimabedrohung durch energiebedingte Emissionen haben dem Thema Energie in letzter Zeit mehr Aufmerksamkeit in Politik und Öffentlichkeit zukommen lassen. Welche Wege müssen eingeschlagen werden, um mittelfristig und längerfristig unsere Energieversorgung sicherzustellen und negative Auswirkungen auf unser Klima zu minimieren?.

Energieszenarien
Aufgabe, Zielsetzung, offene Fragen, Strategie und Lösungsansätze, Basisdaten und Ergebnisse

Von Gerhard Faninger*

Energieszenarien haben vorrangig die Aufgabe, den Trend in der Energieversorgung abzuzeichnen, auf Probleme der zukünftigen Energieversorgung aufmerksam zu machen, und damit eine öffentliche und politische Auseinandersetzung mit den Problemen der zukünftigen Energieversorgung zu initiieren.
Energieszenarien bauen auf der Entwicklung des Energiemarktes der letzten Jahrzehnte auf, einerseits unter Annahme gleicher Randbedingungen und andererseits mit Vorgabe von Zielvorstellungen in Bezug auf „Nachhaltigkeit“: verbesserte Energie-Effizienz bei Aufbringung und Verwendung sowie verstärkter Einsatz erneuerbarer Energieträger. Energieszenarien werden für einen Zeithorizont von 20 bis 100 Jahren entwickelt. Die Hochrechnung erfolgt in Bezug auf die Entwicklung des Energieverbrauches und der eingesetzten Energieträger.

Die Vision für ein zukünftiges Energiesystem ist der Aufbau eines vorrangig auf erneuerbaren Energieträgern basierenden „Nachhaltigen“ Energiesystems in einer Kreislaufwirtschaft. Die Fakten der heutigen Energieversorgung bestimmen die Ansätze für die Organisation der zukünftigen Energieversorgung: Begrenzte Vorräte an fossilen, aber auch nuklearen Energieressourcen, zunehmende Umweltbelastung mit Klimabedrohung, ungelöste Versorgungsprobleme (70% der Energierohstoffe werden von 30% der Weltbevölkerung beansprucht). Die derzeitige Energieversorgung stößt insbesondere im Verkehrssektor bereits an Grenzen. Es gibt Unsicherheiten bei der Versorgung, derzeit vor allem im Erdgassektor. Der Anstieg energiebedingter Treibhaus-Emissionen ist unvermeidlich, sofern keine wesentliche Änderung in der Energieversorgung herbeigeführt wird. So würden die weltweiten CO₂-Emissionen in den nächsten Jahrzehnten dramatisch ansteigen, insbesondere in den heutigen Entwicklungsländern mit einem rasant steigenden Energieverbrauch.
Eine Zukunftsstrategie für die wirtschaftliche Weiterentwicklung in Europa und weltweit muss erneuerbare Energieträger einschließen. Zur Realisierung eines „Nachhaltigen“ Energiesystems der Zukunft sind große Anstrengungen in Forschung, Entwicklung und Marktumsetzung erforderlich. Die Sicherstellung der zukünftigen Energieversorgung stellt somit eine große Herausforderung für die Menschheit dar: Politik, Wirtschaft und Gesellschaft sind in gleicher Weise gefordert.

Abbildung 1: Treibhausgas-Emission, weltweit (2000): CO₂-Äquivalent, Milliarden Tonnen/Jahr
Quelle: G. Faninger, 2006

Zukunftsperspektiven der Energieträger

(1) Wie lange werden Erdöl und Erdgas als Hauptenergieträger verfügbar sein?

Nach dem IEA-World Energy Outlook 2004 betragen die nachgewiesenen weltweiten Erdöl-Reserven 494 Milliarden Barrel (mit 95% Wahrscheinlichkeit) bzw. 1.588 Milliarden Barrel (mit 5% Wahrscheinlichkeit). Ab 2030 wird die Erdölförderung von heute noch nicht erschlossenen Erdölfeldern zu erfolgen haben. Der Aufbau neuer Erdöl-Förderkapazitäten ist zu finanzieren, die Kosten sind ungewiss.
Die nachgewiesenen weltweiten Erdgas-Reserven können den weltweiten Gasverbrauch unter Annahme einer jährlichen Steigerungsrate von 2,3% noch etwa 40 Jahre abdecken.
Die Versorgungslage bei Erdöl und Erdgas ist sehr problematisch: Wichtige Förderländer liegen in geopolitischen Krisenzonen, die Kapazität zur Erdölverarbeitung (Raffinerien) ist zu gering und teilweise veraltet, die Transportleitungen für Erdöl und Erdgas teilweise veraltet und Leckage anfällig. Es existieren keine ausreichenden Speicherkapazitäten.

(2) Kann Kohle mit noch größeren Reserven (um 200 Jahre) einen höheren Wert zu dem Energieaufkommen liefern?

Wenn Kohle eine Renaissance in der Energieversorgung erleben sollte, dann wohl nur bei Lösung des CO₂-Problems: Entfernung des Reaktionsproduktes CO₂ aus dem Verbrennungsprozess („CO₂-capture/storage“). Techniken sind in Entwicklung, die Kosten für Kohle als Energieträger würden sich aber deutlich erhöhen.

(3) Hat die Kernenergie über Kernspaltung eine Zukunft?

Begrenzte Vorräte an Brennstoffen, Risiken durch lang wirksame radioaktive Strahlung aufgrund von Kraftwerksunfällen, nicht gesicherte Endlagerung radioaktiver Abfälle, Probleme durch Erdbeben, Terrorattacken, sowie die grundsätzliche Möglichkeit für nicht-friedliche Nutzung der Kernenergie und damit auch Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung verringern die Chancen zur Realisierung eines Ausbaues der Atomkraftwerke.

(4) Wird es gelingen, die Kernfusion als längerfristige Energieoption zu realisieren?

Die Antwort steht noch aus. Mit dem EU-Forschungsprojekt ITER soll die technische Möglichkeit zur Realisierung der Kernfusion in einem Forschungsreaktor bis 2015 geklärt werden.

(5) Können erneuerbare Energieträger den zukünftigen weltweiten Energiebedarf abdecken?

Nach heutiger Erkenntnis können erneuerbare Energieträger in dezentralen Versorgungsbereichen einen wesentlichen Anteil zum Energieaufkommen leisten. Für dezentrale Energieversorgungskonzepte müssen aber noch Lösungen zur Integration in bestehende Verteilnetze mit zentralen Versorgungseinrichtungen gefunden werden.

(6) Ein zentrales Energieproblem der Zukunft: Wie können Ballungszentren in Zukunft mit Energie versorgt werden?

Wenn in Zukunft die speicher- und transportierbaren fossilen Energieträger für die Energieversorgung von Ballungsräumen nicht mehr zur Verfügung stehen sollten, stellt sich die Frage, wie große Städte mit Energie versorgt werden können: Aufbau neuer Städte mit dezentralen Energie-Versorgungseinheiten, Suche nach neuen Standorten.

Erneuerbare Energieträger tragen wesentlich zu einer Verbesserung der Versorgungssicherheit mit langfristiger Verfügbarkeit, lokaler und regionaler Wertschöpfung sowie zur Reduktion Energiebedingter umweltrelevanter Emissionen. Damit wird das Gefahrenpotenzial für eine dramatische Klimaänderung vermindert. Mit zunehmender Marktdurchdringung werden Techniken zur Nutzung erneuerbarer Energieträger effizienter und in der Investition billiger. Die Praxis zeigt, dass Techniken in den Bereichen Energie-Effizienz und Erneuerbare Energie gute Zukunftsaussichten mit hohen jährlichen Wachstumsraten aufweisen.
Die Energie-Einsparpotenziale in der EU durch Energie-Effizienz im Endenergieverbrauch werden wie folgt geschätzt (mit derzeit verfügbarer Technik und bezogen auf den derzeitigen Einsatz): Transport-Sektor 20% bis 30%, Gebäude-Sektor über 60%, Industrie-Sektor 40% - 60%.
Nach den Plänen der EU-25 soll bis zum Jahre 2020 ein Fünftel der jährlich in Europa genutzten Energie eingespart werden. Bei gleich bleibendem Anstieg des Energieverbrauches würde der Energieverbrauch von 1.750 Mio Tonnen Öläquivalent im Jahre 2005 auf 1.890 Mio Tonnen Öläquivalent ansteigen. Dies entspricht einer Zunahme von 7,4%. Nach dem EU-Ziel soll der Energieverbrauch bis zum Jahre 2020 im Vergleich zu 2005 um 20% auf 1.500 Mio Tonnen Öläquivalent reduziert werden, entsprechend einer Reduktion von 20,6%.
Konkrete Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und zum verstärkten Einsatz Erneuerbare Energie in EU-25 beziehen sich auf: Gezielte Ausnutzung der Energieeffizienzpotenziale in Industrie, Verkehr, Haushalte, Gewerbe, sowie einer Erhöhung des Beitrages erneuerbarer Energieträger zur Energieaufbringung von derzeit 6% am Energieaufkommen auf 20% im Jahre 2020.
Zur Verminderung der CO₂-Emissionen im Verkehr sollen mit einer EU-Richtlinie die Automobilhersteller veranlasst werden, den CO₂-Ausstoß bis zum Jahre 2012 auf 120 g/km zu senken.

Erneuerbare Energieträger haben grundsätzlich das Potenzial, einen entscheidenden Beitrag zum Energieaufkommen zu leisten, sowohl weltweit als auch in Europa. Das weltweite technisch-realisierbare Potenzial an erneuerbaren Energieträgern könnte den für das Jahr 2030 prognostizierten Energie-Verbrauch bzw. Energie-Bedarf abdecken; siehe Abbildung 2.
In den letzten Jahren konnte sich eine Reihe von Techniken zur Nutzung Erneuerbarer Energieträger am Markt bewähren: Solarthermische Anlagen zur Warmwasserbereitung und Raumheizung; biogene Energieträger zur Erzeugung von Wärme, Strom und in zunehmendem Maße auch für Treibstoffe; Windkraftwerke in Küstennähe, aber auch in Binnenländern mit günstigen Windverhältnissen; Geothermische Anlagen, wie für Thermalwasser und Wärmequelle für Erdreich-Wärmepumpen; Solarelektrische Anwendungen (photovoltaische Systeme), insbesondere zum Einsatz außerhalb der elektrischen Infrastruktur (autarke Anlagen).
Waren Erneuerbare Energieträger bis zur Entdeckung fossiler Energieträger und derer Nutzbarmachung die einzigen Energierohstoffe für die Menschheit, so tragen erneuerbare Energieträger nur noch mit etwa 13% zum weltweiten Energieaufkommen bei, von denen allerdings zumindest die Hälfte nicht nach den Kriterien der Nachhaltigkeit in einer Kreislaufwirtschaft genutzt werden („Abholzen“) und damit auch die bei der energetischen Nutzung erzeugten CO₂-Emissionen nicht als „umweltneutral“ eingestuft werden können. In einigen Ländern Europas liefern heute noch (2004) Erneuerbare Energieträger einen beachtlichen Anteil zum Energieaufkommen: An der Spitze liegt Island mit 70,7%, gefolgt von Norwegen mit 40,1%, Schweden mit 24,7% und Österreich mit 21,3%. In OECD-Europa lag der Anteil erneuerbarer Energieträger am Energieaufkommen im Jahre 2004 bei 6,8%. Der Anteil erneuerbarer Energieträger an der Stromerzeugung in Europa betrug im Jahre 2004 18,2%. Hohe Anteile wurden erzielt in Island mit 99,9%, Norwegen mit 99,4%, Österreich mit 65,0% und Schweiz mit 54,6%.
Bevorzugte Einsatzbereich für Erneuerbare Energieträger in Europa mit guten Zukunftsaussichten sind: Solarwärme, Biowärme und Umweltwärme, Niedertemperatur-Geothermie, Bio-Treibstoffe, Solarelektrische Anlagen.

Die Energieszenarien basieren auf zwei unterschiedliche Positionen: (1) Fortschreibung der derzeitigen Energieversorgung: Weitere Nutzung fossiler Energieträger über neue Ressourcen wie Ölschiefer und Teersande bzw. Gas aus dem Ozean, massiver Ausbau von Atomkraftwerken und Entwicklung von Reaktoren zur Kernfusion mit möglichst rascher Markteinführung. (2) Aufbau eines nachhaltigen Energiesystems mit dem Schwerpunkt Erneuerbare Energie: Mittelfristige Substitution von fossilen und nuklearen Energieträgern durch erneuerbare Energieträger, zunächst über dezentrale Erzeugungseinheiten und später mit Integration in zentrale Verteilnetze (thermisch und elektrisch). Entwicklung von Langzeit- (saisonalen) Speichern für erneuerbare Energieträger mit zeitlichen Schwankungen im Angebot. Aufbau eines Energiesystems mit dezentraler Erzeugung und mit einem transportierbaren Sekundär-Energieträger, produziert aus erneuerbarer Energie (z. B. Wasserstoff).

Abbildung 3: Energieprognose für Österreich 1970 - 2050. Fortschreibung des Trends 1970 - 2004
Quelle: G. Faninger, 2006

Nach der Energieprognose der IEA (World Energy Outlook 2005) weisen bis zum Jahre 2030 Gas das stärkste jährliche Wachstum in absoluten Zahlen und Erneuerbare Energie in relativen Angaben auf, aber Öl wird bis zum Jahre 2030 der dominierende Energieträger sein. In den derzeitigen IEA-Energieszenarien wird von keiner Verknappung und Verteuerung der fossilen Energieträger bis 2030 ausgegangen, und den erneuerbaren Energieträgern wird keine hohe Priorität zugemessen.
In einem Energieszenario mit Priorität für „Erneuerbare Energie“ müssen Annahmen für deren Jahres-Zuwachsraten getroffen werden. Diese sollten sich auf die vorhandene Industriekapazität (zusätzliches Jahresaufkommen/Jahreszuwachs) im Ausgangsjahr beziehen. Beispielsweise beträgt die derzeitige Jahreskapazität im Sektor Erneuerbare Energie 1,8 EJ/Jahr (Jahreszuwachs) weltweit und bei 13 PJ/Jahr in Österreich.
Bei Fortschreibung des Entwicklungstrends im Energieaufkommen in Österreich von 1970 bis 2004 (mittlere Jahreszuwachsrate im Energieaufkommen von 1,66%/Jahr und im Aufkommen von erneuerbarer Energie von 2,68 %) würde der Anteil erneuerbarer Energie im Jahre 2030 bei 28% und im Jahre 2050 bei 35% liegen (Abbildung 3). Mit einer mittleren Jahres-Zuwachsrate von 5% der Jahreskapazität von Erneuerbaren Energieträgern im Jahre 2004 wäre eine Umstrukturierung der Energieversorgung in Österreich von fossilen Energieträgern auf Erneuerbare Energieträger bis zum Jahre 2050 erreichbar (siehe Abbildung 4 und Tabelle 1).

Abbildung 4: Energieszenario für Österreich mit Vorgaben für die Entwicklung des Energieaufkommens
Quelle: G. Faninger, 2007

Tabelle 1: Energieszenarien - Ausgangsdaten und Ergebnisse
Quelle: G. Faninger, 2007

Der mögliche Beitrag erneuerbarer Energieträger zum Energieaufkommen in den EU-Mitgliedsstaaten (EU-25) wird unter den folgenden Annahmen abgeschätzt: Jährliche Zunahme im Primärenergie-Aufkommen 1%, 3%, 5% und 10%. In den letzten Jahren betrug der mittlere jährliche Zuwachs an erneuerbaren Energieträgern am Primärenergieaufkommen 1,1%. Unter Annahme eines mittleren jährlichen Zuwachs an erneuerbaren Energieträgern von 3%, 5% und 10% würde der Anteil der erneuerbaren Energieträger am Primärenergieaufkommen im Jahre 2050 betragen: 14% bzw. 21% bzw. 37%.
Aus den Hochrechnungen lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass erneuerbare Energieträger in Europa und auch weltweit grundsätzlich das Potenzial haben, um zumindest 50% des Energieaufkommens im Jahre 2050 abzudecken. Dieses Ziel sollte auch in den Energiekonzepten der Länder angesetzt und durch geeignete Maßnahmen umgesetzt werden. Die noch verfügbaren fossilen Energieträger könnten damit geschont und für weitere Dekaden bis zur Lösung noch offener Fragen betreffend Einsatz erneuerbarer Energieträger in einem weltweiten Energiesystem der Menschheit zur Verfügung stehen.

Eine langfristige Lösung des Energieproblems wäre möglich, wenn es gelingt erneuerbare Energieträger speicherbar und transportierbar zu machen. Wasserstoff, erzeugt über erneuerbare Energieträger, wäre das Wunschziel. Ist das Szenario „Erneuerbare Energie und Wasserstoff“ ein „Wunsch-Szenario“, so ist ein „Katastrophen-Szenario“ nicht auszuschließen, wenn (1) fossile Energiequellen den zukünftigen Energiebedarf nicht mehr decken können, (2) die globale Klimabedrohung eine weitere Verwendung fossiler Energiequellen nicht mehr zuläßt, (3) der weitere Ausbau der Atomkraft aufgrund von Kraftwerksunfällen und/oder Terrorattacken eingestellt wird, (4) die Technik der Kernfusion nicht realisierbar ist und (5) die Weiterentwicklung von Techniken zur Nutzung erneuerbarer Energieträger nicht in dem Ausmaß stattgefunden hat, dass ein wesentlicher Beitrag zum Energieaufkommen geleistet werden kann. Folge dieses „Katastrophen-Szenario“ wäre, dass eine wirtschaftliche Weiterentwicklung nicht mehr möglich ist. Die Folgen für die Menschheit sind vorhersehbar. Das fossile Zeitalter war dann nur eine kurze Periode in der Entwicklung der Zivilisation.
Dieser Artikel ist ein Auszug der Vorlesung „Energieszenarien – ENERGIE Gestern, Heute und MORGEN?“ an der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt, Institut für Geographie und Regionalforschung, im Wintersemester 2006/2007

*) Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont. Gerhard Faninger ist im Ruhestand und weiterhin als außerordentliches Mitglied an der Fakultät für Interdisziplinäre Forschung und Fortbildung, iff, Alpen-Adria Universität Klagenfurt, Abteilung für Weiterbildung und Kulturelle Nachhaltigkeit tätig [^]