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100% erneuerbare
Stromversorgung bis 2050:
klimaverträglich,
sicher, bezahlbar


(Vorläufige Fassung vom 5. Mai 2010)




Stellungnahme




Mai 2010              Nr.   NR
                                 ISSN 1612-2968
Inhalt
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................................................2
Tabellenverzeichnis .....................................................................................................................................................4
Vorwort ........................................................................................................................................................................5
1       Einleitung.............................................................................................................................................................6
2       Methodik..............................................................................................................................................................8
2.1          Einführung.......................................................................................................................................................8
2.2          Das Modell REMix des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt.........................................................9
2.3          Szenarien .......................................................................................................................................................15
2.4          Stromnachfrage..............................................................................................................................................16
2.5          Gestaltung des Übergangs .............................................................................................................................17
3       Optionen der 100 %igen Vollversorgung .......................................................................................................17
3.1          Potenziale der erneuerbaren Energieträger für die Stromerzeugung ............................................................17
3.1.1        Potenziale in Deutschland..............................................................................................................................17
3.1.2        Potenziale in der Region Europa–Norafrika ..................................................................................................22
3.2          Drei Szenariofamilien für eine regenerative Vollversorgung .......................................................................25
3.2.1        Die theoretische Variante: eine rein deutsche regenerative elektrische Vollversorgung ...............................25
3.2.2        Eine regenerative Vollversorgung im Verbund mit Norwegen und Dänemark.............................................30
3.2.2.1 Nationale Vollversorgung mit ausgeglichener Export-, Importbilanz ...........................................................30
3.2.2.2 Nationale Versorgung mit einem zulässigen Nettoimport von 15 %............................................................35
3.2.3        Eine regenerative Vollversorgung im Verbund Europa–Nordafrika .............................................................39
4       Der Weg: Zeitliche Sequenz der technischen Entwicklung
        und der notwendigen Entscheidungen ............................................................................................................44
4.1          Zeitliche Dimension des Kapitalstocks..........................................................................................................44
4.2          Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen bis 2050 ........................................................................48
4.2.1        Übergangsszenario 2.1.a (509 TWh/a in 2050) .............................................................................................51
4.2.2        Übergangsszenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) .............................................................................................55
4.3          Ausbau der Energieinfrastruktur mit Netzen und Speichern .........................................................................58
4.3.1        Begründung des Bedarfs................................................................................................................................58
4.3.2        Speicher .........................................................................................................................................................59
4.3.3        Netze..............................................................................................................................................................66
4.4          Zukünftige Rolle von Grundlastkraftwerken .................................................................................................71
4.4.1        Die bisherige Elektrizitätsversorgung............................................................................................................72
4.4.2        Große Anteile erneuerbarer Stromerzeugung im System ..............................................................................73
4.4.3        Anforderungen an das zukünftige Elektrizitätssystem...................................................................................74
4.5          Kosten des Entwicklungspfads ......................................................................................................................76
5       Zusammenfassung und Empfehlungen ...........................................................................................................82
Literaturverzeichnis ..................................................................................................................................................86




                                                                                                                                                                                     1
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1           Die in das Modell REMix einbezogenen Länder.............................................................................10
Abbildung 2-2           Angenommene Kostenentwicklungen für die verschiedenen Technologien
                        zur Nutzung regenerativer Energiequellen bis 2050........................................................................13
Abbildung 3-1           Potenzial der Elektrizitätserzeugung aus regenerativen Energiequellen
                        in Deutschland in TWh/a als Funktion der Kosten pro kWh...........................................................18
Abbildung 3-2           Vergleich des stündlichen Erzeugungspotenzials regenerativer Energiequellen
                        in Deutschland mit der jährlichen Lastkurve bei einer jährlichen Nachfrage von 500 TWh/a........19
Abbildung 3-3.a Stündliches Erzeugungspotenzial regenerativer Energiequellen in Deutschland
                im Monat Januar in MW..................................................................................................................20
Abbildung 3-3.b Stündliches Erzeugungspotenzial regenerativer Energiequellen im Monat Juli in MW.................21
Abbildung 3-4           Potenzial der Elektrizitätserzeugung aus regenerativen Energiequellen
                        in der Region Europa-Nordafrika als Funktion der Kosten pro kWh ..............................................22
Abbildung 3-5           Stündliches Erzeugungspotenzial regenerativer Energiequellen
                        in der Region Europa-Nordafrika ....................................................................................................24
Abbildung 3-6           Szenario 1.a: Selbstversorgung, 509 TWh/a....................................................................................27
Abbildung 3-7           Szenario 1.b: Selbstversorgung, 700 TWh/a ...................................................................................29
Abbildung 3-8           Szenario 2.1.a: Verbund DE–DK–NO (nur Austausch),
                        Nachfrage DE 509 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................32
Abbildung 3-9           Szenario 2.1.a: Deutschland im Verbund DE–DK–NO (nur Austausch),
                        509 TWh/a, Erzeugung, Export und Import im Monat März ..........................................................33
Abbildung 3-10 Szenario 2.1.b: Verbund DE–DK–NO (nur Austausch),
               Nachfrage DE 700 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................34
Abbildung 3-11 Szenario 2.2.a: Verbund DE–DK–NO (Nettoimport),
               Nachfrage DE 509 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................37
Abbildung 3-12 Szenario 2.2.b: Verbund DE–DK–NO (Nettoimport),
               Nachfrage DE 700 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................38
Abbildung 3-13 Szenario 3.a: Verbund DE–EUNA (Nettoimport), Nachfrage DE 509 TWh/a, Gesamtverbund ...42
Abbildung 3-14 Szenario 3.a: Verbund DE–EUNA (Nettoimport),
               Nachfrage DE 500 TWh/a, nur Deutschland ...................................................................................43
Abbildung 4-1.a Entwicklung des 2009 vorhandenen konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke)
                in Deutschland (Laufzeit 35 Jahre für alle Kraftwerke) ..................................................................45
Abbildung 4-1.b Entwicklung des konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) plus Kraftwerke im Bau
                und Erdgaskraftwerke in Planung bei einer angenommenen Laufzeit von 35 Jahren
                für alle Kraftwerke ..........................................................................................................................46
Abbildung 4-2           Entwicklung des konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) plus Kraftwerke im Bau
                        und Erdgaskraftwerke in Planung
                        (Laufzeit 35 Jahre für Kernkraft- und 45 Jahre für Kohle und Erdgaskraftwerke)..........................46
Abbildung 4-3           Entwicklung des konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) plus Kraftwerke im Bau
                        und in Planung (Laufzeit 45 Jahre für Kohle und Erdgas) ..............................................................47
Abbildung 4-4           Entwicklung der durch regenerative Energiequellen sicherzustellenden Bruttostromerzeugung
                        bis 2050 in TWh/a (509 TWh/a in 2050).........................................................................................49
Abbildung 4-5           Entwicklung der durch regenerative Energiequellen sicherzustellenden Bruttostromerzeugung
                        bis 2050 in TWh/a (700 TWh/a in 2050).........................................................................................50
Abbildung 4-6           Angenommene Entwicklung der Jahresvolllaststundenäquivalente für die eingesetzten Techniken
                        zur Nutzung regenerativer Energiequellen ......................................................................................51
Abbildung 4-7           Entwicklung der Bruttostromerzeugung im Übergangsszenario 2.1.a (509 TWh/a in 2050) .........52

2
Abbildung 4-8           Entwicklung der Bruttostromerzeugung aus regenerativen Energiequellen
                        im Übergangsszenario 2.1.a von 2005 bis 2050 in TWh/a ..............................................................53
Abbildung 4-9           Entwicklung der regenerativen Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.a
                        (509 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................54
Abbildung 4-10 Entwicklung der gesamten Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.a
               (509 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................55
Abbildung 4-11 Entwicklung der Bruttostromerzeugung im Übergangsszenario 2.1.b
               (700 TWh/a in 2050) .......................................................................................................................56
Abbildung 4-12 Entwicklung der Bruttostromerzeugung aus regenerativen Energiequellen
               im Übergangsszenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050 in TWh/a ...........................56
Abbildung 4-13 Entwicklung der regenerativen Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.b
               (700 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................57
Abbildung 4-14 Entwicklung der gesamten Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.b
               (700 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................58
Abbildung 4-15 Integratives Renewable-Power-Methane-Konzept ..........................................................................61
Abbildung 4-16 Schematisierter Ausschnitt aus einem typischen norwegischen Speicherkraftwerkskomplex
               (Kraftwerke Ulla-Førre) ..................................................................................................................63
Abbildung 4-17 Entwicklung der Überschussleistung aus Wind und Photovoltaik in Deutschland
               (Szenario 2.1.a)................................................................................................................................65
Abbildung 4-18 Füllstand der norwegischen Speicherwasserkapazität mit Ein- und Ausspeicherung
               aus Szenario 2 für 2050 ...................................................................................................................66
Abbildung 4-19 Korrelation der Leistungsschwankungen aus Windenergie (bis 600 km Entfernung)....................67
Abbildung 4-20 Korrelation der Leistungsschwankungen aus Windenergie (bis 8.000 km Entfernung)..................68
Abbildung 4-21 Maximale Übertragungsleistungen für die Region DE–DK–NO 2050 ...........................................69
Abbildung 4-22 Maximale Übertragungsleistungen für die Region EUNA in 2050 .................................................70
Abbildung 4-23 Schematische Darstellung der Deckung der täglichen Stromnachfrage
               im derzeitigen Elektrizitätssystem...................................................................................................72
Abbildung 4-24 Schematische Darstellung der Deckung der täglichen Stromnachfrage
               in einem Elektrizitätssystem mit einem hohen Anteil von Windenergie.........................................73
Abbildung 4-25 Residuallast des Übergangsszenarios 2.1.a im Jahr 2020................................................................74
Abbildung 4-26 Jahresdauerlinien der deutschen Stromerzeugung 2007 und 2020 ..................................................75
Abbildung 4-27 Annahmen zur Entwicklung der Stromgestehungskosten ...............................................................77
Abbildung 4-28 Vergleich der drei Preispfade der Leitstudie des BMU für fossile Brennstoffe
               einschließlich der CO2-Emissionszuschläge ...................................................................................78
Abbildung 4-29 Entwicklung der Gesamtkosten für regenerative Stromerzeugung (Szenario 2.1.a) .......................79
Abbildung 4-30 Entwicklung der durchschnittlichen spezifischen erneuerbaren (Szenario 2.1.a)
               und konventionellen Stromgestehungskosten..................................................................................80
Abbildung 4-31 Entwicklung der durchschnittlichen Stromgestehungskosten durch einen forcierten Ausbau
               der regenerativen Energiequellen in Deutschland
               (einschließlich Speicher, nationalem und internationalem Netzausbau) .........................................81




                                                                                                                                                                    3
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1    Vom Modell REMix des DLR erfasste Flächen und Potenziale
               regenerativer Energiequellen in Deutschland, Europa und Nordafrika ...........................................12
Tabelle 2-2    Szenarien einer vollständig regenerativen Stromversorgung...........................................................16
Tabelle 3-1    Szenario 1.a und 1.b: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten,
               erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten ...............................................28
Tabelle 3-2    Szenario 2.1.a und 2.1.b: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten,
               erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten ...............................................31
Tabelle 3-3    Szenario 2.2.a und 2.2.b: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten,
               erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten ...............................................36
Tabelle 3-4    Notwendige Transportkapazitäten zwischen den Ländern des Versorgungsverbundes
               DE–DK–NO nach Szenarien in GW ...............................................................................................39
Tabelle 3-5    Szenario 3.a: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten, erzeugten Elektrizitätsmengen,
               jährlichen und spezifischen Kosten .................................................................................................40
Tabelle 4-1    Angenommene Jahresvolllaststunden für konventionelle Kraftwerke ............................................48
Tabelle 4-2    Technische und wirtschaftliche Parameter zu Pumpspeichern ........................................................59
Tabelle 4-3    Technische und wirtschaftliche Parameter zu AA-CAES-Anlagen.................................................60
Tabelle 4-4    Technische und wirtschaftliche Parameter zur Wasserstoffspeicherung .........................................61
Tabelle 4-5    Angenommene Lernraten (Reduktion der Stromgestehungskosten um x % bei Verdopplung
               der Produktion) im Vergleich zur Literatur (NEIJ 2008) ................................................................77
Tabelle 4-6    Angenommene Preisentwicklung für fossile Brennstoffe und CO2-Emissionsrechte
               entsprechend dem Preispfad A (Deutlicher Preisanstieg) der Leitstudie.........................................78




4
Vorwort
Im Herbst 2008 hat der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) mit den Arbeiten an einem Sondergutachten zur
Zukunft der Stromversorgung in Deutschland mit Blick auf das Jahr 2050 begonnen. Als zentrale Herausforderung
erachtet er den Übergang zu einer nachhaltigen Stromerzeugung, die Treibhausgasemissionen weitestgehend vermeidet.
In dem in Arbeit befindlichen Sondergutachten beleuchtet der SRU interdisziplinär die technisch-ökonomischen, recht-
lichen und politischen Herausforderungen einer Transformation in Richtung einer klimaneutralen und nachhaltigen
Stromversorgung. Das Sondergutachten soll im Herbst 2010 veröffentlicht werden.
Im Zusammenhang mit diesem Sondergutachten hat der SRU im Frühjahr 2009 das Deutsche Zentrum für Luft- und
Raumfahrt beauftragt, Optionen einer sicheren Stromversorgung zu untersuchen, die vollständig auf verschiedene
regenerative Energieträger aufbaut. Dr. Wolfram Krewitt, der die Projektleitung übernommen hatte, ist im Oktober
2009 plötzlich und überraschend verstorben. Sein Tod ist ein großer und schmerzlicher Verlust. Frau Yvonne Scholz
hat das Projekt mit außerordentlichem Engagement fortgeführt und vollendet. Die vom SRU entwickelten und auf der
Basis des REMix-Modells berechneten technisch-ökonomischen Szenarien liegen mittlerweile vor (DLR, 2010).
Ergänzend hat der SRU auch die folgenden – in der vorliegenden Stellungnahme berücksichtigten – Gutachten in
Auftrag gegeben:
Dr. Gregor Czisch: Möglichkeiten des großräumigen (transeuropäischen) Ausgleichs von Schwankungen großer Teile
intermittierender Elektrizitätseinspeisung aus erneuerbaren Energiequellen in Deutschland im Rahmen einer 100 %
regenerativen Stromerzeugung mit Zeithorizont 2050, November 2009.
Prof. Dr. Heinrich Brakelmann/Prof. Dr. Istvan Erlich: Technische Möglichkeiten und Kosten transeuropäischer
Elektrizitätsnetze als Basis einer 100 % regenerativen Stromerzeugung mit Zeithorizont 2050: Optionen der
elektrischen Energieübertragung und des Netzausbaus, März 2010.
Fraunhofer Institut für Windenergie und Systemtechnik (Institutsteil Kassel): Systemkonflikt in der Transformation der
Stromversorgung – Berechnungen und graphische Darstellung auf der Datenbasis eines SRU-Szenarios, verantwortlich:
Dr. Michael Sterner, April 2010.
Der SRU hat sich aus aktuellem Anlass entschieden diese technisch-ökonomischen Szenarien vor der Fertigstellung des
gesamten Sondergutachtens in Form einer Stellungnahme zu veröffentlichen.
In ihrer Koalitionsvereinbarung vom Oktober 2009 streben die Regierungsparteien CDU, CSU und FDP an, den „Weg
ins regenerative Zeitalter“ gehen zu wollen. Zugleich bekennen sie sich zu einer „ideologiefreien, technologieoffenen
und marktorientierten Energiepolitik“. Einen besonderen Stellenwert nimmt hierbei die Kernenergie als „Brücken-
technologie“ ein, „bis sie durch erneuerbare Energien verlässlich ersetzt werden kann“. In einem Energiekonzept will
die Bundesregierung im Laufe des Jahres 2010 szenarienbezogene Leitlinien für eine „saubere, sichere und bezahlbare
Energieversorgung“ formulieren, die die oben genannten Ziele konkretisiert. Im Juni 2010 sollen Untersuchungen eines
Konsortiums von Forschungsinstituten vorgelegt werden, auf deren Basis erste Vorentscheidungen zu erwarten sind. Es
zeichnet sich dabei ab, dass im Zentrum der Szenarien unterschiedliche Laufzeitmodelle für Kernkraftwerke stehen und
so der „Weg in das regenerative Zeitalter“ in den Hintergrund der Überlegungen zu geraten droht: Ein vollständig auf
regenerative Energieträger basierendes Szenario fehlt nach den verfügbaren Informationen ebenso wie eines, das
ernsthaft untersucht, wie die Klimaschutzziele der Bundesregierung für 2020 und 2050 auch ohne signifikante
Laufzeitverlängerungen erreichbar sind.
Eine ideologiefreie und technologieoffene Energiepolitik sollte aber auch diese Optionen in die Überlegungen für ein
Energiekonzept einbeziehen. Diese Lücke soll die vorliegende Stellungnahme schließen. Der SRU will damit noch
nicht ein eigenes Energiekonzept vorlegen, sondern zunächst nur die Diskussion um eine ernstzunehmende Option für
eine „saubere, sichere und bezahlbare Energieversorgung“ bereichern. Konzeptionelle Vorschläge zur politischen
Instrumentierung und den rechtlichen Rahmenbedingungen sind von dem in Arbeit befindlichen Sondergutachten zu
erwarten.
Diese Stellungnahme beruht auch auf der sachkundigen und engagierten Arbeit der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in
der Geschäftsstelle des SRU sowie bei den Ratsmitgliedern. An der Erarbeitung der wissenschaftlichen Inhalte und der
Erstellung der Texte haben insbesondere Holger Höfling, Sönke Bohm und Anna Leipprand mitgewirkt.
Szenarien für eine fernere Zukunft sind notwendigerweise mit Unsicherheiten behaftet, da sie auf einer Reihe von
Annahmen über schwer prognostizierbare Entwicklungen beruhen. Drei unabhängige Experten haben im Rahmen eines
externen Reviews die Plausibilität der Annahmen und die Konsistenz der Methodik der vorliegenden Stellungnahme
geprüft. Ihnen gilt unser herzlicher Dank für ihre konstruktiven und kritischen Anmerkungen. Die alleinige Verantwor-
tung für die vorliegende Stellungnahme liegt beim Sachverständigenrat für Umweltfragen.



                                                                                                                    5
politischer Diskussionen ist jedoch die Frage, wie und in
1                Einleitung                                   welchem Zeithorizont der Übergang in ein regeneratives
1.       In den nächsten Jahren stehen in Deutschland         Zeitalter gestaltet werden kann, und welche Rolle Kern-
wesentliche Entscheidungen über die zukünftige Struktur       und Kohlekraftwerke (ggf. mit CCS) als „Brückentech-
der Elektrizitätserzeugung an. Ein großer Teil der beste-     nologien“ im Prozess des Übergangs spielen sollen.
henden Erzeugungskapazitäten muss im Verlauf der              Die Bundesregierung entwickelt zurzeit ein Energie-
kommenden zwei Jahrzehnte ersetzt werden, da sich bis         konzept, das die Grundlage für ihre zukünftige Energie-
dahin viele Kraftwerke am Ende ihrer ökonomisch-              politik sein wird. Damit die Weichen heute richtig gestellt
technischen Betriebsdauer befinden werden. Die Investi-       werden können, ist eine solide Informationsgrundlage zur
tionsentscheidungen der nächsten Jahre werden die             Einschätzung der Möglichkeiten und Herausforderungen
Struktur, aber auch die Emissionen des Stromsektors für       eines Übergangs zu einer regenerativen Stromversorgung
Jahrzehnte prägen (SRU 2009b). Hierdurch entsteht die         notwendig. Hierfür müssen aus Sicht des Sachverständi-
Chance, vergleichsweise kostengünstig einen weit-             genrats für Umweltfragen (SRU) folgende Fragen beant-
reichenden Strukturwandel in Gang zu setzen.                  wortet werden:
Die Klimawissenschaft geht davon aus, dass Industrie-         – Ist eine Vollversorgung durch erneuerbare Energien
länder wie Deutschland ihre Emissionen bis 2050 um 80           im Strombereich für Deutschland technisch möglich?
bis 95 % reduzieren müssen, wenn ein gefährlicher               Könnte ein solches System die Versorgungssicherheit
Klimawandel verhindert werden soll (IPCC 2007). Der             auf dem heutigen hohen Niveau gewährleisten?
Europäische Rat hat diesem Ziel im Oktober 2009 poli-
tische Rückendeckung verliehen (Rat der Europäischen          – Wie hoch müssen die Kosten einer regenerativen Voll-
Union 2009). In Deutschland stützen sich anspruchsvolle         versorgung und des Übergangs dorthin eingeschätzt
politische Klimaziele auf einen breiten und partei-             werden?
übergreifenden gesellschaftlichen Rückhalt. Die Bundes-       – In welchem zeitlichen Rahmen ist der Umstieg realis-
regierung hat das nationale Ziel bestätigt, die Treibhaus-      tisch umsetzbar und welche Schritte sind dafür not-
gasemissionen bis zum Jahr 2020 um 40 % gegenüber               wendig? Was sollten die Prioritäten für die aktuelle
1990 zu reduzieren, und auch die Notwendigkeit einer            Politik sein?
weiteren Reduktion der Treibhausgase um mindestens
80 % bis 2050 anerkannt (CDU et al. 2009).                    – Welche politischen Maßnahmen und Steuerungs-
                                                                instrumente könnten eingesetzt werden, um die Trans-
Die Stromversorgung ist ein Schlüsselbereich der deut-          formation effektiv und effizient zu gestalten?
schen Energie- und Klimapolitik, da sie einerseits in ihrer
aktuellen Form für etwa 40 % der gesamten deutschen           Der SRU erarbeitet derzeit ein Sondergutachten zur
CO2-Emissionen verantwortlich ist (UBA 2010), sich aber       Zukunft der Stromversorgung in Deutschland mit Blick
andererseits die Rahmenbedingungen und Handlungs-             auf das Jahr 2050, das die Möglichkeit eines Übergangs
möglichkeiten zur Emissionsminderung im Strombereich          zu einer vollständig regenerativen, nachhaltigen Strom-
vergleichsweise günstig darstellen. Deshalb wird es auch      versorgung unter technisch-ökonomischen Gesichts-
bei einem Minderungsziel für Treibhausgase von nur            punkten aufzeigen und Ansatzpunkte für die politische
80 % bis 2050 notwendig sein, die Stromversorgung voll-       Instrumentierung diskutieren wird. Erste Ergebnisse des
ständig zu dekarbonisieren.                                   Gutachtens, die insbesondere für die ersten drei der oben
                                                              genannten Fragen relevant sind, werden in der vorliegen-
Langfristig kann eine dauerhaft nachhaltige, klimafreund-     den Stellungnahme vorab veröffentlicht, um sie für die
liche Stromversorgung nur auf der Basis erneuerbarer          Diskussionen um das Energiekonzept der Bundes-
Energien sichergestellt werden. Andere CO2-arme Tech-         regierung verfügbar zu machen.
nologien, wie die Kernenergie oder die CO2-Abscheidung
und Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS),           Die vorliegende Stellungnahme möchte somit dazu bei-
müssen als langfristig nicht-nachhaltig bewertet werden.      tragen, eine vollständig erneuerbare Stromversorgung bis
Gründe hierfür sind etwa die begrenzten Speicherkapazi-       2050 als Option konkret vorstellbar zu machen. Diese
täten für CO2 und die Konflikte zwischen CCS und ande-        These wird auch gestützt durch eine Reihe aktueller
ren Nutzungen unterirdischer Räume, die nach wie vor          Studien, die belegen, dass ein Strukturwandel hin zu einer
ungelöste Entsorgung der radioaktiven Abfälle, die            weitgehend oder vollständig auf erneuerbaren Quellen
Begrenztheit der weltweiten Uranvorkommen sowie wei-          beruhenden Stromerzeugung in Deutschland und Europa
tere mit diesen Technologien verbundene Kosten und            möglich ist (PwC et al. 2010; ECF et al. 2010; EREC
Risiken (z. B. SRU 2009a; 2000).                              2010; UBA 2009; Öko-Institut und Prognos AG 2009;
                                                              NITSCH und WENZEL 2009; FOE und SEI 2009). Die
Das Ziel einer Energieversorgung, die überwiegend auf         Arbeiten des SRU stützen sich auf verschiedene
erneuerbaren Energieträgern basiert, wird in Deutschland      Szenarien       einer       vollständig     regenerativen
von einer breiten Mehrheit geteilt und ist auch Ziel der      Stromversorgung, die vom Deutschen Zentrum für Luft-
Regierungskoalition (CDU et al. 2009). Es ist zugleich        und Raumfahrt im Auftrag des SRU gerechnet wurden
eine Chance für nachhaltige Innovation, die den Standort      (Kapitel 2).
Deutschland auch in diesem Bereich zukunftsfähig
machen kann. Heftig umstrittener Gegenstand aktueller

6
Die folgenden Erläuterungen sollen dem besseren               der erneuerbaren Energien. Tatsächlich könnte sich
Verständnis des vorliegenden Textes dienen:                   die stärkere technische Vernetzung der europäischen
                                                              Stromverbundsysteme auf die erneuerbaren Energien
– Randbedingung vollständig erneuerbare Strom-
                                                              jedoch unterschiedlich auswirken: sie kann nicht nur
  versorgung. Alle SRU-Szenarien gehen von der Prä-
                                                              zur Versorgungssicherheit und günstigeren Herstel-
  misse einer vollständig regenerativen Stromerzeugung
                                                              lung erneuerbar produzierten Stroms beitragen, son-
  im Jahr 2050 aus, realisieren diese aber unter ver-
                                                              dern auch zur Stabilisierung hoher Anteile von Strom
  schiedenen Rahmenbedingungen bezüglich der
                                                              aus Kern- und Kohlekraftwerken führen. Welche
  Vernetzung mit dem Ausland und der zu deckenden
                                                              Optionen bestehen, diese Ambivalenz zugunsten des
  Stromnachfrage. Dadurch soll illustriert werden, dass
                                                              weiteren Ausbaus der erneuerbaren Energien in der
  eine regenerative Vollversorgung in unterschiedlichen
                                                              Europäischen Union (EU) aufzulösen, wird ausführ-
  Varianten möglich ist. Andere mögliche energiepoli-
                                                              lich auch unter rechtlichen Gesichtspunkten im
  tische Strategien, die auch im Jahr 2050 noch Anteile
                                                              Sondergutachten diskutiert.
  von Stromerzeugung aus fossiler oder Kernenergie
  zulassen, sind in den SRU-Szenarien nicht berück-        – Sektorale Abgrenzung: Schwerpunkt Stromversor-
  sichtigt. Zum Vergleich können hier aktuelle Studien       gung. Die aktuellen Arbeiten des SRU konzentrieren
  (z. B. ECF et al. 2010) oder die Szenarien der Bundes-     sich auf den Bereich der Stromversorgung, weil hier
  regierung für das Energiekonzept herangezogen              der aktuell größte Entscheidungsbedarf besteht und
  werden.                                                    langfristig die weitere Elektrifizierung anderer Sekto-
                                                             ren (Wärmebereitstellung und Mobilität) möglicher-
– Pfadentscheidung. Der Ausbau der erneuerbaren
                                                             weise zum Klimaschutz beitragen kann. Der SRU hat
  Energien wird nach Einschätzung des SRU mittel-
                                                             deshalb bewusst Szenarien mit hohem Strombedarf
  fristig in Konflikt mit konventionellen Kraftwerken
                                                             einbezogen, um der Möglichkeit einer umfangreichen
  geraten (SRU 2009b) (s. a. Kap. 4.5). Eine deutliche
                                                             Elektrifizierung anderer Sektoren Rechnung zu tragen.
  Verlängerung der Laufzeiten von Kernkraftwerken
  sowie der Neubau von Kohlekraftwerken über die der-      – Regionale Stromverbünde: Beispiele aus einer Viel-
  zeit im Bau befindlichen Projekte hinaus sind aus          zahl möglicher Lösungen. Die in Kapitel 3 vorgestell-
  Sicht des SRU nicht mit dem hier vorgeschlagenen           ten Szenarien zeigen beispielhaft, wie Deutschland im
  Ausbau der erneuerbaren Energien vereinbar.                Verbund mit Nachbarländern seinen Strombedarf
                                                             vollständig auf der Basis erneuerbarer Energien
– Politische Umsetzung und Instrumentierung: Gegen-
                                                             decken könnte. Dabei werden ein relativ kleiner regi-
  stand des Sondergutachtens. Die politische Umset-
                                                             onaler Verbund (Deutschland, Dänemark und Nor-
  zung, also die Frage, welche ökonomischen Anreize
                                                             wegen) sowie ein großer europäisch-nordafrikanischer
  gesetzt werden müssten und welche rechtlichen Steue-
                                                             Verbund dargestellt. Diese beiden Szenariofamilien
  rungsinstrumente notwendig wären, um die Transfor-
                                                             (Details s. Kap. 2) stehen dabei beispielhaft für eine
  mation des Stromversorgungssystems umzusetzen, ist
                                                             Reihe anderer möglicher Lösungen. Die kleine Ver-
  nicht Gegenstand dieser Stellungnahme. Diese Frage-
                                                             bundlösung mit Norwegen und Dänemark wurde ge-
  stellungen werden aber in dem oben angesprochenen
                                                             wählt, weil die großen norwegischen Wasserkraft- und
  Sondergutachten zur Zukunft der Stromversorgung
                                                             Pumpspeicherpotenziale gute Möglichkeiten für den
  ausführlich diskutiert werden, welches voraussichtlich
                                                             Ausgleich fluktuierender Stromeinspeisung aus erneu-
  im Herbst 2010 erscheinen wird.
                                                             erbaren Energien bieten. Aktuelle Entwicklungen zei-
– Europäische und nationale Perspektive. Deutsche            gen, dass eine engere Energiekooperation mit Nor-
  Energiepolitik muss sich im europäischen Kontext und       wegen bereits absehbar ist: ein schweizerisch-norwe-
  innerhalb der Rahmenbedingungen des sich ent-              gisches Konsortium plant derzeit den Bau eines neuen
  wickelnden Energiebinnenmarktes bewegen. Für die           Kabels von Norwegens Küste in die Wesermarsch
  technisch-ökonomischen SRU-Szenarien wurde den-            („NorGer“-Projekt); die Nordsee-Anrainer wollen mit
  noch bewusst eine nationale Perspektive gewählt, mit       der Nordsee-Offshore-Initiative (Seatec) die Offshore-
  restriktiven Randbedingungen in Bezug auf den              Windkraftanlagen besser vernetzen und die Voraus-
  grenzüberschreitenden Austausch von Strom. Diese           setzungen für die Integration erneuerbaren Stroms in
  Vorgaben wurden gewählt, um zu zeigen, dass der            die Netze verbessern. Potenziale für Pumpspeicherung
  größte Teil des deutschen Strombedarfs mit den in          existieren aber beispielsweise auch in Schweden oder
  Deutschland vorhandenen Potenzialen erneuerbarer           in den Alpenländern. Andere Ausprägungen eines re-
  Energien gedeckt werden könnte, die vollständige           gionalen Stromverbundes bzw. die Einbeziehung
  Umstellung auf erneuerbare Energien also selbst unter      zusätzlicher Länder sind deshalb selbstverständlich
  der sehr restriktiven Annahme einer weitgehenden           ebenfalls denkbar. Welche Entwicklung tatsächlich
  Selbstversorgung möglich wäre. Diese Rand-                 eintreten wird, hängt nicht nur von technischen, son-
  bedingungen sollten jedoch nicht als Aufforderung zur      dern auch von politischen Gesichtspunkten ab. Regio-
  Abkehr von einer Europäischen Energiepolitik und           nale Stromverbünde müssen selbstverständlich euro-
  den Zielen des Elektrizitätsbinnenmarktes miss-            parechtskonform ausgestaltet werden.
  verstanden werden. Der SRU befürwortet grundsätz-
                                                           Die Methodik der SRU-Szenarien einschließlich wichti-
  lich ein gesamteuropäisches Konzept für den Ausbau
                                                           ger Annahmen zu den Potenzialen erneuerbarer Energien
                                                                                                                  7
und ihren Kosten werden in Kapitel 2 vorgestellt. Dort     In     der    energiepolitischen    Diskussion     werden
werden ebenso der Aufbau der Szenarien sowie die           unterschiedliche Formen von Szenarien entwickelt und
Grundzüge des verwendeten Modells erläutert. Kapitel 3     genutzt,     die     entsprechend     ihrem    jeweiligen
präsentiert verschiedene Möglichkeiten einer vollständig   Erkenntnisinteresse ausgestaltet sind. Ein Szenario ist die
regenerativen Stromversorgung für Deutschland im Jahr      Beschreibung einer möglichen Zukunft, die durch
2050 und stellt die Ergebnisse der Berechnungen in Form    unterschiedliche Annahmen und Rahmenbedingungen
von Grafiken und Tabellen vor. Kapitel 4 zeigt, wie der    charakterisiert ist. Studien nutzen häufig explizit den
zeitliche Verlauf der Transformation des Strom-            Vergleich mehrerer Szenarien, um relevante Einflüsse zu
versorgungssystems bis 2050 aussehen könnte, und gibt      identifizieren oder Gestaltungsspielräume deutlich zu
eine Einschätzung zur Entwicklung der Kosten erneuer-      machen. Szenarien unterscheiden sich somit grundsätzlich
barer Stromerzeugung in diesem Zeitraum. Kapitel 5 fasst   von Prognosen, deren Ziel es ist, zukünftige
die Ergebnisse zusammen und formuliert Schlussfolge-       Entwicklungen möglichst genau vorherzusagen.
rungen und Empfehlungen.
                                                           Beim Vergleich verschiedener Szenariostudien sollte
                                                           berücksichtigt werden, dass aufgrund der Unterschiede in
2                Methodik                                  Erkenntnisinteresse und Methodik die Ergebnisse und
                                                           Schlussfolgerungen stark variieren können. Szenarien
2.1              Einführung                                können politische Wert- und Zielentscheidungen nicht
                                                           ersetzen, sie können lediglich die Voraussetzungen für
2.      Die folgenden Kapitel präsentieren verschiedene    bestimmte Entwicklungen identifizieren bzw. die Folgen
Szenarien, die deutlich machen, wie eine vollständig       bestimmter Einflüsse transparenter machen.
regenerative Stromversorgung in Deutschland aussehen
und wie der Weg dorthin schrittweise gestaltet werden
könnte.



Szenar ien : Beg r iff e und Methoden
Im Folgenden wird der Potenzialbegriff für die maximal generierbare Energiemenge der verschiedenen Erzeugungs-
technologien innerhalb einer Region und während eines vorgegebenen Zeitraumes (hier: ein Jahr) verwendet. Für seine
Abschätzung werden natürliche, technische und wirtschaftliche Parameter berücksichtigt, beispielsweise die Art der
Flächennutzung, Wetterdaten und Kostengrößen. Es wird unterschieden zwischen verschiedenen Arten an Potenzialen.
Das physikalische Potenzial ist eine theoretische Größe, die das gesamte natürliche Energieangebot umfasst und über
die Zeit nahezu konstant bleibt. Der davon technisch nutzbare Teil wird als technisches Potenzial bezeichnet. Durch
Technologieverbesserungen (Effizienzsteigerungen) lässt sich das technische Potenzial einer Technologie steigern.
Unter Berücksichtigung der für die Erschließung eines technischen Potenzials anfallenden Kosten spricht man vom
wirtschaftlichen (ökonomischen) Potenzial. Das ökonomische Potenzial stellt eine Momentaufnahme dar. Es verändert
sich mit den ökonomischen Randbedingungen (z. B. Ölpreis) im Zeitverlauf zum Teil erheblich.
Szenariostudien nutzen häufig Computermodelle, die die wesentlichen Strukturen und Wechselwirkungen der kom-
plexen realen Welt mathematisch abzubilden versuchen. Mithilfe computergestützter numerischer Verfahren können
solche Modelle ausgewertet und die Ergebnisse visualisiert werden. Diejenigen Größen, die sich im Verlauf einer Mo-
dellrechnung (Computersimulation) durch äußere Einflüsse verändern, werden als Variablen bezeichnet. Feste Para-
meter oder Konstanten charakterisieren bestimmte Beziehungen und verändern sich im Lauf der Computersimulation
nicht. Indem mehrere Modelldurchläufe gerechnet werden, für die jeweils unterschiedliche Ausgangsbedingungen
oder Parameterwerte vorgegeben werden, können auf der Grundlage eines Computermodells verschiedene Szenarien
berechnet werden.
Es werden verschiedene Ansätze zur Ableitung von Szenarien unterschieden. Der Sachverständigenrat für Umwelt-
fragen (SRU) verwendet in der vorliegenden Stellungnahme sogenannte Zielszenarien. Ein Zielszenario geht von ei-
nem vorgegebenen Ziel aus, in diesem Fall von dem einer vollständig regenerativen Stromversorgung für Deutschland.
Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen dann, wie und zu welchen Bedingungen dieses Ziel erreicht werden kann.
Im Gegensatz dazu können Szenarien auch dazu verwendet werden, die Auswirkungen unterschiedlicher Rahmen-
bedingungen (z. B. energiepolitischer Maßnahmen) auf die Entwicklung bestimmter Variablen im Vergleich zu einem
Referenzfall zu untersuchen (explorative Szenarien). Explorative Szenarien für den Strombereich könnten somit zum
Beispiel im Rahmen einer Politikanalyse die Frage stellen: Wohin entwickelt sich das System, wenn bestimmte Ereig-
nisse eintreten oder sich bestimmte Rahmenbedingungen ändern? Je stärker solche Szenarien von den aktuellen
Strukturen und vergangenen Entwicklungspfaden ausgehen und diese in die Zukunft extrapolieren, desto eher neigen
sie dazu, Veränderungspotenziale zu unterschätzen. Im Gegensatz dazu steht hinter den Zielszenarien des SRU die
Frage: Kann das System einen bestimmten Zielzustand erreichen, und wenn ja, wie? Welche Rahmenbedingungen
müssen sich ändern, damit das Ziel erreicht wird?

8
Die im Folgenden vorgestellten Szenarien stellen jeweils     ches System unter den heute als plausibel erscheinenden
einen möglichen zukünftigen Zustand des Elektrizitäts-       Annahmen bezüglich der Technologie- und Kosten-
versorgungssystems auf der Basis einer vorgegebenen          entwicklung aussehen könnte.
Elektrizitätsnachfrage für das Jahr 2050 dar (Kap. 3). Sie
zeigen auf diese Weise,
                                                             2.2              Das Modell REMix
– dass eine vollständig regenerative Stromversorgung in                       des Deutschen Zentrums für Luft-
  Deutschland allein oder im Verbund mit europäischen                         und Raumfahrt
  Nachbarländern und nordafrikanischen Staaten auf der
  Basis der nutzbaren Potenziale möglich ist und dass        3.       Verschiedene Szenarien einer vollständig regene-
  dieses System zu jeder Stunde des Jahres volle Ver-        rativen Stromversorgung wurden vom Institut für Tech-
  sorgungssicherheit gewährleisten kann;                     nische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft-
                                                             und Raumfahrt in Stuttgart (DLR) mit dem Energiemodell
– welche Komponenten ein solches System in welcher           REMix für den SRU berechnet. Das DLR verfügt über
  Zusammensetzung enthalten würde, wenn die Kosten           langjährige Erfahrung in der Forschung zur Technik- und
  im Zieljahr optimiert werden (und aus heutiger Sicht       Kostenentwicklung regenerativer Energiequellen und ist
  plausible Kostenentwicklungen eintreten),                  auf dieser Basis regelmäßig an Studien über zukünftige
– in welcher Größenordnung die Kosten eines solchen          Energieversorgungsstrukturen in Deutschland beteiligt
  Systems wahrscheinlich liegen würden und                   gewesen (u. a. NITSCH 2008; NITSCH und WENZEL
                                                             2009). Auch wenn das Modell REMix wohl als das zur-
– wie die Zusammensetzung der Komponenten und die            zeit beste deutsche Modell zur Berechnung optimierter
  Kosten des Systems abhängig von der Ausgestaltung          Elektrizitätsversorgungsszenarien auf Stundenbasis für
  wichtiger Rahmenbedingungen variieren würden.              Deutschland und Europa angesehen werden kann, so muss
Abgeleitet wird daraus in einem zweiten Schritt, wie die     doch betont werden, dass die vorgelegten Ergebnisse von
vorhandenen Stromerzeugungs-, Übertragungs- und              einer Vielzahl von Annahmen abhängen. Nach Einschät-
Speicherkapazitäten sich über die Zeit entwickeln müss-      zung des SRU sind alle getroffenen Annahmen plausibel
ten, um den beschriebenen Zielzustand im Jahr 2050 zu        und stellen eine angemessene Abbildung des besten ver-
erreichen. Es wird ausgehend vom bestehenden Kraft-          fügbaren Wissens dar, auch wenn zum Beispiel bei der
werkpark exemplarisch dargestellt, wie die konventio-        Einschätzung zukünftiger Preis- und Kostenentwick-
nellen Erzeugungskapazitäten schrittweise durch erneuer-     lungen für konventionelle Energieträger und Technolo-
bare Energien ersetzt werden könnten (Kap. 4). Hierbei       gien zur Nutzung regenerativer Energiequellen über einen
wird bewusst auf eine Optimierung des Erzeugungsmixes        Zeitraum von vierzig Jahren nicht unerhebliche Unsicher-
für jedes einzelne Jahr verzichtet, da die genaue Ent-       heiten bestehen.
wicklung der Kosten regenerativer und konventioneller        Im Folgenden wird das Modell in seinen Grundzügen
Elektrizitätserzeugungsoptionen im Zeitverlauf großen        vorgestellt. Weitere Details zum Modell REMix und den
Unsicherheiten unterliegt und Optimierungsergebnisse         getroffenen Annahmen werden in einem gesonderten
bereits durch geringe Veränderungen der relativen Kosten     Materialband (DLR 2010) veröffentlicht.
zu stark veränderten Ergebnissen führen können.
                                                             Das REMix-Modell analysiert in einem ersten Schritt die
Die Szenarien der vorliegenden Stellungnahme sind so-        Potenziale erneuerbarer Energieträger und berechnet an-
mit, wie Szenarien im Allgemeinen, nicht im Sinne einer      schließend auf dieser Grundlage einen für die vorgegebe-
Prognose von Entwicklungen zu lesen, die mit einer be-       nen Rahmenbedingungen optimierten (kostenminimalen)
stimmten Wahrscheinlichkeit eintreten werden. Die voll-      Mix von Energieträgern.
ständige Umstellung der Elektrizitätsversorgung auf er-
neuerbare Energiequellen ist im Gegenteil als eine mög-      Die Potenzialanalyse beruht auf einer detaillierten Daten-
liche (und aus Sicht des SRU erstrebenswerte) Entwick-       basis in Form eines geographischen Informationssystems
lung zu sehen, zu deren Verwirklichung es politischer        (GIS), das die Stromerzeugungspotenziale erneuerbarer
Gestaltung, gezielter Maßnahmen, sorgfältiger Planung        Energieträger in Deutschland, Europa und Nordafrika in
und erheblicher Anstrengungen bedarf.                        einer hohen Auflösung (Rasterzellen von 10 km x 10 km)
                                                             erfasst (Abb. 2-1).
Die Szenarien zeigen, dass diese Umstellung möglich ist,
und geben bestimmte Anhaltspunkte dafür, wie ein sol-




                                                                                                                     9
Abb ildung 2-1
                                D ie in das Mod e ll R EM ix e in be zog en en Länd e r




                                                           area                  Land                             area
        Nr.       Land (Region)        Abkürzung         coverage    Nr.       (Region)       Abkürzung        coverage
         1     Albanien                                               17 Slovakei                 SK                1
         1     Serbien                 AL_CS_MK             1         18 Luxemburg                LU                1
         1     Makedonien                                             19 Malta                    MT                1
         2     Bosnien                                                20 Niederlande              NL                1
         2     Kroatien                 BA_HR_SI            1         21 Norwegen                 NO                1
         2     Slovenien                                              22 Polen                     PL               1
         3     Österreich                   AT              1         23 Portugal                  PT               1
         4     Belgien                      BE              1         24 Rumänien                 RO                1
         5     Bulgarien                    BG              1         25 Spanien                   ES               1
         6     Zypern                       CY              1         26 Schweden                  SE               1
               Tschechische                                                Schweiz
          7                                 CZ              1         27
               Republik                                                                         CH_LI               1
          8    Dänemark                     DK              1         27 Liechtenstein
          9    Irland                       IE                        28 Türkei1                  TR              0,80
         10 Estland                                                   29 Großbritannien           UK                1
         10 Litauen                    EE_LT_LV             1         30 Ukraine
                                                                                                U_MD                1
         10 Lettland                                                  30 Moldawien
         11 Finnland                        FI              1         31 Weißrussland             BY                1
         12 Frankreich                      FR              1         32 Algerien1                DZ              0,31
         13 Deutschland                     DE              1         33 Marokko1                 MA              0,73
         14 Griechenland                    GR              1         34 Tunesien1                TN              0,99
         15 Ungarn                          HU              1         35 Libyen1                  LY              0,18
         16 Italien                         IT              1         36 Ägypten1                 EG              0,13
1
  Dieses Land/diese Region liegt teilweise außerhalb des Untersuchungsgebietes; „area coverage“ gibt den Anteil der Landfläche der
Region an, der im Untersuchungsgebiet liegt.
                                                      SRU/Stellungnahme Nr. 15–2010/Abb. 2-1; Datenquelle: DLR 2010, S. 2–3

10
Für Deutschland berücksichtigt das Modell zehn              ner konservativen Potenzialabschätzung. Die Flächen-
verschiedene Möglichkeiten der Nutzung regenerativer        nutzungsgrade wurden so festgelegt, dass die Potenziale
Energiequellen zur Stromerzeugung:                          auch im Fall einer Flächenkonkurrenz kumuliert (also
                                                            nicht von verschiedenen Nutzungen doppelt belegt) wer-
– Photovoltaische Solarenergienutzung (PV)
                                                            den können (Tab. 2-1). Die Brachflächen der Wüste zum
– Windenergienutzung an Land (onshore)                      Beispiel können sowohl für CSP, Windenergieanlagen
                                                            oder Photovoltaikanlagen genutzt werden. Jeder dieser
– Windenergienutzung im Bereich der deutschen Nord-         Technologien wird vom Modell 33 % der verfügbaren
  und Ostsee (offshore)
                                                            Fläche als maximal nutzbare Fläche zugeordnet.
– gasförmige Biomasse (mit und ohne Kraft-Wärme-            Die Nutzungsgrade legen das maximale Potenzial für die
  Kopplung (KWK))                                           jeweiligen Flächen fest. Wie viel davon in den jeweiligen
– feste Biomasse (mit und ohne KWK)                         Szenarien ausgeschöpft wird, ergibt sich erst aus der
                                                            Modellberechnung.
– geothermische Stromerzeugung (mit und ohne KWK)
                                                            Auf der Grundlage von Annahmen zu den Kosten der ver-
– Laufwasserkraftwerke                                      schiedenen Technologien wird mithilfe des Modells
– Speicherwasserkraftwerke                                  berechnet, welche Anteile diese Technologien am Erzeu-
                                                            gungsmix haben würden und welche Übertragungs- und
– Pumpspeicherkraftwerke                                    Speicherkapazitäten installiert werden müssten. Die
– Druckluftspeicher                                         Stromgestehungskosten für die verschiedenen Technolo-
                                                            gien werden aus der installierbaren Leistung und dem
Des Weiteren berücksichtigt das Modell das Potenzial der    Stromerzeugungspotenzial in Verbindung mit spezifi-
solarthermischen Stromerzeugung (Concentrated Solar         schen Investitionskosten, fixen und variablen Betriebs-
Power, CSP), das jedoch nur in Ländern mit deutlich         kosten und der Lebensdauer der Referenzkraftwerke
höherem solaren Strahlungsangebot, beispielsweise in        berechnet. Um die zukünftige Entwicklung der Kosten
Nordafrika, vorhanden ist und deshalb nur bei den           abzuschätzen, werden heutige Kosten mithilfe von Lern-
Berechnungen für Szenarien mit Einbeziehung                 kurven in die Zukunft projiziert. Die Annahmen des DLR
südeuropäischer und nordafrikanischer Länder einbezo-       zum zeitlichen Verlauf der spezifischen Strom-
gen wird.                                                   gestehungskosten wurden auf der Basis von NITSCH
Für fluktuierende Energiequellen wie Wind- und Solar-       et al. (2004) und KREWITT et al. (2005) entwickelt und
energie liegen die Potenzialdaten im Modell in stünd-       seither unter Berücksichtigung neuer Erkenntnisse lau-
licher Auflösung vor (DLR 2010).                            fend aktualisiert. Sie sind vergleichbar mit Kostenannah-
                                                            men der Leitstudie 2009 des Bundesministeriums für
Grundlage der Potenzialanalyse sind Landbedeckungs-         Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
typen für die jeweiligen Flächen, die als Karte im GIS      (NITSCH und WENZEL 2009). Die Berechnungen basie-
vorliegen. Es werden bestimmte Annahmen darüber ge-         ren auf einem angenommenen Zinssatz von 6 %. Die
troffen, welche Flächen sich für die Nutzung einer Tech-    unterstellten Kostenentwicklungen sind für die verschie-
nologie eignen und welcher Anteil dieser Fläche für diese   denen Technologien in Abbildung 2-2 wiedergegeben. Sie
Nutzung unter Berücksichtigung wesentlicher Einschrän-      beruhen auf sogenannten Lernraten, die besagen, dass bei
kungen bei der Flächennutzung – zum Beispiel durch          einer Verdopplung der Produktion einer bestimmten
Siedlungsflächen, ökologische Belange oder konkurrie-       Technologie (z. B. Zahl der produzierten Windenergie-
rende Landnutzungen – zur Verfügung steht.                  anlagen pro Jahr) mit einer Kostenreduktion um x % zu
Tabelle 2-1 fasst die zugrunde liegenden Daten und An-      rechnen ist. Entsprechende Kostenverläufe lassen sich für
nahmen sowie die jeweils von einer energetischen Nut-       viele Technologien beobachten. Sie basieren im Wesent-
zung ausgenommenen Flächen für die verschiedenen            lichen auf Verbesserungen der Technologie selbst (z. B.
Energieträger zusammen. Das Vorliegen bestimmter            erhöhter Wirkungsgrad einer Anlage, verringerter Mate-
ökologischer oder technischer Randbedingungen schließt      rialeinsatz) und auf Kostensenkungen durch erhöhte Pro-
Flächen für die Nutzung durch eine bestimmte Energie-       duktionszahlen (Skaleneffekte). Die Existenz entspre-
technologie aus. So sind beispielsweise Naturschutz-        chender Effekte ist wissenschaftlich unstrittig, allerdings
gebiete grundsätzlich von der Nutzung ausgenommen,          gehen die Expertenmeinungen in Bezug auf zukünftige
und die Sonnenenergie (PV und CSP) kann nur auf Flä-        Kostensenkungspotenziale („Wie groß ist x?“) häufig
chen mit geringer Steigung genutzt werden. Auf anderen      auseinander. Bei Berechnungen, die vierzig Jahre in die
Flächen gibt es konkurrierende Nutzungsarten, die räum-     Zukunft reichen, sind die vom DLR angenommen
lich nicht eindeutig abgegrenzt werden können. Für jede     Kostensenkungsmöglichkeiten mit nicht unerheblichen
Technologie wird deshalb für jede Fläche, auf der sie       Unsicherheiten belastet. In der Regel sind technisch ba-
prinzipiell nutzbar ist, ein maximaler Flächennutzungs-     sierte Kostensenkungspotenziale aber mit geringeren Un-
grad festgelegt. Diese Festlegung orientiert sich an den    sicherheiten abzuschätzen als die Preisentwicklung für Öl,
Nachhaltigkeitskriterien aus BMU (2004) und                 Kohle oder Erdgas über einen ähnlich langen Zeitraum.
QUASCHNING (2000) und resultiert in der Regel in ei-


                                                                                                                    11
T ab e lle 2-1
Vo m Mod e ll R EM ix des D LR erfas st e F läc hen un d Poten zia le reg en e rat ive r En e rg ie qu e lle n
                           in Deuts ch lan d, Euro pa und Nordaf rika
                                                                                            Nutzungsgrad
                                                                   Grundfläche
                    Ressourcendaten            Ausschlussflächen                            der          Anmerkungen
                                                                   Verteilparameter
                                                                                            Grundfläche
                                                                                            Dächer:
                  Global-Horizontal-                                                        0,775 %,
Solarenergie: PV
                  Einstrahlung,                                                             Fassaden:    Ausrichtungs-verteilung
in                                                                 Siedlungsgebiete3, 4
                  Direkt-Normal-                                                            0,48 %,      in Anlehnung an1
Siedlungsgebieten
                  Einstrahlung2                                                             andere:
                                                                                            1,17 %1
                                                                   Landwirtschaftliche
                                                                                            0,03 %1
                    Global-Horizontal-Ein-                  5      Fläche3, 4
Solarenergie: PV                               Schutzgebiete ,                                            Ausrichtung nach Süden,
                    strahlung, Direkt-                             Grünland3, 4             0,03 %1
auf Freiflächen                                Steigung > 2,1 %                                           keine Nachführung
                    Normal-Einstrahlung2                           Brach- und spärlich      33 % (NA)/
                                                                   bewachsene Flächen3, 4   0,03 % (EU)
                                                                                                          Ausrichtung in Nord-
                                                            5                                             Süd-Richtung,
                    Direkt-Normal-Ein-         Schutzgebiete ,     Brach- und spärlich
Solarenergie: CSP                                                                         33 %            Nachführung in Ost-
                    strahlung2                 Steigung > 2,1 %    bewachsene Flächen3, 4
                                                                                                          West-Richtung, DNI
                                                                                                          > 1.800 kWh/(m2*a)
                                                                   Brach- und spärlich
                                                                                            33 %
                                                                   bewachsene Flächen3, 4
                                                                   Grünland3, 4             3%
                                                                   Strauchland3, 4          3%
                    Windgeschwindigkeit in
Wind onshore                               Schutzgebiete5          Mosaik (Gras,
                    116 m Höhe6                                                             3%
                                                                   Sträucher, Bäume)3, 4
                                                                   Landwirtschaftliche
                                                                                            3%
                                                                   Fläche3, 4
                                                                   Wald3, 4                 0%
                                                                   Ges. ausschließl.
                    Windgeschwindigkeit in                         Wirtschaftszone, 5 km
Wind offshore                              Schutzgebiete5                                   16 %
                    116 m Höhe6                                    Abstand von der Küste,
                                                                   Tiefe < 300 m
                                                                                          100 %, ab-
Geothermie nur      Temperaturen in 2, 3, 4,                                              züglich Geo.-
                                             Schutzgebiete5        Alle Flächen
Stromerzeugung      5 km Tiefe7, 8                                                        KWK-
                                                                                          Potenzial
                                                                                          Durch abs.    Wärmebedarfskarte
                    Temperaturen in 2, 3, 4,                       Wärmebedarfsdichte > 0
Geothermie KWK                               Schutzgebiete5                               Wärmebedarf Europa, eigene Ent-
                    5 km Tiefe7, 8                                 4 GWh/km   2
                                                                                          begrenzt      wicklung
                    Installierte Leistung9,
                                                                   Installierte Leistung9,
Laufwasser-         jährliches Stromerzeu-
                                                                   Theoretisches           100 %          Top-Down-Ansatz
kraftwerke          gungspotenzial, Voll-
                                                                   Wasserkraftpotenzial11
                    laststunden10
                    Installierte Leistung9 ,
Speicherwasser-     jährliches Stromerzeu-
                                                                   Installierte Leistung9   100 %         Top-Down-Ansatz
kraftwerke          gungspotenzial, Voll-
                    laststunden10
                                                               Wald, landwirtschaft-
                                               Schutzgebiete5,
                    Nationale Biomasse-                        liche Fläche, Grünland,
Biomasse                                       Steigung                                                   Top-Down-Ansatz
                    potenziale12, 13, 14                       Siedlungsgebiete3, 4;
                                               > 60 %
                                                               Bevölkerungsdichte15
1   Quaschning, V., Systemtechnik einer umweltverträglichen Elektrizitätsversorgung in Deutschland
    für das 21. Jahrhundert. 2000, Düsseldorf: VDI Verlag GmbH. 0-188.
2    DLR, Direct Normal Irradiance and Global Horizontal Irradiance. 2007,
     Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt.
3    EEA, Corine Land Cover 2000, E.E. Agency, Editor. 2005.
4    JRC, Global Land Cover 2000. 2003, European Commission, Joint Research Center.
5    WDPA, World Database on Protected Areas, http://www.wdpa.org/ 2006.
6    DWD, Windgeschwindigkeiten und Bodenrauhigkeit aus dem Lokalmodell Europa, D. Wetterdienst, Editor.
     2007, Deutscher Wetterdienst: Offenbach.

12
7      Hurter, S.H., R. , Atlas of Geothermal Resources in Europe. 2002, Office for Official Publications
       of the European Communities: Luxemburg.
8      Hurtig, E., Cermak, V., Haenel, R.; Zui, V., Geothermal Atlas of Europe. 1992,
       Hermann Haak Verlagsgesellschaft mbH, Geographisch-Kartographische Anstalt: Gotha.
9      PLATTS, PowerVision, datacut hydropower Europe. 2008, PLATTS (McGraw-Hill Companies): London.
10     WEC, 2007 Survey of Energy Resources, in Survey of Energy Resources, W.E. Council, Editor. 2007,
       World Energy Council: London.
11     Lehner, B.C., G.; Vassolo, S., Europe's Hydropower Potential Today and in the Future. EuroWasser.
12     IE, Nachhaltige Biomassenutzungsstrategien im europäischen Kontext – Analyse im Spannungsfeld
       nationaler Vorgaben und der Konkurrenz zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Bioenergieträgern,
       N.u.R.-c. Bundesministerium für Umwelt, BMU (Herausgeber), Editor. 2005, Institut für Energetik und
       Umwelt.
13     EUROSTAT, epp.eurostat.ec.europa.eu.
14     FAOSTAT, faostat.fao.org.
15     Dobson, J.E., E. A. Bright, P. R. Coleman, R.C. Durfree; B. A. Worley, LandScan: A Global Population
       Database for Estimating Populations at Risk. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 2000.
       Vol. 66(No. 7): p. 849-857.

    Quelle: DLR 2010, S. 6


Abb ildung 2-2
       Ang eno mme n e Ko st ene nt wick lu ng en f ür d ie v er sc h ie den en Te chnolog ien zu r Nu t zung
                                  reg enerat iver Energ iequellen bis 2050


                          Annahmen z u s pez ifis c hen reg enerativen S tromg es tehung s kos ten 
                0,50
                                                                                                       P hotovoltaik
                0,45                                                                                   B iomas s e ges amt
                                                                                                       Wind O ffs hore
                0,40
                                                                                                       Wind O ns hore
                0,35                                                                                   Was s erkraft ges amt
                                                                                                       G eothermie
                0,30
       € /kWh




                0,25

                0,20

                0,15

                0,10

                0,05

                0,00
                   2010      2015        2020          2025         2030          2035         2040          2045            2050
                                                                    J ahr


                                                        SRU/Stellungnahme Nr. 15–2010/Abb. 2-2; Datenquelle: DLR 2010, S. 41 ff.


Änderungen in den Kosten der Technologien zur Nutzung                 vom DLR getroffenen Annahmen erscheinen dem SRU
regenerativer   Energiequellen     und    den    Kosten               im Lichte anderer Studien mit ähnlichen Zeithorizonten
konventioneller Energieträger können den vom Modell                   angemessen und nicht übermäßig optimistisch zu sein,
berechneten Anteil der jeweiligen Technologien sowie die              insbesondere vor dem Hintergrund der (noch nicht
Gesamtkosten des Systems wesentlich beeinflussen. Die                 veröffentlichten)  Zwischenergebnisse    des    IPCC-

                                                                                                                                    13
Sonderberichts (IPCC – Intergovernmental Panel on           Das Modell berechnet die Gesamtkosten des Systems
Climate Change), zur möglichen Rolle regenerativer          sowie die durchschnittlichen Kosten pro Kilowattstunde
Energiequellen bei der Bekämpfung des Klimawandels,         für jedes Szenario. Dabei werden die jeweils notwendigen
der alle wichtigen international verfügbaren Studien über   Übertragungskapazitäten zwischen den Ländern berech-
die mögliche Kostenentwicklung der wichtigsten              net und in die resultierenden Gesamtkosten einbezogen.
Technologien zur Nutzung regenerativer Energiequellen       Anders verhält es sich in Bezug auf die zusätzlichen
würdigt. Für die Windenergie finden sich in der Literatur   Kosten der Übertragung durch einen Netzausbau inner-
Lernraten zwischen 4 und 32 %. LEMMING et al. (2009,        halb eines Landes. Die nutzbaren Potenziale erneuerbarer
S. 35) zitieren NEIJ (1997; 1999; 2008) als beste Quelle    Energiequellen werden zwar mit einer hohen räumlichen
für Lernraten im Bereich der Windenergie. Auf der           Auflösung erfasst, bei der Modellierung geht allerdings
Grundlage der Publikationen von NEIJ kommen                 ein Teil der räumlichen Information verloren, da die
LEMMING et al. (2009, S. 35) auf Lernraten zwischen 9       Potenziale aus Gründen beschränkter Rechenkapazität
und 17 %. In ihrer neusten Publikation kommt NEIJ           regionsweise aggregiert werden müssen. Im Ergebnis
(2008, S. 2209) auf einen Bereich von 10 bis 20 %. Bei      werden die gesamten regenerativen Potenziale jedes
ausschließlicher Berücksichtigung des in Deutschland für    Landes aggregiert betrachtet. Der auch innerhalb
die berechneten Szenarien realisierten Ausbaus der          Deutschlands notwendige Ausbau von Netzen, insbeson-
regenerativen Energiequellen ergibt eine Rückrechnung       dere im Hinblick auf die Anbindung von Offshore-Wind-
der angenommenen Kostenentwicklungen, dass das DLR          kapazitäten und den Transport in die Verbrauchszentren,
Lernraten von 11,5 % für Onshore-Windenergie und            der auch die Kosten des Stromversorgungssystems erhöht,
18,6 % für den Offshorebereich ansetzt. Im Bereich der      wird durch das Modell nicht erfasst. Aus diesem Grund
Photovoltaik kommt SUREK (2005, S. 294) zu                  hat der SRU eine separate Abschätzung der Kosten für
historischen Lernraten von 20 %. Er nimmt allerdings an,    den Netzausbau in Deutschland vorgenommen (s.
dass solch hohe Lernraten für Module auf der Basis          Kap. 4.5).
kristallinen Siliziums auf Dauer nicht durchgehalten
                                                            Das Modell arbeitet mit einer zeitlichen Auflösung von
werden können (SUREK 2005, S. 303). NEIJ (2008,
                                                            einer Stunde und kann daher die Stromerzeugung im Jah-
S. 2209) gibt einen zukünftigen Bereich von 15 bis 25 %
                                                            resverlauf stundengenau auf die Nachfrage abstimmen.
für die Kostenentwicklung der Photovoltaik bis 2050 an.
                                                            Eine gesetzte Bedingung ist, dass jedes Szenario vollstän-
Die Rückrechnung der Kostenentwicklung des DLR
                                                            dige Versorgungssicherheit gewährleisten muss: die
ergibt unterstellte Lernraten von 26 %, die als sehr
                                                            schwankende Stromnachfrage muss durch die eingesetz-
optimistisch bezeichnet werden müssen. Die unterstellten
                                                            ten Technologien zu jedem Zeitpunkt gedeckt werden
Lernraten von 2,2 % für Biomasse können vor dem
                                                            können. Dies wird entweder durch zeitgleiche Produktion
Hintergrund einer von NEIJ (2008, S. 2209) angegebenen
                                                            regenerativer Elektrizität oder durch den Einsatz zuvor
Bandbreite von 0 bis 10 % als eher konservativ eingestuft
                                                            gespeicherten Stroms sichergestellt. Für die Berechnung
werden. Ein besonderer Fall könnte bei der Geothermie
                                                            des optimalen Erzeugungsmixes wird der Lastgang eines
vorliegen. Neuste Zahlen des DLR, die in den
                                                            historischen Jahres zugrunde gelegt und auf das
Berechnungen nicht mehr berücksichtigt werden konnten,
                                                            Verbrauchsniveau des Zieljahres (509 oder 700 TWh/a)
legen nahe, dass die Kosten der Geothermienutzung
                                                            skaliert. Es wird damit unterstellt, dass der Verlauf der
deutlich stärker sinken könnten als in den für den SRU
                                                            Nachfrage des Jahres 2050 dem bisherigen jährlichen
durchgeführten Berechnungen vom DLR angenommen. In
                                                            Verlauf der Elektrizitätsnachfrage in Deutschland ähnelt.
diesem Fall könnte die Geothermie eventuell zukünftig
                                                            Der SRU ist sich der Tatsache bewusst, dass diese Vor-
eine größere Rolle spielen als in den hier präsentierten
                                                            gehensweise in Ermangelung einer besseren Abschätzung
Szenarien.
                                                            des Verlaufs der Elektrizitätsnachfrage des Jahres 2050
Sollten sich die unterstellten Kostensenkungspotenziale     nur eine erste grobe Näherung darstellt. Mit hoher Wahr-
als zu optimistisch erweisen, würde dies das Ergebnis der   scheinlichkeit stellt diese Vorgehensweise aber größere
Berechnungen, dass eine regenerative Vollversorgung         Anforderungen an die zu installierende Leistung und die
möglich ist, nicht ändern. Allerdings wären die Kosten      Veränderungsgeschwindigkeiten der Erzeugung, als dies
des so erreichten Klimaschutzes höher, als in den Szena-    im Jahr 2050 der Fall sein wird. Viele Technologien zur
rien ausgewiesen. Weitere Angaben zu den unterstellten      Steigerung der Systemeffizienz, die in den nächsten Jahr-
Kostenentwicklungen finden sich in Kapitel 4.5, das diese   zehnten auch aus Gründen des Klimaschutzes eingeführt
Diskussion vor dem Hintergrund der konkreten Szena-         werden dürften, wie zum Beispiel sogenannte steuerbare
rioergebnisse weiter vertieft.                              Lasten (dispatchable loads) oder intelligente Verbrauchs-
                                                            geräte (smart devices), führen zu einer Vergleich-
Das REMix-Modell umfasst Europa und Nordafrika. Bei
                                                            mäßigung der Netzlast und einer Senkung der Bedarfs-
der Definition der Szenarien kann der Austausch von
                                                            spitzen.
Strom über bestimmte Ländergrenzen hinweg zugelassen
und die Höhe des maximalen Austausches festgelegt wer-      Da das Modell auch die zeitlich schwankende Verfügbar-
den. Auf diese Weise können unterschiedlich große Län-      keit der erneuerbaren Energieträger in stündlicher Auf-
dergruppen, aber auch einzelne Länder, zum Gegenstand       lösung berücksichtigt, lassen sich die stündlichen Anfor-
der Analyse gemacht werden.                                 derungen an die Produktionskapazitäten und Ausgleichs-
                                                            möglichkeiten durch Speicher berechnen. Aus dem so

14
berechneten Einsatz der Erzeugungs- und Speicher-             finden. Ein solches Szenario erscheint zwar vor dem
technologien und den unterstellten Kostenfunktionen           Hintergrund      der   derzeitigen    Importabhängigkeit
können die Kosten der einzelnen Szenarien mit allen den       Deutschlands im Bereich der zur Stromerzeugung ein-
Annahmen innewohnenden Unsicherheiten berechnet               gesetzten Energieträger von etwa 60 % und der Integra-
werden.                                                       tion europäischer Märkte weder notwendig noch wün-
                                                              schenswert zu sein, es soll aber die grundsätzliche tech-
Im Modell werden drei wesentliche Speichermöglich-
                                                              nisch-ökonomische Machbarkeit untersuchen und kann
keiten berücksichtigt: Pumpspeicher, Druckluftspeicher
                                                              mit den weiteren Szenarien im Hinblick auf Technologien
und die Speicherung von Elektrizität in Wasserstoff (zu
                                                              und Kosten verglichen werden. Diese Szenariofamilie
den Modellannahmen in Bezug auf die Speichertechno-
                                                              wird im Kapitel 3 nur bezüglich ihres zentralen Ergebnis-
logien und ihre Potenziale s. Kap. 4.3). In den vom
                                                              ses dargestellt.
Modell REMix gelieferten optimierten Lösungen kommt
die Speicherung in Form von Wasserstoff aufgrund der          Eine zweite Szenariofamilie modelliert Deutschland als
relativ hohen Systemverluste und der damit verbundenen        Teil eines Stromverbunds mit Norwegen und Dänemark
hohen Kosten in keinem Szenario zum Einsatz, obwohl           (DE–DK–NO). Diese Szenarien untersuchen den Ein-
das Modell diese Technologie vorhält. Alle Berechnungen       fluss, den die Nutzung der Pumpspeicherpotenziale in
beinhalten die sich ergebenden Umwandlungs- und               Norwegen für eine regenerative Stromversorgung in
Leitungsverluste für den weiträumigen Transport.              Deutschland haben könnte. Dänemark ist als Durch-
Verteilungsverluste, die im vorhandenen deutschen Ver-        leitungsland nach Norwegen Teil des Verbundes und trägt
teilnetz entstehen, sind nicht berücksichtigt. Diese würden   außerdem erhebliche Potenziale an Windenergie zum
jedoch in ähnlicher Höhe auch bei einer Fortführung der       Gesamtsystem bei.
konventionellen Stromerzeugung entstehen.
                                                              Für diesen skandinavischen Verbund werden vier Szena-
                                                              rien untersucht. Im ersten Szenario (DE–DK–
2.3              Szenarien                                    NO 100 % SV) gilt als Rahmenbedingung, dass sich
                                                              Deutschland im Jahresdurchschnitt vollständig selbst ver-
4.       Der SRU nutzt das Modell des DLR, um unter-          sorgt, also die insgesamt produzierte Strommenge der
schiedliche Szenarien einer vollständig regenerativen         verbrauchten Menge entspricht. Im Unterschied zum
Stromversorgung für Deutschland zu analysieren. Dabei         DE 100 % SV-Szenario können allerdings bis zu 15 % der
werden unterschiedliche Rahmenbedingungen bezüglich           Jahresarbeit zwischen Deutschland und den Verbund-
der Höhe des deutschen Stromverbrauchs im Jahre 2050          partnern ausgetauscht werden. Damit wird insbesondere
und der Möglichkeiten des Elektrizitätsaustauschs mit         der Zugriff auf Pumpspeicherkapazitäten in Norwegen
dem Ausland vorgegeben. Insgesamt wurden acht ver-            zum Ausgleich von Differenzen zwischen Strom-
schiedene Szenarien gerechnet, um eine relativ große          erzeugung und -nachfrage ermöglicht. Ein zweites Szena-
Bandbreite von Anforderungen und Möglichkeiten zu             rio lässt zusätzlich einen Nettoimport von Strom von
berücksichtigen. Diese Szenarien lassen sich in drei ver-     15 % aus Skandinavien nach Deutschland zu, das heißt
schiedenen Szenariofamilien zusammenfassen. Eine              der Selbstversorgungsgrad kann bis auf 85 % (DE–DK–
Übersicht gibt Tabelle 2-2.                                   NO 85 % SV) sinken. Der einfache Dreiländerverbund
Dabei gehen die ersten Szenarien (Szenariofamilie 1) von      erlaubt sehr klare und eindeutige Analysen. Bei einem
sehr restriktiven Randbedingungen aus, um zu analysie-        gesamteuropäischen Stromaustausch sind einzelne Verän-
ren, ob eine vollständig regenerative Stromversorgung         derungen aufgrund sich überlagernder Effekte nur noch
allein auf der Basis der deutschen Regenerativenergie-        schwer zuzuordnen. Die Rolle Deutschlands und einzel-
potenziale möglich ist. Diese Restriktionen werden            ner anderer Länder ist sehr viel schwieriger zu interpretie-
schrittweise gelockert werden, um zu analysieren, wie         ren.
sich eine Reihe von Optionen zur Flexibilisierung der         Da auch heute schon in erheblichem Maße Elektrizität
Versorgung auf den eingesetzten Technologiemix und die        zwischen Deutschland und anderen europäischen Staaten
Kosten der Elektrizitätsversorgung auswirken.                 ausgetauscht wird und Deutschland Nettoexporteur ist,
In der ersten Szenariofamilie (DE 100 % SV) wird              wird das Szenario DE–DK–NO 100 % SV vom SRU als
Deutschland unter autarken Bedingungen vollständig            relativ gute Annäherung an eine anspruchsvolle aber rea-
regenerativ versorgt, das heißt die gesamte Strom-            listische Weiterentwicklung der deutschen Elektrizitäts-
nachfrage wird aus heimischen erneuerbaren Quellen            versorgung angesehen. In den Betrachtungen über einen
gedeckt und es wird kein Austausch von Strom mit dem          möglichen Übergang vom heutigen Elektrizitätssystem
Ausland zugelassen (Deutschland als „elektrische Insel“).     auf das System des Jahres 2050 in Kapitel 3.2 steht dieses
Dementsprechend muss auch die gesamte notwendige              Szenario im Zentrum der Analysen.
Zwischenspeicherung von Strom in Deutschland statt-




                                                                                                                       15
T ab e lle 2-2
                    S ze na r ie n ein e r vo lls tän d ig reg en er at ive n S tromv e rso rgung

     Szenario-     Charakterisierung                        Nachfrage in DE 2050:       Nachfrage in DE 2050:
     familie                                                500 TWh/a                   700 TWh/a
     1             Vollständige Selbstversorgung            Szenario 1.a                Szenario 1.b
                   Deutschlands                             DE 100 % SV-500             DE 100 % SV-700
     2             Vollständige Selbstversorgung            Szenario 2.1.a              Szenario 2.1.b
                   Deutschlands bezogen auf                 DE–DK–NO 100 % SV-          DE–DK–NO 100 % SV-
                   jährliche Produktion                     500                         700
                   Austausch von max. 15 % der
                   Jahresarbeit mit DK/NO möglich
                   Maximal 15 % Nettoimport aus             Szenario 2.2.a              Szenario 2.2.b
                   DK/NO zulässig (und Austausch            DE–DK–NO 85 % SV-           DE–DK–NO 85 % SV-
                   von max. 15 % der Jahresarbeit)          500                         700
     3             Maximal 15 % Nettoimport aus             Szenario 3.a                Szenario 3.b
                   EUNA möglich (und Austausch              DE–EUNA 85 % SV-500         DE–EUNA 85 % SV-700
                   von max. 15 % der Jahresarbeit)
                                                                               SRU/Stellungnahme Nr. 15–2010/Tab. 2-2



Auch ein Verbund mit Schweden und eine Nutzung der
schwedischen Wasserkraft zur Speicherung wären denk-         2.4              Stromnachfrage
bar. Allerdings verfügt Norwegen mit einem Speicher-
volumen von circa 84 TWh über das größte europäische         5.       Auf der Basis der Auswertung verschiedener
und deutlich größere Speicherpotenzial als Schweden mit      Studien erscheint es realistisch, dass die jährliche Strom-
circa 36 TWh (vgl. Nord Pool ASA 2010). Langfristig          nachfrage (Nettostromverbrauch) in Deutschland im Jahr
werden sicherlich beide Länder wie auch die Schweiz,         2050 im Bereich von 500 TWh stabilisiert werden kann
Österreich, Frankreich und Italien als Anbieter von          (z. B. Öko-Institut und Prognos AG 2009; UBA 2009;
erheblichen Pumpspeicherleistungen am Markt auftreten.       BARTHEL et al. 2006; Enquete-Kommission Nachhaltige
Für alle im Folgenden vorgenommenen Berechnungen             Energieversorgung unter den Bedingungen der
wird aufgrund des deutlich größeren Speicherpotenzials       Globalisierung und Liberalisierung 2002; NITSCH 2008).
und der relativ einfachen Leitungsverbindung zwischen        Dies würde stringente Bemühungen zur Energieein-
den großen Windenergiepotenzialen in der deutschen           sparung und Effizienzsteigerung für die traditionellen
Nordsee und den norwegischen Speicherkapazitäten im          Stromnutzungen voraussetzen, dann aber auch eine
Südwesten des Landes von einer Kooperation Deutsch-          Elektrifizierung des Individualverkehrs in einem signifi-
lands mit Norwegen ausgegangen.                              kanten Umfang (etwa die Hälfte der derzeitigen Ver-
                                                             kehrsleistung) erlauben. Alle Szenariogruppen werden
Die dritte Szenariofamilie erweitert den Stromverbund auf    deshalb zunächst für eine Stromnachfrage von 500 TWh
ganz Europa und die Region Nordafrika (DE–EUNA). In          im Jahr 2050 auf der Basis des skalierten stündlichen auf-
diesen Szenarien wird ebenfalls für jedes am Verbund         gelösten Jahreslastgangs berechnet.
beteiligte Land ein Nettoimport von maximal 15 % der
elektrischen Jahresarbeit zugelassen, um eine möglichst      Eine zweite Variante nimmt einen jährlichen Strombedarf
hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Der grö-        von 700 TWh für Deutschland im Jahr 2050 an. Eine
ßere Verbund ermöglicht es, auf sehr viel größere Poten-     solche Nachfrage könnte eintreten, wenn keine ehrgeizige
ziale regenerativer Energiequellen zurückzugreifen und       Effizienzstrategie umgesetzt und zusätzlich der Indivi-
regionale Schwankungen besonders im Angebot der              dualverkehr weitestgehend auf elektrische Antriebe um-
Windenergie durch eine großräumige Vernetzung besser         gestellt werden würde. Durch eine vollständige Elektri-
auszugleichen.                                               fizierung des Individualverkehrs wäre mit einer zusätz-
                                                             lichen Stromnachfrage von bis zu 100 TWh/a zu rechnen
Alle Szenariofamilien werden jeweils für eine Gesamt-        (vgl. WIETSCHEL und DALLINGER 2008). Bei einer
nachfrage (Bruttostromnachfrage) nach Strom in               erfolgreichen Umsetzung von Effizienzstrategien wäre es
Deutschland von 500 TWh (genau 509 TWh, s. Kap. 3.2)         möglich, im Rahmen eines 700 TWh/a-Szenarios neben
und von 700 TWh berechnet. In allen Szenarien wird dem       dem Individualverkehr auch den größten Teil des im Jahr
Modell als Randbedingung vorgegeben, dass jeweils der        2050 verbleibenden Heizwärmebedarfs und einen deutlich
gesamte Strom in allen beteiligten Ländern des Verbun-       größeren Anteil des industriellen Prozesswärmebedarfs
des regenerativ erzeugt werden muss.                         elektrisch zu decken.

16
Der Vergleich der beiden Varianten (500 und 700 TWh/a)        3                Optionen der 100 %igen
kann jeweils einen Eindruck davon vermitteln, wie die                          Vollversorgung
Höhe des Gesamtverbrauchs die Kosten des Systems und
die Zusammensetzung der Energieträger im kosten-
optimierten Mix beeinflusst.                                  3.1              Potenziale der erneuerbaren
Während aus Sicht des SRU die Stabilisierung des                               Energieträger
Stromverbrauchs auf einem möglichst niedrigen Niveau                           für die Stromerzeugung
Ziel der Politik sein sollte, um die Kosten der Versorgung
möglichst niedrig zu halten, zeigen die Szenariovarianten     3.1.1            Potenziale in Deutschland
mit 700 TWh/a, dass auch ein sehr viel höherer Strom-
bedarf prinzipiell aus erneuerbaren Energien gedeckt          7.        Die Potenziale der erneuerbaren Stromerzeugung
werden könnte. Zeigen die Analysen, dass eine Nachfrage       in Deutschland wurden vom REMix-Modell entsprechend
von 700 TWh/a befriedigt werden kann, so kann auch            der in Kapitel 2.2 vorgestellten Methodik ermittelt. Auf
jede andere Nachfrage zwischen 500 und 700 TWh                der Basis eines durchschnittlichen Windjahres ergibt sich
gedeckt werden. Beispielsweise wäre unter Ausschöpfung        für Deutschland ein jährliches Erzeugungspotenzial für
der Effizienz- und Einsparpotenziale bei einer vollstän-      Elektrizität aus regenerativen Energiequellen von
digen Elektrifizierung des Individualverkehrs mit einem       839 TWh/a. Dabei kann ein großer Teil dieses Potenzials
Gesamtverbrauch von circa 550 TWh zu rechnen.                 (ca. 612 TWh) zu Grenzkosten (den Kosten der teuersten
                                                              genutzten Kilowattstunde) von circa 0,096 €/kWh bereit-
                                                              gestellt werden, wie Abbildung 3-1 zeigt.
2.5              Gestaltung des Übergangs
                                                              Die Kosten für die einzelnen Technologien sind, wie in
6.       Für die Szenarien 2.1.a und 2.1.b (DE–DK–            Kapitel 2 erläutert, auf der Basis mengenabhängiger
NO 100 % SV, Netzverbund mit Norwegen und Däne-               Kostendegressionsfunktionen für das Zieljahr in Preisen
mark und Ausgleich zeitlicher Schwankungen; Selbst-           von 2009 vom DLR berechnet worden (vgl. DLR 2010,
versorgung im Jahresdurchschnitt) werden in Kapitel 4         S. 13 ff.). Hierbei liegen die relativ kostengünstigen
Vorschläge für den zeitlichen Übergang von der heutigen       Potenziale im Bereich der On- und Offshore-Wind-
Struktur der Elektrizitätserzeugung hin zu dem vom            energienutzung (ca. 407 TWh/a) und der Nutzung der
REMix-Modell berechneten vollständig regenerativen            Wasserkraft. Allerdings ist der mögliche Beitrag der
Zielzustand entwickelt.                                       Wasserkraft zur Stromerzeugung in Deutschland aufgrund
Diese Übergangsvorschläge gehen von einem nur noch            der orographischen Gegebenheiten auf circa 28 TWh/a
sehr begrenzten Zubau konventioneller Kraftwerke aus          begrenzt. Auch die Nutzung von Biomasse, die im Ver-
und berechnen zunächst unter konservativen Annahmen           gleich zur Geothermie noch zu relativ niedrigen Grenz-
zur durchschnittlichen Laufzeit der Kraftwerke das Aus-       kosten (maximal 0,081 €/kWh) realisiert werden kann, ist
laufen der Nutzung der konventionellen Kapazitäten über       mit circa 71 TWh/a deutlich begrenzt. Einer zusätzlichen
die Zeit („Sterbelinie“ konventioneller Kraftwerke).          Einschränkung kann das für die Stromerzeugung nutzbare
                                                              Biomassepotenzial durch die Nutzungskonkurrenz im
Ausgehend von diesen Sterbelinien wird dann abgeleitet,       Bereich der Kraftstoffe oder für die Wärmebereitstellung
welcher Zubau an regenerativen Erzeugungskapazitäten          unterliegen. Der SRU geht davon aus, dass Biomasse in
in den Jahren bis 2050 notwendig wäre, um die verblei-        einer Elektrizitätserzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung
bende Nachfrage zu decken. Die jährlichen Zubauten an         (KWK) mit dem größten Systemnutzen eingesetzt werden
installierter Leistung für die unterschiedlichen Technolo-    kann. In den im Folgenden berechneten Szenarien für eine
gien wurden so gewählt, dass im Jahr 2050 der kosten-         moderate Elektrizitätsnachfrage (509 TWh/a in Deutsch-
optimierte Energieträgermix der Szenarienberechnungen         land in 2050) und zugelassenem Austausch von Elektri-
(s. Kap. 2.1) erreicht wird. Der angenommene jährliche        zität mit dem Ausland wird die Biomasse nur etwa zur
Zubau basiert selbst aber nicht auf Optimierungsrech-         Hälfte in der Elektrizitätserzeugung und dabei praktisch
nungen. In Zeiträumen, in denen besonders viele konven-       ausschließlich in KWK-Anlagen eingesetzt. Nur bei
tionelle Kraftwerke aufgrund ihres Alters vom Netz            einem sehr theoretischen politischen Verzicht auf einen
gehen, wurden dabei in begrenztem Umfang Sicherheits-         Austausch mit dem Ausland (Szenario 1.a und b) wird das
margen beim Zubau der erneuerbaren Energien berück-           gesamte Potenzial die Elektrizitätserzeugung genutzt und
sichtigt. Die in Kapitel 4 dargestellten Verläufe des Über-   zum großen Teil im Bereich der Spitzenlastdeckung ohne
gangs stellen jeweils einen möglichen Pfad dar, auf dem       KWK eingesetzt. Die Nutzung der Photovoltaik hat zwar
das Ziel der vollständig regenerativen Stromversorgung        ein größeres Potenzial (ca. 110 TWh/a), führt aber schon
im Jahr 2050 erreicht werden könnte, ohne dass in irgend-     zu erheblich höheren Grenzkosten (0,096 €/TWh).
einer Phase des Übergangs die Versorgung gefährdet            Besonders teuer ist die Stromerzeugung mithilfe von
wäre. Es wird darüber hinaus dargestellt, wie der Ausbau      Geothermie, die zwar ein erhebliches zusätzliches Poten-
der erneuerbaren Energien durch die schrittweise              zial von gut 220 TWh/a hat, für die aber bis zu
Erschließung von Stromspeicherpotenzialen in Deutsch-         0,62 €/kWh aufgewandt werden müssen, um dieses
land und Norwegen und den notwendigen internationalen         Potenzial zu erschließen. Nach neueren Erkenntnissen, die
Netzausbau flankiert werden muss (s. Kap. 4.3).               erst nach der Durchführung der Berechnungen für dieses
                                                              Sondergutachten vorlagen, könnten die langfristigen
                                                                                                                    17
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  • 1. 100% erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar (Vorläufige Fassung vom 5. Mai 2010) Stellungnahme Mai 2010 Nr. NR ISSN 1612-2968
  • 2. Inhalt Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................................................2 Tabellenverzeichnis .....................................................................................................................................................4 Vorwort ........................................................................................................................................................................5 1 Einleitung.............................................................................................................................................................6 2 Methodik..............................................................................................................................................................8 2.1 Einführung.......................................................................................................................................................8 2.2 Das Modell REMix des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt.........................................................9 2.3 Szenarien .......................................................................................................................................................15 2.4 Stromnachfrage..............................................................................................................................................16 2.5 Gestaltung des Übergangs .............................................................................................................................17 3 Optionen der 100 %igen Vollversorgung .......................................................................................................17 3.1 Potenziale der erneuerbaren Energieträger für die Stromerzeugung ............................................................17 3.1.1 Potenziale in Deutschland..............................................................................................................................17 3.1.2 Potenziale in der Region Europa–Norafrika ..................................................................................................22 3.2 Drei Szenariofamilien für eine regenerative Vollversorgung .......................................................................25 3.2.1 Die theoretische Variante: eine rein deutsche regenerative elektrische Vollversorgung ...............................25 3.2.2 Eine regenerative Vollversorgung im Verbund mit Norwegen und Dänemark.............................................30 3.2.2.1 Nationale Vollversorgung mit ausgeglichener Export-, Importbilanz ...........................................................30 3.2.2.2 Nationale Versorgung mit einem zulässigen Nettoimport von 15 %............................................................35 3.2.3 Eine regenerative Vollversorgung im Verbund Europa–Nordafrika .............................................................39 4 Der Weg: Zeitliche Sequenz der technischen Entwicklung und der notwendigen Entscheidungen ............................................................................................................44 4.1 Zeitliche Dimension des Kapitalstocks..........................................................................................................44 4.2 Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen bis 2050 ........................................................................48 4.2.1 Übergangsszenario 2.1.a (509 TWh/a in 2050) .............................................................................................51 4.2.2 Übergangsszenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) .............................................................................................55 4.3 Ausbau der Energieinfrastruktur mit Netzen und Speichern .........................................................................58 4.3.1 Begründung des Bedarfs................................................................................................................................58 4.3.2 Speicher .........................................................................................................................................................59 4.3.3 Netze..............................................................................................................................................................66 4.4 Zukünftige Rolle von Grundlastkraftwerken .................................................................................................71 4.4.1 Die bisherige Elektrizitätsversorgung............................................................................................................72 4.4.2 Große Anteile erneuerbarer Stromerzeugung im System ..............................................................................73 4.4.3 Anforderungen an das zukünftige Elektrizitätssystem...................................................................................74 4.5 Kosten des Entwicklungspfads ......................................................................................................................76 5 Zusammenfassung und Empfehlungen ...........................................................................................................82 Literaturverzeichnis ..................................................................................................................................................86 1
  • 3. Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1 Die in das Modell REMix einbezogenen Länder.............................................................................10 Abbildung 2-2 Angenommene Kostenentwicklungen für die verschiedenen Technologien zur Nutzung regenerativer Energiequellen bis 2050........................................................................13 Abbildung 3-1 Potenzial der Elektrizitätserzeugung aus regenerativen Energiequellen in Deutschland in TWh/a als Funktion der Kosten pro kWh...........................................................18 Abbildung 3-2 Vergleich des stündlichen Erzeugungspotenzials regenerativer Energiequellen in Deutschland mit der jährlichen Lastkurve bei einer jährlichen Nachfrage von 500 TWh/a........19 Abbildung 3-3.a Stündliches Erzeugungspotenzial regenerativer Energiequellen in Deutschland im Monat Januar in MW..................................................................................................................20 Abbildung 3-3.b Stündliches Erzeugungspotenzial regenerativer Energiequellen im Monat Juli in MW.................21 Abbildung 3-4 Potenzial der Elektrizitätserzeugung aus regenerativen Energiequellen in der Region Europa-Nordafrika als Funktion der Kosten pro kWh ..............................................22 Abbildung 3-5 Stündliches Erzeugungspotenzial regenerativer Energiequellen in der Region Europa-Nordafrika ....................................................................................................24 Abbildung 3-6 Szenario 1.a: Selbstversorgung, 509 TWh/a....................................................................................27 Abbildung 3-7 Szenario 1.b: Selbstversorgung, 700 TWh/a ...................................................................................29 Abbildung 3-8 Szenario 2.1.a: Verbund DE–DK–NO (nur Austausch), Nachfrage DE 509 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................32 Abbildung 3-9 Szenario 2.1.a: Deutschland im Verbund DE–DK–NO (nur Austausch), 509 TWh/a, Erzeugung, Export und Import im Monat März ..........................................................33 Abbildung 3-10 Szenario 2.1.b: Verbund DE–DK–NO (nur Austausch), Nachfrage DE 700 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................34 Abbildung 3-11 Szenario 2.2.a: Verbund DE–DK–NO (Nettoimport), Nachfrage DE 509 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................37 Abbildung 3-12 Szenario 2.2.b: Verbund DE–DK–NO (Nettoimport), Nachfrage DE 700 TWh/a, Gesamtverbund ....................................................................................38 Abbildung 3-13 Szenario 3.a: Verbund DE–EUNA (Nettoimport), Nachfrage DE 509 TWh/a, Gesamtverbund ...42 Abbildung 3-14 Szenario 3.a: Verbund DE–EUNA (Nettoimport), Nachfrage DE 500 TWh/a, nur Deutschland ...................................................................................43 Abbildung 4-1.a Entwicklung des 2009 vorhandenen konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) in Deutschland (Laufzeit 35 Jahre für alle Kraftwerke) ..................................................................45 Abbildung 4-1.b Entwicklung des konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) plus Kraftwerke im Bau und Erdgaskraftwerke in Planung bei einer angenommenen Laufzeit von 35 Jahren für alle Kraftwerke ..........................................................................................................................46 Abbildung 4-2 Entwicklung des konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) plus Kraftwerke im Bau und Erdgaskraftwerke in Planung (Laufzeit 35 Jahre für Kernkraft- und 45 Jahre für Kohle und Erdgaskraftwerke)..........................46 Abbildung 4-3 Entwicklung des konventionellen Kraftwerkparks (Wärmekraftwerke) plus Kraftwerke im Bau und in Planung (Laufzeit 45 Jahre für Kohle und Erdgas) ..............................................................47 Abbildung 4-4 Entwicklung der durch regenerative Energiequellen sicherzustellenden Bruttostromerzeugung bis 2050 in TWh/a (509 TWh/a in 2050).........................................................................................49 Abbildung 4-5 Entwicklung der durch regenerative Energiequellen sicherzustellenden Bruttostromerzeugung bis 2050 in TWh/a (700 TWh/a in 2050).........................................................................................50 Abbildung 4-6 Angenommene Entwicklung der Jahresvolllaststundenäquivalente für die eingesetzten Techniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen ......................................................................................51 Abbildung 4-7 Entwicklung der Bruttostromerzeugung im Übergangsszenario 2.1.a (509 TWh/a in 2050) .........52 2
  • 4. Abbildung 4-8 Entwicklung der Bruttostromerzeugung aus regenerativen Energiequellen im Übergangsszenario 2.1.a von 2005 bis 2050 in TWh/a ..............................................................53 Abbildung 4-9 Entwicklung der regenerativen Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.a (509 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................54 Abbildung 4-10 Entwicklung der gesamten Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.a (509 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................55 Abbildung 4-11 Entwicklung der Bruttostromerzeugung im Übergangsszenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) .......................................................................................................................56 Abbildung 4-12 Entwicklung der Bruttostromerzeugung aus regenerativen Energiequellen im Übergangsszenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050 in TWh/a ...........................56 Abbildung 4-13 Entwicklung der regenerativen Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................57 Abbildung 4-14 Entwicklung der gesamten Erzeugungskapazitäten in Szenario 2.1.b (700 TWh/a in 2050) von 2005 bis 2050.........................................................................................58 Abbildung 4-15 Integratives Renewable-Power-Methane-Konzept ..........................................................................61 Abbildung 4-16 Schematisierter Ausschnitt aus einem typischen norwegischen Speicherkraftwerkskomplex (Kraftwerke Ulla-Førre) ..................................................................................................................63 Abbildung 4-17 Entwicklung der Überschussleistung aus Wind und Photovoltaik in Deutschland (Szenario 2.1.a)................................................................................................................................65 Abbildung 4-18 Füllstand der norwegischen Speicherwasserkapazität mit Ein- und Ausspeicherung aus Szenario 2 für 2050 ...................................................................................................................66 Abbildung 4-19 Korrelation der Leistungsschwankungen aus Windenergie (bis 600 km Entfernung)....................67 Abbildung 4-20 Korrelation der Leistungsschwankungen aus Windenergie (bis 8.000 km Entfernung)..................68 Abbildung 4-21 Maximale Übertragungsleistungen für die Region DE–DK–NO 2050 ...........................................69 Abbildung 4-22 Maximale Übertragungsleistungen für die Region EUNA in 2050 .................................................70 Abbildung 4-23 Schematische Darstellung der Deckung der täglichen Stromnachfrage im derzeitigen Elektrizitätssystem...................................................................................................72 Abbildung 4-24 Schematische Darstellung der Deckung der täglichen Stromnachfrage in einem Elektrizitätssystem mit einem hohen Anteil von Windenergie.........................................73 Abbildung 4-25 Residuallast des Übergangsszenarios 2.1.a im Jahr 2020................................................................74 Abbildung 4-26 Jahresdauerlinien der deutschen Stromerzeugung 2007 und 2020 ..................................................75 Abbildung 4-27 Annahmen zur Entwicklung der Stromgestehungskosten ...............................................................77 Abbildung 4-28 Vergleich der drei Preispfade der Leitstudie des BMU für fossile Brennstoffe einschließlich der CO2-Emissionszuschläge ...................................................................................78 Abbildung 4-29 Entwicklung der Gesamtkosten für regenerative Stromerzeugung (Szenario 2.1.a) .......................79 Abbildung 4-30 Entwicklung der durchschnittlichen spezifischen erneuerbaren (Szenario 2.1.a) und konventionellen Stromgestehungskosten..................................................................................80 Abbildung 4-31 Entwicklung der durchschnittlichen Stromgestehungskosten durch einen forcierten Ausbau der regenerativen Energiequellen in Deutschland (einschließlich Speicher, nationalem und internationalem Netzausbau) .........................................81 3
  • 5. Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1 Vom Modell REMix des DLR erfasste Flächen und Potenziale regenerativer Energiequellen in Deutschland, Europa und Nordafrika ...........................................12 Tabelle 2-2 Szenarien einer vollständig regenerativen Stromversorgung...........................................................16 Tabelle 3-1 Szenario 1.a und 1.b: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten, erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten ...............................................28 Tabelle 3-2 Szenario 2.1.a und 2.1.b: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten, erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten ...............................................31 Tabelle 3-3 Szenario 2.2.a und 2.2.b: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten, erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten ...............................................36 Tabelle 3-4 Notwendige Transportkapazitäten zwischen den Ländern des Versorgungsverbundes DE–DK–NO nach Szenarien in GW ...............................................................................................39 Tabelle 3-5 Szenario 3.a: Überblick über die eingesetzten Kapazitäten, erzeugten Elektrizitätsmengen, jährlichen und spezifischen Kosten .................................................................................................40 Tabelle 4-1 Angenommene Jahresvolllaststunden für konventionelle Kraftwerke ............................................48 Tabelle 4-2 Technische und wirtschaftliche Parameter zu Pumpspeichern ........................................................59 Tabelle 4-3 Technische und wirtschaftliche Parameter zu AA-CAES-Anlagen.................................................60 Tabelle 4-4 Technische und wirtschaftliche Parameter zur Wasserstoffspeicherung .........................................61 Tabelle 4-5 Angenommene Lernraten (Reduktion der Stromgestehungskosten um x % bei Verdopplung der Produktion) im Vergleich zur Literatur (NEIJ 2008) ................................................................77 Tabelle 4-6 Angenommene Preisentwicklung für fossile Brennstoffe und CO2-Emissionsrechte entsprechend dem Preispfad A (Deutlicher Preisanstieg) der Leitstudie.........................................78 4
  • 6. Vorwort Im Herbst 2008 hat der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) mit den Arbeiten an einem Sondergutachten zur Zukunft der Stromversorgung in Deutschland mit Blick auf das Jahr 2050 begonnen. Als zentrale Herausforderung erachtet er den Übergang zu einer nachhaltigen Stromerzeugung, die Treibhausgasemissionen weitestgehend vermeidet. In dem in Arbeit befindlichen Sondergutachten beleuchtet der SRU interdisziplinär die technisch-ökonomischen, recht- lichen und politischen Herausforderungen einer Transformation in Richtung einer klimaneutralen und nachhaltigen Stromversorgung. Das Sondergutachten soll im Herbst 2010 veröffentlicht werden. Im Zusammenhang mit diesem Sondergutachten hat der SRU im Frühjahr 2009 das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beauftragt, Optionen einer sicheren Stromversorgung zu untersuchen, die vollständig auf verschiedene regenerative Energieträger aufbaut. Dr. Wolfram Krewitt, der die Projektleitung übernommen hatte, ist im Oktober 2009 plötzlich und überraschend verstorben. Sein Tod ist ein großer und schmerzlicher Verlust. Frau Yvonne Scholz hat das Projekt mit außerordentlichem Engagement fortgeführt und vollendet. Die vom SRU entwickelten und auf der Basis des REMix-Modells berechneten technisch-ökonomischen Szenarien liegen mittlerweile vor (DLR, 2010). Ergänzend hat der SRU auch die folgenden – in der vorliegenden Stellungnahme berücksichtigten – Gutachten in Auftrag gegeben: Dr. Gregor Czisch: Möglichkeiten des großräumigen (transeuropäischen) Ausgleichs von Schwankungen großer Teile intermittierender Elektrizitätseinspeisung aus erneuerbaren Energiequellen in Deutschland im Rahmen einer 100 % regenerativen Stromerzeugung mit Zeithorizont 2050, November 2009. Prof. Dr. Heinrich Brakelmann/Prof. Dr. Istvan Erlich: Technische Möglichkeiten und Kosten transeuropäischer Elektrizitätsnetze als Basis einer 100 % regenerativen Stromerzeugung mit Zeithorizont 2050: Optionen der elektrischen Energieübertragung und des Netzausbaus, März 2010. Fraunhofer Institut für Windenergie und Systemtechnik (Institutsteil Kassel): Systemkonflikt in der Transformation der Stromversorgung – Berechnungen und graphische Darstellung auf der Datenbasis eines SRU-Szenarios, verantwortlich: Dr. Michael Sterner, April 2010. Der SRU hat sich aus aktuellem Anlass entschieden diese technisch-ökonomischen Szenarien vor der Fertigstellung des gesamten Sondergutachtens in Form einer Stellungnahme zu veröffentlichen. In ihrer Koalitionsvereinbarung vom Oktober 2009 streben die Regierungsparteien CDU, CSU und FDP an, den „Weg ins regenerative Zeitalter“ gehen zu wollen. Zugleich bekennen sie sich zu einer „ideologiefreien, technologieoffenen und marktorientierten Energiepolitik“. Einen besonderen Stellenwert nimmt hierbei die Kernenergie als „Brücken- technologie“ ein, „bis sie durch erneuerbare Energien verlässlich ersetzt werden kann“. In einem Energiekonzept will die Bundesregierung im Laufe des Jahres 2010 szenarienbezogene Leitlinien für eine „saubere, sichere und bezahlbare Energieversorgung“ formulieren, die die oben genannten Ziele konkretisiert. Im Juni 2010 sollen Untersuchungen eines Konsortiums von Forschungsinstituten vorgelegt werden, auf deren Basis erste Vorentscheidungen zu erwarten sind. Es zeichnet sich dabei ab, dass im Zentrum der Szenarien unterschiedliche Laufzeitmodelle für Kernkraftwerke stehen und so der „Weg in das regenerative Zeitalter“ in den Hintergrund der Überlegungen zu geraten droht: Ein vollständig auf regenerative Energieträger basierendes Szenario fehlt nach den verfügbaren Informationen ebenso wie eines, das ernsthaft untersucht, wie die Klimaschutzziele der Bundesregierung für 2020 und 2050 auch ohne signifikante Laufzeitverlängerungen erreichbar sind. Eine ideologiefreie und technologieoffene Energiepolitik sollte aber auch diese Optionen in die Überlegungen für ein Energiekonzept einbeziehen. Diese Lücke soll die vorliegende Stellungnahme schließen. Der SRU will damit noch nicht ein eigenes Energiekonzept vorlegen, sondern zunächst nur die Diskussion um eine ernstzunehmende Option für eine „saubere, sichere und bezahlbare Energieversorgung“ bereichern. Konzeptionelle Vorschläge zur politischen Instrumentierung und den rechtlichen Rahmenbedingungen sind von dem in Arbeit befindlichen Sondergutachten zu erwarten. Diese Stellungnahme beruht auch auf der sachkundigen und engagierten Arbeit der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in der Geschäftsstelle des SRU sowie bei den Ratsmitgliedern. An der Erarbeitung der wissenschaftlichen Inhalte und der Erstellung der Texte haben insbesondere Holger Höfling, Sönke Bohm und Anna Leipprand mitgewirkt. Szenarien für eine fernere Zukunft sind notwendigerweise mit Unsicherheiten behaftet, da sie auf einer Reihe von Annahmen über schwer prognostizierbare Entwicklungen beruhen. Drei unabhängige Experten haben im Rahmen eines externen Reviews die Plausibilität der Annahmen und die Konsistenz der Methodik der vorliegenden Stellungnahme geprüft. Ihnen gilt unser herzlicher Dank für ihre konstruktiven und kritischen Anmerkungen. Die alleinige Verantwor- tung für die vorliegende Stellungnahme liegt beim Sachverständigenrat für Umweltfragen. 5
  • 7. politischer Diskussionen ist jedoch die Frage, wie und in 1 Einleitung welchem Zeithorizont der Übergang in ein regeneratives 1. In den nächsten Jahren stehen in Deutschland Zeitalter gestaltet werden kann, und welche Rolle Kern- wesentliche Entscheidungen über die zukünftige Struktur und Kohlekraftwerke (ggf. mit CCS) als „Brückentech- der Elektrizitätserzeugung an. Ein großer Teil der beste- nologien“ im Prozess des Übergangs spielen sollen. henden Erzeugungskapazitäten muss im Verlauf der Die Bundesregierung entwickelt zurzeit ein Energie- kommenden zwei Jahrzehnte ersetzt werden, da sich bis konzept, das die Grundlage für ihre zukünftige Energie- dahin viele Kraftwerke am Ende ihrer ökonomisch- politik sein wird. Damit die Weichen heute richtig gestellt technischen Betriebsdauer befinden werden. Die Investi- werden können, ist eine solide Informationsgrundlage zur tionsentscheidungen der nächsten Jahre werden die Einschätzung der Möglichkeiten und Herausforderungen Struktur, aber auch die Emissionen des Stromsektors für eines Übergangs zu einer regenerativen Stromversorgung Jahrzehnte prägen (SRU 2009b). Hierdurch entsteht die notwendig. Hierfür müssen aus Sicht des Sachverständi- Chance, vergleichsweise kostengünstig einen weit- genrats für Umweltfragen (SRU) folgende Fragen beant- reichenden Strukturwandel in Gang zu setzen. wortet werden: Die Klimawissenschaft geht davon aus, dass Industrie- – Ist eine Vollversorgung durch erneuerbare Energien länder wie Deutschland ihre Emissionen bis 2050 um 80 im Strombereich für Deutschland technisch möglich? bis 95 % reduzieren müssen, wenn ein gefährlicher Könnte ein solches System die Versorgungssicherheit Klimawandel verhindert werden soll (IPCC 2007). Der auf dem heutigen hohen Niveau gewährleisten? Europäische Rat hat diesem Ziel im Oktober 2009 poli- tische Rückendeckung verliehen (Rat der Europäischen – Wie hoch müssen die Kosten einer regenerativen Voll- Union 2009). In Deutschland stützen sich anspruchsvolle versorgung und des Übergangs dorthin eingeschätzt politische Klimaziele auf einen breiten und partei- werden? übergreifenden gesellschaftlichen Rückhalt. Die Bundes- – In welchem zeitlichen Rahmen ist der Umstieg realis- regierung hat das nationale Ziel bestätigt, die Treibhaus- tisch umsetzbar und welche Schritte sind dafür not- gasemissionen bis zum Jahr 2020 um 40 % gegenüber wendig? Was sollten die Prioritäten für die aktuelle 1990 zu reduzieren, und auch die Notwendigkeit einer Politik sein? weiteren Reduktion der Treibhausgase um mindestens 80 % bis 2050 anerkannt (CDU et al. 2009). – Welche politischen Maßnahmen und Steuerungs- instrumente könnten eingesetzt werden, um die Trans- Die Stromversorgung ist ein Schlüsselbereich der deut- formation effektiv und effizient zu gestalten? schen Energie- und Klimapolitik, da sie einerseits in ihrer aktuellen Form für etwa 40 % der gesamten deutschen Der SRU erarbeitet derzeit ein Sondergutachten zur CO2-Emissionen verantwortlich ist (UBA 2010), sich aber Zukunft der Stromversorgung in Deutschland mit Blick andererseits die Rahmenbedingungen und Handlungs- auf das Jahr 2050, das die Möglichkeit eines Übergangs möglichkeiten zur Emissionsminderung im Strombereich zu einer vollständig regenerativen, nachhaltigen Strom- vergleichsweise günstig darstellen. Deshalb wird es auch versorgung unter technisch-ökonomischen Gesichts- bei einem Minderungsziel für Treibhausgase von nur punkten aufzeigen und Ansatzpunkte für die politische 80 % bis 2050 notwendig sein, die Stromversorgung voll- Instrumentierung diskutieren wird. Erste Ergebnisse des ständig zu dekarbonisieren. Gutachtens, die insbesondere für die ersten drei der oben genannten Fragen relevant sind, werden in der vorliegen- Langfristig kann eine dauerhaft nachhaltige, klimafreund- den Stellungnahme vorab veröffentlicht, um sie für die liche Stromversorgung nur auf der Basis erneuerbarer Diskussionen um das Energiekonzept der Bundes- Energien sichergestellt werden. Andere CO2-arme Tech- regierung verfügbar zu machen. nologien, wie die Kernenergie oder die CO2-Abscheidung und Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS), Die vorliegende Stellungnahme möchte somit dazu bei- müssen als langfristig nicht-nachhaltig bewertet werden. tragen, eine vollständig erneuerbare Stromversorgung bis Gründe hierfür sind etwa die begrenzten Speicherkapazi- 2050 als Option konkret vorstellbar zu machen. Diese täten für CO2 und die Konflikte zwischen CCS und ande- These wird auch gestützt durch eine Reihe aktueller ren Nutzungen unterirdischer Räume, die nach wie vor Studien, die belegen, dass ein Strukturwandel hin zu einer ungelöste Entsorgung der radioaktiven Abfälle, die weitgehend oder vollständig auf erneuerbaren Quellen Begrenztheit der weltweiten Uranvorkommen sowie wei- beruhenden Stromerzeugung in Deutschland und Europa tere mit diesen Technologien verbundene Kosten und möglich ist (PwC et al. 2010; ECF et al. 2010; EREC Risiken (z. B. SRU 2009a; 2000). 2010; UBA 2009; Öko-Institut und Prognos AG 2009; NITSCH und WENZEL 2009; FOE und SEI 2009). Die Das Ziel einer Energieversorgung, die überwiegend auf Arbeiten des SRU stützen sich auf verschiedene erneuerbaren Energieträgern basiert, wird in Deutschland Szenarien einer vollständig regenerativen von einer breiten Mehrheit geteilt und ist auch Ziel der Stromversorgung, die vom Deutschen Zentrum für Luft- Regierungskoalition (CDU et al. 2009). Es ist zugleich und Raumfahrt im Auftrag des SRU gerechnet wurden eine Chance für nachhaltige Innovation, die den Standort (Kapitel 2). Deutschland auch in diesem Bereich zukunftsfähig machen kann. Heftig umstrittener Gegenstand aktueller 6
  • 8. Die folgenden Erläuterungen sollen dem besseren der erneuerbaren Energien. Tatsächlich könnte sich Verständnis des vorliegenden Textes dienen: die stärkere technische Vernetzung der europäischen Stromverbundsysteme auf die erneuerbaren Energien – Randbedingung vollständig erneuerbare Strom- jedoch unterschiedlich auswirken: sie kann nicht nur versorgung. Alle SRU-Szenarien gehen von der Prä- zur Versorgungssicherheit und günstigeren Herstel- misse einer vollständig regenerativen Stromerzeugung lung erneuerbar produzierten Stroms beitragen, son- im Jahr 2050 aus, realisieren diese aber unter ver- dern auch zur Stabilisierung hoher Anteile von Strom schiedenen Rahmenbedingungen bezüglich der aus Kern- und Kohlekraftwerken führen. Welche Vernetzung mit dem Ausland und der zu deckenden Optionen bestehen, diese Ambivalenz zugunsten des Stromnachfrage. Dadurch soll illustriert werden, dass weiteren Ausbaus der erneuerbaren Energien in der eine regenerative Vollversorgung in unterschiedlichen Europäischen Union (EU) aufzulösen, wird ausführ- Varianten möglich ist. Andere mögliche energiepoli- lich auch unter rechtlichen Gesichtspunkten im tische Strategien, die auch im Jahr 2050 noch Anteile Sondergutachten diskutiert. von Stromerzeugung aus fossiler oder Kernenergie zulassen, sind in den SRU-Szenarien nicht berück- – Sektorale Abgrenzung: Schwerpunkt Stromversor- sichtigt. Zum Vergleich können hier aktuelle Studien gung. Die aktuellen Arbeiten des SRU konzentrieren (z. B. ECF et al. 2010) oder die Szenarien der Bundes- sich auf den Bereich der Stromversorgung, weil hier regierung für das Energiekonzept herangezogen der aktuell größte Entscheidungsbedarf besteht und werden. langfristig die weitere Elektrifizierung anderer Sekto- ren (Wärmebereitstellung und Mobilität) möglicher- – Pfadentscheidung. Der Ausbau der erneuerbaren weise zum Klimaschutz beitragen kann. Der SRU hat Energien wird nach Einschätzung des SRU mittel- deshalb bewusst Szenarien mit hohem Strombedarf fristig in Konflikt mit konventionellen Kraftwerken einbezogen, um der Möglichkeit einer umfangreichen geraten (SRU 2009b) (s. a. Kap. 4.5). Eine deutliche Elektrifizierung anderer Sektoren Rechnung zu tragen. Verlängerung der Laufzeiten von Kernkraftwerken sowie der Neubau von Kohlekraftwerken über die der- – Regionale Stromverbünde: Beispiele aus einer Viel- zeit im Bau befindlichen Projekte hinaus sind aus zahl möglicher Lösungen. Die in Kapitel 3 vorgestell- Sicht des SRU nicht mit dem hier vorgeschlagenen ten Szenarien zeigen beispielhaft, wie Deutschland im Ausbau der erneuerbaren Energien vereinbar. Verbund mit Nachbarländern seinen Strombedarf vollständig auf der Basis erneuerbarer Energien – Politische Umsetzung und Instrumentierung: Gegen- decken könnte. Dabei werden ein relativ kleiner regi- stand des Sondergutachtens. Die politische Umset- onaler Verbund (Deutschland, Dänemark und Nor- zung, also die Frage, welche ökonomischen Anreize wegen) sowie ein großer europäisch-nordafrikanischer gesetzt werden müssten und welche rechtlichen Steue- Verbund dargestellt. Diese beiden Szenariofamilien rungsinstrumente notwendig wären, um die Transfor- (Details s. Kap. 2) stehen dabei beispielhaft für eine mation des Stromversorgungssystems umzusetzen, ist Reihe anderer möglicher Lösungen. Die kleine Ver- nicht Gegenstand dieser Stellungnahme. Diese Frage- bundlösung mit Norwegen und Dänemark wurde ge- stellungen werden aber in dem oben angesprochenen wählt, weil die großen norwegischen Wasserkraft- und Sondergutachten zur Zukunft der Stromversorgung Pumpspeicherpotenziale gute Möglichkeiten für den ausführlich diskutiert werden, welches voraussichtlich Ausgleich fluktuierender Stromeinspeisung aus erneu- im Herbst 2010 erscheinen wird. erbaren Energien bieten. Aktuelle Entwicklungen zei- – Europäische und nationale Perspektive. Deutsche gen, dass eine engere Energiekooperation mit Nor- Energiepolitik muss sich im europäischen Kontext und wegen bereits absehbar ist: ein schweizerisch-norwe- innerhalb der Rahmenbedingungen des sich ent- gisches Konsortium plant derzeit den Bau eines neuen wickelnden Energiebinnenmarktes bewegen. Für die Kabels von Norwegens Küste in die Wesermarsch technisch-ökonomischen SRU-Szenarien wurde den- („NorGer“-Projekt); die Nordsee-Anrainer wollen mit noch bewusst eine nationale Perspektive gewählt, mit der Nordsee-Offshore-Initiative (Seatec) die Offshore- restriktiven Randbedingungen in Bezug auf den Windkraftanlagen besser vernetzen und die Voraus- grenzüberschreitenden Austausch von Strom. Diese setzungen für die Integration erneuerbaren Stroms in Vorgaben wurden gewählt, um zu zeigen, dass der die Netze verbessern. Potenziale für Pumpspeicherung größte Teil des deutschen Strombedarfs mit den in existieren aber beispielsweise auch in Schweden oder Deutschland vorhandenen Potenzialen erneuerbarer in den Alpenländern. Andere Ausprägungen eines re- Energien gedeckt werden könnte, die vollständige gionalen Stromverbundes bzw. die Einbeziehung Umstellung auf erneuerbare Energien also selbst unter zusätzlicher Länder sind deshalb selbstverständlich der sehr restriktiven Annahme einer weitgehenden ebenfalls denkbar. Welche Entwicklung tatsächlich Selbstversorgung möglich wäre. Diese Rand- eintreten wird, hängt nicht nur von technischen, son- bedingungen sollten jedoch nicht als Aufforderung zur dern auch von politischen Gesichtspunkten ab. Regio- Abkehr von einer Europäischen Energiepolitik und nale Stromverbünde müssen selbstverständlich euro- den Zielen des Elektrizitätsbinnenmarktes miss- parechtskonform ausgestaltet werden. verstanden werden. Der SRU befürwortet grundsätz- Die Methodik der SRU-Szenarien einschließlich wichti- lich ein gesamteuropäisches Konzept für den Ausbau ger Annahmen zu den Potenzialen erneuerbarer Energien 7
  • 9. und ihren Kosten werden in Kapitel 2 vorgestellt. Dort In der energiepolitischen Diskussion werden werden ebenso der Aufbau der Szenarien sowie die unterschiedliche Formen von Szenarien entwickelt und Grundzüge des verwendeten Modells erläutert. Kapitel 3 genutzt, die entsprechend ihrem jeweiligen präsentiert verschiedene Möglichkeiten einer vollständig Erkenntnisinteresse ausgestaltet sind. Ein Szenario ist die regenerativen Stromversorgung für Deutschland im Jahr Beschreibung einer möglichen Zukunft, die durch 2050 und stellt die Ergebnisse der Berechnungen in Form unterschiedliche Annahmen und Rahmenbedingungen von Grafiken und Tabellen vor. Kapitel 4 zeigt, wie der charakterisiert ist. Studien nutzen häufig explizit den zeitliche Verlauf der Transformation des Strom- Vergleich mehrerer Szenarien, um relevante Einflüsse zu versorgungssystems bis 2050 aussehen könnte, und gibt identifizieren oder Gestaltungsspielräume deutlich zu eine Einschätzung zur Entwicklung der Kosten erneuer- machen. Szenarien unterscheiden sich somit grundsätzlich barer Stromerzeugung in diesem Zeitraum. Kapitel 5 fasst von Prognosen, deren Ziel es ist, zukünftige die Ergebnisse zusammen und formuliert Schlussfolge- Entwicklungen möglichst genau vorherzusagen. rungen und Empfehlungen. Beim Vergleich verschiedener Szenariostudien sollte berücksichtigt werden, dass aufgrund der Unterschiede in 2 Methodik Erkenntnisinteresse und Methodik die Ergebnisse und Schlussfolgerungen stark variieren können. Szenarien 2.1 Einführung können politische Wert- und Zielentscheidungen nicht ersetzen, sie können lediglich die Voraussetzungen für 2. Die folgenden Kapitel präsentieren verschiedene bestimmte Entwicklungen identifizieren bzw. die Folgen Szenarien, die deutlich machen, wie eine vollständig bestimmter Einflüsse transparenter machen. regenerative Stromversorgung in Deutschland aussehen und wie der Weg dorthin schrittweise gestaltet werden könnte. Szenar ien : Beg r iff e und Methoden Im Folgenden wird der Potenzialbegriff für die maximal generierbare Energiemenge der verschiedenen Erzeugungs- technologien innerhalb einer Region und während eines vorgegebenen Zeitraumes (hier: ein Jahr) verwendet. Für seine Abschätzung werden natürliche, technische und wirtschaftliche Parameter berücksichtigt, beispielsweise die Art der Flächennutzung, Wetterdaten und Kostengrößen. Es wird unterschieden zwischen verschiedenen Arten an Potenzialen. Das physikalische Potenzial ist eine theoretische Größe, die das gesamte natürliche Energieangebot umfasst und über die Zeit nahezu konstant bleibt. Der davon technisch nutzbare Teil wird als technisches Potenzial bezeichnet. Durch Technologieverbesserungen (Effizienzsteigerungen) lässt sich das technische Potenzial einer Technologie steigern. Unter Berücksichtigung der für die Erschließung eines technischen Potenzials anfallenden Kosten spricht man vom wirtschaftlichen (ökonomischen) Potenzial. Das ökonomische Potenzial stellt eine Momentaufnahme dar. Es verändert sich mit den ökonomischen Randbedingungen (z. B. Ölpreis) im Zeitverlauf zum Teil erheblich. Szenariostudien nutzen häufig Computermodelle, die die wesentlichen Strukturen und Wechselwirkungen der kom- plexen realen Welt mathematisch abzubilden versuchen. Mithilfe computergestützter numerischer Verfahren können solche Modelle ausgewertet und die Ergebnisse visualisiert werden. Diejenigen Größen, die sich im Verlauf einer Mo- dellrechnung (Computersimulation) durch äußere Einflüsse verändern, werden als Variablen bezeichnet. Feste Para- meter oder Konstanten charakterisieren bestimmte Beziehungen und verändern sich im Lauf der Computersimulation nicht. Indem mehrere Modelldurchläufe gerechnet werden, für die jeweils unterschiedliche Ausgangsbedingungen oder Parameterwerte vorgegeben werden, können auf der Grundlage eines Computermodells verschiedene Szenarien berechnet werden. Es werden verschiedene Ansätze zur Ableitung von Szenarien unterschieden. Der Sachverständigenrat für Umwelt- fragen (SRU) verwendet in der vorliegenden Stellungnahme sogenannte Zielszenarien. Ein Zielszenario geht von ei- nem vorgegebenen Ziel aus, in diesem Fall von dem einer vollständig regenerativen Stromversorgung für Deutschland. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen dann, wie und zu welchen Bedingungen dieses Ziel erreicht werden kann. Im Gegensatz dazu können Szenarien auch dazu verwendet werden, die Auswirkungen unterschiedlicher Rahmen- bedingungen (z. B. energiepolitischer Maßnahmen) auf die Entwicklung bestimmter Variablen im Vergleich zu einem Referenzfall zu untersuchen (explorative Szenarien). Explorative Szenarien für den Strombereich könnten somit zum Beispiel im Rahmen einer Politikanalyse die Frage stellen: Wohin entwickelt sich das System, wenn bestimmte Ereig- nisse eintreten oder sich bestimmte Rahmenbedingungen ändern? Je stärker solche Szenarien von den aktuellen Strukturen und vergangenen Entwicklungspfaden ausgehen und diese in die Zukunft extrapolieren, desto eher neigen sie dazu, Veränderungspotenziale zu unterschätzen. Im Gegensatz dazu steht hinter den Zielszenarien des SRU die Frage: Kann das System einen bestimmten Zielzustand erreichen, und wenn ja, wie? Welche Rahmenbedingungen müssen sich ändern, damit das Ziel erreicht wird? 8
  • 10. Die im Folgenden vorgestellten Szenarien stellen jeweils ches System unter den heute als plausibel erscheinenden einen möglichen zukünftigen Zustand des Elektrizitäts- Annahmen bezüglich der Technologie- und Kosten- versorgungssystems auf der Basis einer vorgegebenen entwicklung aussehen könnte. Elektrizitätsnachfrage für das Jahr 2050 dar (Kap. 3). Sie zeigen auf diese Weise, 2.2 Das Modell REMix – dass eine vollständig regenerative Stromversorgung in des Deutschen Zentrums für Luft- Deutschland allein oder im Verbund mit europäischen und Raumfahrt Nachbarländern und nordafrikanischen Staaten auf der Basis der nutzbaren Potenziale möglich ist und dass 3. Verschiedene Szenarien einer vollständig regene- dieses System zu jeder Stunde des Jahres volle Ver- rativen Stromversorgung wurden vom Institut für Tech- sorgungssicherheit gewährleisten kann; nische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart (DLR) mit dem Energiemodell – welche Komponenten ein solches System in welcher REMix für den SRU berechnet. Das DLR verfügt über Zusammensetzung enthalten würde, wenn die Kosten langjährige Erfahrung in der Forschung zur Technik- und im Zieljahr optimiert werden (und aus heutiger Sicht Kostenentwicklung regenerativer Energiequellen und ist plausible Kostenentwicklungen eintreten), auf dieser Basis regelmäßig an Studien über zukünftige – in welcher Größenordnung die Kosten eines solchen Energieversorgungsstrukturen in Deutschland beteiligt Systems wahrscheinlich liegen würden und gewesen (u. a. NITSCH 2008; NITSCH und WENZEL 2009). Auch wenn das Modell REMix wohl als das zur- – wie die Zusammensetzung der Komponenten und die zeit beste deutsche Modell zur Berechnung optimierter Kosten des Systems abhängig von der Ausgestaltung Elektrizitätsversorgungsszenarien auf Stundenbasis für wichtiger Rahmenbedingungen variieren würden. Deutschland und Europa angesehen werden kann, so muss Abgeleitet wird daraus in einem zweiten Schritt, wie die doch betont werden, dass die vorgelegten Ergebnisse von vorhandenen Stromerzeugungs-, Übertragungs- und einer Vielzahl von Annahmen abhängen. Nach Einschät- Speicherkapazitäten sich über die Zeit entwickeln müss- zung des SRU sind alle getroffenen Annahmen plausibel ten, um den beschriebenen Zielzustand im Jahr 2050 zu und stellen eine angemessene Abbildung des besten ver- erreichen. Es wird ausgehend vom bestehenden Kraft- fügbaren Wissens dar, auch wenn zum Beispiel bei der werkpark exemplarisch dargestellt, wie die konventio- Einschätzung zukünftiger Preis- und Kostenentwick- nellen Erzeugungskapazitäten schrittweise durch erneuer- lungen für konventionelle Energieträger und Technolo- bare Energien ersetzt werden könnten (Kap. 4). Hierbei gien zur Nutzung regenerativer Energiequellen über einen wird bewusst auf eine Optimierung des Erzeugungsmixes Zeitraum von vierzig Jahren nicht unerhebliche Unsicher- für jedes einzelne Jahr verzichtet, da die genaue Ent- heiten bestehen. wicklung der Kosten regenerativer und konventioneller Im Folgenden wird das Modell in seinen Grundzügen Elektrizitätserzeugungsoptionen im Zeitverlauf großen vorgestellt. Weitere Details zum Modell REMix und den Unsicherheiten unterliegt und Optimierungsergebnisse getroffenen Annahmen werden in einem gesonderten bereits durch geringe Veränderungen der relativen Kosten Materialband (DLR 2010) veröffentlicht. zu stark veränderten Ergebnissen führen können. Das REMix-Modell analysiert in einem ersten Schritt die Die Szenarien der vorliegenden Stellungnahme sind so- Potenziale erneuerbarer Energieträger und berechnet an- mit, wie Szenarien im Allgemeinen, nicht im Sinne einer schließend auf dieser Grundlage einen für die vorgegebe- Prognose von Entwicklungen zu lesen, die mit einer be- nen Rahmenbedingungen optimierten (kostenminimalen) stimmten Wahrscheinlichkeit eintreten werden. Die voll- Mix von Energieträgern. ständige Umstellung der Elektrizitätsversorgung auf er- neuerbare Energiequellen ist im Gegenteil als eine mög- Die Potenzialanalyse beruht auf einer detaillierten Daten- liche (und aus Sicht des SRU erstrebenswerte) Entwick- basis in Form eines geographischen Informationssystems lung zu sehen, zu deren Verwirklichung es politischer (GIS), das die Stromerzeugungspotenziale erneuerbarer Gestaltung, gezielter Maßnahmen, sorgfältiger Planung Energieträger in Deutschland, Europa und Nordafrika in und erheblicher Anstrengungen bedarf. einer hohen Auflösung (Rasterzellen von 10 km x 10 km) erfasst (Abb. 2-1). Die Szenarien zeigen, dass diese Umstellung möglich ist, und geben bestimmte Anhaltspunkte dafür, wie ein sol- 9
  • 11. Abb ildung 2-1 D ie in das Mod e ll R EM ix e in be zog en en Länd e r area Land area Nr. Land (Region) Abkürzung coverage Nr. (Region) Abkürzung coverage 1 Albanien 17 Slovakei SK 1 1 Serbien AL_CS_MK 1 18 Luxemburg LU 1 1 Makedonien 19 Malta MT 1 2 Bosnien 20 Niederlande NL 1 2 Kroatien BA_HR_SI 1 21 Norwegen NO 1 2 Slovenien 22 Polen PL 1 3 Österreich AT 1 23 Portugal PT 1 4 Belgien BE 1 24 Rumänien RO 1 5 Bulgarien BG 1 25 Spanien ES 1 6 Zypern CY 1 26 Schweden SE 1 Tschechische Schweiz 7 CZ 1 27 Republik CH_LI 1 8 Dänemark DK 1 27 Liechtenstein 9 Irland IE 28 Türkei1 TR 0,80 10 Estland 29 Großbritannien UK 1 10 Litauen EE_LT_LV 1 30 Ukraine U_MD 1 10 Lettland 30 Moldawien 11 Finnland FI 1 31 Weißrussland BY 1 12 Frankreich FR 1 32 Algerien1 DZ 0,31 13 Deutschland DE 1 33 Marokko1 MA 0,73 14 Griechenland GR 1 34 Tunesien1 TN 0,99 15 Ungarn HU 1 35 Libyen1 LY 0,18 16 Italien IT 1 36 Ägypten1 EG 0,13 1 Dieses Land/diese Region liegt teilweise außerhalb des Untersuchungsgebietes; „area coverage“ gibt den Anteil der Landfläche der Region an, der im Untersuchungsgebiet liegt. SRU/Stellungnahme Nr. 15–2010/Abb. 2-1; Datenquelle: DLR 2010, S. 2–3 10
  • 12. Für Deutschland berücksichtigt das Modell zehn ner konservativen Potenzialabschätzung. Die Flächen- verschiedene Möglichkeiten der Nutzung regenerativer nutzungsgrade wurden so festgelegt, dass die Potenziale Energiequellen zur Stromerzeugung: auch im Fall einer Flächenkonkurrenz kumuliert (also nicht von verschiedenen Nutzungen doppelt belegt) wer- – Photovoltaische Solarenergienutzung (PV) den können (Tab. 2-1). Die Brachflächen der Wüste zum – Windenergienutzung an Land (onshore) Beispiel können sowohl für CSP, Windenergieanlagen oder Photovoltaikanlagen genutzt werden. Jeder dieser – Windenergienutzung im Bereich der deutschen Nord- Technologien wird vom Modell 33 % der verfügbaren und Ostsee (offshore) Fläche als maximal nutzbare Fläche zugeordnet. – gasförmige Biomasse (mit und ohne Kraft-Wärme- Die Nutzungsgrade legen das maximale Potenzial für die Kopplung (KWK)) jeweiligen Flächen fest. Wie viel davon in den jeweiligen – feste Biomasse (mit und ohne KWK) Szenarien ausgeschöpft wird, ergibt sich erst aus der Modellberechnung. – geothermische Stromerzeugung (mit und ohne KWK) Auf der Grundlage von Annahmen zu den Kosten der ver- – Laufwasserkraftwerke schiedenen Technologien wird mithilfe des Modells – Speicherwasserkraftwerke berechnet, welche Anteile diese Technologien am Erzeu- gungsmix haben würden und welche Übertragungs- und – Pumpspeicherkraftwerke Speicherkapazitäten installiert werden müssten. Die – Druckluftspeicher Stromgestehungskosten für die verschiedenen Technolo- gien werden aus der installierbaren Leistung und dem Des Weiteren berücksichtigt das Modell das Potenzial der Stromerzeugungspotenzial in Verbindung mit spezifi- solarthermischen Stromerzeugung (Concentrated Solar schen Investitionskosten, fixen und variablen Betriebs- Power, CSP), das jedoch nur in Ländern mit deutlich kosten und der Lebensdauer der Referenzkraftwerke höherem solaren Strahlungsangebot, beispielsweise in berechnet. Um die zukünftige Entwicklung der Kosten Nordafrika, vorhanden ist und deshalb nur bei den abzuschätzen, werden heutige Kosten mithilfe von Lern- Berechnungen für Szenarien mit Einbeziehung kurven in die Zukunft projiziert. Die Annahmen des DLR südeuropäischer und nordafrikanischer Länder einbezo- zum zeitlichen Verlauf der spezifischen Strom- gen wird. gestehungskosten wurden auf der Basis von NITSCH Für fluktuierende Energiequellen wie Wind- und Solar- et al. (2004) und KREWITT et al. (2005) entwickelt und energie liegen die Potenzialdaten im Modell in stünd- seither unter Berücksichtigung neuer Erkenntnisse lau- licher Auflösung vor (DLR 2010). fend aktualisiert. Sie sind vergleichbar mit Kostenannah- men der Leitstudie 2009 des Bundesministeriums für Grundlage der Potenzialanalyse sind Landbedeckungs- Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) typen für die jeweiligen Flächen, die als Karte im GIS (NITSCH und WENZEL 2009). Die Berechnungen basie- vorliegen. Es werden bestimmte Annahmen darüber ge- ren auf einem angenommenen Zinssatz von 6 %. Die troffen, welche Flächen sich für die Nutzung einer Tech- unterstellten Kostenentwicklungen sind für die verschie- nologie eignen und welcher Anteil dieser Fläche für diese denen Technologien in Abbildung 2-2 wiedergegeben. Sie Nutzung unter Berücksichtigung wesentlicher Einschrän- beruhen auf sogenannten Lernraten, die besagen, dass bei kungen bei der Flächennutzung – zum Beispiel durch einer Verdopplung der Produktion einer bestimmten Siedlungsflächen, ökologische Belange oder konkurrie- Technologie (z. B. Zahl der produzierten Windenergie- rende Landnutzungen – zur Verfügung steht. anlagen pro Jahr) mit einer Kostenreduktion um x % zu Tabelle 2-1 fasst die zugrunde liegenden Daten und An- rechnen ist. Entsprechende Kostenverläufe lassen sich für nahmen sowie die jeweils von einer energetischen Nut- viele Technologien beobachten. Sie basieren im Wesent- zung ausgenommenen Flächen für die verschiedenen lichen auf Verbesserungen der Technologie selbst (z. B. Energieträger zusammen. Das Vorliegen bestimmter erhöhter Wirkungsgrad einer Anlage, verringerter Mate- ökologischer oder technischer Randbedingungen schließt rialeinsatz) und auf Kostensenkungen durch erhöhte Pro- Flächen für die Nutzung durch eine bestimmte Energie- duktionszahlen (Skaleneffekte). Die Existenz entspre- technologie aus. So sind beispielsweise Naturschutz- chender Effekte ist wissenschaftlich unstrittig, allerdings gebiete grundsätzlich von der Nutzung ausgenommen, gehen die Expertenmeinungen in Bezug auf zukünftige und die Sonnenenergie (PV und CSP) kann nur auf Flä- Kostensenkungspotenziale („Wie groß ist x?“) häufig chen mit geringer Steigung genutzt werden. Auf anderen auseinander. Bei Berechnungen, die vierzig Jahre in die Flächen gibt es konkurrierende Nutzungsarten, die räum- Zukunft reichen, sind die vom DLR angenommen lich nicht eindeutig abgegrenzt werden können. Für jede Kostensenkungsmöglichkeiten mit nicht unerheblichen Technologie wird deshalb für jede Fläche, auf der sie Unsicherheiten belastet. In der Regel sind technisch ba- prinzipiell nutzbar ist, ein maximaler Flächennutzungs- sierte Kostensenkungspotenziale aber mit geringeren Un- grad festgelegt. Diese Festlegung orientiert sich an den sicherheiten abzuschätzen als die Preisentwicklung für Öl, Nachhaltigkeitskriterien aus BMU (2004) und Kohle oder Erdgas über einen ähnlich langen Zeitraum. QUASCHNING (2000) und resultiert in der Regel in ei- 11
  • 13. T ab e lle 2-1 Vo m Mod e ll R EM ix des D LR erfas st e F läc hen un d Poten zia le reg en e rat ive r En e rg ie qu e lle n in Deuts ch lan d, Euro pa und Nordaf rika Nutzungsgrad Grundfläche Ressourcendaten Ausschlussflächen der Anmerkungen Verteilparameter Grundfläche Dächer: Global-Horizontal- 0,775 %, Solarenergie: PV Einstrahlung, Fassaden: Ausrichtungs-verteilung in Siedlungsgebiete3, 4 Direkt-Normal- 0,48 %, in Anlehnung an1 Siedlungsgebieten Einstrahlung2 andere: 1,17 %1 Landwirtschaftliche 0,03 %1 Global-Horizontal-Ein- 5 Fläche3, 4 Solarenergie: PV Schutzgebiete , Ausrichtung nach Süden, strahlung, Direkt- Grünland3, 4 0,03 %1 auf Freiflächen Steigung > 2,1 % keine Nachführung Normal-Einstrahlung2 Brach- und spärlich 33 % (NA)/ bewachsene Flächen3, 4 0,03 % (EU) Ausrichtung in Nord- 5 Süd-Richtung, Direkt-Normal-Ein- Schutzgebiete , Brach- und spärlich Solarenergie: CSP 33 % Nachführung in Ost- strahlung2 Steigung > 2,1 % bewachsene Flächen3, 4 West-Richtung, DNI > 1.800 kWh/(m2*a) Brach- und spärlich 33 % bewachsene Flächen3, 4 Grünland3, 4 3% Strauchland3, 4 3% Windgeschwindigkeit in Wind onshore Schutzgebiete5 Mosaik (Gras, 116 m Höhe6 3% Sträucher, Bäume)3, 4 Landwirtschaftliche 3% Fläche3, 4 Wald3, 4 0% Ges. ausschließl. Windgeschwindigkeit in Wirtschaftszone, 5 km Wind offshore Schutzgebiete5 16 % 116 m Höhe6 Abstand von der Küste, Tiefe < 300 m 100 %, ab- Geothermie nur Temperaturen in 2, 3, 4, züglich Geo.- Schutzgebiete5 Alle Flächen Stromerzeugung 5 km Tiefe7, 8 KWK- Potenzial Durch abs. Wärmebedarfskarte Temperaturen in 2, 3, 4, Wärmebedarfsdichte > 0 Geothermie KWK Schutzgebiete5 Wärmebedarf Europa, eigene Ent- 5 km Tiefe7, 8 4 GWh/km 2 begrenzt wicklung Installierte Leistung9, Installierte Leistung9, Laufwasser- jährliches Stromerzeu- Theoretisches 100 % Top-Down-Ansatz kraftwerke gungspotenzial, Voll- Wasserkraftpotenzial11 laststunden10 Installierte Leistung9 , Speicherwasser- jährliches Stromerzeu- Installierte Leistung9 100 % Top-Down-Ansatz kraftwerke gungspotenzial, Voll- laststunden10 Wald, landwirtschaft- Schutzgebiete5, Nationale Biomasse- liche Fläche, Grünland, Biomasse Steigung Top-Down-Ansatz potenziale12, 13, 14 Siedlungsgebiete3, 4; > 60 % Bevölkerungsdichte15 1 Quaschning, V., Systemtechnik einer umweltverträglichen Elektrizitätsversorgung in Deutschland für das 21. Jahrhundert. 2000, Düsseldorf: VDI Verlag GmbH. 0-188. 2 DLR, Direct Normal Irradiance and Global Horizontal Irradiance. 2007, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt. 3 EEA, Corine Land Cover 2000, E.E. Agency, Editor. 2005. 4 JRC, Global Land Cover 2000. 2003, European Commission, Joint Research Center. 5 WDPA, World Database on Protected Areas, http://www.wdpa.org/ 2006. 6 DWD, Windgeschwindigkeiten und Bodenrauhigkeit aus dem Lokalmodell Europa, D. Wetterdienst, Editor. 2007, Deutscher Wetterdienst: Offenbach. 12
  • 14. 7 Hurter, S.H., R. , Atlas of Geothermal Resources in Europe. 2002, Office for Official Publications of the European Communities: Luxemburg. 8 Hurtig, E., Cermak, V., Haenel, R.; Zui, V., Geothermal Atlas of Europe. 1992, Hermann Haak Verlagsgesellschaft mbH, Geographisch-Kartographische Anstalt: Gotha. 9 PLATTS, PowerVision, datacut hydropower Europe. 2008, PLATTS (McGraw-Hill Companies): London. 10 WEC, 2007 Survey of Energy Resources, in Survey of Energy Resources, W.E. Council, Editor. 2007, World Energy Council: London. 11 Lehner, B.C., G.; Vassolo, S., Europe's Hydropower Potential Today and in the Future. EuroWasser. 12 IE, Nachhaltige Biomassenutzungsstrategien im europäischen Kontext – Analyse im Spannungsfeld nationaler Vorgaben und der Konkurrenz zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Bioenergieträgern, N.u.R.-c. Bundesministerium für Umwelt, BMU (Herausgeber), Editor. 2005, Institut für Energetik und Umwelt. 13 EUROSTAT, epp.eurostat.ec.europa.eu. 14 FAOSTAT, faostat.fao.org. 15 Dobson, J.E., E. A. Bright, P. R. Coleman, R.C. Durfree; B. A. Worley, LandScan: A Global Population Database for Estimating Populations at Risk. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 2000. Vol. 66(No. 7): p. 849-857. Quelle: DLR 2010, S. 6 Abb ildung 2-2 Ang eno mme n e Ko st ene nt wick lu ng en f ür d ie v er sc h ie den en Te chnolog ien zu r Nu t zung reg enerat iver Energ iequellen bis 2050 Annahmen z u s pez ifis c hen reg enerativen S tromg es tehung s kos ten  0,50 P hotovoltaik 0,45 B iomas s e ges amt Wind O ffs hore 0,40 Wind O ns hore 0,35 Was s erkraft ges amt G eothermie 0,30 € /kWh 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 J ahr SRU/Stellungnahme Nr. 15–2010/Abb. 2-2; Datenquelle: DLR 2010, S. 41 ff. Änderungen in den Kosten der Technologien zur Nutzung vom DLR getroffenen Annahmen erscheinen dem SRU regenerativer Energiequellen und den Kosten im Lichte anderer Studien mit ähnlichen Zeithorizonten konventioneller Energieträger können den vom Modell angemessen und nicht übermäßig optimistisch zu sein, berechneten Anteil der jeweiligen Technologien sowie die insbesondere vor dem Hintergrund der (noch nicht Gesamtkosten des Systems wesentlich beeinflussen. Die veröffentlichten) Zwischenergebnisse des IPCC- 13
  • 15. Sonderberichts (IPCC – Intergovernmental Panel on Das Modell berechnet die Gesamtkosten des Systems Climate Change), zur möglichen Rolle regenerativer sowie die durchschnittlichen Kosten pro Kilowattstunde Energiequellen bei der Bekämpfung des Klimawandels, für jedes Szenario. Dabei werden die jeweils notwendigen der alle wichtigen international verfügbaren Studien über Übertragungskapazitäten zwischen den Ländern berech- die mögliche Kostenentwicklung der wichtigsten net und in die resultierenden Gesamtkosten einbezogen. Technologien zur Nutzung regenerativer Energiequellen Anders verhält es sich in Bezug auf die zusätzlichen würdigt. Für die Windenergie finden sich in der Literatur Kosten der Übertragung durch einen Netzausbau inner- Lernraten zwischen 4 und 32 %. LEMMING et al. (2009, halb eines Landes. Die nutzbaren Potenziale erneuerbarer S. 35) zitieren NEIJ (1997; 1999; 2008) als beste Quelle Energiequellen werden zwar mit einer hohen räumlichen für Lernraten im Bereich der Windenergie. Auf der Auflösung erfasst, bei der Modellierung geht allerdings Grundlage der Publikationen von NEIJ kommen ein Teil der räumlichen Information verloren, da die LEMMING et al. (2009, S. 35) auf Lernraten zwischen 9 Potenziale aus Gründen beschränkter Rechenkapazität und 17 %. In ihrer neusten Publikation kommt NEIJ regionsweise aggregiert werden müssen. Im Ergebnis (2008, S. 2209) auf einen Bereich von 10 bis 20 %. Bei werden die gesamten regenerativen Potenziale jedes ausschließlicher Berücksichtigung des in Deutschland für Landes aggregiert betrachtet. Der auch innerhalb die berechneten Szenarien realisierten Ausbaus der Deutschlands notwendige Ausbau von Netzen, insbeson- regenerativen Energiequellen ergibt eine Rückrechnung dere im Hinblick auf die Anbindung von Offshore-Wind- der angenommenen Kostenentwicklungen, dass das DLR kapazitäten und den Transport in die Verbrauchszentren, Lernraten von 11,5 % für Onshore-Windenergie und der auch die Kosten des Stromversorgungssystems erhöht, 18,6 % für den Offshorebereich ansetzt. Im Bereich der wird durch das Modell nicht erfasst. Aus diesem Grund Photovoltaik kommt SUREK (2005, S. 294) zu hat der SRU eine separate Abschätzung der Kosten für historischen Lernraten von 20 %. Er nimmt allerdings an, den Netzausbau in Deutschland vorgenommen (s. dass solch hohe Lernraten für Module auf der Basis Kap. 4.5). kristallinen Siliziums auf Dauer nicht durchgehalten Das Modell arbeitet mit einer zeitlichen Auflösung von werden können (SUREK 2005, S. 303). NEIJ (2008, einer Stunde und kann daher die Stromerzeugung im Jah- S. 2209) gibt einen zukünftigen Bereich von 15 bis 25 % resverlauf stundengenau auf die Nachfrage abstimmen. für die Kostenentwicklung der Photovoltaik bis 2050 an. Eine gesetzte Bedingung ist, dass jedes Szenario vollstän- Die Rückrechnung der Kostenentwicklung des DLR dige Versorgungssicherheit gewährleisten muss: die ergibt unterstellte Lernraten von 26 %, die als sehr schwankende Stromnachfrage muss durch die eingesetz- optimistisch bezeichnet werden müssen. Die unterstellten ten Technologien zu jedem Zeitpunkt gedeckt werden Lernraten von 2,2 % für Biomasse können vor dem können. Dies wird entweder durch zeitgleiche Produktion Hintergrund einer von NEIJ (2008, S. 2209) angegebenen regenerativer Elektrizität oder durch den Einsatz zuvor Bandbreite von 0 bis 10 % als eher konservativ eingestuft gespeicherten Stroms sichergestellt. Für die Berechnung werden. Ein besonderer Fall könnte bei der Geothermie des optimalen Erzeugungsmixes wird der Lastgang eines vorliegen. Neuste Zahlen des DLR, die in den historischen Jahres zugrunde gelegt und auf das Berechnungen nicht mehr berücksichtigt werden konnten, Verbrauchsniveau des Zieljahres (509 oder 700 TWh/a) legen nahe, dass die Kosten der Geothermienutzung skaliert. Es wird damit unterstellt, dass der Verlauf der deutlich stärker sinken könnten als in den für den SRU Nachfrage des Jahres 2050 dem bisherigen jährlichen durchgeführten Berechnungen vom DLR angenommen. In Verlauf der Elektrizitätsnachfrage in Deutschland ähnelt. diesem Fall könnte die Geothermie eventuell zukünftig Der SRU ist sich der Tatsache bewusst, dass diese Vor- eine größere Rolle spielen als in den hier präsentierten gehensweise in Ermangelung einer besseren Abschätzung Szenarien. des Verlaufs der Elektrizitätsnachfrage des Jahres 2050 Sollten sich die unterstellten Kostensenkungspotenziale nur eine erste grobe Näherung darstellt. Mit hoher Wahr- als zu optimistisch erweisen, würde dies das Ergebnis der scheinlichkeit stellt diese Vorgehensweise aber größere Berechnungen, dass eine regenerative Vollversorgung Anforderungen an die zu installierende Leistung und die möglich ist, nicht ändern. Allerdings wären die Kosten Veränderungsgeschwindigkeiten der Erzeugung, als dies des so erreichten Klimaschutzes höher, als in den Szena- im Jahr 2050 der Fall sein wird. Viele Technologien zur rien ausgewiesen. Weitere Angaben zu den unterstellten Steigerung der Systemeffizienz, die in den nächsten Jahr- Kostenentwicklungen finden sich in Kapitel 4.5, das diese zehnten auch aus Gründen des Klimaschutzes eingeführt Diskussion vor dem Hintergrund der konkreten Szena- werden dürften, wie zum Beispiel sogenannte steuerbare rioergebnisse weiter vertieft. Lasten (dispatchable loads) oder intelligente Verbrauchs- geräte (smart devices), führen zu einer Vergleich- Das REMix-Modell umfasst Europa und Nordafrika. Bei mäßigung der Netzlast und einer Senkung der Bedarfs- der Definition der Szenarien kann der Austausch von spitzen. Strom über bestimmte Ländergrenzen hinweg zugelassen und die Höhe des maximalen Austausches festgelegt wer- Da das Modell auch die zeitlich schwankende Verfügbar- den. Auf diese Weise können unterschiedlich große Län- keit der erneuerbaren Energieträger in stündlicher Auf- dergruppen, aber auch einzelne Länder, zum Gegenstand lösung berücksichtigt, lassen sich die stündlichen Anfor- der Analyse gemacht werden. derungen an die Produktionskapazitäten und Ausgleichs- möglichkeiten durch Speicher berechnen. Aus dem so 14
  • 16. berechneten Einsatz der Erzeugungs- und Speicher- finden. Ein solches Szenario erscheint zwar vor dem technologien und den unterstellten Kostenfunktionen Hintergrund der derzeitigen Importabhängigkeit können die Kosten der einzelnen Szenarien mit allen den Deutschlands im Bereich der zur Stromerzeugung ein- Annahmen innewohnenden Unsicherheiten berechnet gesetzten Energieträger von etwa 60 % und der Integra- werden. tion europäischer Märkte weder notwendig noch wün- schenswert zu sein, es soll aber die grundsätzliche tech- Im Modell werden drei wesentliche Speichermöglich- nisch-ökonomische Machbarkeit untersuchen und kann keiten berücksichtigt: Pumpspeicher, Druckluftspeicher mit den weiteren Szenarien im Hinblick auf Technologien und die Speicherung von Elektrizität in Wasserstoff (zu und Kosten verglichen werden. Diese Szenariofamilie den Modellannahmen in Bezug auf die Speichertechno- wird im Kapitel 3 nur bezüglich ihres zentralen Ergebnis- logien und ihre Potenziale s. Kap. 4.3). In den vom ses dargestellt. Modell REMix gelieferten optimierten Lösungen kommt die Speicherung in Form von Wasserstoff aufgrund der Eine zweite Szenariofamilie modelliert Deutschland als relativ hohen Systemverluste und der damit verbundenen Teil eines Stromverbunds mit Norwegen und Dänemark hohen Kosten in keinem Szenario zum Einsatz, obwohl (DE–DK–NO). Diese Szenarien untersuchen den Ein- das Modell diese Technologie vorhält. Alle Berechnungen fluss, den die Nutzung der Pumpspeicherpotenziale in beinhalten die sich ergebenden Umwandlungs- und Norwegen für eine regenerative Stromversorgung in Leitungsverluste für den weiträumigen Transport. Deutschland haben könnte. Dänemark ist als Durch- Verteilungsverluste, die im vorhandenen deutschen Ver- leitungsland nach Norwegen Teil des Verbundes und trägt teilnetz entstehen, sind nicht berücksichtigt. Diese würden außerdem erhebliche Potenziale an Windenergie zum jedoch in ähnlicher Höhe auch bei einer Fortführung der Gesamtsystem bei. konventionellen Stromerzeugung entstehen. Für diesen skandinavischen Verbund werden vier Szena- rien untersucht. Im ersten Szenario (DE–DK– 2.3 Szenarien NO 100 % SV) gilt als Rahmenbedingung, dass sich Deutschland im Jahresdurchschnitt vollständig selbst ver- 4. Der SRU nutzt das Modell des DLR, um unter- sorgt, also die insgesamt produzierte Strommenge der schiedliche Szenarien einer vollständig regenerativen verbrauchten Menge entspricht. Im Unterschied zum Stromversorgung für Deutschland zu analysieren. Dabei DE 100 % SV-Szenario können allerdings bis zu 15 % der werden unterschiedliche Rahmenbedingungen bezüglich Jahresarbeit zwischen Deutschland und den Verbund- der Höhe des deutschen Stromverbrauchs im Jahre 2050 partnern ausgetauscht werden. Damit wird insbesondere und der Möglichkeiten des Elektrizitätsaustauschs mit der Zugriff auf Pumpspeicherkapazitäten in Norwegen dem Ausland vorgegeben. Insgesamt wurden acht ver- zum Ausgleich von Differenzen zwischen Strom- schiedene Szenarien gerechnet, um eine relativ große erzeugung und -nachfrage ermöglicht. Ein zweites Szena- Bandbreite von Anforderungen und Möglichkeiten zu rio lässt zusätzlich einen Nettoimport von Strom von berücksichtigen. Diese Szenarien lassen sich in drei ver- 15 % aus Skandinavien nach Deutschland zu, das heißt schiedenen Szenariofamilien zusammenfassen. Eine der Selbstversorgungsgrad kann bis auf 85 % (DE–DK– Übersicht gibt Tabelle 2-2. NO 85 % SV) sinken. Der einfache Dreiländerverbund Dabei gehen die ersten Szenarien (Szenariofamilie 1) von erlaubt sehr klare und eindeutige Analysen. Bei einem sehr restriktiven Randbedingungen aus, um zu analysie- gesamteuropäischen Stromaustausch sind einzelne Verän- ren, ob eine vollständig regenerative Stromversorgung derungen aufgrund sich überlagernder Effekte nur noch allein auf der Basis der deutschen Regenerativenergie- schwer zuzuordnen. Die Rolle Deutschlands und einzel- potenziale möglich ist. Diese Restriktionen werden ner anderer Länder ist sehr viel schwieriger zu interpretie- schrittweise gelockert werden, um zu analysieren, wie ren. sich eine Reihe von Optionen zur Flexibilisierung der Da auch heute schon in erheblichem Maße Elektrizität Versorgung auf den eingesetzten Technologiemix und die zwischen Deutschland und anderen europäischen Staaten Kosten der Elektrizitätsversorgung auswirken. ausgetauscht wird und Deutschland Nettoexporteur ist, In der ersten Szenariofamilie (DE 100 % SV) wird wird das Szenario DE–DK–NO 100 % SV vom SRU als Deutschland unter autarken Bedingungen vollständig relativ gute Annäherung an eine anspruchsvolle aber rea- regenerativ versorgt, das heißt die gesamte Strom- listische Weiterentwicklung der deutschen Elektrizitäts- nachfrage wird aus heimischen erneuerbaren Quellen versorgung angesehen. In den Betrachtungen über einen gedeckt und es wird kein Austausch von Strom mit dem möglichen Übergang vom heutigen Elektrizitätssystem Ausland zugelassen (Deutschland als „elektrische Insel“). auf das System des Jahres 2050 in Kapitel 3.2 steht dieses Dementsprechend muss auch die gesamte notwendige Szenario im Zentrum der Analysen. Zwischenspeicherung von Strom in Deutschland statt- 15
  • 17. T ab e lle 2-2 S ze na r ie n ein e r vo lls tän d ig reg en er at ive n S tromv e rso rgung Szenario- Charakterisierung Nachfrage in DE 2050: Nachfrage in DE 2050: familie 500 TWh/a 700 TWh/a 1 Vollständige Selbstversorgung Szenario 1.a Szenario 1.b Deutschlands DE 100 % SV-500 DE 100 % SV-700 2 Vollständige Selbstversorgung Szenario 2.1.a Szenario 2.1.b Deutschlands bezogen auf DE–DK–NO 100 % SV- DE–DK–NO 100 % SV- jährliche Produktion 500 700 Austausch von max. 15 % der Jahresarbeit mit DK/NO möglich Maximal 15 % Nettoimport aus Szenario 2.2.a Szenario 2.2.b DK/NO zulässig (und Austausch DE–DK–NO 85 % SV- DE–DK–NO 85 % SV- von max. 15 % der Jahresarbeit) 500 700 3 Maximal 15 % Nettoimport aus Szenario 3.a Szenario 3.b EUNA möglich (und Austausch DE–EUNA 85 % SV-500 DE–EUNA 85 % SV-700 von max. 15 % der Jahresarbeit) SRU/Stellungnahme Nr. 15–2010/Tab. 2-2 Auch ein Verbund mit Schweden und eine Nutzung der schwedischen Wasserkraft zur Speicherung wären denk- 2.4 Stromnachfrage bar. Allerdings verfügt Norwegen mit einem Speicher- volumen von circa 84 TWh über das größte europäische 5. Auf der Basis der Auswertung verschiedener und deutlich größere Speicherpotenzial als Schweden mit Studien erscheint es realistisch, dass die jährliche Strom- circa 36 TWh (vgl. Nord Pool ASA 2010). Langfristig nachfrage (Nettostromverbrauch) in Deutschland im Jahr werden sicherlich beide Länder wie auch die Schweiz, 2050 im Bereich von 500 TWh stabilisiert werden kann Österreich, Frankreich und Italien als Anbieter von (z. B. Öko-Institut und Prognos AG 2009; UBA 2009; erheblichen Pumpspeicherleistungen am Markt auftreten. BARTHEL et al. 2006; Enquete-Kommission Nachhaltige Für alle im Folgenden vorgenommenen Berechnungen Energieversorgung unter den Bedingungen der wird aufgrund des deutlich größeren Speicherpotenzials Globalisierung und Liberalisierung 2002; NITSCH 2008). und der relativ einfachen Leitungsverbindung zwischen Dies würde stringente Bemühungen zur Energieein- den großen Windenergiepotenzialen in der deutschen sparung und Effizienzsteigerung für die traditionellen Nordsee und den norwegischen Speicherkapazitäten im Stromnutzungen voraussetzen, dann aber auch eine Südwesten des Landes von einer Kooperation Deutsch- Elektrifizierung des Individualverkehrs in einem signifi- lands mit Norwegen ausgegangen. kanten Umfang (etwa die Hälfte der derzeitigen Ver- kehrsleistung) erlauben. Alle Szenariogruppen werden Die dritte Szenariofamilie erweitert den Stromverbund auf deshalb zunächst für eine Stromnachfrage von 500 TWh ganz Europa und die Region Nordafrika (DE–EUNA). In im Jahr 2050 auf der Basis des skalierten stündlichen auf- diesen Szenarien wird ebenfalls für jedes am Verbund gelösten Jahreslastgangs berechnet. beteiligte Land ein Nettoimport von maximal 15 % der elektrischen Jahresarbeit zugelassen, um eine möglichst Eine zweite Variante nimmt einen jährlichen Strombedarf hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Der grö- von 700 TWh für Deutschland im Jahr 2050 an. Eine ßere Verbund ermöglicht es, auf sehr viel größere Poten- solche Nachfrage könnte eintreten, wenn keine ehrgeizige ziale regenerativer Energiequellen zurückzugreifen und Effizienzstrategie umgesetzt und zusätzlich der Indivi- regionale Schwankungen besonders im Angebot der dualverkehr weitestgehend auf elektrische Antriebe um- Windenergie durch eine großräumige Vernetzung besser gestellt werden würde. Durch eine vollständige Elektri- auszugleichen. fizierung des Individualverkehrs wäre mit einer zusätz- lichen Stromnachfrage von bis zu 100 TWh/a zu rechnen Alle Szenariofamilien werden jeweils für eine Gesamt- (vgl. WIETSCHEL und DALLINGER 2008). Bei einer nachfrage (Bruttostromnachfrage) nach Strom in erfolgreichen Umsetzung von Effizienzstrategien wäre es Deutschland von 500 TWh (genau 509 TWh, s. Kap. 3.2) möglich, im Rahmen eines 700 TWh/a-Szenarios neben und von 700 TWh berechnet. In allen Szenarien wird dem dem Individualverkehr auch den größten Teil des im Jahr Modell als Randbedingung vorgegeben, dass jeweils der 2050 verbleibenden Heizwärmebedarfs und einen deutlich gesamte Strom in allen beteiligten Ländern des Verbun- größeren Anteil des industriellen Prozesswärmebedarfs des regenerativ erzeugt werden muss. elektrisch zu decken. 16
  • 18. Der Vergleich der beiden Varianten (500 und 700 TWh/a) 3 Optionen der 100 %igen kann jeweils einen Eindruck davon vermitteln, wie die Vollversorgung Höhe des Gesamtverbrauchs die Kosten des Systems und die Zusammensetzung der Energieträger im kosten- optimierten Mix beeinflusst. 3.1 Potenziale der erneuerbaren Während aus Sicht des SRU die Stabilisierung des Energieträger Stromverbrauchs auf einem möglichst niedrigen Niveau für die Stromerzeugung Ziel der Politik sein sollte, um die Kosten der Versorgung möglichst niedrig zu halten, zeigen die Szenariovarianten 3.1.1 Potenziale in Deutschland mit 700 TWh/a, dass auch ein sehr viel höherer Strom- bedarf prinzipiell aus erneuerbaren Energien gedeckt 7. Die Potenziale der erneuerbaren Stromerzeugung werden könnte. Zeigen die Analysen, dass eine Nachfrage in Deutschland wurden vom REMix-Modell entsprechend von 700 TWh/a befriedigt werden kann, so kann auch der in Kapitel 2.2 vorgestellten Methodik ermittelt. Auf jede andere Nachfrage zwischen 500 und 700 TWh der Basis eines durchschnittlichen Windjahres ergibt sich gedeckt werden. Beispielsweise wäre unter Ausschöpfung für Deutschland ein jährliches Erzeugungspotenzial für der Effizienz- und Einsparpotenziale bei einer vollstän- Elektrizität aus regenerativen Energiequellen von digen Elektrifizierung des Individualverkehrs mit einem 839 TWh/a. Dabei kann ein großer Teil dieses Potenzials Gesamtverbrauch von circa 550 TWh zu rechnen. (ca. 612 TWh) zu Grenzkosten (den Kosten der teuersten genutzten Kilowattstunde) von circa 0,096 €/kWh bereit- gestellt werden, wie Abbildung 3-1 zeigt. 2.5 Gestaltung des Übergangs Die Kosten für die einzelnen Technologien sind, wie in 6. Für die Szenarien 2.1.a und 2.1.b (DE–DK– Kapitel 2 erläutert, auf der Basis mengenabhängiger NO 100 % SV, Netzverbund mit Norwegen und Däne- Kostendegressionsfunktionen für das Zieljahr in Preisen mark und Ausgleich zeitlicher Schwankungen; Selbst- von 2009 vom DLR berechnet worden (vgl. DLR 2010, versorgung im Jahresdurchschnitt) werden in Kapitel 4 S. 13 ff.). Hierbei liegen die relativ kostengünstigen Vorschläge für den zeitlichen Übergang von der heutigen Potenziale im Bereich der On- und Offshore-Wind- Struktur der Elektrizitätserzeugung hin zu dem vom energienutzung (ca. 407 TWh/a) und der Nutzung der REMix-Modell berechneten vollständig regenerativen Wasserkraft. Allerdings ist der mögliche Beitrag der Zielzustand entwickelt. Wasserkraft zur Stromerzeugung in Deutschland aufgrund Diese Übergangsvorschläge gehen von einem nur noch der orographischen Gegebenheiten auf circa 28 TWh/a sehr begrenzten Zubau konventioneller Kraftwerke aus begrenzt. Auch die Nutzung von Biomasse, die im Ver- und berechnen zunächst unter konservativen Annahmen gleich zur Geothermie noch zu relativ niedrigen Grenz- zur durchschnittlichen Laufzeit der Kraftwerke das Aus- kosten (maximal 0,081 €/kWh) realisiert werden kann, ist laufen der Nutzung der konventionellen Kapazitäten über mit circa 71 TWh/a deutlich begrenzt. Einer zusätzlichen die Zeit („Sterbelinie“ konventioneller Kraftwerke). Einschränkung kann das für die Stromerzeugung nutzbare Biomassepotenzial durch die Nutzungskonkurrenz im Ausgehend von diesen Sterbelinien wird dann abgeleitet, Bereich der Kraftstoffe oder für die Wärmebereitstellung welcher Zubau an regenerativen Erzeugungskapazitäten unterliegen. Der SRU geht davon aus, dass Biomasse in in den Jahren bis 2050 notwendig wäre, um die verblei- einer Elektrizitätserzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung bende Nachfrage zu decken. Die jährlichen Zubauten an (KWK) mit dem größten Systemnutzen eingesetzt werden installierter Leistung für die unterschiedlichen Technolo- kann. In den im Folgenden berechneten Szenarien für eine gien wurden so gewählt, dass im Jahr 2050 der kosten- moderate Elektrizitätsnachfrage (509 TWh/a in Deutsch- optimierte Energieträgermix der Szenarienberechnungen land in 2050) und zugelassenem Austausch von Elektri- (s. Kap. 2.1) erreicht wird. Der angenommene jährliche zität mit dem Ausland wird die Biomasse nur etwa zur Zubau basiert selbst aber nicht auf Optimierungsrech- Hälfte in der Elektrizitätserzeugung und dabei praktisch nungen. In Zeiträumen, in denen besonders viele konven- ausschließlich in KWK-Anlagen eingesetzt. Nur bei tionelle Kraftwerke aufgrund ihres Alters vom Netz einem sehr theoretischen politischen Verzicht auf einen gehen, wurden dabei in begrenztem Umfang Sicherheits- Austausch mit dem Ausland (Szenario 1.a und b) wird das margen beim Zubau der erneuerbaren Energien berück- gesamte Potenzial die Elektrizitätserzeugung genutzt und sichtigt. Die in Kapitel 4 dargestellten Verläufe des Über- zum großen Teil im Bereich der Spitzenlastdeckung ohne gangs stellen jeweils einen möglichen Pfad dar, auf dem KWK eingesetzt. Die Nutzung der Photovoltaik hat zwar das Ziel der vollständig regenerativen Stromversorgung ein größeres Potenzial (ca. 110 TWh/a), führt aber schon im Jahr 2050 erreicht werden könnte, ohne dass in irgend- zu erheblich höheren Grenzkosten (0,096 €/TWh). einer Phase des Übergangs die Versorgung gefährdet Besonders teuer ist die Stromerzeugung mithilfe von wäre. Es wird darüber hinaus dargestellt, wie der Ausbau Geothermie, die zwar ein erhebliches zusätzliches Poten- der erneuerbaren Energien durch die schrittweise zial von gut 220 TWh/a hat, für die aber bis zu Erschließung von Stromspeicherpotenzialen in Deutsch- 0,62 €/kWh aufgewandt werden müssen, um dieses land und Norwegen und den notwendigen internationalen Potenzial zu erschließen. Nach neueren Erkenntnissen, die Netzausbau flankiert werden muss (s. Kap. 4.3). erst nach der Durchführung der Berechnungen für dieses Sondergutachten vorlagen, könnten die langfristigen 17