Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Abstract

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt.

Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich.

In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien.

Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit.

Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert.

Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen.

Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse.

In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten.

Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Both the resources problem and the extent of the looming climate change make a change of course in humankind’s use of energy sources appear inevitable. Independent of the question of the level on which energy consumption can be stabilized, clarification of the technical and economic possibilities for the future energy supply is necessary. Promising options exist in the use of renewable energies in their whole variety.

The thesis "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" concentrates on the electricity supply as a partial aspect of the energy supply. Electricity supply is increasingly gaining in importance and can be seen as a key to a sustainable energy supply; it is currently responsible for approximately half of the world-wide anthropogenic CO2 emissions.

In this research/study possibilities of a largely CO2 neutral electricity supply for Europe and its closer neighbourhood were examined on the basis of different scenarios, whereby the scenario area actually covers about 1.1 billion inhabitants and an electricity consumption of about 4000 TWh/a. The focus was the question of how the electricity supply should be developed to lead to the most economic solution. This question was considered, for example, for scenarios based only on techniques available today. Also examined was the possible influence which the use of some new technologies – in so far as they are still under development – could have on the future options of the electricity supply, on the basis of some examples. The conception of the future electricity supply was aimed to meet criteria of the greatest possible objectivity, to provide genuine comparability of different resulting scenarios. To achieve this aim a mathematical optimization approach was implemented, thus ensuring the avoidance of subjective decision-making processes during the configuration of the supply system, whilst optimizing the use of all system components. The aim of the optimization was to find the ideal system of power plants and transmission systems to provide the least cost solution for a realistic electricity demand close to the current demand. As options for the electricity production the use of renewable energies with hydro-electric power plants, wind energy converters, energy towers, biomass power stations as well as solar and geothermal power stations are considered amongst others. Dependent on the selected preconditions, this resulted in different scenarios.

The main goal of the thesis was to create a set of different scenarios in order to establish a broad basis for future political decisions. The scenarios present options for a future organization of the electricity supply and point out the impact of different - also political - conditions.

Before calculating the scenarios, the different potentials of renewable energies and their characteristics had to be determined in high temporal and spatial resolution. This set up a reliable data basis allowing answers to the questions associated with a spacious renewable electricity supply, without resorting to unverified assumptions. The characteristics of the different systems for energy conversion and transport also had to be studied and are discussed together with their associated costs and the potentials within the dissertation.

The starting point is a conservative base case scenario. It is a scenario for an electricity supply relying entirely on renewable energies, all of which are based on technologies available today and calculated with today's costs of all components. This base case scenario can accordingly be understood as a kind of conservative Worst Case estimation for our future options of a renewable electricity supply.

As a result of the optimization for the base case scenario, the largest proportion of the electricity production is from wind energy. Biomass and currently existing hydropower take over the predominant part of the back-up function within the supply area which is interlinked with powerful HVDC (high voltage direct current) transmission. The calculated costs of electricity production and HVDC transmission are about 4.65 €ct/kWh and therefore relatively close to the current costs of electricity produced with conventional technologies. They are actually lower than today's prices on the electricity stock exchange.

In all scenarios - except the relatively expensive restrictively "decentralized" ones which exclude cross-national electricity transport via HVDC - the electricity transport plays an important role. It is used in order to realize smoothing effects of the weather-dependent electricity production from renewable sources, to make the best production sites accessible for common use and to enable the use of hydropower as well as the decentralized biomass with its inherent storage capability for common duties within the supply area. Thus electricity transport proves to be one of the keys to an economical electricity supply. This again can be interpreted as a recommendation for action for political decision-makers, who thus should deliberately pursue international co-operation in the field of renewable energy use and include in particular the issue of international electricity transmission.

The scenarios constitute a detailed and reliable basis for crucial political and technological decisions about our future electricity supply. They show that - even under conservative assumptions - an exclusively renewable electricity supply is possible with international co-operation and could be realized without any significant economic problems. They place the responsibility for future action in the field of policy. A substantial task of the policy-makers would be to organize the necessary international co-operation and to develop legal and economic instruments for a transformation of our electricity supply. Thereby, not only a reasonable path to a CO2-neutralen electricity supply would be taken, but beyond that excellent perspectives for the development of poorer neighbour states of the European Union and Europe could be opened.