vonProf. Dr.Wolfgang Ströbele,

Prof. Dr.Wolfgang Pfaffenbergerund

Dr. Michael Heuterkes

2., völlig neu überarbeitete Auflage 3.,vollständig überarbeitete Auflage

OldenbourgVerlag München

EnergiewirtschaftEinführung in Theorie und Politik

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. © 2010 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH Rosenheimer Straße 145, D-81671 München Telefon: (089) 45051-0 oldenbourg.de Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertungaußerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Lektorat: Dr. Jürgen Schechler Herstellung: Anna Grosser Coverentwurf: Kochan & Partner, München Cover-Illustration: Hyde & Hyde, München Gedruckt auf säure- und chlorfreiem Papier Gesamtherstellung: Druckhaus „Thomas Müntzer“ GmbH, Bad Langensalza ISBN 978-3-486-58199-7

Vorwort zur 2. AuflageAls die 1. Auflage unseres Lehrbuchs 1998 erschien, wurden die Autoren von der Ge-schwindigkeit überrascht, mit der Änderungen in wichtigen Bereichen der Energiemärk-te eintraten. Nicht nur bei den leitungsgebundenen Energieträgern ergaben sich weit-reichende Neuordnungen, sondern auch die Bereiche Klimaschutzpolitik oder die Eigen-tumsfragen im Ölmarkt oder die Förderung regenerativer Energieträger erwiesen sichals sehr bedeutend.

Alleine deswegen dauerte die Erstellung einer Neuauflage länger als geplant. Sie konzen-triert sich auf das, was man aus heutiger Sicht als die analytischen Fundamentalpunkteder Energiewirtschaft wissen sollte. In der Darstellung der denkbaren Neuordnungenkönnen nur die Grundkonzepte skizziert werden; für die konkreten Details muss derLeser sich selbst um die aktuellsten neuen Veränderungen nach 2009/10 kümmern.

Unser Koautor Dr. Ingo Hensing ist auf eigenen Wunsch nicht mehr bei der 2.Auflagedabei, da er beruflich inzwischen zu weit entfernt von einem akademischen Lehrbuch ist.An seiner Stelle ist Dr. Michael Heuterkes als neuer dritter Koautor beteiligt, der nebender Überarbeitung des Kapitels zum Ölmarkt auch wichtige Neustrukturierungen desBuchaufbaus beigetragen hat.

Es haben sehr viele Mitarbeiter und studentische Hilfskräfte des Lehrstuhls für Volks-wirtschaftstheorie an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster durch Korrektur-lesen oder Erstellen von Graphiken zum Erstellen des Buches beigetragen. Besondersherzlich bedanken die Autoren sich bei Herrn MScEc Markus Flaute, der im Winterse-mester 2009/2010 die entscheidenden redaktionellen Schlussarbeiten durchführte.

Die verbleibenden Druck- und sonstigen Fehler gehen natürlich zu unseren Lasten.

Münster und Oldenburg, im April 2010 Prof. Dr. Wolfgang Ströbele

Prof. Dr. Wolfgang Pfaffenberger

Dr. Michael Heuterkes

Inhaltsverzeichnis

1 Das Energieproblem 1

1.1 Natürlicher und anthropogener Energieumsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Energie aus natur- und ingenieurswissenschaftlicher Sicht . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Energie aus historischer Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.1 Allgemeine Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.2 Entwicklung in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 Energie aus ökonomischer Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Energiebilanzen 15

2.1 Struktur einer Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Elemente einer Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.1 Umwandlungssektor und Sekundärenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2 Endenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.3 Nutzenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Aggregations- und Bewertungsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 Die Deutsche Energiebilanz 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Energieträger als erschöpfbare Ressourcen 23

3.1 Erschöpfbare Ressourcen und Weltenergieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.1 Ressourcenbasis, Exploration, Reserven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.2 Exkurs: Abdiskontierung von Zahlungen zu verschiedenen Zeitpunkten . 28

3.2 Das Hotelling-Modell der Ressourcenökonomik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.1 Intertemporale Allokation aus der Sicht des Ressourcenanbieters. . . . . . . . 303.2.2 Das Hotelling-Modell aus gesamtwirtschaftlicher Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Energie als „wesentliche Ressource“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.1 Berücksichtigung von Kapitalverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.2 Substitutionselastizität für Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4 Mögliche Backstop-Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.5 Bedeutung der Erschöpfbarkeit in Energiemärkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

VIII Inhaltsverzeichnis

4 Energie und Umweltrestriktionen 45

4.1 Umweltökonomik und Umweltpolitik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2 Energie und Umwelteffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.3 Umwelteffekte bei der Förderung und Weiterverarbeitung am Beispielvon Erdöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4 Emissionen und Vermeidungstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.4.1 Schwefeldioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.4.2 Kohlenwasserstoffe und Staubpartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.4.3 Stickoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.4.4 Kohlendioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.5 Realistische Ziele der Klimapolitik für CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.6 Das CO2-Problem aus ressourcenökonomischer Sicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5 Energiehandel und Terminkontrakte 69

5.1 Handel auf Terminmärkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.1.1 Forwards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.1.2 Futures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.1.3 Swaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.1.4 Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2 Bewertung von Terminmarktkontrakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.2.1 Bildung einer Preiserwartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.2.2 Beziehungen zwischen Terminpreis und Underlying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2.3 Ableitung einer Bewertungsformel für einen Terminpreis . . . . . . . . . . . . . . . 835.2.4 Kalibrierung der Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.3 Marktdesign von Energiemärkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6 Stein- und Braunkohle 87

6.1 Merkmale des Energieträgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.2 Entwicklung der Kohlemärkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.2.1 Steinkohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.2.2 Braunkohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.3 Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.4 Angebot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.4.1 Weltweite Anbieter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.4.2 Situation in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.5 Bestimmungsfaktoren der Kohlepreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986.5.1 Determinanten der Preisbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986.5.2 Internationaler Steinkohlehandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6.6 Handel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Inhaltsverzeichnis IX

6.6.1 Finanzieller Handel von Kohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.6.2 Bedeutung von Transportkosten für Handelsplätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7 Erdöl 107

7.1 Merkmale des Energieträgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.1.1 Entstehung und Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.1.2 Reserven und die Erschöpfbarkeit von Erdöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.1.3 Chemische Eigenschaften von Erdöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

7.2 Historische Entwicklung des Ölmarkts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

7.3 Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1157.3.1 Bedeutung von Erdöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167.3.2 Situation in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.4 Angebot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197.4.1 Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1207.4.2 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1237.4.3 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257.4.4 Mineralölverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

7.5 Bestimmungsfaktoren der Ölpreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.5.1 Historische Ölpreissprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.5.2 Erklärungsansätze der Ölpreisentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.6 Handel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1347.6.1 Referenzsorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1347.6.2 Die Märkte für Brent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8 Erdgas 141

8.1 Merkmale des Energieträgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418.1.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418.1.2 Reserven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1428.1.3 Vergleich von Erdgas und Mineralöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2 Entwicklung des Erdgasmarkts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1448.2.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1448.2.2 Entwicklung in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1458.2.3 Traditionelle Marktstruktur in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1468.2.4 Auswirkungen der klassischen Marktstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1488.2.5 Regulierung des Netzzugangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

8.3 Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

8.4 Angebot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1568.4.1 Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1578.4.2 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1598.4.3 Klassische Ausgestaltung internationaler Gasprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1618.4.4 Gasspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

X Inhaltsverzeichnis

8.5 Handel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.5.1 Gashandel an physischen Hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1668.5.2 Gashandel an virtuellen Handelspunkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9 Urannutzung und Kernenergie 173

9.1 Merkmale des Energieträgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.1.1 Kernenergiegewinnung durch kontrollierte Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.1.2 Reserven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.2 Geschichte der Kernenergienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.3 Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.4 Angebot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1799.4.1 Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1799.4.2 Konversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1809.4.3 Anreicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1819.4.4 Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1829.4.5 Entsorgung und Wiederaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

9.5 Bestimmungsfaktoren der Uranpreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

9.6 Umwelteffekte der Kernenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

10 Erneuerbare Energieträger 191

10.1 Merkmale erneuerbarer Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19110.1.1 Potentiale erneuerbarer Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19210.1.2 Förderung von Erneuerbaren Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

10.2 Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . 195

10.3 Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

10.4 Angebot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19710.4.1 Vergleich erneuerbarer Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19710.4.2 Auswirkungen der Förderung von erneuerbaren Energieträgern . . . . . . . . . 200

11 Elektrizitätswirtschaft 203

11.1 Merkmale des Stromsektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

11.2 Historische Entwicklung des Strommarktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

11.3 Verbund- und Verteilungsnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20911.3.1 Technische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20911.3.2 Netzengpässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

11.4 Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21511.4.1 Bestimmungsfaktoren der Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21511.4.2 Die Jahresdauerlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21711.4.3 Nachfragesituation in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Inhaltsverzeichnis XI

11.5 Angebot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21911.5.1 Erzeugungsalternativen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21911.5.2 Investitionen in Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22211.5.3 Kurzfristige Angebotsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22411.5.4 Exkurs: Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

11.6 Marktdesign und Handel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22911.6.1 Offenes Handelsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23011.6.2 Das Pool-Modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23411.6.3 Auswirkungen von Marktmacht auf der Erzeugerebene im Strommarkt . 235

12 Grundlagen der Regulierungstheorie 241

12.1 Natürliches Monopol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

12.2 Gesamtwirtschaftlich optimale Preise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

12.3 Angewandte Regulierungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24612.3.1 Rate-of-Return Regulierung (ROR) und der Averch-Johnson-Effekt . . . . . 24612.3.2 Andere Formen der Regulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

12.4 Regulierung des Zugangs zu Strom- und Erdgasnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . 25512.4.1 Netznutzung für Erdgas versus Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25712.4.2 Methoden der Effizienzschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

13 Zur Begründung von Energiepolitik 267

13.1 Entwicklung des Ordnungsrahmens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

13.2 Die europäischen Richtlinien und das ENWG 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

13.3 Ziele der Energiepolitik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

13.4 Verringerung der Substitutionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27013.4.1 Substitutionshemmnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27013.4.2 Energiebesteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27313.4.3 Effizienzstandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27413.4.4 Energiemix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27413.4.5 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27513.4.6 Förderprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

13.5 Wettbewerbsförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27613.5.1 Energiewirtschaft und natürliches Monopol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27713.5.2 Regulierung der Energienetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28013.5.3 Regulierung der Umweltnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

13.6 Förderung der wirtschaftlichen Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

13.7 Förderung der Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

14 Klimaschutzpolitik 285

14.1 Der „Schadstoff“ CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

XII Inhaltsverzeichnis

14.2 Das Kyoto-Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

14.3 Das Europäische Lastenverteilungsabkommen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

14.4 Der CO2-Emissionshandel in der EU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29514.4.1 Wirkungen des EU-CO2 Handels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29814.4.2 Ersetzen der Ökosteuer durch CO2-Emissionshandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30214.4.3 Koordinierung mit anderen Instrumenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30314.4.4 Andere Zuteilungsverfahren im Emissionshandelssystem . . . . . . . . . . . . . . . . 30414.4.5 Nationaler Allokationsplan II und Kyoto II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30614.4.6 Klimapolitik durch eine internationale Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

15 Risikomanagement 309

15.1 Risikomanagementstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31015.1.1 Umsetzbarkeit von Risikomanagementstrategien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31015.1.2 Sicherungsverkauf und Sicherungskauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31015.1.3 Basisrisiko. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31215.1.4 Absicherung über Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

15.2 Fallstudie: Beschaffungsplanung im Strommarkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31715.2.1 Die optimale Beschaffungsplanung (OBP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31815.2.2 Beschaffungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31915.2.3 Die Bewertung von Portfoliopositionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

16 Einführung in die dynamische Optimierung 323

16.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

16.2 Ökonomische Spezialfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

16.3 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

A Glossar 331

Literaturverzeichnis 337

Index 345

1 Das EnergieproblemDie Energieökonomik befasst sich mit einem zentralen Thema der Menschheitsgeschich-te, ja des Lebens überhaupt. Leben bedeutet im Kern, dem ständig wirkenden Naturge-setz zum Einebnen von geordneten Strukturen entgegen zu wirken. Gebäude verrotten,Sandburgen werden glatt gespült, Gebirge werden abgetragen, Lebewesen sterben, . . . –ohne Eingriffe und immer wieder neuen Aufbau geordneter Strukturen tendiert alles zuGleichförmigkeit. Dies ist die Aussage des Gesetzes von der Zunahme der Entropie(Gleichförmigkeit) in einem geschlossenen System. Danach wäre das Leben auf der Erdesehr langfristig gar nicht möglich, wenn nicht die Erde von verschiedenen Seiten immermit neuen Energiezuflüssen versorgt wird.

Die geordneten Strukturen von Gebirgen und Landschaften auf der Erde wie die Al-pen oder der Himalaja sind durch Prozesse entstanden, die durch Reste einer Glut ausder Erdentstehungszeit angetrieben werden: Das nach wie vor extrem heiße Erdinne-re sorgt für Bewegungen der Erdkruste, faltet sie auf, lässt anderswo Massen wiederversinken, etc. In einigen Milliarden Jahren ist diese Glut so weit erkaltet, dass dannErdbeben o.ä. nachlassen oder sogar aufhören werden.

Die großräumigen Wasserbewegungen in den Weltmeeren, sichtbar als Aufeinanderfolgevon Ebbe und Flut, verdanken ihren Antrieb der Bewegungsenergie von Erde undMond, die um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen, der wegen der deutlich grö-ßeren Masse der Erde sehr nahe des Erdmittelpunktes liegt. Dadurch werden beideHimmelskörper, praktisch kaum messbar, über die Jahrtausende geringfügig langsamer(Gravitationsenergie).

Dass überhaupt Leben und damit zumindest vorübergehend geordnete Strukturen aufder Erdoberfläche möglich wurden, verdanken wir vor allem einem riesigen, ständigvor sich hin explodierenden Fusionsreaktor, von dessen unvorstellbar großen Mengenvon freigesetzter Energie ein winziger Bruchteil die Erde erreicht. Ohne die Sonnen-energie gäbe es keinen Wasserkreislauf, keinen Wind und kein Leben für Pflanzen undTiere. Letztere arbeiten dem Entropieanstieg entgegen, indem sie in NahrungskettenEnergiespeicher der vorgelagerten Ebene nutzen und selbst verwerten. Am Beginn je-der Nahrungskette steht deshalb die Photosynthese von Algen, Gras, Getreide o.ä. Indiesem Sinne lebt auch der rein fleischfressende Gepard indirekt von der Sonnenenergie,haben doch seine Beutetiere das Gras der Steppe oder Savanne genutzt. Dem Gefälleder Energienutzung entspricht dann auch der Befund, dass Fleischfresser in geringererZahl vorkommen als ihre Beutetiere: Es muss mehr Antilopen geben als Geparden oderLöwen.

Während Gesellschaften des Altertums und des Mittelalters fast ausschließlich auf derNutzung regenerierbarer Energieressourcen wie Holz, tierischer oder menschlicher Skla-venkraft oder Wasser- und Windenergie beruhten, nutzt eine inzwischen auf mehrere

2 1 Das Energieproblem

Milliarden Menschen angewachsene Weltbevölkerung seit etwa 300 Jahren auch fossileEnergiequellen. Für das menschliche Leben und die Produktionsprozesse ist deshalb eineausreichende Energieverfügbarkeit von größter Bedeutung. Insbesondere die industrielleProduktionsweise ist auf große Energiequellen angewiesen.

Auf Aluminiumbleche, Weihnachtsbäume oder Erdbeermarmelade kann die Menschheitzur Not verzichten: Energieressourcen sind hingegen absolut notwendig für die Auf-rechterhaltung jeglicher Produktion und des Lebens schlechthin.

1.1 Natürlicher und anthropogenerEnergieumsatz

Menschliche Energienutzungen in Form von Nahrung für das eigene Leben und Einsatzvon Energie für technische Systeme (Maschinen, Fahrzeuge, . . . ) sind nur ein geringerBruchteil der natürlichen Energieumsätze, die ständig im Bereich der Erde, ihrerAtmosphäre und auf der Erdoberfläche registriert werden können. Die Größenordnungenverdeutlicht die Abbildung 1.1.

Von den rund 180 Mrd. MW Sonnenenergieeinstrahlung, die ständig die Erde errei-chen, wird rund ein Drittel bereits vor dem Auftreffen auf die erdnahen Schichten derAtmosphäre reflektiert (Albedo).1 Rund zwei Drittel wandeln sich in Wärme um, indemsie Luft, Wasser oder Landmassen erwärmen. Unter den derzeitigen Bedingungen derAtmosphäre wird mit geringer Verzögerung diese Wärme wieder in das (beliebig) kalteWeltall zurückgestrahlt.

Eine Größenordnung von 300 - 400 Mill. MW (≈ 0,2 % der Sonneneinstrahlung) wirdin Wind- und Wellenbewegungsenergie umgewandelt, 70 - 80 Mill. MW durch Pho-tosynthese in Pflanzen verschiedenster Art in Form von chemischer Energie als Stärkeoder Holz o.ä. gespeichert (≈ 0,04 %). Der derzeitige zivilisatorische Energieumsatzder gesamten Menschheit beläuft sich auf rund 10 Mrd. t ROE, was bei Gleichver-teilung auf die 8760 Jahresstunden einer durchschnittlich beanspruchten Leistung von13,7 Mill. MW, d.h. etwa 0,0075 % der ständigen Sonnenenergieeinstrahlung entspricht.

Der biologische Energiebedarf für die Menschen beträgt bei der derzeitigen Erdbe-völkerung rund 0,8-0,9 Mill. MW, die durch Nahrungsmittel, d.h. letztlich aus Photosyn-these gedeckt werden müssen. Dass die Landwirtschaft durch ihre direkte und indirekteNahrungsmittelproduktion erheblich mehr als diese 0,8 MW bereitstellen muss, liegt anden unter energetischen Aspekten geringen Wirkungsgraden der Erzeugung von großenMengen tierischen Eiweißes für Fleischkonsum und ähnlicher „Verschwendung“, wobeidieser Terminus lediglich nach thermodynamischen Aspekten greift: Ein Rindersteakhat als Nahrungsmittel gegenüber einigen Kartoffeln bei gleichem Energiegehalt einehöhere Qualität sowohl wegen des Geschmacks als auch wegen des Eiweißgehaltes.

Die Erdoberfläche (samt den Bereichen 25 km oberhalb und 10 km unterhalb) istsomit unter Energieaspekten kein geschlossenes System, sondern weist eine Ener-giezufuhr von Sonne und in geringerem Ausmaß Erdwärme und umgewandelter Gravi-1Die Maßeinheit für die „Leistung“ ist WATT. Zu den Energiemaßeinheiten vgl. Abschnitt 1.2.

1.1 Natürlicher und anthropogener Energieumsatz 3

180 Mrd. MWSonneneinstrahlung

42-47%direkte Umwandlung in Wärme

30-35%direkte Reflektion

22-23% Speicherung in Wasser, Eis,...

Gezeiten-energie

Geothermische Energie,Gravitationsenergie

Speicherungin Pflanzen

fossileBrennstoffe

0,01%menschliche Nutzung

Atmosphäre

Uran,Thorium

SpaltbaresMaterial

0,200% Wind, Wellen

bis 0,040%

0,020%

0,002%

kurzwelligeStrahlung

Wärme-abstrahlung

Abb. 1.1: Natürliche und anthropogene Energieumsätze auf der Erdoberfläche und in derAtmosphäre.

tationsenergie auf. Diese Energiezufuhr würde die Erde immer wärmer werden lassen,wenn sie sich nicht in einer Balance mit Wärmeabstrahlung ins kalte Weltall befände.Die anthropogene Energiezufuhr aus Verbrennungsprozessen, Kernspaltung u.ä. erzeugtin den heutigen Größenordnungen keine globalen Wärmebalanceprobleme, sondern inungünstigen Fällen eher lokale und regionale „Hitzeinseln“, die in entsprechenden Wet-terkonstellationen schlimmstenfalls lokale Unwetter oder andere regionale Ereignisse wieHagelschauer oder extreme Wärmetage beeinflussen können.

Das Leben auf der Erdoberfläche wäre ohne eine gewisse Wärmeausgleichsfunktion imTag-Nacht-Rhythmus nicht möglich. Da das Weltall extrem kalt ist, wären ohne eineabschirmende Atmosphäre die Nächte sehr kalt und auch im „Sommer“ mit Frostverbunden, was der Vegetation schaden würde. Bei ungehinderter Sonneneinstrahlungwären umgekehrt die Tage sehr heiß. Zudem würden für das Leben gefährliche Bestand-

4 1 Das Energieproblem

teile der Sonnenstrahlen ungefiltert und ungebremst zu Verbrennungen und Zellschädenführen. Die mit wenigen Kilometern Höhe sehr dünne Atmosphäre sowie die darüberliegenden Schichten geben somit eine für das Leben wünschenswerte Treibhaus-Konstellation. Seit etwa 30 Jahren wird darüber diskutiert, inwieweit bestimmteKuppelprodukte der Energieerzeugung wie CO2 dieses Gleichgewicht beeinträchtigenkönnen. Auf diesen globalen Aspekt der Energieerzeugung wird in späteren Kapitelnseparat eingegangen.

1.2 Energie aus natur- undingenieurswissenschaftlicher Sicht

Der Physiker bezeichnet Energie als Fähigkeit, (physikalisch) Arbeit zu leisten.Dies kann sich auf den atomaren oder molekularen Bereich beziehen (chemische Um-wandlungen, Schmelzen o.ä.), auf mechanische Arbeit wie das Heben einer Masse inden 3. Stock eines Gebäudes oder den Transport von Massen in endlicher Zeit von ei-nem Ort zum anderen oder ganz einfach auf das Verändern von Temperaturen wie dasBereitstellen von warmem Wasser im Haushalt oder Prozesswärme in der Industrie.

Während es früher eine Vielzahl von Maßeinheiten für Energie gab, die zudemim amerikanischen und angelsächsischen Raum wieder anders aussahen als im konti-nentaleuropäischen und bei Ingenieuren anders üblich waren als bei Physikern oderEnergiewirtschaftlern, hat sich die internationale Konvention mit der Maßeinheit Joule(J) durchgesetzt. Das Problem dieser Maßeinheit für den Energiewirtschaftler ist ihrefür praktische Anwendungen ungünstige „Kleinheit“:

1 J = 1 Watt-Sekunde = Arbeit, um einen Körper mit Masse 102 g um einen Meter(friktionslos) anzuheben (für Experten: Differenz der Höhenenergie bei Standardgravi-tationskraft).

Bezeichnung Abk. Zahl PotenzKilo K Tausend 103

Mega M Million 106

Giga G Milliarde 109

Tera T Billion 1012

Peta P Billiarde 1015

Exa E Trillion 1018

Tabelle 1.1: Abkürzungen für 10-er Potenzen.

Eine Wattstunde (Wh) entspricht 3600 Joule (J) bzw. 3,6 Kilojoule (kJ). Wenn manbedenkt, dass ein normal elektrifizierter Haushalt in Deutschland rund 4000 kWh Strom-verbrauch im Jahr aufweist, kommt man beim Rechnen mit J für Branchen oder diegesamte Volkswirtschaft sehr schnell in Milliarden J oder noch größere Zahlen, wasdie Einführung von Mega-, Giga-, u.ä. Skalen nahe legt. Es gelten die in Tabelle 1.1dargestellten Skalen.

1.2 Energie aus natur- und ingenieurswissenschaftlicher Sicht 5

Die verschiedenen Formen der Energie können über die Wärmeäquivalente ineinan-der umgerechnet werden. Dies beruht auf dem Energiegesetz, dass sich jede Form vonEnergie in Wärme umwandeln lässt. Um den Energiegehalt eines Brennstoffs zu ermit-teln, gibt es zwei verschiedenen Konventionen. Bei so genanntem Brennwert (Ho) wirddie Verdampfungswärme von Wasserdampf, der beim Verbrennen mit entsteht, zum„reinen“ Heizwert (Hu) hinzugerechnet. Da in den Statistiken Hu ausgewiesen wird,kann beispielsweise ein so genannter Brennwertkessel einen rechnerischen „Wirkungs-grad“ von über 100 % erzielen, was thermodynamisch unmöglich ist, hier aber aus derstatistischen Konvention folgt. In Tabelle 1.2 sind Umrechnungsfaktoren für gebräuch-liche Energieeinheiten aufgeführt.2

kJ kcal kWh kg SKE kg RÖE m2 Erdgas1 Kilojoule (kJ) - 0,2388 0,000278 0,000034 0,000024 0,0000321 Kilokalorie (kcal) 4,1868 - 0,001163 0,000143 0,0001 0,000131 Kilowattstunde (kWh) 3.600 860 - 0,123 0,086 0,1131 Steinkohleeinheit (SKE) 29.308 7.000 8,14 - 0,7 0,923

1 Rohöleinheit (RÖE) 41.868 10.000 11,63 1,428 - 1,3191 m3 Erdgas 31.736 7.580 8,816 1,083 0,758 -

Tabelle 1.2: Umrechnungsfaktoren für Energieträger.

Neben den Umrechnungsfaktoren zwischen verschiedenen Energieeinheiten sind häufigauch Umrechnungen für einzelne Primärenergieträger notwendig. Dies ergibt sich ausunterschiedlichen historischen Bezeichnungen in den verschiedenen Ländern. So gibt esbeispielsweise für Erdöl vier international gebräuchliche Messsysteme, die in Tabelle 1.3aufgeführt sind.

Tonnen Kiloliter Barrels US-Gallonen Tonnen pro JahrTonnen 1 1,165 7,33 307,86 -Kiloliter 0,8581 1 6,2898 264,17 -Barrels 0,1364 0,159 1 42 -US-Gallonen 0,00325 0,0038 0,0238 1 -Barrels pro Tag - - - - 49,81

Tabelle 1.3: International gebräuchliche Umrechnungsfaktoren für Erdöl mit durchschnittli-cher Dichte. Quelle: BP Statistical Review.

Die statistische Erfassung des elektrischen Stroms ist dabei an zwei Stellen möglich:Für Strom als Endenergieträger kann man ermitteln, wie viel Wärme bei Umwandlungaus 1 kWh Strom zu gewinnen ist. Da bei Strom eine fast verlustfreie Umwandlung inWärme technisch möglich ist, ist natürlich 1 kWh Strom mit 3600 kJ zu bewerten. In derStromerzeugung kann man fragen, wie viel Energieträger (Kohle, Gas, . . . ) eingesetztwerden müssen, um 1 kWh zu erzeugen. Da der Wirkungsgrad eines Wärmekraftwerksmit einer Dampfturbine derzeit bei 33 - 45 % liegt, ist dementsprechend Strom in dieser

2Die Zahlenangaben beziehen sich grundsätzlich auf den Heizwert (=“unterer Heizwert“).

6 1 Das Energieproblem

Betrachtung energetisch etwa um den Faktor 2,5 höher auszuweisen. Diese Kennzahlhängt aber offensichtlich von der technischen Effizienz des jeweiligen Kraftwerksparkseiner Volkswirtschaft ab. Seit 1995 wird Kernenergiestrom mit dem tatsächlichen Wir-kungsgrad von 33 % zurück gerechnet (was seinen Beitrag zur „Primärenergie“ stati-stisch erhöht); Wasserkraft- und Windenergiestrom mit 100 % als Primärenergie einge-setzt (was ihren Beitrag in der Primärenergiebilanz gegenüber der früheren Konventionniedriger ausweist).

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt nun, dass in einem geschlosse-nen System die Energiemenge nicht verändert werden kann, sondern lediglich zwischenverschiedenen Erscheinungsformen umgewandelt wird. Demnach kann es eigentlich ausrein physikalischer Sicht keinen Energieverbrauch geben, sondern nur -umwandlungen.Dies zeigt sich beispielsweise daran, dass das Wasser unterhalb der Niagara-Wasserfälleetwas wärmer ist als oberhalb: die potentielle Energie der Höhe hat sich (durch dasReiben und Aufeinanderschlagen der Wassermoleküle) in Wärme umgewandelt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass tendenziell alle Energie-formen in einem geschlossenen System (potentielle, kinetische Energie, Hochtempera-turwärme, . . . ) in „minderwertige“, d.h. gleichförmig verteilte Wärme (etwa auf Umge-bungstemperatur) umgewandelt werden. Sie verlieren somit ihre Fähigkeit, qualitativhochwertige Arbeit zu leisten. In diesem Sinne und weil die Erde derartige „minderwer-tige“ Wärme letztlich ständig ins Weltall abstrahlt, gibt es aus ökonomisch-technischerSicht doch etwas wie Energieverbrauch: Verbraucht wird die qualitativ hochwertigeForm von Energieträgern, die für Produktions- und Konsumprozesse benötigt wird.Derzeit beruht der größte Teil der Welt auf Verbrennungsprozessen 3, bei denen zweichemische Reaktionen dominieren, nämlich die (schnelle) Kohlenstoffoxidation und die(schnelle) Wasserstoffoxidation. Deshalb sollen die Reaktionen (in gerundeten Zahlen)genauer betrachtet werden:

1 kg C + 2,7 kg O2 → 3,7 kg CO2 + 32,8 MJ

1 kg H2 + 8,0 kg O → 9,0 kg H2O + 142,0 MJ

Wenn die unvermeidlichen Kuppelprodukte der Verbrennung Kohlendioxid bzw.Wasser beide harmlos wären, könnte man die Umweltaspekte der Verbrennungsprozessevernachlässigen. Leider haben die Erkenntnisse der Klimaforschung über die letzten 30Jahre sukzessive enthüllt, dass eine weitere Anreicherung der Erdatmosphäre mit CO2

langfristig das Weltklima negativ verändern kann. Offensichtlich wären für Verbren-nungsprozesse Energieträger auf der Basis Wasserstoff unter diesem Aspekt vorzuzie-hen, zumindest solche, die aus einer Mischung von Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen(Erdgas, Mineralöl). Noch besser wären unter diesem Aspekt Energieträger, die nichtauf Verbrennungsprozessen von Kohlenstoff basieren. Für zahlreiche heute wichtige An-wendungen stehen diese aber (noch) nicht in technisch-wirtschaftlich ausgereifter Formzur Verfügung, zumal die kohlenstoffhaltigen Energieträger mit niedrigen Förderkostenderzeit noch reichlich verfügbar sind.

Andere Kuppelprodukte, die aus Umwandlungsprozessen chemisch verunreinigter Brenn-stoffe entstehen (z.B. aus schwefelhaltiger Kohle oder Mineralöl) oder die in Reaktionen3Größenordnung 2008: Mineralöl 34,78 %, Erdgas 24,14 %, Kohle 29,25 %, Atomenergie 5,49 %, Was-serkraft und andere 6,35 %. Quelle: BP Statistical Review of World Energy 2009.

1.3 Energie aus historischer Sicht 7

mit den anderen Bestandteilen der Luft (z.B. Umwandlung von Luftstickstoff bei ho-hen Verbrennungstemperaturen in Stickoxide NOx) erzeugt werden, können zumindestgrundsätzlich durch geeignete Reinigungstechniken entweder im Verbrennungsprozessselbst oder nachträglich im Abgas durch Filter oder Katalysatoren wieder eliminiertwerden.

Die Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen der Lagerstätten, welche von derMenschheit seit etwa knapp 300 Jahren für ihre kommerzielle Energieversorgunggenutzt werden, sind zum größten Teil auf Lebensvorgänge früherer Jahrmillionen zu-rückzuführen: tierische und pflanzliche Überreste gespeicherter Sonnenenergie wurdenunter günstigen Bedingungen vor dem Verrotten bewahrt und stehen deshalb heute zumVerbrennen zur Verfügung.

Der Mensch als Lebewesen nimmt natürlich mit der Nahrung täglich in Pflanzen undFleisch gespeicherte Sonnenenergie auf: die Landwirtschaft, Jagd und Fischerei sind al-so unter energetischen Aspekten nichts weiter als Wirtschaftssektoren zur Ernte undUmwandlung von Sonnenenergie in schmackhafte Formen. Der tägliche biologischeNahrungs- d.h. Energiebedarf richtet sich im wesentlichen danach, welcher Energie-verbrauch des Körpers unterstützt werden muss: Ein Hochleistungssportler oder Schwer-arbeiter benötigt leicht über 4000 kcal pro Tag, ein Büromensch kommt gut mit 1500 -2000 kcal aus, andernfalls speichert der Körper die überschüssige Energiezufuhr in Formvon Fettzellen.

Die technische Bereitstellung von Energie verlangt danach, einen Zustand (po-tentiell) hochwertiger Energie in einen Prozess einzusetzen, einen möglichst großen Teildieser Energie für gewünschte Zwecke zu nutzen und schließlich in einen Zustand minder-wertiger Energie (Wärme auf oder nur geringfügig über der Umgebungstemperatur) um-zuwandeln. Der Autofahrer wandelt den Energiegehalt seines Benzintanks durch einenkontrollierten Explosionsprozess im Motor in Bewegungsenergie um, wobei der Wir-kungsgrad (Verhältnis von effektiv für den Transport genutzter Energie zu eingesetzterEnergie) hier sehr niedrig ist. Ein Teil der Energie wird zunächst als Fortbewegunggenutzt und wird zuletzt in Wärme (Rollreibung der Reifen, Abwärme des Motors, dieim Winter für Heizzwecke des Fahrzeugs teils mitgenutzt wird) umgewandelt.

1.3 Energie aus historischer Sicht1.3.1 Allgemeine EntwicklungSeitdem die Menschen anfingen, kontrolliert das Feuer für Heizzwecke, zum Kochenund Braten und zur Verteidigung gegen angreifende Feinde einzusetzen, griffen sie aufEnergieträger aus der Natur zurück. Die thermischen Energieanwendungen (Heizen,Kochen, Schmelzen von Erzen und Metallen) basierten zum größten Teil auf Holz undHolzkohle, mechanische Energie wurde anfangs ausschließlich durch tierische Zugkraft,dann aber auch zunehmend durch Wasserkraft oder Windenergie bereitgestellt. Auchder Einsatz von Sklaven, etwa auf Galeeren, kann als Ausnutzung von menschlichenKraftquellen für Antriebe von Schiffen betrachtet werden.

Weit bis in die Neuzeit lieferten vielfältige Formen der so genannten regenerierba-