Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kraftwerke (CSP) am Beispiel Desertec-Projekt unter besonderer Berücksichtigung der Clean Development Mechanism (CDM)

Diplomarbeit von Benjamin Braun

Einleitung:

Der Weltenergieverbrauch ist seit Beginn der Industrialisierung ausnehmend stark angestiegen, wobei ein Mensch heute im Durchschnitt etwa 15mal mehr Energie als vor 130 Jahren verbraucht. In absehbarer Zukunft wird sich dieser Wachstumstrend noch weiter steigern.

Die weltweite Energieversorgung basiert dabei hauptsächlich auf der Verbrennung fossiler Energieträger. Dadurch werden Luftschadstoffe wie Schwefeldioxid und Stickoxide freigesetzt. Ferner gelangen innerhalb weniger Jahrzehnte zusätzliche Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre, die über mehrere Jahrmillionen bei der Entstehung der fossilen Brennstoffe als Kohlenstoff gebunden wurden. Dies führt zur Verstärkung des Treibhauseffektes und der globalen Erwärmung, mit allen damit verbundenen, möglichen dramatischen Folgen für das Ökosystem Erde samt seinen Bewohnern. Energiebedingte Kohlendioxidemissionen tragen dabei etwa zur Hälfte zum menschlich verursachten Treibhauseffekt bei.

Durch die Nutzung regenerativer Energien entstehen keine oder nur sehr wenig der oben aufgeführten Problematiken. Regenerative Energien bieten die Chance einen nachhaltigen Energiepfad einzuschlagen. Die Sonne ist dabei die Energiequelle fast aller regenerativen Energien, die nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich ist. Die Wüsten der Erde empfangen in 6 Stunden mehr Energie, als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Abgesehen von der Geothermie und der Gezeitentechnologie nutzen alle regenerativen Energien die eingestrahlte Sonnenenergie direkt oder indirekt. Sonnenkollektoren, solarthermische Kraftwerke und Solarzellen nutzen die Sonnenenergie direkt, wobei diese jedoch derzeit noch nicht wettbewerbsfähig sind und weiterer ökonomischer Verbesserungen und Entwicklungen bedürfen.

Mit Hilfe der Stromgestehungskosten kann die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kraftwerke dargestellt werden. Besondere Beachtung findet die Behandlung der Stromgestehungskosten der Parabolrinnentechnologie. Dabei soll herausgefunden werden, welche Faktoren wie stark auf die Stromgestehungskosten Einfluss nehmen. Der Standort Wüste wird dabei unter Berücksichtigung des DESERTEC-Projekts speziell behandelt. Zusätzlich erfolgt eine Betrachtung, wie sich der Clean Development Mechanismus auf die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kraftwerke auswirkt.

Zuerst wird die allgemeine Funktionsweise solarthermischer Kraftwerke beschrieben und anhand von Beispielen aus der Praxis veranschaulicht. Zudem werden Praxisbeispiele von HGÜ-Verbindungen erörtert. Darauf folgt eine Beschreibung des DESERTEC-Projekts und des Clean Development Mechanism (CDM). Überdies wird die aktuelle Situation des solarthermischen Kraftwerkmarkts dargestellt. Ferner werden die Einflussfaktoren der Stromgestehungskosten näher untersucht. Dazu erfolgt eine genaue Betrachtung der Investitionskosten, der Betriebskosten, des Annuitätsfaktors und des Jahresertrags, wobei der Standort erheblichen Einfluss auf diese Faktoren nimmt. Hierzu wird der Standort Wüste mit dessen Vor-, Nachteilen und Risiken besonders hervorgehoben. Weiterhin wird auf den Einsatz eines thermischen Speichers, dessen Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit eines solarthermischen Kraftwerks und die Möglichkeit zur Grundlastversorgung und Planbarkeit eingegangen. Außerdem werden Kostenreduktionsschätzungen und die dazugehörigen Lernraten der Parabolrinnentechnologie aufgezeigt. Schließlich wird erläutert, welchen Einfluss der CDM auf die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kraftwerke hat und mit welchen grundlegenden Problemen bei der Durchführung eines CDM-Projekts zu rechnen ist. Zuletzt wird die heutige und zukünftige Wettbewerbsfähigkeit solarthermischer Kraftwerke kurz erläutert. Dadurch soll geklärt werden, inwieweit solarthermische Kraftwerke heute wirtschaftlich betrieben werden können und welche Faktoren wie stark auf die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kraftwerke Einfluss nehmen. Besonders die ökonomischen Ergebnisse der DESERTEC-Studien werden einer kritischen Betrachtung unterzogen.

In dieser Arbeit werden nur solarthermische Kraftwerke behandelt, welche die Sonnenstrahlen konzentrieren. Infolgedessen wird auf nicht-konzentrierende solarthermische Anlagen wie z.B. das Aufwindkraftwerk aufgrund des sehr frühen Entwicklungsstadiums, indem sich diese Technologie befindet, nicht näher eingegangen. Außerdem werden die Grundlagen des CDM und dessen Verknüpfungen mit dem Kyoto-Protokoll und dem Emissionshandel nur kurz erörtert. Eine nähere Betrachtung dieser beiden Komponenten würde den Rahmen der Arbeit sprengen.

Das DESERTEC-Konzept beschreibt die Perspektiven einer nachhaltigen Strom- und Trinkwasserversorgung für die EUMENA-Region bis zum Jahr 2050. Ferner werden im Konzept alle regenerativen Energien mit einbezogen. Diese Arbeit beleuchtet jedoch ausschließlich solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung, wobei hauptsächlich auf die nordafrikanische Region eingegangen wird. Eine weiterführende Bearbeitung des DESERTEC-Konzepts würde den Rahmen der Arbeit sprengen. Zudem wäre eine detaillierte politische Beurteilung oder eine erschöpfende Betrachtung des Leitungsbaus, jeweils ein eigenständiges Diplomarbeitsthema, weshalb hier darauf verzichtet wurde. Ferner bleibt die Entwicklung der Brennstoffpreise, die einen signifikanten Einfluss auf die Stromgestehungskosten nimmt, in dieser Arbeit aufgrund der thematischen Vielfältigkeit unberücksichtigt.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4, Das DESERTEC Projekt:

In diesem Kapitel wird das DESERTEC Projekt vorgestellt, wobei unter anderem auf die Gründung, die Mitglieder, die Ziele und das Vorhaben eingegangen wird. Dabei wird dargestellt, welche Kapazitäten wo installiert, wie der Strom nach Europa transportiert werden soll und welche Investitionen dafür notwendig wären. Die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kraftwerke wird im weiteren Verlauf der Arbeit mitunter auf Basis der DESERTEC-Studien erörtert.

Der Club of Rome, der Hamburger Klimaschutz-Fonds und das Jordanische Nationale Energieforschungszentrum (NERC) gründeten im September 2003 die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC). TREC verfolgt das Ziel die Energieversorgung für Europa (European Union, EU), den Nahen Osten (Middle East, ME) und Nordafrika (North Africa, NA) mit regenerativen Energien durch eine Kooperation dieser Länder schnell und kostengünstig herzustellen. Heute besteht TREC aus über 60 Wissenschaftlern, welche hauptsächlich aus der EUMENA-Region stammen. TREC war an der Durchführung von drei Studien des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) beteiligt - MED-CSP, TRANS-CSP und AQUA-CSP. MED-CSP untersuchte die verfügbaren Ressourcen an erneuerbaren Energien in der MENA-Region und den erwarteten Bedarf an Strom und Wasser bis 2050 in der EUMENA-Region. TRANS-CSP untersuchte den Aufbau eines Stromverbundes zwischen der EU und der MENA-Region. Diese beiden Studien wurden in den Jahren 2004 bis 2006 durchgeführt. AQUA-CSP wurde Ende 2007 fertig gestellt und untersuchte den Bedarf, das Potential und die Auswirkungen von solarer Meerwasserentsalzung in der MENA-Region. Auf diesen drei Studien basiert das DESERTEC Konzept, welches von Mitgliedern der TREC entwickelt wurde. Es verfolgt das allgemeine Ziel, wichtige Lebensgrundlagen der Menschheit sicherzustellen. Die Basis dafür soll eine nachhaltige, entwicklungsfördernde und konfliktvermeidende Form der Energiegewinnung schaffen. Mit steigendem Interesse in Politik und Öffentlichkeit wurde Ende 2008 die DESERTEC Foundation, mit Dr. Gerhard Knies als Aufsichtsratvorsitzenden, gegründet. Der Club of Rome und Mitglieder der TREC aus vier Kontinenten, darunter auch Prinz Hassan aus Jordanien, sind die Gründer dieser Organisation. Dr. Thiemo Gropp und Katrin-Susanne Richter sind die Vorstände der DESERTEC Foundation. Mittlerweile ist Max Schön, Präsident der Deutschen Gesellschaft Club of Rome, Vorsitzender des Aufsichtsrats. Dabei ist die DESERTEC Foundation eine Stiftung, die als Botschafterin und Förderin des DESERTEC Konzepts dient. Somit koordiniert sie die Aktivitäten und die globale Realisierung des DESERTEC-Konzepts. Sie versucht politische, ökonomische und zivilgesellschaftliche Interessen zu bündeln, um somit zu mehr politischem Einfluss zu gelangen. Zusätzlich soll durch Öffentlichkeitsarbeit eine breite Unterstützung gewonnen werden. Im Oktober 2009 haben zwölf Unternehmen und die DESERTEC Foundation die DESERTEC Industrial Initiative GmbH (DII) gegründet. Ziel der DII ist eine zügige Umsetzung des DESERTEC Konzepts.

4.1, DESERTEC Konzept:

Das DESERTEC-Konzept beschreibt die Perspektiven einer nachhaltigen Strom- und Trinkwasserversorgung für die EUMENA-Region bis zum Jahr 2050. In dieser Arbeit wird ausschließlich auf die Stromversorgung eingegangen. Außerdem wird auf eine globale Realisierung des Konzepts hingearbeitet. Das Konzept nutzt hauptsächlich die Strahlungsenergie in den Wüstengebieten der Erde, wodurch den globalen Problematiken - Energiemangel, Wassermangel, Nahrungsmittelknappheit und Klimawandel - der kommenden Jahrzehnte entgegengewirkt werden soll. Der Fokus liegt zwar auf den Bau solarthermischer Kraftwerke in den Wüstengebieten der Erde, allerdings ist dies nur ein Teil eines Energiemix aus allen regenerativen Energien ist. In dieser Arbeit werden jedoch ausschließlich solarthermische Kraftwerke beleuchtet. Das DESERTEC Konzept sieht sich mit seiner Zentralisierung nicht als Konkurrenz, sondern vielmehr als Ergänzung zu den jeweiligen regionalen, dezentralen, regenerativen Energiemixen. Außerdem bietet das Konzept neue Wohlstands- und Entwicklungsperspektiven für Entwicklungs- und Schwellenländer, sowie viel versprechende Wachstumsbereiche für die wirtschaftlich führenden Länder.

Um den heutigen globalen Strombedarf von 18.000 TWh/a (Terrawattstunden pro Jahr) zu decken, müssten ca. 120.000 km2 der Wüstenflächen mit Kollektorfeldern solarthermischer Kraftwerke ausgestattet werden. Pro Mensch wären das 20 m2, um den eigenen Strombedarf Tag und Nacht zu decken.

Solarthermische Kraftwerke könnten auf einem Gebiet von weniger als 0,3 Prozent der Wüstenflächen der MENA-Region genügend Strom und entsalztes Wasser für den steigenden Bedarf dieser Länder und für Europa erzeugen. Vor allem solar-thermische Kraftwerke in Wüstenregionen können im Jahr 2050 mehr als die Hälfte des dann anfallenden Strombedarfs in der EUMENA-Region ökonomisch erzeugen.

DESERTEC will eine Kapazität von 100 GW solarthermischer Kraftwerksleistung und somit bis 2050 eine jährliche Stromerzeugung von 700 TWh erreichen. Die Investitionskosten belaufen sich dabei auf etwa 350 Milliarden Euro. Zum Vergleich: Während der 1990er Jahre lag das jährliche, globale Investitionsvolumen im Stromsektor bei etwa 158-186 Mrd. Euro pro Jahr. Zudem ist das Projekt auf rund 40 Jahre ausgelegt, wobei die Investitionskosten auf viele Länder aufgeteilt würden. Die ersten Kraftwerke könnten in sechs bis acht Jahren entstehen. Als ‘Kick-Off-Projekt’ stellen sich die Planer ein 1-GW-Projekt in Ägypten vor, das den Gaza-Streifen mit Energie und Trinkwasser versorgen soll.