Analyse von Energie- und Umweltpolitiken mit DIOGENES Umwelt- und Ressourcenökonomie K.L. Brockrnann, J. Hemmelskamp, O. Hohmeyer Zertifiziertes Tropenholz und Verbraucherverhalten 1996, ISBN 3-7908-0899-7 K. Rennings, K. L. Brockmann, H. Koschel, H. Bergmann, I. Kühn Nachhaltigkeit, Ordnungspolitik und freiwillige Selbstverpflichtung 1997, ISBN 3-7908-0975-6 H. Kosche!, K. L. Brockrnann, T.F.N. Schmidt, M. Stronzik, H. Bergmann Handelbare SOrZertifikate für Europa 1998, ISBN 3-7908-1135-1 T.F.N. Schmidt Integrierte Bewertung umweltpolitischer Strategien in Europa 1999, ISBN 3-7908-1195-5 F. Pfeiffer, K. Rennings (Hrsg.) Beschäftigungswirkungen des Übergangs zu integrierter Umwelttechnik 1999, ISBN 3-7908-1181-5 J. Hemmelskamp UmweItpolitik und technischer Fortschritt 1999, ISBN 3-7908-1222-6 W. Bräuer, O. Kopp, R. Rösch Ökonomische Aspekte internationaler Klimapolitik 1999. ISBN 3-7908-1206-4 K. L. Brockrnann, M. Stronzik, H. Bergmann Emissionsrechtehandel 1999. ISBN 3-7908-1232-3 Stefan Vögele Analyse von Energie und Umweltpolitiken mit DIOGENES Ein gesamtwirtschaftliches Modell und seine Anwendung auf die Elektrizitätswirtschaft in Baden-VVürttennberg Mit 60 Abbildungen und 22 Tabellen Forschungsbereich Springer-Verlag Berlin Umwelt- und Ressourcenökonomik Heidelberg GmbH Umweltmanagement des ZEW Reihenherausgeber Dr. Christoph Böhringer Autor Dr. Stefan Vögele Oberstraße 25 52070 Aachen Deutschland E-mail: [email protected] ISBN 978-3-7908-1370-8 ISBN 978-3-642-57600-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-57600-3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Vögele, Stefan: Analyse vOn Energie- und Umweltpolitiken mit DIOGENES: ein gesamtwirt schaftliches Modell und seine Anwendung auf die Elektrizitätswirtschaft in Baden-Württem berg / Stefan Vögele. - Heidelberg: Physica-Verl., 2001 (Umwelt-und Ressourcenökonomie) Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder vOn Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuläs sig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestim mungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001 Ursprünglich erschienen bei Physica-Verlag Heidelberg 2001 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu be trachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. SPIN 10792285 88/2202-5 4 3 2 I 0 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Zentrum für Euro päische Wirtschaftsforschung GmbH (ZEW) in Mannheim. Es handelt sich hierbei um eine überarbeitete Version meiner Doktorarbeit, die im Februar 2000 vom Fachbereich Wirtschaftswissenschaften der Universität Osnabrück als Dissertati onsschrift angenommen wurde. Mein besonderer Dank gilt meinen Doktorvater Prof. Dr. Bernd Meyer und Herrn Prof. Dr. Ralf Pauly, der freundlicherweise das Korreferat übernahm. Beide standen mir bei der Anfertigung der Arbeit stets mit wertvollen Anregungen und konstruktiver Kritik zur Seite. Ebenfalls herzlich möchte ich mich bei Prof. Dr. Olav Hohmeyer und Herrn Dr. Christoph Böhringer bedanken. Sie standen mir in zahlreichen Diskussionsrunden hilfreich zur Seite und förderten die Erstellung der Dissertation am ZEW. Zu erwähnen sind ferner Herr Dipl-Kfm. Tim Hoffmann und Frau Dipl.-Vw. Dagmar Nelissen, die mich sowohl fachlich als auch bei der Durchführung von Korrekturarbeiten unterstützten. Ein ganz besonder Dank gilt Johanna Bollinger. Ohne Ihre Verständnisbereit schaft für meine Arbeit und ihre aktive Mithilfe bei sprachlichen Formulierungen, wäre die Dissertation in der vorliegenden Form nicht zustande gekommen. Aachen im September 2000 Stefan Vögele Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ..................................................... 1 2 Technischer Fortschritt in ökonomischen Modellen .................. 5 2.1 Innovation und technischer Fortschritt ............................ 5 2.1.1 Entstehung von Neuerungen (Inventionen) ................... 6 2.1.2 Einsatz von Neuerungen (Innovation) ....................... 7 2.1.3 Verbreitung von Neuerungen (Diffusion) .................... 9 2.1.4 Fallbeispiel: Die Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft in der Bundesrepublik Deutschland ........................ 11 2.2 Ansätze zur Erfassung des technischen Fortschritts in ökonomischen Modellen .................................... 18 2.2.1 Induzierter technischer Fortschritt ......................... 18 2.2.2 Autonomer technischer Fortschritt ......................... 22 2.2.3 Schlußfolgerungen ..................................... 24 2.3 Die Erfassung der Auswirkungen des technischen Fortschritts in ökonomischen Modellen .......................... 27 2.3.1 Technische Prozeßmodelle ............................... 27 2.3.2 Input-Output Modelle ................................... 28 2.3.3 Angewandte Allgemeine Gleichgewichtsmodelle ............. 31 2.3.4 Neo-österreichische Modelle ............................. 34 2.4 Schlußfolgerungen .......................................... 37 3 Beschreibung des Modells DIOGENES ........................... 41 3.1 Aufbau des Grundmodells .................................... 41 3.1.1 Beschreibung des Grundmodells .......................... 41 3.1.2 Die Endogenisierung der Investitionsnachfrage .............. 51 3.1.3 Erweiterung des Modells zur Erfassung der ökologischen Auswirkungen ökonomischer Aktivitäten ........ 53 3.1.4 Erfassung des technischen Wandels ........................ 56 3.2 Besonderheiten des Sektors Elektrizitätswirtschaft ................. 58 3.2.1 "Produktspezifische" Besonderheiten ...................... 58 3.2.2 Rechtliche Situation der Elektrizitätswirtschaft ............... 59 3.2.3 Preisbildung in der Elektrizitätswirtschaft ................... 60 3.2.4 Besonderheiten hinsichtlich der Produktion ................. 63 3.3 Anpassung des Modells an die Elektrizitätswirtschaft ............... 66 3.3.1 Inventionen, Innovationen, Diffusion ..................... . . 66 3.3.2 Veränderung des Kraftwerkmixes ......................... 67 viii Inhaltsverzeichnis 3.3.3 Ermittlung des optimalen Einsatzes der einzelnen Kraftwerke .. 77 3.3.4 Ermittlung der Gesamteffekte ............................ 80 3.4 Schlußfolgerungen .......................................... 81 4 Die Auswirkungen der Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft auf Baden-Württemberg ••••••...•...••••••. 83 4.1 Implementierung des Modells ................................. 83 4.1.1 Datenerfordernisse ..................................... 83 4.1.2 Beschreibung des verwendeten Daterunaterials ............... 84 4.1.3 Evaluierung des Modells ................................ 86 4.2 Modellrechnungen .......................................... 91 4.2.1 Vorbemerkungen ...................................... 91 4.2.2 Beschreibung der Ausgangssituation ....................... 93 4.2.3 Referenzszenario ...................................... 107 4.2.4 Szenario "Ökosteuer I" ................................. 114 4.2.5 Szenario "Ökosteuer 11" ................................ 123 4.3 Amnerkungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Bundesländer ..................................... 131 4.4 Schlußfolgerungen ......................................... 137 5 Zusammenfassung und Ausblick •••••••••••••••••••••••••••••.•• 139 Anhang •••••••..••••••••••....••••••••.••••••••••••.•.••••.•••• 141 A Entwicklung der Produktionswerte einzelner Sektoren in verschiedenen Szenarien ..................................... 141 B Annuitäten der einzelnen Kraftwerkstypen in verschiedenen Lastbereichen ................................. 155 Abbildungsverzeichnis .................•......•.••••........•••.. 159 Tabellenverzeichnis ..•.••••.•.••••.....•.•...•.....••••••....•.. 161 Symbol-und Abkürzungsverzeichnis •••••.•••••••••.••••.••••••.•.. 163 Literatur •••••••......••••••••••....•••.•........•••...••.•.••. 171 1 Einleitung Aufbauend auf der Erkenntnis, daß sowohl der Bestand an Naturgütern als auch die Kapazität der Natur Schadstoffe aufzunehmen beschränkt sind, jedoch durch die zunehmenden ökonomischen Aktivitäten der Verbrauch an Ressourcen und die Emissionen stetig ansteigen, wurde 1987 im Brundtlandbericht das Konzept des "Sustainable Development" entwickelt. "Sustainable Development" wird in die sem Bericht definiert als " ... process of change in which exploitation of resources, the direction of investments, the orientation of technological development, and institutional change are all in harmony and enhance the potential of current and future generations to meet human needs and aspirations" (WORLD COMMISSION ON ENVIRONMENT AND DEVELOPMENT 1987:46). Sowohl im Brundtlandbericht als auch auf der Konferenz von Rio de Janeiro und den Folgekonferenzen wird technischer Fortschritt als ein wichtiges Element zur nachhaltigen Sicherung der Lebensgrundlage heutiger und zukünftiger Genera tionen angesehen (vgl. z.B. WORLD COMMISSION ON ENVIRONMENT AND DEVELOPMENT 1987:60, BMU 1992:45). Im Rahmen der Diskussionen bzgl. der Erreichung von Umweltzielen, die sich aus der Zielsetzung eines "Sustainable Development" ergeben, wurde eine Viel zahl von Modellen entwickelt, mit denen untersucht wird, wie umweltpolitische Zielvorgaben erreicht werden können bzw. welche Auswirkungen sie auf die öko nomische Entwicklung haben. Zu nennen sind hierbei beispielsweise die Modelle des DlW (1994), von CONRAD/SCHMIDT (1995) und MEYER ET AL. (1999), die u.a. für die Analyse der Auswirkungen ökonomischer Instrumente eingesetzt werden. In der Regel wird in den Modellen nicht darauf eingegangen, wie technische Entwicklungen auf regionaler Ebene verlaufen, ob dort technische bzw. umweltpo litische Ziele erreicht werden können und welche Auswirkungen der Einsatz öko nomischer Instrumente auf die technische Entwicklung einzelner Regionen hat. Anhand des Beispiels der Elektrizitätswirtschaft von Baden-Württemberg wird im folgenden gezeigt, wie sich regionale Strukturen und Restriktionen sowie die geringe Anzahl von Beobachtungsobjekten auf die technische Entwicklung eines Sektors auswirken und wie diese verläuft. Der Sektor Elektrizitätswirtschaft wurde als Beispiel gewählt, weil die Erreichung von Umweltzielen wie beispielsweise die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um 25% unter das Niveau von 1987 in besonderem Maße von der zukünftigen Entwicklung dieses Sektors abhängt. So werden ca. 30% der gesamten Kohlendioxid- und ca. 45% der Schwefeldioxide missionen in der BRD in diesem Sektor freigesetzt. Um die technische Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft von Baden-Württem berg erfassen und analysieren zu können, wird das Modell DlOGENES (Dynamic 2 Einleitung Input-Output Model for General Environmental and Economic System Analysis) erstellt. Das Modell basiert auf einem von LEONTIEF, SYLD und DUCHIN entwickel ten Modellansatz. Mit diesem lassen sich durch die Berücksichtigung von inter temporalen Investitionstätigkeiten dynamische Entwicklungen darstellen (vgl. LEONTIEFlDuCHIN 1986, EDLER 1990). Das Modell wird so erweitert, daß neben intertemporalen Abhängigkeiten wie beispielsweise der lange Zeithorizont bei Investitionsentscheidungen und die inter temporale Struktur von Investitionsaktivitäten auch die Veränderungen des zur Verfügung stehenden Prozeßmixes über die Zeit berücksichtigt werden können. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Erfassung der Abhängigkeit der technischen Entwicklung von der Altersstruktur der vorhandenen Kapitalstöcke. Die Bestimmung des Prozeßmixes, der zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Elektrizitätswirtschaft eingesetzt wird bzw. werden soll, erfolgt mittels eines sek toralen Optimierungsansatzes, in den technische (z.B. Substituierbarkeit einzelner Techniken wie z.B. Atomkraft durch Windkraft oder Photovoltaik), gesellschafts politische (z.B. Konsens bzgl. der Nutzung von Kernenergie) und rechtliche Restriktionen miteinfließen. Bei der Entwicklung von DIOGENES steht die Erfassung der technischen Ent wicklung auf Prozessebene und nicht gesamtwirtschaftliche Fragestellungen im Vordergrund. Technische Substitutionsvorgänge in der Elektrizitätswirtschaft wer den entsprechend sehr detailliert abgebildet, während, - um die Komplexität des Modells in Grenzen zu halten, - gesamtwirtschaftlichen Struktureffekte nur einge schränkt erfaßt werden. Vereinfachende Annahmen werden u.a. hinsichtlich des volkswirtschaftlichen Kreislaufs der Entstehung und Verwendung von Einkommen bzw. Gütern und Dienstleistungen unterstellt. Das gesamtwirtschaftliche Input-Output Modell, in das das technische Partial modell eingebettet ist, dient primär zur Abschätzung der aus der technischen Ent wicklung der Elektrizitätswirtschaft resultierenden gesamtwirtschaftlichen Effekte. Aufgrund der getroffenen Annahmen eignet sich das Modell nicht für die Erstel lung von Prognosen bzw. für komplexe gesamtwirtschaftliche Analysen. Da sich in dem Modell die Veränderung des eingesetzten Prozessrnixes modellendogen ergibt, eignet es sich trotz der Vereinfachungen besonders für die Darstellung der technischen Entwicklung von Sektoren, bei denen sich das Prozessrnix nicht konti nuierlich sondern schrittweise verändert. Dies ist aufgrund der Altersstruktur des Kapitalstocks der Elektrizitätswirtschaft und des nur geringen Erweiterungsbedarfs bei der Elektrizitätswirtschaft von Baden-Württemberg der Fall: In Baden-Würt temberg wird derzeit ca. 58 % der Elektrizität mit Kernenergie, ca. 26 % mit Kohle und 9 % mit Wasserkraft erzeugt. Der Anteil von Erdgas an der gesamten Stromerzeugung liegt bei ca. 4,5 %. Von geringer Bedeutung für die Stromversor gung sind derzeitig Heizöl und Energieträger wie z.B. Müll, Dieselkraftstoff, Ölschiefer usw. Für die Zukunft besteht in der Elektrizitätswirtschaft nur ein gerin ger Erweiterungsbedarf. Dafür muß jedoch in den nächsten beiden Jahrzehnten fast der ganze Kraftwerkspark erneuert werden. Besonders hoher Ersatzbedarf besteht in den Jahren, in denen Kernkraftwerke ersetzt werden müssen. Zu anderen Zeit punkten ist die Investitionsnachfrage und somit auch die Nachfrage nach neuen Kraftwerken vergleichsweise gering. Einleitung 3 Die Schwankungen in der Investitionsnachfrage seitens der Elektrizitätswirt schaft sowie die schrittweise Veränderung des Vorleistungseinsatzes in diesem Sektor wirken sich nur gering auf die gesamtwirtschaftliche Entwicklung aus. Die Höhe und der zeitliche Verlauf der Kohlendioxidemissionen werden hingegen sehr stark durch die technische Entwicklung der Elektrizitätswirtschaft beeinflußt. Ins besondere beim Ersatz der Kernkraftwerke durch Kohle- bzw. Erdgaskraftwerke ist mit einem sprunghaften Ansteigen der Emissionen zu rechnen. Am Beispiel eines in Anlehnung an die DIW Studie von 1994 erstellten Öko steuerszenarios, wird gezeigt, daß Preissignale, die nicht auf die vorliegenden Gegebenheiten und Restriktionen abgestimmt sind, zu Effekten führen, die der eigentlichen Zielsetzung entgegenwirken. Die nur ungenügende Beachtung der beim Einsatz der einzelnen Energieträger entstehenden Umweltbelastungen, der unterschiedlichen Anteile der Brennstoffkosten an den Gesamtkosten bei den ein zelnen Kraftwerkstypen sowie der Anforderungen an die verschiedenen Lastberei che führt dazu, daß anstelle emissionsarmer Erdgaskraftwerke Kohlekraftwerke gebaut werden. Dies hat zur Folge, daß die Emissionen der Elektrizitätswirtschaft gegenüber dem Referenzszenario trotz Rückgang der Stromnachfrage nur gering sinken. Wie der Vergleich mit einem an die Vorgehensweise von MEYER ET AL. (1999) erstellten Szenario zeigt, kann mit einer Ökosteuer, bei der technische bzw. chemische Zusammenhänge (z.B. der Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die Koh lendioxidemissionen) berücksichtigt werden, eine erheblich höhere Reduktion der Kohlendioxidemissionen bei einer gleichzeitig geringeren gesamtwirtschaftlichen Belastung erzielt werden. Das Beispiel der Elektrizitätswirtschaft von Baden-Württemberg zeigt, daß die Nichtbeachtung des schrittweisen Verlaufs technischer Veränderungen zu einer Fehleinschätzung der Geschwindigkeit mit der umweltpolitische Ziele erreicht werden können bzw. der kurzfristig vorhanden technischen Substitutionsmöglich keiten führen kann. Um unnötige Belastungen der Wirtschaft zu vermeiden, sind der Aufbau der sektoralen Kapitalstöcke und das Vorliegen von Restriktionen ins besondere dann zu beachten. wenn technische Entwicklungen beispielsweise durch den Einsatz ökonomischer Instrumente beeinflußt werden sollen. Bevor im dritten Kapitel das Modell DIOGENES vorgestellt wird, wird zunächst kurz beschrieben, wie technischer Fortschritt derzeit in ökonomischen Modellen abgebildet wird. Die Anwendung des Modells DIOGENES auf die Elek trizitätswirtschaft von Baden-Württemberg erfolgt im vierten Kapitel.