Energie, Wirtschaftswachsturn und technischer Fortschritt R. Kiimmel, D. Lindenberger und W. Eichhorn

Der entscheidende Fehler der traditionellen Okonomie ... ist die Aujerachtlassung der Energie als Produktionsfaktor.

H. C. Binswanger und E. Ledergerber, I974

Das Wachstum industrieller Wertschopfung in den USA, Japan und Deutschland wahrend dreier Dekaden wird okonometrisch beschrieben. Dabei tritt die Energie den ProduktionsfaktorenKapital und Arbeit als gleichberechtigter Partner zur Seite. Man erhalt gute Ubereinstimmung zwischen Theorie und Empirie, auch und gerade in den Rezessionszeiten nach der ersten und der zweiten Olpreisexplosion, indem man die relativen Beitrage der Produktionsfaktoren zur Wertschopfung technologisch-empirisch bestimmt und nicht, wie sonst ublich, den jeweiligen Kostenanteilen gleichsetzt. Die sog. Produktionselastizitiit der Energie, d. h. - grob gesagt - der prozentuale Zuwachs der Wertschopfung bei einprozentigem Zuwachs des Energieeinsatzes, ist im zeitlichen Mittel rnit rund 0,5 in etwa so groB wie die entsprechenden Elastizitiiten von Kapital und Arbeit zusammen. Auf diese Weise wird ein wesentlicher Teil des mit wachsender Automation verbundenen technischen Fortschritts erfallt. Die zweite Komponente technischen.. Fortschritts zeigt sich in zeitweiligen Anderungen der im Modell auftretenden Technologieparameter, die auf deutliche Effizienzverbesserungen der Energieumwandlungstechniken nach der ersten Olpreisexplosion hinweisen. Zwei zukunftige Entwicklungspfade, rnit energietechnischen Innovationen und ohne, werden diskutiert.

Prof. Dr. Reiner Kiimmel, Dietmar Lindenberger, Institut fur Theoretische Physik, Universitiit Wiirzburg, D-97074 Wiirzburg - Prof. Dr. Dr. h.c. Wolfgang Eichhorn, Institut fur Wirtschaftstheorie und Operations Research, Universitiit Karlsruhe, D-76128 Karlsruhe

Phys. B1.53 (1997) Nr. 9

1. Einleitung Die traditionelle Okonomie fuhrt die industrielle Wertschopfung') auf die Produktionsfaktoren Kapital und Arbeit zuriick. Hinzu kommt, daB ,,zeitgenossische Wirtschaftstheoretiker glauben, daB wissenschaftlicher und technischer Fortschritt in den Industrienationen die quantitativ wichtigste Ursache fur Wachstum war und noch ist" [I].*) Energie geriet stLker als bisher ins Blickfeld der Okonomen, als im Gefolge der vom JomKippur-Krieg ausgelosten ersten Olkrise der Roholpreis von knapp 10 US$ pro Barrel im Jahre 1973 auf uber 30 US$ im Jahre 1975 sprang und nach kurzer Beruhigung vom irakisch-iranischen Krieg auf uber 55 US$ im Jahre 1981 getrieben wurde (alle Angaben in inflationsbereinigten US$ des Jahres 1993). 1985 sturzte der Olpreis auf 20 $ ab, verharrte bis 1992 rnit leichten Fluktuationen auf diesem Niveau [2] und sank dann nochmals. Nach diesem dritten, sog. negativen Olpreisschock wurden besonders in den USA Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien und der rationellen Energieanwendung zuriickgefahren, und Energiefragen blieben nur noch insofern von okonomischem Interesse, als die begrenzte Aufnahmekapazitat der Biosphae fur Emissionen aus Energieumwandlungsprozessen immer deutlicher von Wissenschaft und Offentlichkeit als Problem erkannt wird [3,4]. Der Ruckgang des die Preise der anderen Energietrager mdgeblich beeinflussenden Olpreises lieB die Frage nach dem Zusammenhang zwischen Energieeinsatz und Wirtschaftswachstum wieder weit in den Hintergrund treten, wohin sie nach Ansicht zahlrei-

I ) Mit ,,Wertschopfing " eines Wirtschafssektors bezeichnen wir hier den Beitrag dieses Sektors zum Bruttoinlandprodukt. 2J Der in Agratwirtschaften wichtige Faktor Boden hat nur noch als Gebaudestandort und Rohstoffquelle eine Bedeutung.

cher Okonomen auch gehort, weil Energie im Vergleich zu Kapital und Arbeit so billig ist, daB ihr okonomischer EinfluB nur marginal sein konne. In einer kritischen Auseinandersetzung rnit der These, da13 der Konjunktureinbruch in den marktwirtschaftlich orientierten Ind~strielandern~) wahrend der Jahre 1973- 1975 mit der in dieselbe Zeit fallenden ersten Olpreisexplosion zusammenhangen konnte, formulierte das der Okonometer Edward F. Denison quantitativ folgendermaBen: ,,Energy gets about 5 percent of the total input weight in the business sector ...the value of primary energy used by nonresidential business can be put at $42 billion in 1975, which was 4.6 percent of a $916 billion nonresidential business national income. ... If ... the weight of energy is 5 percent, a 1percent reduction in energy consumption with no change in labor and capital would reduce output by 0.05 percent" [ 5 ] . Mit anderen Worten: Da die Energiekosten im industriellen Sektor der USA weniger als 5 % der Wertschopfung (sowie auch der Gesamtfaktorkosten) in diesem Sektor ausmachen und die (neoklassische)Okonomie postuliert, d a j der Beitrag eines Produktionsfaktors zur Wertschopfung im wesentlichen seinem Kostenanteil entspricht, konne der empirisch festgestellte und in Abb. 1 gezeigte Ruckgang des Energieeinsatzes um 7,3 % im Sektor ,,Industries" der USA zwischen 1973 und 1975 nicht mit dem beobachteten Ruckgang der Industrieproduktion um 5,3 % zusammenhangen. Ahnliche Kostenverhaltnisse wie in den USA liegen auch in den anderen hochindustrialisierten Landern vor. So beliefen sich im industriellen Sektor ,,Warenproduzierendes Gewerbe" der alten BR Deutschland die Faktorkosten in den Jahren 1970 bzw. 1981 fur Kapital auf 81 bzw. 156 Mrd. DM, fur Arbeit auf 213 bzw. 258 Mrd.

Die Abb. 1 - 3 zeigen diesen Einbruch, wie ihn die volkswirtschaflichen Gesamrrechnungen der USA, Japans und Deutschlands empirisch ausweisen und wie er von der in Abschnitt 3 berechneten LINEX-Produktionsfinktiori theoretisch nachvollzogen wird.

)'

003 1-9279/97/0909-0869 $17.50+.50/0 - 0WILEY-VCH Verlag GmbH, D-6945 1 Weinheim, 1997

869

40 = 1,04 a, = 0,12 C+ = 2,12

1978-1 993 qo = 1,Ol a, = 0,41 C+ = 0,951

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990

men in interdiszipliniirer Zusammenarbeit (u. a. iiber Energieprobleme) miteinander haben. Zum Schlul3 zitiert er einen Natunvissenschaftler rnit den Worten: ,,Economists are technological radicals. They assume everything can be done" [9]. Was in der Tat fur moglich gehalten wird, zeigt die folgende Begebenheit. Auf einer internationalen Konferenz iiber natiirliche Ressourcen wies ein jiingerer Wirtschaftswissenschaftler in einem Vortrag darauf hin, daB man wegen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Energie nicht beliebig durch Kapital substituieren kann. Da unterbrach ihn zomig ein hochangesehener amerikanischer Okonom und erklke ,,You must never say that. There is always a way for substitution".

e l

2. Energie und technischer Fortschritt

-,-

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990

Abb. 1 oben: EmpirischesWachstum (Quadrate) und mit GI. (6) berechnetes theoretiscbes Wachstum (Rauten) der normierten Wertschopfung q = QIQ1960 des Sektors Industries der USA zwischen 1960 und 1993. Unten: Empirische Zeitreihen der normierten Faktoren Kapital k=KJKl9@,Arbeit I = LIL1960 und Energie e =E/E19@ in der amerikanischenIndustrie. Weitere Erlauterungenin Abschnitt 3.2

DM, und fur Primiirenergie auf 11 bzw. 30 Mrd. DM (DM-Angaben inflationsbereinigt, Wert 1970). Das bedeutet: 1970, als der Olpreis sein IangjWges Minimum hatte, lag der Anteil der Energiekosten an der Summe der Faktorkosten bei 3 3 %, und 1981, im Olpreismaximum, machten die industriellen Energiekosten 7 % der Gesamtkosten aus. Entsprechend gewichten auch die modernen okonomischen allgemeinen Gleichgewichtsmodelle zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Wirtschaft, Energie und Umwelt den Beitrag der Energie zur industriellen Wertschopfung gemal3 ihrem (geringen) Anteil an den gesamten Faktorkosten, wiihrend Kapital mit ca. 30 % und die menschliche Arbeit mit mehr als 60 % zu Buche schlagen. Mit dieser Gewichtung der Produktionsfaktoren kann man allerdings die tatsachlich beobachtete Wirtschaftsentwicklung quantitativ nicht beschreiben. Es bleibt ein groaer, unerkliirter Rest, den man dem ,,technixhen Fortschritt" zuschreibt. s. 0.4) Dem technischen Fortschritt trauen viele Okonomen die Losung (fast) aller Probleme zu. In seiner Presidential Address ,,Economics among the Sciences" anlal3lich der 91. Jahrestagung der American Economics Association 1978 berichtete der Nobelpreistrager fur Wirtschaftswissenschaften Tjalling Koopmans uber die Schwierigkeiten,die Natunvissenschaftler, Ingenieure und Okono-

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In seiner Ansprache zitierte Koopmans auch einen Ingenieur mit den Worten ,,Economics is not dismal but incomplete. The things missed are very important." Gemeint war damit die fehlende Einbeziehung des Umweltschutzes in die okonomische Analyse. Das hat sich inzwischen geandert [lo, 1 I], auch wenn der Zusammenhang von Entropieproduktion, Ressourcenverbrauch und Emissionen noch nicht griindlich genug behandelt wird. Darauf weisen okologische Okonomen immer eindringlicher hin [12,13]. Doch noch ein weiteres fehlt in der traditionellen okonomischen Analyse: der Zusammenhang von Energienutzung und technischem Fortschritt. Ihn belegen die folgenden Zahlen: Der mittlere Energiebedarf pro Kopf und Tag stieg von 2 kWh vor einer Million Jahren beim Sammler ohne Feuerbeherrschung auf 14 kWh einfacher Ackerbauer vor 7000 Jahren. Keramikbrennen, Metallverarbei-

4, Nach Ansicht Gahlens macht dieses Vorgehen die neoklassische Produktionstheorietautologisch [6].Neuere Versuche, den Ursachen des Residuums ,,technixher Fortschritt" auf den Grund zu gehen, werden seit der Mitte der 80er Jahre im Rahmen der sog. Neuen Wachstumstheorie gemacht. Dazu jedoch der amerikanische Okonom Howard Pack: ,,But have the recent theoretical insights succeeded in providing a better guide to explaining the actual growth experience than the neoclassical model? This is doubtjid '' [7]. Alternativ wird vorgeschlagen, man ,,solle sich verstarkt um die Entwicklung in den Natunvissenschaften kiimmern, weil dort die Fundstelle fur eigene Theoriebildung im Bereich des technischen Fortschritts anzutreffen sei" [S].

tung, Haus- und Schiffsbau etc. steigerten den Energiebedarf weiter. 30 kWh wurden um 1400 n. Chr. in Westeuropa gebraucht [ 141. Im 18. und 19. Jahrhundert erschlossen die Wgimekraftmaschinen die gewaltigen Kohlevorkommen Westeuropas, entfachten die industrielle Revolution und stellen heute den Einwohnern der alten BR Deutschland Energiedienstleistungen zur Verfiigung, die rein rechnerisch der schweren korperlichen Arbeit von 780 Millionen Menschen entsprehen.^) Insgesamt lag 1990 der westdeutsche Primiirenergiebedarf pro Kopf und Tag bei 140 kWh. Technischer Fortschritt ging und geht offenbar einher mit der Entwicklung immer neuerer energiegetriebener Maschinen und Gerate, die Arbeit leisten, ProzeBwhne bereitstellen und Information verarbeiten. Sie erzeugen vollig neue Produkte und geben dem Energieeinsatz immer weiteren Raum - haufig unter Ersetzung der menschlichen Arbeit, an die andererseitsbei wachsendem Energieeinsatz oft hohere Qualifikationsanforderungen gestellt werden. In diesem Sinne ist die industriell genutzte Energie nicht nur der Produktionsfaktor, ohne den keine industrielle Verarbeitung von Rohstoffen zu Konsum- und Investitionsgiitern moglich ist, sondern ihre Kombination mit den beiden anderen Produktionsfaktoren Kapital und Arbeit erfaBt auch den Teil des technischen Fortschritts, der im weiteren ,,faktorgebundener technischer Fortschritt" genannt wird. Davon unterschieden wird der ,,ungebundene technische Fortschritt", der auf jenem unvorhersehbaren, spezifisch menschlichen Beitrag zur okonomischen Entwicklung in Form von Erfindungen, Ideen und Wertentscheidungen beruht, den keine lernfhige Maschine erbringen kann.@

5, Endenergieumsatz im Jahr 1990: 7400 PJ (Petajoule = 10"J) Davon etwa 40 % umgesetzt in Warmekrafmaschinen (und den angeschlossenen Elektrogeraten, die als Verlangerung der Warmekrafmaschinen in den Kraftwerken anzusehen sind) entspricht einer Leistung von 822 Milliarden kWh pro Jahr oder 94 Millionen kW. Diese dividiert durch den (Nahrungs-) Energiebedarf eines Schwerstarbeiters von 2,9 kWh pro Tag, = 0,12 kW, ergibt 780 Millionen ,.Energiesklaven ". Dabei wird der Einfachheit halber von der besseren Energieefizienz der Warmekrafmaschinen abgesehen.

Die Entwicklung und der kommerzielle (wie militarische) Einsatz der hochseetiichtigen Segelschire, die zwischen dem 15. und dem 20. Jahrhundert die Windenergie immer efizienter nutzten und die europaische Zivilisation iiber die Erde verbreiteten, sowie die Erjindungen der Warmekrafimaschinen und des Transistors sind Beispiele f i r den ungebundenen technischen Fortschritt . 6J

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3. Energie und Wirtschaftswachstum Wie gesagt postulieren die Okonomen, die Energie als Produktionsfaktor gelten lassen?) da13 der Beitrag der Energie zur Wertschopfung ihrem Anteil an den gesamten Faktorkosten, also typischerweise etwa 5 %, entspricht. Doch die Betrachtung von Energie und technischem Fortschritt legt die Frage nahe, ob man die Produktionsmachtigkeit der Energie nicht direkt aus der beobachteten Wirtschaftsentwicklung und ihrer mathematischen Beschreibung herauslesen kann, ohne sich von vorneherein auf monetare Gewichtungspostulate festzulegen. Dalj man dabei zu moglicherweise ganz anderen Schliissen kommen kann, zeigen die Ergebnisse, die mit dem im folgenden dargestellten Wachstumsmodell erzielt werden. Das Modell beruht auf zwei Erfahrungen: 1. Die Erzeugung von Gutem und Dienstleistungen in einer industriellen Volkswirtschaft ist naturgesetzlich mit Energieumwandlung und Entropieproduktion verbunden. Entropieproduktion entwertet die Energie (,,Energieverbrauch") (und fiihrt zur Emission von W k n e - und Stoffstromen in die Urnwelt)?) 2. Unsere Wirtschaft ist nicht statisch, sondern dynamisch. Die Automation schreitet schnell voran?) Zunehmend wird dem Menschen das Leisten physischer Arbeit und die Verarbeitung von Information durch energietriebene Maschinen abgenommen, d. h. Kapital und Energie substituieren die teuere Arbeit, auf die (immer noch) 60 bis 70 % der gesamten Faktorkosten entfallen.

Oft allerdings nur indirekt und im Verbund mit den Materialien auf der Ebene der sog. Vorleistungen 8, Von den daraus resultierenden

WachstumsgrenZen und ihrer Modellierung [I6 a)] wird hier abgesehen. 9, Zwischen

I960 und 1995 investierte die bundes-

deutsche Wirtschaft im Mittel etwa so vie1 in Rationalisierung wie in Kapazitatsenveiterung [15]. Eine Ausnahme bilden die Jahre 1990 und 1991. Fur sie wurde ,,Kapazitatsenveitemng '' von 50 % und ,,Rationalisierung" von nur 27 % bzw. 28 % der Unternehmen als Hauptziel ihrer Investitionen genannt. lo) Bei Samuelson [ I ] , Bd. II, S. 499, hat die entsprechende Wachstumsgleichung folgende Form: Prozentuales Wachstum von q = a x (prozentuales p x (prozentuales Wachstum Wachstum von k) i von 1) itechnischer Fortschritt. Samuelson setzt a = 1/4 und p = 3/4 entsprechend der Verteilung des Volkseinkommens auf Kapital k und Arbeit 1, s. auch Abschnitt 3.3. An die Stelle des bei Samuelson nicht weiter spezijizierten Terms ,,technischer Fortschritt" treten in GI. (2)der dernfaktorgebundenen technischen Fortschritt zugeordnete, vollstandig quantifizierte Energiebeitrag y(dele) und der durch den ungebundenen technischen Fortschritt bedingte Term (alnqAt) dt.

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2,01

QlgGO =

192800 Mrd. Yen,,,,

I

,I,,

1965-1 977 qo =, 0,99 , , , a. = 0,13 Ct =2,10

1978-1 992 ,40 , ,=, 0,92 , , , , a. = 0,39 Ct = 1,15

, ,

,I

090 1965 1970 1975

1980 ,1985 1990

495 j

I K1972 = 192500 Mrd. Yenlgs, L1972 = 75 Mrd. Arbeitsstunden/Jahr €1972 = 13576 Petajoule/Jahr

1965 1970

q=Q/Qo,k=K/Ko, l=U&,e=E/Eo,

(1)

qtheoretisch

I/03f/,

A

gemessen. Als zweckmiig hat sich die Verwendung normierter, dimensionsloser Variabler

1975 1980 1985

1990

Abb. 2 oben: Empirisches Wachstum (Quadrate) und mit G1. (6) berechnetes theoretisches Wachstum (Rauten) der normierten Wertschopfung q = QlQIw2 des Sektors Industries in Japan zwischen 1965 und 1992 [16 d)]. (Ohne Anderung der Technologieparameter zwischen 1977 und 1978 erhsllt man mit a,=0,295, ct= 1,143, qo= 1,004 innerhalb der 27 Jahre Abweichungen von maximal 10 %, und zwar im Zeitraum zwischen 1973 und 1980.) Unten: Empirische Zeitreihen der normierten Faktoren Kapita1 k=ZUKl,2, Arbeit l=LIL,,,und Energie e =EIE,,, in der japanischen Industrie.

3.1 Wachstumsmodell Die folgende Analyse, deren Grundlagen detaillierter in [ 161 dargestellt sind, ist das Ergebnis naturwissenschaftlich-ijkonornischer Wechselwirkung. Sie geht davon aus, dalj das technische Ma13 der industriellen Wertschopfung Q in dem gewichteten Produkt von Arbeitsleistung (incl. ProzeBwiirmeerzeugung) und Informationsverarbeitung besteht, die fur Q aufgewendet werden mussen [I6 b)]. h n l i c h kann das (Produktiv-) Kapital K, der sog. Kapitalstock eines Wirtschaftssystems, d. h. die Maschinen und sonstigen Energieumwandlungsanlagen samt aller zu ihrem Schutz und Betrieb benotigten Installationen, auf der technischen Ebene durch seine Fhigkeit zur Arbeitsleistung und Informationsverarbeitung definiert werden. Praktisch, d. h. in den volkswirtschaftlichen Gesamtrechnungen, werden Q und Kin inflationsbereinigten monetiiren Einheiten ($, Yen, DM) gemessen, die in sog. Wachstumsintervallen, s. u., per definitionem proportional zu den technischen Einheiten sind. Wie iiblich wird die menschliche (Routine-) Arbeit L in Arbeitsstunden pro Jahr 0.a. und die Energie E in z. B. Tonnen Steinkohleeinheiten (t SKE) oder Petajoule (PJ) pro Jahr

erwiesen, wobei die mit 0 indizierten GroRen die Mengen in dem jeweiligen Basisjahr sind. Sie werden in den Abb. 1-3 explizit angegeben. In diesen Variablen wird die (normierte) industrielle Wertschopfung, d. h. der (normierte) industriell erwirtschaftete Teil des Bruttoinlandprodukts einer Volkswirtschaft, mittels einer hinreichend oft differenzierbaren Produktionsfunktion q = q(k,I , e; t ) in Abhangigkeit von der Zeit t und den zeitlich veranderlichen Mengen der (normierten) Produktionsfaktoren k(t), &), e(t) beschrieben. Diese Mengen werden durch die (marktbeeinfluliten) untemehmerischen Entscheidungen iiber Kapazitiitsenveiterung, Automation und Auslastung festgelegt. Im Rahmen der thermodynamischen und technisch-okonomischen Grenzen sind sie also unabhangige, von aul3en vorzugebende Variable. Aus dem totalen Differential der Produktionsfunktion q(k,1, e; t) erhalt man nach einer elementaren Umformung die Wachstums-

gleichung dq/q= a ( W k ) + P(dN1) + y(de/e) + (dlnq/dt)dt.

(2)

Die Funktionen a (k,I, e) = (Wq I