Kraftwerkstypen. Kraftwerke. Kraftwerke. Windkraftwerke. Wärmekraftwerke. Wasserkraftwerke. Windkraftwerke. Wärmekraftwerke.

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1 1 1 Kraftwerkstypen Kraftwerke Kraftwerke Laufwasser Laufwasser Verbrennungskraftwerke Verbrennungskraftwerke Kern- Kraftwerke Kern- Kraftwerke Dampfkraftwerke Dampfkraftwerke Wärmekraftwerke Wärmekraftwerke Wasserkraftwerke Wasserkraftwerke Windkraftwerke Windkraftwerke Weitere Kraftwerkstypen Weitere Kraftwerkstypen Pumpspeicher Pumpspeicher Photovoltaik Photovoltaik Solarthermie Solarthermie Brennstoffzelle Brennstoffzelle Geothermie Geothermie Gasturbinenkraftwerke Gasturbinenkraftwerke Kombikraftwerke Kombikraftwerke Verbrennungsmotorgetriebene Kraftwerke Verbrennungsmotorgetriebene Kraftwerke Kondensationskraftwerke Kondensationskraftwerke Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung Entnahme-Kondensations Kraftwerke Entnahme-Kondensations Kraftwerke Blockheizkraftwerke Blockheizkraftwerke Gegendruck- Heizkraftwerke Gegendruck- Heizkraftwerke Stirlingmotor Stirlingmotor Diesel/Gasmotor Diesel/Gasmotor Druckluftspeicher Druckluftspeicher Speicher Speicher Gezeiten-KW Gezeiten-KW Wellen-KW Wellen-KW Biomasse Biomasse

2 Energieumwandlung in thermischen Kraftwerken Kessel / Reaktor Turbine Generator Trafo Netz Braunkohle Steinkohle Gas, Öl Müll Biomasse Uran Solar Speisewasserpumpe G Kondensator chemische bzw. nukleare Energie thermische Energie mechanische Energie elektrische Energie Primärenergie Energieumwandlung Endenergie 2

3 Prinzipschaltbild Wasser-Dampf-Kreislauf 3

4 Dampferzeuger (Schema) 4 4

5 CO 2 -Speichermöglichkeiten Kriterien bei der Speichersuche: Speicherung: Ausreichende Speicherkapazität Sicherheit: dichtes Deckgestein mit hoher Mächtigkeit Tiefenlage: > 1000 m, stellt sicher dass CO 2 keinen Phasenübergang hat Ausgeförderte Ölund Gasfelder Salzwasser führende Gesteinsschichten Erdölfelder zur weiteren Ausförderung Bildquelle: IPCC (2005) 5

6 Potenziale zur CO 2 -Speicherung in Deutschland Erschöpfte Erdgaslagerstätten: - wirtschaftliche Speichermöglichkeit - Deckschichten können Gase über Jahrmillionen zurückhalten - Untergrund bekannt, vorhandene Infrastruktur nutzbar - Speicherkapazität: ~ 2,75 Mrd. Tonnen Erschöpfte Erdöllagerstätten: - prinzipiell ähnlich geeignet, jedoch in D zu geringe Vorkommen - Speicherkapazität: ~130 Mio. Tonnen Tiefe saline Aquifere: - größtes Speicherpotenzial - aufgrund tiefer Lage und hohen Salzgehaltes keine Konkurrenz zur Trinkwasserversorgung - Speicherkapazität: ~ 9,3 Mrd. Tonnen Zum Vergleich: CO 2 -Emissionen in D jährlich ~ 850 Mio. Tonnen Quellen: BGR (Mai 2010) 6

7 CO 2 -Umwandlung und Nutzung (CCU) Kraftwerk Chemisch CO 2 -Wäsche CO 2 CO 2 CO 2 Direktanwendung z.b. als Trockeneis, als Reinigungsund Kühlmittel, als Schweißgas, als umweltfreundliches Lösemittel Chemie Rohstoff als Ersatz für petrochemische Kohlenstoffquellen chem. Energiespeicher Nutzung von CO 2 als chemischer Energiespeicher unter Verwendung überwiegend regenerativer Energie Biotechnologisch Biologisch CCU = Carbon Capture and Usage Rauchgas Rauchgas Biotechnologie Technische Nutzung von Mikroorganismen, um CO2 in Biomasse zu binden oder zu Wertstoffen umzuwandeln Biologie Nutzung der natürlichen Photosynthese von Pflanzen, um CO 2 als Biomasse zu binden, z. B. mit Algen 7

8 Beispiel: CO 2 -Einbindung durch Mikroalgen 8

9 Erneuerbare Energien Kohle Meeresenergie Gas Kernkraft Windkraft Wasserkraft Solarenergie Biomasse Geothermie 9

10 Nutzung erneuerbarer Energien Weltweit werden etwa 13 % 1 des gesamten Primärenergiebedarfs aus erneuerbaren Energien bereitgestellt. Dabei handelt es sich vorwiegend um Wasserkraft sowie um Holz und Dung, die in der Dritten Welt als Brennstoff genutzt werden. Regenerative Energien haben heute an der weltweiten Stromproduktion einen Anteil von ca. 19 % 1. Hierbei dominiert die Wasserkraft mit einem Anteil von ca. 90%. 1 Quelle: WEO

11 Erneuerbare Energien: Potenziale Das theoretische Potenzial ist das gesamte physikalische Energieangebot. Dieses ist fast mal größer als der derzeitige Weltenergieverbrauch Das technische Potenzial ist derjenige Anteil des theoretischen Potenzials, der technisch genutzt werden kann. Kriterium für die Abgrenzung zum theoretischen Potenzial ist eine minimale Energiedichte, die je nach Technologie variiert (z.b. Windgeschwindigkeit) Das wirtschaftliche Potenzial ist der wirtschaftlich gewinnbare Anteil des technischen Potenzials Das Erwartungspotenzial ist der tatsächlich erwartete Beitrag eines Energieträgers zur Energieversorgung. Es kann (z.b. durch Akzeptanzprobleme) niedriger sein als das wirtschaftliche Potenzial Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Wirtschaftliches Potenzial Erwartungs- Potenzial

12 Regenerative Energieträger Vorteile Nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich Besonders umweltfreundlich kein Verbrauch natürlicher Ressourcen Kaum Schadstoffemissionen (geringe Emissionen bei Biomasse) kaum problematische Rückstände Arbeitskosten ( kostenfreie Energiebereitstellung) niedrig Nachteile Energiedarbietung teilweise unstetig, kaum steuerbar und Energiedichte teilweise gering Windangebot Flächenbedarf Transportvolumina Erzeugung oft standortfixiert (Wasser, Wind) Investitionskosten hoch Technisch - wirtschaftliche Potenziale begrenzt

13 Entwicklung der Erneuerbaren bis heute Wasserkraft Biomasse * Windenergie Photovoltaik EEG: Januar EEG: April 2000 EEG: August 2004 [GWh] Novelle BauGB: November StromEinspG: Januar März * Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: März 2011; Angaben vorläufig Quelle: BMU

14 Regenerative Stromerzeugung in Deutschland 2010 Gesamt: 101,7 TWh Windenergie: 35,9 % Wasserkraft: 19,4 % biogener Anteil des Abfalls: 4,7 % Deponiegas: 0,7 % Photovoltaik: 11,8 % Klärgas: 1,1 % Biogas: 12,6 % biogene flüssige Brennstoffe: 2,0 % biogene Festbrennstoffe: 11,9 % Biomasseanteil* : rd. 33 % * Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; 1 TWh = 1 Mrd. kwh; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Stand: März 2011; Angaben vorläufig Quelle: BMU

15 Prognose bis 2030 Quelle: BMU Leitstudie

16 Windenergie: Stromerzeugung und installierte Leistung in Deutschland Stromerzeugung [GWh] MW installierte Leistung [MW] [GWh] StromEinspG: Januar März 2000 Novelle BauGB: November 1997 EEG: April [MW] EEG: August EEG: Januar StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; BauGB: Baugesetzbuch; 1 GWh = 1 Mio. kwh; 1 MW = 1 Mio. Watt; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: März 2011; Angaben vorläufig

17 Beispiel Onshore REpower MM82, kw Rotorwelle Getriebe Bremse Generator Technische Daten: Pitchsystem Blitzschutz Azimut Nennleistung: kw Rotordurchmesser: 82 m Nabenhöhe: m Abschaltgeschw.: 25 m / s Anlagenkonzept: Getriebe, elektr. Blattwinkelverstellung, Pitchregelung Stallregelung (passiv): Bei Überschreitung der maximal zulässigen Windgeschwindigkeit reißt die Strömung ab Aus der laminaren Strömung wird eine turbulente Strömung Leistung wird begrenzt Pitchregelung (aktiv): Die Rotorblätter werden um ihre Profilachse aus dem Wind hinaus geschwenkt Leistung wird begrenzt zum Abschalten werden die Rotorblätter in Fahnenposition gestellt

18 Prinzip Photovoltaik Herauslösen von Elektronen vorzugsweise aus Silizium durch Licht - Photonen Durch konstruktiven Aufbau einer elektronenreichen und elektronenarmen Schicht gezielte Ableitung freier Elektronen über Stromkreislauf. Es entsteht Gleichstrom Leistung direkt proportional zur Fläche und Strahlungsstärke Aufbau aus modularen Elementen in Parallel- und oder Reihenschaltung Erzeugung von Wechselstrom über Wechselrichter Einstrahlung [W/m2] Quelle: VDEW e.v.: Energiewelten, 2000 Dezember September Juni Zeit [h] Quelle: ISI, Fraunhofer, Norderney

19 Photovoltaik: Stromerzeugung und installierte Leistung in Deutschland von Energiebereitstellung [GWh] installierte Leistung [MWp] [GWh] [MW p ] Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); 1 GWh = 1 Mio. kwh; 1 MW = 1 Mio. Watt; Bild: BMU / Bernd Müller; Stand: März 2011; Angaben vorläufig Quelle: BMU

20 Entwicklung der Preise für Photovoltaikanlagen Befragung zum durchschnittlichen Endkundenpreis für Aufdachanlagen bis 100 kwp (ohne USt) 20 Frühere Kosten: 1990 = Euro, 2000 = Euro 147

21 Biomasse: Stromerzeugung und installierte Leistung in Deutschland GWh installierte Leistung (MW) Energiebereitstellung (GWh) MW Quelle: BMU

22 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) KWK-Anlagen stellen neben Strom auch Wärme zur Verfügung Typische Stromkennzahlen: 0,2 (Dampfturbinen-HKW) 1,2 (GuD-HKW) Die thermische Leistung kann zur Nah-, Fern- oder Prozesswärmeversorgung genutzt werden Quelle: Bundesverband KWK Stromkennzahl Nettostromerzeugung Nutzwärmeerzeugung

23 Wärmeverteilung für Nah- und Fernwärme BHKW oder zentrales Heizkraftwerk Nahwärme (dezentrale Versorgung): typischerweise aus Blockheizkraftwerken gespeist (Leistung im kw-bereich) Vorlauftemperatur bis 90 C Fernwärme (zentrale Versorgung): typischerweise aus Heizkraftwerken gespeist (Leistung im MW-Bereich) Vorlauftemperatur bis 150 C

24 Prozessdampfproduktion in der Industrie Anwendungsformen a) Gegendruckturbine (Strom- und Wärmeproduktion, wärmegeführt) - Verwendung des gesamten Abdampfes zur Wärmeauskopplung b) Entnahme-Kondensationsturbine (Strom- und Wärmeproduktion entkoppelt) - Mehrere Anzapfstellen möglich Dampfauskopplung auf mehreren Druckniveaus P el, Dampfturbine P el, Dampfturbine DT G Wärmeauskopplung DT G Wärmeauskopplung a) b) Typische Prozessdampf-Ebenen C bei 0,2 5 bar (Heizungs- und Trocknungszwecke) > 200 C bei bar (für chemische Reaktionen)

25 Vorteil KWK gegenüber separater Erzeugung Gekoppelte Erzeugung Getrennte Erzeugung Erdgas: 1000 kwh BHKW Strom: 340 kwh Wärme: 560 kwh 34% 56% 10% Erdgas: 1150 kwh Erdgas: 567 kwh GuD Strom: 340 kwh 40% Abwärme: 227 kwh 60% Abwärme: 100 kwh Erdgas: 583 kwh Brennwertkessel Wärme: 560 kwh 4% Abwärme: 23 kwh 96% Brennstoffeinsparungen von KWK gegenüber getrennter Erzeugung bei gleicher Strom- und Wärmeproduktion: %

26 Vor- und Nachteile von KWK Vorteile Strom- und Wärmeproduktion in einer Anlage höchste Nutzungsgrade von bis zu 90 % Mittel- und Grundlastfähigkeit bei dezentraler Einspeisung Entlastung der Stromnetze und Senkung der Übertragungsverluste Nachteile Wärmebedarf in der Umgebung der KWK-Anlage notwendig Wärmeabnahme sollte möglichst konstant sein (i.d.r. nur bei Prozesswärme gegeben) Bedarfsspitzen der Wärmenachfrage (Winter) können oft nicht zuverlässig bedient werden zusätzlicher Kessel notwendig zunehmender Anteil von Niedrigenergiehäusern macht Nah- und Fernwärme unwirtschaftlich

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