Vorlesung Elektrizitätswirtschaft TU Clausthal

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1 Vorlesung Elektrizitätswirtschaft TU Clausthal Kapitel 4 Stromerzeugung Dr. Klaus-Dieter Maubach Inhalt 4.1 Bruttostromerzeugung 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 4.6 Stromgestehungskosten 4.7 Stromerzeugung und Umwelt

2 4.1 Bruttostromerzeugung Erzeugung weltweit in Mrd kwh ,8 % % % 32 % 5 % 22 % 15 % % 5 % 19 % 23 % Afrika Nordamerika Südamerika Europa Asien sonstige Länder % % Quelle: BMWi Energiedaten

3 4.1 Bruttostromerzeugung Erzeugung weltweit in Mrd kwh (ausgewählte Staaten) + 20 % % % % + 15 % China Indien Südkorea USA Deutschland Die Vereinigten Staaten von Amerika erzeugten 2005 ca Mrd kwh und sind weltweit der größte Stromerzeuger Auffällig sind die Steigerungsraten in den asiatischen Länder Die Bruttostromerzeugung in Deutschland ist im selben Zeitraum fast konstant geblieben und betrug 2005 mit 620 Mrd kwh ca. 3,4 % an der Weltstromerzeugung Quelle: BMWi Energiedaten

4 4.1 Bruttostromerzeugung Erzeugung in Deutschland 2007 Gesamt 632 Mrd kwh 19,2 % 11,5 % 22,3 % 24,7 % 22,2 % 121,5 73,0 141,0 156,0 140,5 Sonstige Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie Die Brutto-Stromerzeugung ist die erzeugte elektrische Arbeit, gemessen an den Generatorklemmen 47 % der Stromerzeugung erfolgte aus Braun- und Steinkohle Den quantitativ größten Anteil an der Stromproduktion hat die Braunkohle Quelle: BMWi Energiedaten

5 4.1 Bruttostromerzeugung Struktur und Stromaufkommen in Deutschland 2005 Gesamt 620,3 Mrd kwh Inlandstromerzeugung 532,7 öffentliche Kraftwerke (inkl. Deutsche Bahn) 85,9 % 8,1 % 6,0 % 50,1 industrielle Eigenanlagen 37,5 Private Betreiber Quelle: BMWi Energiedaten

6 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Kriterien für den Kraftwerkseinsatz Leistung Höchstleistung Lastganglinie 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h 24hUhrzeit - Der Bedarf an elektrischer Energie ist zeitlichen Schwankungen unterworfen (Lastganglinie) - Stromnachfrage und Stromerzeugung müssen sich jederzeit im Gleichgewicht befinden - Die Festlegung des Kraftwerkseinsatzes und die Einsatzbefehle an die Kraftwerke für den nächsten Tag erfolgen auf Basis der täglichen Lastprognose, die für einige charakteristische Punkte der Tagesbelastungskurve durchgeführt werden - Zentrale Stellen steuern den Kraftwerkseinsatz einschließlich der Sofortmaßnahmen bei Störungsfällen Quelle: Elektrische Energieverteilung Flosdorff/Hilgarth; B.G. Teubner Verlag

7 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Einteilung der Kraftwerksarten durch Leistungsbereiche Tagesdauerlinie Leistung Spitzenlast setzt sich aus mehreren kurzzeitigen Belastungsspitzen zusammen Mittellast ist der Bereich, der während eines großen Teils des Betrachtungszeitraums beansprucht wird Grundlast ist die Leistung, die konstant über den ganzen Tag erzeugt werden muss 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h 24h Zeit Quelle: Elektrische Energieverteilung Flosdorff/Hilgarth B.G. Teubner Verlag

8 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Definition der Kraftwerksarten Grundlastkraftwerke : - Ausnutzungsdauer von 6000 bis über 7000 h/a - 50 % der Jahreshöchstlast und 70 % des Energieverbrauches - Laufwasser-, Braunkohle- und Kernkraftwerke Mittellastkraftwerke : - Ausnutzungsdauer von 3000 bis über 5000 h/a - Müssen für häufigeren Lastwechsel geeignet sein - Steinkohlekraftwerke und einzelne Öl-/Gaskraftwerke Spitzenlastkraftwerke : - Ausnutzungsdauer von teilweise unter 1000 h/a - Mehrmals tägliches An- und Abfahren mit kurzen Anfahrzeiten und hohen Leistungsänderungsgeschwindigkeiten - Gasturbinen-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke Quelle: Elektrische Energieverteilung Flosdorff/Hilgarth B.G. Teubner Verlag

9 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Leistungsbegriffe einer Erzeugungseinheit (1) Brutto-Engpassleistung Netto-Engpassleistung Eigenverbrauchsleistung Die Brutto-Engpassleistung ist die höchste Dauerleistung einer Erzeugungseinheit, die beim bestimmungsgemäßen Betrieb ohne zeitliche Einschränkung erbracht wird und die die Lebensdauer der Anlage nicht beeinträchtigt. Sie ist durch den leistungsschwächsten Anlagenteil (Engpass) begrenzt. Die Netto-Engpassleistung ist ein statistischer Wert und gibt keine Auskunft, ob die Kraftwerksleistung einsetzbar ist. Die Eigenverbrauchsleistung einer Erzeugungseinheit ist die elektrische Leistung, die für den Betrieb ihrer Neben- und Hilfsanlagen benötigt wird. Quelle: Begriffe der Versorgungswirtschaft VDEW 7. Auflage

10 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Leistungsbegriffe einer Erzeugungseinheit (2) Netto-Engpassleistung verfügbare Leistung nicht verfügbare Leistung Die tatsächlich verfügbare Leistung zu einem bestimmten Zeitpunkt ergibt sich aus der Netto-Kraftwerksengpassleistung abzüglich der nicht verfügbaren Kraftwerksleistung. Die Nichtverfügbarkeit von Kraftwerken wird z. B. durch Festlegung von Inspektions- und Revisionsintervallen verursacht. Die ungeplante, nicht verfügbare Leistung entsteht durch außerplanmäßige Schäden oder Störungen an den jeweiligen Erzeugungsanlagen. Des weiteren werden die Kapazitäten durch die unterschiedlichen Faktoren, wie z. B. weniger Wasserkraft und unstete Windkraft vermindert. Quelle: Begriffe der Versorgungswirtschaft VDEW 7. Auflage

11 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Leistungsbegriffe einer Erzeugungseinheit (3) verfügbare Leistung Betriebsleistung Bereitschaftsleistung beanspruchbare Leistung Die Betriebsleistung ist die zum jeweiligen Zeitpunkt tatsächlich erzeugte Leistung. Die Bereitschaftsleistung ist diejenige Leistung, die zwar einsetzbar ist, aber zur Lastdeckung nicht benötigt wird. Die beanspruchbare Leistung einer Erzeugungseinheit ist die Summe aus der Betriebsleistung und der Bereitschaftsleistung. Quelle: Begriffe der Versorgungswirtschaft VDEW 7. Auflage

12 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Kraftwerksleistungsbilanz 2006 Reserveleistung: Die erforderliche Reserveleistung ist ein Planwert. Sie ist die Leistung eines Versorgungssystems, die über die planerisch erwartete Last hinaus mindestens vorhanden sein muss, um ein Maß an Versorgungszuverlässigkeit aufrechtzuerhalten. Freie Leistung: Die freie Leistung ist die Leistung, die zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast verbleibt, wenn man von der Nettoleistung eines Versorgungssystems die nicht verfügbare Leistung, die tatsächliche Höchstlast und die gesamte erforderliche Reserveleistung in Abzug bringt. Bei idealer Planung wäre die Leistungsbilanz ausgeglichen, d. h. es ergäbe sich keine freie Leistung. In der Praxis lässt sich dies kaum erreichen, da es aufgrund von Planungsprognosen und standardisierten Kraftwerksbaugrößen immer kleinere freie Kapazitäten gibt. Quelle: BDEW 12

13 4.2 Grundbegriffe der Elektrizitätserzeugung Kraftwerksleistungsbilanz 2006 Zeitpunkt der Jahreshöchstlast :30 Uhr in GW 124,3 Gesamte Kraftwerksleistung Inland 23,8 nicht einsetzbare Leistung gesicherte Leistung 86,2 Last 77,8 4,0 2,4 Ausfälle Revisionen 7,9 Reserve für Systemdienstleistungen 8,4 verbleibende Leistung (enthält Reserve der Kraftwerksbetreiber für länger dauernde Kraftwerksausfälle) Quelle: VDN Ausgabe Daten & Fakten

14 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Zusammensetzung der Kraftwerksleistung 100% 121 GW 134 GW 557 TWh 637 TWh sonstige 80% Windkraft 60% Wasserkraft Kernenergie 40% Erdgas Braunkohle 20% Steinkohle 0% Kapazität 1998 Kapazität 2006 Erzeugung 1998 Erzeugung 2006 Quelle : BMWi Energiedaten

15 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Anzahl der Kraftwerke in 2008 Industriekraftwerke: ca. 350 Kraftwerke der allgemeinen Versorgung: ca. 890 Die Kernkraftwerke stellen den überwiegenden Anteil in der Leistungsgruppe über 1000 MW. Die Mehrzahl der Stein- und Braunkohlekraftwerke liegt im Leistungsbereich zwischen MW 2/3 der Gas-/Wasserkraftwerke befinden sich im Leistungsbereich zwischen 1-10 MW Quelle: BDEW; Meldung vom BDEW zur Stromerzeugung: 1240 Kraftwerke sichern die Stromversorgung 15

16 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Anlagenstruktur thermische Kraftwerke - Deutschland Anzahl <= 10 MW MW MW > 1000 MW MW Anzahl Leistung in MW UDI 2007: Anlagen in Betrieb, Brennstoffauswahl: Kohle, Uran, Gas, Öl, Müll 16

17 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Altersstruktur des Kraftwerksparks (Stand: 2002) 25 Anteil an Gesamtleistung in % Kraftwerksalter in Jahresklassen Über 50 % des Kraftwerksparks sind älter als 25 Jahre 45 % der Steinkohlekraftwerksleistung sind älter als 30 Jahre 52 % der Braunkohlekraftwerksleistung sind jünger als 10 Jahre Quelle: Prof.Dr. Wagner & Prof. Dr. Brückl; TU München 17

18 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Entwicklung vorhandener Kraftwerkskapazitäten 140 Kraftwerkskapazitäten in GW sonstige Wasser 80 Erdgas Steinkohle Braunkohle Kernenergie Quelle: Prof. Dr. Voß Uni-Stuttgart 18

19 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Zubau von Kraftwerkskapazitäten Bis ca waren kaum Kraftwerksneubauten erforderlich - Reduzierung der freien Kraftwerksleistung - Kraftwerksnachrüstungen im Sinne einer Lebensdauerverlängerung oder Wirkungsgraderhöhung Ab ca erhöht sich der notwendige altersbedingte Kraftwerksersatz. Nach 2012 werden Kraftwerksneubauten in erheblichem Umfang erforderlich. Quelle: basierend auf Prof. Dr. Wagner & Prof. Dr. Brückl TU München 19

20 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Zubau von Kraftwerkskapazitäten Bis 2012 sind rd MW neue Kapazitäten in Deutschland geplant 27% 21% 4% 8% 40% nach Energieträgern Steinkohle Braunkohle Erdgas Erneuerbare Energien Sonstiges 23 % 33 % 44 % nach Marktteilnehmern Etablierte neue inländische mit ausländischer Beteiligung Quelle: BDEW 02/

21 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Nettozuwachs/-abgang je Energieträger GW Erdgas Steinkohle Kernkraft Braunkohle Heizöl KV EE KKW KV EE KKW KV EE KKW 1. Szenario Koalitionsvertrag (KV) Annahme der Verdopplung der Energieproduktivität von 2005 bis Szenario Stärkerer Ausbau erneuerbarer Energien (EE) 3. Szenario Längere Laufzeiten von Kernkraftwerken (KKW) Quelle: Prognos AG / EWI: Energieszenarien für den Energiegipfel 2007; November

22 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Zubau von Kraftwerkskapazitäten Im Bau befindliche Kraftwerke in Deutschland Standort Investor vorgesehene Inbetriebnahme Brennstoff Leistung MW el brutto Irsching 5 E.ON 2009 Erdgas 845 Lingen RWE 2009 Erdgas 875 Irsching 4 E.ON 2011 Erdgas 530 Neurath (BoA) RWE 2010 Braunkohle Boxberg Vattenfall 2011 Braunkohle 675 Duisburg-Walsum STEAG 2010 Steinkohle 790 Datteln E.ON 2011 Steinkohle Karlsruhe/Rheinhafen EnBW 2011 Steinkohle 912 Hamm RWE 2011/2012 Steinkohle Hamburg/Moorburg Vattenfall 2012 Steinkohle sonstige 641 Im Bau befindliche Investitionen in konventionelle Kraftwerke > 150 MW el Quelle: BDEW 04/

23 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Zubau von Kraftwerkskapazitäten in Mio Anlageinvestitionen der Stromversorger 1950 bis 2009 (nominal) - in jeweiligen Preisen bis ab 1991 Deutschland West 1992 Deutschland gesamt * Investitionen Gesamt Erzeugung Fortleitung und Verteilung * 2007 bis 2009: Planungsstand der Unternehmen vom Frühjahr 2007 Quelle: BDEW Q1/

24 4.3 Der Kraftwerkspark in Deutschland Erwartete Entwicklung der Bruttostromerzeugung Bruttostromerzeugung in TWh sonstige Wind Wasser Heizöl Erdgas Braunkohle Steinkohle Kernkraft Quelle: Energiereport Prognos AG/ewi 24

25 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Steinkohle in Deutschland - Gesamtbedarf, Inlandsförderung und Einsatz in Kraftwerken ,25 3,33 Gesamtbedarf Inlandsförderung Brennstoffverbrauch für die Stromerzeugung Bruttostromerzeugung Energieeffizienz ,2 3, ,6 3,33 in Mio t SKE in Mrd kwh in kwh/kg SKE Quelle: BMWI Energiedaten

26 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Steinkohle weltweit - Brennstoffpreise für Steinkohle ab Förderstätte / t SKE Grenzübergangspreise (gemittelt) /t SKE Grenzübergangspreise (Prognose) /t SKE Deutschland Australien USA Südafrika Indonesien Quelle: Handbuch der Elektrizitätswirtschaft L. Müller Springer Verlag

27 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Braunkohle in Deutschland - Gesamtbedarf, Inlandsförderung und Einsatz in Kraftwerken Gesamtbedarf Inlandsförderung Brennstoffverbrauch für die Stromerzeugung Bruttostromerzeugung Energieeffizienz ,6 56,7 48,9 144,3 2, * 53,7 54, ,1 3,02 in Mio t SKE in Mrd kwh in kwh/kg SKE * Vorläufige Angaben: Stand Quelle: AG Energiebilanzen

28 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Braunkohle in Deutschland - Reviere und Kraftwerkskapazitäten in MW 4 Reviere: Rheinisches Revier 5 Kraftwerke (z.b. Weisweiler) Lausitzer Revier 4 Kraftwerke (z.b. Spremberg) Mitteldeutsches Revier 6 Kraftwerke (z.b. Böhlen) Helmstedter Revier 1 Kraftwerk (Buschhaus) Rheinisches Revier Bremen Köln Hamburg 390 Helmstedter Revier Mitteldeutsches Revier Berlin Leipzig Lausitzer Revier Dresden Quelle: DEBRV Bundesverband Braunkohle, Stand

29 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Gas in Deutschland - Gesamtbedarf, Inlandsförderung und Einsatz in Kraftwerken Gesamtbedarf Inlandsförderung Brennstoffverbrauch für die Stromerzeugung Bruttostromerzeugung Energieeffizienz ,9 22,4 12,5 43,6 3,6 2006* 112,1 20,1 15,7 73,4 4,7 in Mio t SKE in Mrd kwh in kwh/kg SKE * Vorläufige Angaben: Stand Quelle: AG Energiebilanzen

30 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraft weltweit in Betrieb Übrige Asien Die installierte Bruttoleistung betrug 2006 ca MW Die Stromerzeugung aus Kernenergie betrug 2006 rund TWh Nordamerika Europa 0 Anzahl Leistung in GW Quelle: /Stand: 12/

31 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraft weltweit in Bau Übrige Im April 2007 waren weltweit 29 Kernkraftwerke mit 25 GW Bruttoleistung im Bau 15 Asien Europa Anzahl Leistung in GW Quelle: BMWi

32 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraft weltweit - ausgewählte Länder , ,9 13, , , , , , , ,8 Anzahl 332,3 Leistung in GW Schweden Großbritannien Kanada Ukraine Südkorea Deutschland Russland Japan Frankreich USA Quelle: BMWi

33 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraftwerke in Deutschland Brunsbüttel Brokdorf Krümmel Unterweser Emsland Grohnde Grafenrheinfeld Biblis A+B Philippsburg 1+2 Neckarwestheim 1+2 Isar 1+2 Gundremmingen Block B +C Anlagen Brunsbüttel Brokdorf Krümmel Unterweser Emsland Grohnde Grafenrheinfeld Biblis A Biblis B Philippsburg 1 Philippsburg 2 Neckarwestheim 1 Neckarwestheim 2 Isar 1 Isar 2 Gundremmingen B Gundremmingen C 17 Leistung brutto 806 MW MW MW MW MW MW MW MW MW 926 MW MW 840 MW MW 912 MW MW MW MW MW Quelle: BMWI, 2007 Energiedaten 33

34 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraft in Deutschland - Reststrommengen Berechnung der Reststrommengen nach Atomgesetz Für jede Anlage wird auf der Grundlage einer Regellaufzeit von 32 Jahren ab Beginn des kommerziellen Leistungsbetriebs die noch verbleibende Restlaufzeit berechnet: 1. Berechnung einer Referenzmenge als Durchschnitt der fünf höchsten Jahresproduktionsmengen zwischen 1990 und 1999 für jedes KKW 2. Berechnung eines Zuschlags in Höhe von 5,5 % auf die Referenzmenge (technische Optimierung) 3. Berechnung der Reststrommenge als Produkt aus Restlaufzeit und der um den Zuschlag erhöhten Referenzmenge Quelle: BMU; Stand

35 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraft in Deutschland - Reststrommengen Anlagen Obrigheim * Stade ** Biblis A Neckarwestheim 1 Biblis B Brunsbüttel Isar 1 Unterweser Philippsburg 1 Grafenrheinfeld Krümmel Gundremmingen B Philippsburg 2 Grohnde Gundremmingen C Brokdorf Isar 2 Emsland Neckarwestheim 2 Mühlheim-Kärlich** 20 Reststrommenge ab (GWh) gemäß 7 Abs. 1a AtG verbleibende Reststrommenge (GWh) , , , , , , , , , , , ,62 13,842, , , , , , , ,64 * außer Betrieb genommen ** außer Betrieb genommen. Über die Verwendung der noch verbliebenen Reststrommenge ist nicht entschieden Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz Dezember

36 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraft in Deutschland - Stilllegungen Anlagen ab 2003 Stade Obrigheim Biblis A Neckarwestheim 1 Brunsbüttel Isar 1 Philippsburg 1 Biblis B Unterweser Grafenrheinfeld Krümmel Grohnde Gundremmingen B Philippsburg 2 Brokdorf Gundremmingen C Isar 2 Neckarwestheim 2 Emsland Quelle: BWK Fachmagazin Ausgabe 04/

37 4.4 Stromerzeugung aus Wärmekraftwerken Kernkraftwerke in Deutschland - Ausstieg bis Installierte Leistung (MW) Quellen: BfS (2007), VGB (2007), EKK (2007). 37

38 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Definition und Klassifizierung erneuerbarer Energien Erneuerbare Energien sind Energieträger/-quellen, die sich ständig erneuern bzw. nachwachsen und somit nach menschlichem Ermessen unerschöpflich sind. Die bedeutendsten erneuerbaren Energiequellen haben ein und dieselbe Quelle, aus der sie immer wieder "erneuert" werden: die Strahlungsenergie der Sonne. Die Klassifizierung erneuerbarer Energiequellen erfolgt nach der natürlichen Erscheinungsform der jeweiligen Energie: - Solarenergie - Wasserkraft - Windenergie - Biomasse Quelle: BMWi Energie-Glossar (bmwi.de), Stromwirtschaft im Wandel Görs/Rein/Reuter; Deutscher Universitätsverlag 1.Auflage Nov

39 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Weltweite Bedeutung Mit einer Weltstromerzeugung von Mrd. kwh (17 %) stellte im Jahr 2001 die Wasserkraft die mit Abstand wichtigste erneuerbare Energiequelle dar Stromerzeugung aus Wasserkraft in Mrd kwh Nationaler Erzeugungsanteil in % 20 25,8 4,5 Kanada Brasilien Russland Norwegen Deutschland Beispiele einiger großer internationaler Wasserkraftanlagen: Itaipu (Brasilien/Paraguay) MW Wolgograd (Russland) MW Samara (Russland) MW Quelle : BMWi Energiedaten 2002; Handbuch der Elektrizitätswirtschaft L. Müller Springer Verlag

40 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Weltweite Bedeutung MW installierte Windenergieleistung in Europa Rest Europa England 4 % Frankreich 4 % Italien 5 % 16 % Deutschland 39 % Dänemark 5 % Spanien 27 % Quelle: Bundesverband Windenergie e. V. Stand:

41 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Bruttostromerzeugung 2007 in Deutschland Mrd. kwh Photovoltaik Biomasse und Müll Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien erreichte 2007 mit 99 Mrd. kwh einen neuen Rekordwert Wasserkraft Windkraft Mit über 41% an der Stromerzeugung war 2007 die Windkraft die wichtigste erneuerbare Energie Quelle: BMWi

42 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wasserkraft - Anlagenbestand und Stromerzeugung 2006 Anzahl Wasserkraftanlagen in Deutschland: 7700 Gesamtleistung Deutschland: 4700 MW Stromerzeugung aus Wasserkraftnutzung: 21,6 GWh Beispiele großer Wasserkraftanlagen: Schluchsee, Markersbach Aufgrund Grundlastfähigkeit unverzichtbar Große Anlagen > 1 MW 5 92 Kleinanlagen < 1MW 8 95 Stromerzeugung in % Anlagenbestand in % Quelle: BMU; Daten von

43 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wasserkraft - Entwicklung in Deutschland 2006 Anteil an der deutschen Nettostromerzeugung ,6 % Stromerzeugung [TWh] Installierte Leistung [GW] Quelle: Interne Quellen; BWK Fachmagazin Ausgabe 4/

44 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wasserkraft - Wasserkraftwerksarten Kraftwerksarten Anzahl der Anlagen Installierte Leistung Bemerkungen Laufwasserkraftwerke MW Grundlast Speicherkraftwerke MW Spitzenlast Pumpspeicherkraftwerke rd MW Spitzenlast schnelle Regelung in 90 Sekunden auf Volllast Darüber hinaus gibt es ca in privater Hand befindliche Kleinstanlagen Quelle: Vorlesung Elektrische Energiewirtschaft und Kraftwerke WS 2001/2002 (H. Waitschat ) 44

45 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Windenergie in Deutschland installierte Leistung in MW Anzahl der WEA durchschnittliche Leistung pro WEA in kw Gesamtstromerzeugung in Mio kwh Quelle: Bundesverband Windenergie e. V. Stand:

46 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Windenergie in Deutschland - Anzahl der Windenergieanlagen (WEA) MW Neubau Bestehende Anlagen Quelle: Bundesverband Windenergie e. V. Stand

47 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Windenergie in Deutschland Quelle: Bundesverband Windenergie e. V 47

48 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Windenergie in Deutschland kumulierte Leistung in MW Offshore Repowering (Zuwachs) Onshore bis Repowering: Ersatz älterer WEA durch moderne leistungsstärkere Anlagen an bereits genutzten Standorten Quelle: Studie im Auftrag der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena)

49 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Regionale Verteilung der Windenergienutzung Installierte Leistung in MW Niedersachsen Brandenburg Sachsen-Anhalt Nordrhein-Westfalen Schleswig-Holstein Mecklenburg-Vorpommern Rheinland-Pfalz Sachsen Thüringen Hessen Baden-Württemberg Bayern Bremen Saarland Hamburg Berlin Anzahl der Windenergieanlagen Quelle: Bundesverband Windenergie e.v - Stand

50 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Leistungskennlinie einer Windenergieanlage P el ~ Vm 3 (3. Potenz der Windgeschwindigkeit) Elektrische Ausgangsleistung in % 100 Phase I Generatornennleistung Phase II Phase III Phase IV 50 Windleistung P el nutzbare elektrische Arbeit 0 0 V E V N V A Windgeschwindigkeit in m/s V E : Einschaltwindgeschwindigkeit V N : Nennwindgeschwindigkeit V A : Abschaltwindgeschwindigkeit Quelle: Leistungskennlinie einer Windenergieanlage/ Kaltschmitt et al

51 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Leistungskennlinie mit Sturmregelung einer WEA Leistung P max V 1 V 2 V 1 V 2 Ältere Windenergie-Anlagen stoppen bei einer definierten Abschaltgeschwindigkeit (z. B. bei einer Geschwindigkeit von 25 m/s im 20-Sekunden-Mittel) und schalten erst wieder ein, wenn die mittlere Windgeschwindigkeit unter die Abschaltgeschwindigkeit oder evtl. eine noch niedrigere Wiedereinschaltgeschwindigkeit (sog. Starkwind- Hysterese) fällt. Bei böigem Wind kann dies längere Zeit dauern wodurch erhebliche Ertragsausfälle entstehen. Leistung P max V 1 V 2 V max Windgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit Moderne Windenergie-Anlagen sind mit einer speziellen Sturmregelungssoftware ausgestattet, die das plötzliche Abschalten der Anlage überflüssig macht. Dies ermöglicht einen abgeregelten Anlagenbetrieb bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten ohne sonst übliche Stoppvorgänge, die zu beträchtlichen Ertragsverlusten (2 % bis 4 % des Jahresertrages) führen. Quelle: ENERCON GmbH 51

52 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Sonnenenergie Das Sonnenenergiepotential : - Solarkonstante beträgt ca. 1,36 kw/m 2 - In Deutschland stehen im Jahresmittel 0,1 kw/m 2 (Jahresenergiemenge kwh/m 2 a) zur Verfügung Aktive Nutzung der Sonnenenergie : - Solarthermische Wandlung Durch Parabolrinnen wird Wasserdampf erzeugt. Eine nachgeschaltete Turbine und ein nachgeschalteter Generator erzeugen Strom. - Photovoltaische Wandlung Wandlung der Sonnenenergie direkt in elektrische Energie mittels Solarzellen. Beitrag der Sonnenenergienutzung zur Stromerzeugung in Deutschland 2007: 3,5 % Quelle: Photovoltaik Engineering Andreas Wagner Springer Verlag

53 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Solarthermie in Deutschland kumulierte Fläche in km 2 installierte Leistung in MW Quelle: BMU, Erneuerbare Energien in Zahlen nationale und internationale Entwicklung - Stand: November

54 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland 3,0 Stromerzeugung in TWh installierte Leistung in GW 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Quelle: BWK Fachmagazin Ausgabe 4/

55 4.5 Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland Deutschland ist seit 2005 das Land mit der größten weltweiten Photovoltaikleistung, trotz: Hoher Investitionskosten (ca EUR/kW +/- 30%) Niedrigem Wirkungsgrad (ca. 6%-17,7%) Hohen Stromerzeugungskosten Großanlagen in Deutschland, u. a.: Solarpark Gut Erlasee 12 MW Solarpark Pocking 10 MW BGZ Solarpark Passauer Land 3,3 MW Quelle: Photovoltaik Engineering Andreas Wagner Springer Verlag 1999; BWK Fachmagazin Ausgabe 4/2007; Ifo/EuPD Research, Standortgutachten Photovoltaik in Deutschland, März

56 4.6 Stromgestehungskosten Stromgestehungskosten von Kraftwerken Jährliche Fixkosten (K f ) : - Diese Kosten sind vom Auslastungsgrad der Anlage unabhängig. Sie werden durch Erhaltung der Betriebsbereitschaft, kapitalabhängigen festen Kosten wie Zinsen, Abschreibungen, Versicherungen und den festen Kosten für Löhne und Gehälter bestimmt. Jährliche variable Kosten (K v ) : - Diese Kosten sind vom Auslastungsgrad der Anlage abhängig. In diesen Kosten sind Brennstoffpreis und Transport wie auch der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes und die Jahresbenutzungsdauer berücksichtigt. Jahresgesamtkosten (K a = K f + K v ): - Die Jahresgesamtkosten setzen sich aus den jährlichen Fixkosten und den jährlichen variablen Kosten zusammen. Stromgestehungskosten ( K e = K a / W a ): - Dividiert man die Jahreskosten durch die erzeugte Jahresenergiemenge (W a ), so erhält man die Stromgestehungskosten (K e ). Quelle: Basierend auf Elektrische Energieverteilung Flosdorff/Hilgarth B.G. Teubner Verlag

57 4.6 Stromgestehungskosten Stromgestehungskosten von Kraftwerken Grenzkosten : - Bei den Grenzkosten handelt es sich um die Kosten, die bei den Kraftwerken die zusätzliche Erzeugung einer kwh verursacht. Vergleicht man die Grenzkosten mit den Erlösen, die man für die zusätzliche kwh erhält, so erkennt man, ob eine höhere Produktion zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der jeweiligen Anlage führt. Bezogene Anlagekosten in /kw : - Die Baukosten einer Kraftwerksanlage werden auf die installierte Höchstleistung P max bezogen und in /kw angegeben. Quelle: Elektrische Energieverteilung Flosdorff/Hilgarth B.G. Teubner Verlag 2000; Einführung in die allgemeine Betriebswirtschaftslehre Verlag Franz Vahlen GmbH

58 4.6 Stromgestehungskosten Stromgestehungskosten von Kraftwerken K :Jahresgesamtkosten: K = K f + K v K f : fixe Kosten K f ~ f (P max ) K v : variable Kosten K v ~ f (E) k f : leistungsbezogene, fixe Kosten K f k f x P max k v : arbeitsbezogene, variable Kosten K v k v xe T a : jährliche Ausnutzungsdauer (h/a) K = max K f + Kv k f P + kv E Zum Vergleich von verschiedenen Kraftwerkstypen: K P max k f + k v E P max = k f + k v T a oder K E k f P E max + k v = k T f a + k v 58

59 4.6 Stromgestehungskosten Ausnutzungsdauer deutscher Kraftwerke 2006 Die Ausnutzungsdauer eines Kraftwerkes errechnet sich, indem die erzeugte Jahresenergiemenge durch die Nennleistung geteilt wird. T a Erdgas Kernenergie Braunkohle Steinkohle Speicherwasser Pumpspeicherwasser Wind Photovoltaik Mineralöl ke bk sk sw gas öl w psw ph Quelle: BDEW 59

60 4.6 Stromgestehungskosten Spezifische Stromgestehungskosten Die Kosten der Stromerzeugung hängen hauptsächlich von den Anlagekosten, von der eingesetzten Primärenergie und von der Auslastung ab. K/E 25 ct/kwh Steinkohlekraftwerk GuD-Kraftwerke Gasturbinenkraftwerk K E k f P E max + k v = k T f a + k v T a Quelle: Elektrische Energieversorgungssysteme, Prof. Haubrich, RWTH Aachen 60

61 4.6 Stromgestehungskosten Beispiel: verschiedene Kraftwerkstypen in Deutschland 6,60 0,2 Für den deutschen Kraftwerksmix ergaben sich 2001 Stromgestehungskosten in Höhe von ca. 2,9 ct/kwh 4,80 4,70 4 1,46 1,2 3,40 0,3 3,35 0,85 2,39 2,20 2,90 0,6 2,4 3,34 2,9 2,1 1,3 0,6 1 1,2 0,74 1,65 0,57 0,53 1,1 1,16 1,14 Erdgas ohne GuD Pump / Speicher Erdgas GuD Steinkohle Braunkohle Laufwasser Kernenergie Mix Betriebskosten in ct/kwh Brennstoffkosten in ct/kwh Kapitaldienst in ct/kwh Quelle: Energiewirtschaftliche Tagesfragen 2002 Heft 3 Prof. Dr. Wagner & Prof. Dr. Brückl TU München 61

62 4.6 Stromgestehungskosten 3.1 Preisbildung unter Berücksichtigung CO 2 Beispiel Steinkohle*: Kohlepreis (inkl. Transport): 7,6 /MWh Sonstige var. Kosten: 3,7 /MWh Wirkungsgrad (η): 46,0 % CO 2 -Preis: 30,0 /t CO 2 Emissionsfaktor (EF) Kohle: 0,3384 t CO 2 /MWh /MWh Vor CO 2 -Handel: P Kohle + Kv, Sonstige η Inklusive CO 2 -Handel: P Kohle η 38 /MWh PCO 2 + Kv, Sonstige + EF 60 /MWh η Kernenergie Steinkohle Erdgas-GuD Investition Betrieb Brennstoff CO2-Wirkung Beispielhaft basierend auf aktuellen Daten; *Volllastausnutzungsdauer: 7000 h; Annuitätsfaktor: 10 % 62

63 4.6 Stromgestehungskosten Entwicklung der Stromgestehungskosten bis ,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 ct/kwh 3,5 2,9 2,7 2, Regenerative Stromerzeugung nicht berücksichtigt - Schrittweiser Ausstieg aus der Kernenergie zugrunde gelegt - Kraftwerksaltersstruktur zugrunde gelegt - Brennstoffpreise und Kostenfaktoren konstant angenommen Quelle: Energiewirtschaftliche Tagesfragen 2002 Heft 3 Prof. Dr. Wagner & Prof. Dr. Brückl TU München 63

64 4.6 Stromgestehungskosten Beispiel WEA: Stromgestehungskosten und Amortisationszeiten Der wichtigste Maßstab für den wirtschaftlichen Wert einer Windkraftanlage ist die Energielieferung, die die Anlage aufgrund ihrer Leistungscharakteristik bei vorgegebenen Windverhältnissen erbringen kann. Die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit am Standort ist ein Maß für die zu erwartende Energielieferung der Anlage. Ob WEA wirtschaftlich sind, ist oft nicht eine direkte Frage der Stromgestehungskosten. Die Wirtschaftlichkeit von WEA hängt bei vorgegebenen Stromerzeugungserlösen vorrangig von der Amortisationszeit für das eingesetzte Kapital ab. Quelle: Windkraftanlagen Erich Hau Springern - Verlag

65 4.6 Stromgestehungskosten Beispiel WEA: Berechnung der Stromgestehungskosten Stromgestehungskosten für Windkraftanlage 500 kw Nennleistung kw Nennleistung Investitionskosten (ab Werk + Kosten für Installation) Jahreskosten (Wartung und Instandhaltung + Kapitaldienst mit 8 %) Jahresenergielieferung (bei 6m/s und technischer Verfügbarkeit von 95 %) Stromgestehungskosten bei Abschreibung in: 10 Jahren 20 Jahren ,2 ct/kwh 6,1.ct/kWh ,2 ct/kwh 5,6.ct/kWh Vergütung nach EEG: 6,1 ct/kwh bis 9,0 ct/kwh Quelle: Windkraftanlagen Erich Hau Springern - Verlag

66 4.6 Stromgestehungskosten Beispiel WEA: Berechnung der Stromgestehungskosten WEA mit 500 kw Nennleistung K e in ct/kwh Abschreibungszeit 5 Jahre 10 Jahre 20 Jahre mittlere Jahresgeschwindigkeit in 10 m Höhe m/s Quelle: Windkraftanlagen Erich Hau Springern - Verlag

67 4.6 Stromgestehungskosten Beispiel WEA: Einfluss der Nutzung auf den Strompreis Die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung verursacht Kosten zusätzlich zur Vergütung nach EEG Zusätzliche Kosten für Leistungsabsicherung und gleichzeitige Verdrängung billigerer Erzeugung im übrigen Kraftwerkspark Zusätzliche Kosten für die kurzfristige Ausregelung der schwer prognostizierbaren Windeinspeisungen Kosten für Abtransport der Windleistung aus dünn besiedelten.küstenregionen zu den Verbrauchsschwerpunkten, insbesondere bei stärkerer Nutzung von Offshore-Windanlagen Quelle: Energiewirtschaftliche Tagesfragen 2002 Heft 3 Prof.Dr.Wagner & Prof. Dr. Brückl TU München 67

68 4.6 Stromgestehungskosten Beispiel WEA: Entwicklung der Kosten bei zunehmender Windenergie Ausgehend von den vorhergehenden Annahmen wird eine zunehmende Windstromeinspeisung von heute 2 % bis 15 % im Jahr 2020 angenommen Strombezugskosten ,9 0,06 0,192 3,15 ct/kwh Strombezugskosten ,5 0,32 0,73 4,55 ct/kwh Stromgestehungskosten bei unveränderten Rahmenbedingungen in ct/kwh Kosten durch Regelung, Leistungsabsicherung und Verdrängung in ct/kwh Kosten durch EEG-Vergütung in ct/kwh Quelle: Energiewirtschaftliche Tagesfragen 2002 Heft 3 Prof.Dr.Wagner & Prof. Dr. Brückl TU München 68

69 4.7 Stromerzeugung und Umwelt CO 2 -Emissionen aus deutschen Kraftwerken 295 Mio t Quelle: VDEW Stromdaten April 2007; Werte für 2006 sind vorläufig 69

70 4.7 Stromerzeugung und Umwelt CO 2 -Emissionen aus deutschen Kraftwerken kg/kwh (gesamter Energieträgermix) 0,66 0,64 0,62 0,60 0,64 0,62 0,6 0,6 0,58 0,56 0,58 0,58 0,56 0,54 0, Quelle: VDEW Stromdaten April 2007; Werte für 2006 sind vorläufig 70

71 4.7 Stromerzeugung und Umwelt CO 2 -Emissionen aus deutschen Kraftwerken Einsatz von Energieträgern mit niedrigen Stoffströmen t CO 2 /t SKE 3,50 3,26 3,00 2,73 2,50 2,00 1,50 1,64 1,00 0,50 0,00 Braunkohle Steinkohle Erdgas Quelle: VDEW Stromdaten April

72 4.7 Stromerzeugung und Umwelt Entwicklung der Emissionen durch moderne Anlagen Energieträger Spezifische CO 2 - Emission pro Brennstoffeinsatz (t CO 2 /GJ) Nettowirkungsgrad im Bestpunkt (%) Jahresnutzungsgrad (%) Spezifische CO 2 - Emission bei der Stromerzeugung (gco 2 /GJ) Emissionsminderung (%) Braunkohle (< 600MW) 0,104-0, Steinkohle (> 600 MW) Erdgas (GuD) (>350 MW) 0,093-0, ,055-0, Dagegen durchschnittlicher Wirkungsgrad fossil befeuerter Kraftwerke der Stromversorger 2005: 38 % 72

73 4.7 Stromerzeugung und Umwelt Emissionsminderungen durch Energiemix Mio t Eingesparte CO 2 Emissionen durch Kernkraftwerke Eingesparte CO 2 Emissionen durch erneuerbare Energien Quelle: VDEW Stromdaten April 2007; Werte für 2006 sind vorläufig 73

74 4.7 Stromerzeugung und Umwelt Emissionsminderungen durch Effizienzsteigerungen Entwicklung des Wirkungsgrades 57% 64% 39% 41% 43% 50% 46% 54% Gas - GuD Gas - Turbine Braunkohle Steinkohle Quelle: Prof. Dr. Voß Universität Stuttgart 74

75 4.7 Stromerzeugung und Umwelt Emissionsminderungen durch Schadstoffrückhaltung Technologien zur effizienten Abscheidung von CO 2 -Emissionen 1. Kohlevergasung, CO-Shift, H 2 -Turbine 2. Verbrennung mit reinem Sauerstoff (Oxyfuel) FutureGen 3. CO 2 -Abscheidung aus Rauchgas (Post Combustion Capture) OxyCoal-AC CASTOR 75

76 4.7 Stromerzeugung und Umwelt Weitere Emissionen aus deutschen Kraftwerken kt CO NO SO Gesamtstaub Quelle: VDEW Stromdaten April