Grundlagen: Energieeinheiten (1)

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1 Grundlagen: Energieeinheiten (1) 1 Joule [J] = 1 Nm [ Energie, die man braucht, um eine Masse von 101,91g 1 m hoch zu heben ) Häufig verwendete Einheiten 1 kg SKE (Steinkohleeinheit) = 29,31 MJ 1 kg RÖE (Rohöleinheit) = 42,62 MJ Wichtige Umrechnungsfaktoren: 1 barrel petrol = 42 gallons = 158,99 l (entspricht 134,14 kg RÖE; 5,76 GJ) 1 BTU* ( British Thermal Unit ) = 1,0548 kj = 0,252 kcal = 0, kg SKE *BTU = Wärmeenergie, die benötigt wird, um ein britisches Pfund Wasser (ca. 0,45 l) um 1 Grad Fahrenheit zu erwärmen, ausgehend von 39,1 F (=4 C, bei dieser Temperatur weist Wasser die höchste Dichte auf)

2 Grundlagen: Energieeinheiten (2) Größenordnungen: Bezeichnung Potenz Beispiel Kilo kwh durchschnittlicher Jahresverbrauch eines Drei- Personen-Haushalts Mega MWh 10 h Autobahnfahrt (Vollgas) mit einer Limousine (effektive Motor-Antriebsleistung 100 kw) Giga ,7 GWh jährliche Stromerzeugung eines großen Windkraftwerks im Binnenland Tera TWh jährliche Stromerzeugung eines großen KKW Peta PWh Weltjahresverbrauch an Erdöl Exa EWh weltweite Kohleressourcen Quellen: VDEW, atw, TÜV Rheinland

3 Überblick Heizwerte Der auf die Masse des Brennstoffs bezogene Energie-Unterschied zwischen Brennstoff-Luft- Gemisch und Verbrennungsgas (bei gleichen Temperaturen) bezeichnet man als Heizwert. Das Diagramm zeigt die Masse des jeweiligen Energieträgers, die den Energieinhalt von 1 kwh th trägt (Angaben in kg) Brennstoff H u H u [MJ/kg] [kg SKE/kg] Braunkohle 9,2 0,3 Steinkohle 30,1 1,0 Heizöl, leicht 42,8 1,5 Erdgas 39,7 1,4 Holzpellets 17,6 0,6 UO 2 (Kernbrennstoff) * * Erzeugte Wärmemenge bei einem Abbrand von MWd/t, Anreicherung U235: 4% Quelle: TÜV; Heizwerte H u verstehen sich als untere Heizwerte (Wasser liegt als Dampf vor); Angenommene Dichte von Erdgas ~ 0.8kg/m 3 0,4 0,39 kg / kwh th 0,3 0,2 0,1 0 0,2 0,12 0,09 0,08 0, Braunkohle Holzpellets Steinkohle Erdgas Heizöl Kernbrennstoff

4 Leistungsbilanz der deutschen Stromerzeugung zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast 129,2 GW Gesamte Kraftwerksleistung Inland 24,8 GW Nicht einsetzbare Leistung Ursachen: Windangebot, Sonneneinstrahlung, Wasserführung 89,3 GW Gesicherte Leistung 5,3 GW 2,8 GW 7,0 GW Ausfälle Revisionen Reserve für Systemdienstleistungen 10,8 GW Verbleibende Leistung 78,5 GW Last Quelle: BDEW 3. Dezember :00 Uhr

5 Strom, ein besonderes Wirtschaftsgut Strom ist leitungsgebunden Stromerzeuger und -verbraucher haben physische Verbindung Strom ist in großen Mengen nicht speicherbar Stromproduktion entspricht zu jedem Zeitpunkt der Nachfrage Strom ist eine Commodity kein Differenzierungsmerkmal: keine Farbe, kein Geruch und keine Form

6 Vom Kraftwerk zur Steckdose Marktebene: - Großkraftwerke - Transite Bahnhof Bahnhof 110-kV-Ebene: - Industriekraftwerke - Industriekunden - Reg. Einspeisung Verteilebene: - Gewerbekunden - Tarifkunden - dezentrale KW UCI UCI Höchstspannungsnetz 380 kv Hochspannungsnetz 110 kv Mittelspannungsnetz 20 kv Niederspannungsnetz 0,4 kv Umspannwerk Trafostation

7 Typische Tagesganglinien (überwiegend Steinkohle )

8 Das Übertragungsnetz (380/220kV-Netz) Das elektrische System Übertragungsnetz Physikalische Einheit (Leitungen, Transformatoren, Anlagen, Kraftwerke, Kundenanlagen usw.) Internationale Vermaschung Empfindliches real time - System Elektrische Energie ist nicht direkt speicherbar Erzeugung und Verbrauch müssen daher jederzeit im Gleichgewicht sein Elektrisches System wird in Echtzeit (24h/365d) betrieben EU Gesetzgebung und EnWG/EEG definieren Marktspielregeln und die gesetzlichen Rahmenbedingungen Der Übertragungsnetzbetreiber (TSO) trägt die Systemverantwortung ( 13 EnWG)

9 Struktur der elektrischen Energieversorgung Übertragungsnetz 380 kv 220 kv Übertragungsnetzbetreiber (TSO) Industrie 110 kv Stadtwerke Industrie Verteilnetz 20/10 kv 380 V Gewerbekunden Haushalte Verteilnetzbetreiber (DSO)

10 Störung des Leistungsgleichgewichts Sollfrequenz 50 Hz Einsatz von Regelleistung Last Erzeugung Prognoseabweichung Lastrauschen Ausfall Erzeugungseinheit Prognoseabweichung (Wind!) Ausfall Last

11 Versorgungssicherheit: das (n-1) - Kriterium Anwendung des (n-1) - Kriteriums Das (n-1)-kriterium ist erfüllt, wenn nach störungsbedingten Ausfällen einzelner Betriebsmittel (Kraftwerke, Leitungen, Transformatoren) nachfolgende Auswirkungen ausgeschlossen werden können: TSO 1 Kunde TSO 2 Versorgungsunterbrechung von Kunden Verlust der Stabilität von Erzeugungseinheiten n-1 Folgeauslösungen mit der Gefahr der Störungsausweitung Dauerhafte Grenzwertverletzungen (Strom, Spannung, Frequenz) DSO Unterbrechung von Übertragungen

12 Lastflusssituation Übertragungsnetz Hohe Winderzeugung in Norden D Hohe Händlergeschäfte Ringflüsse DK Netzengpässe BE NL DE PL L CZ SK FR CH AT HU I IT SI

13 Fundamentale Trends lassen Europas Strommarkt zusammenwachsen Unterschiedliche Kraftwerksparks und fundamentale Einflüsse (z.b. Klima, Brennstoffpreise) führen zu wachsendem grenzüberschreitendem Handel (aber nicht notwendigerweise zu wachsendem physischen Stromfluss) Mitteleuropa Diversifizierter Energiemix Stark wachsender Anteil an erneuerbaren Energien, insbesondere in Deutschland Höchstes Stromhandelsvolumen in Europa Drehscheibe für Stromhandel und Stromtransporte Südeuropa Verstärkter Einsatz von Klimaanlage und Elektroheizung Wasserkraftproduktion stark abhängig vom Klima allgemein steigende Nachfrage auf Grund wirtschaftlicher Entwicklung Nordeuropa Preisniveau meistens höher als Deutschland Preisniveau meistens niedriger als Deutschland stark abhängig von Kernkraft und Wasserkraft Osteuropa teilweise durch Subventionen vergünstigter Strom Großhandelsmärkte weniger liquide als in Westeuropa

14 Stromaustausch Deutschlands mit den Nachbarländern 2009 Deutschland ist Drehscheibe für den Strommarkt in Europa in TWh DENMARK 6.2 SWEDEN 1.0 Mit den Importen und Exporten im Strommarkt von 112 Mrd. kwh liegt Deutschland im Jahr 2006 europaweit an der Spitze. NETHERLANDS 3.5 Import 40.5 Export POLAND 0.1 BELGIUM LUXEM BOURG 0.7 GERMANY CZECH REPUBLIC FRANCE Quelle: BDEW, 2010 SWITZERLAND 2.6 AUSTRIA

15 Stromaustausch Europa 2009 im ENTSO-E Übertragungsnetz Sum of physical energy flows between ENTSO-E countries = GWh Total physical energy flows = GWh Quelle: ENTSO-E European Network of Transmission System Operators for Electricity

16 Das deutsche Übertragungsnetz Gesamtlänge 380 kv Stromkr km 220 kv Stromkr km Verbindungen mit AC: A, CH, CZ, DK, F, L, NL, PL DC: DK, S 380 kv Leitung 220 kv Leitung HVDC (Gleichstromleitung) Anlage Stadt

17 Regelzonen der deutschen Übertragungsnetzbetreiber 4 Dortmund 4 Berlin 3 2 Bayreuth 1 EnBW Transportnetze AG 2 TenneT TSO GmbH* 3 Amprion GmbH** 4 50Hertz Transmission GmbH*** 1 Stuttgart 3 * Seit 2010, vormals EON-Netz GmbH bzw. transpower stromübertragungs gmbh ** Seit , vormals RWE Transportnetze Strom GmbH *** Seit , vormals Vattenfall Europe Transmission GmbH Quelle: VDN

18 Windenergieerzeugung in Deutschland (in MW)

19 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 116

20 Windenergie: Kapazität und Erzeugung Windgeneration Installed capacity BDEW-forecast MW h Erzeugungsganglinie (h-werte) für 2007

21 Windprognosen Vorplanung Beispiel für den RWE Anteil am gesamtdeutschen Wind Kombi-Prognose

22 Winderzeugung während einer Sturmfront h Windpower [MW] Messung Prognose 5000 MW 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 Time

23 Zukünftig ist ein Großteil der Erzeugung lastfern Regionale Leistungsbilanz 2008

24 Zukünftig ist ein Großteil der Erzeugung lastfern konventionelle Kraftwerke Offshore- Windparks!!! -- KKW-Stilllegung Regionale Leistungsbilanz 2008 Regionale Leistungsbilanz 2030

25 Der Netzausbau ist entscheidend für die Integration neuer Erzeugungseinheiten ins Netz Netzausbau ist unumgänglich bei den hohen Leistungen auch bei Optimierung des bestehenden Netzes. Integration regenerativer Energien Einbindung neuer effizienter Kraftwerke Sicherstellung der Versorgungssicherheit in Süddeutschland

26 dena-leitungen nach Süden Auslöser Windenergiezuwachs im Norden Kraftwerksverlagerung und Kernenergieausstieg steigende Handelstransite NL Köln Dortmund Was plant RWE Transportnetz Strom? Netzausbauplanung konkretisiert km Leitungen - 25 Anlagen Investitionen ca. 3 Mrd. über 10 Jahre Frankfurt Unsicherheiten Öffentlich-rechtliche Genehmigungen Investitionsgenehmigungen durch BNetzA