Als Basiseinheit der Energie verwendet man statt der Kilowattstunde oft die Wattsekunde, auch Joule genannt: 1 Ws = 1 J

Transkript

1 Belege zum Artikel Findet eine Energiewende statt? Vorbemerkungen Die Energiewende ist in offiziellen Datensätzen bestens dokumentiert. Oft wird allerdings z.b. die physikalische Größe Leistung mal in Petajoule pro Jahr, mal in Gigawatt, mal in Terawattstunden pro Jahr angegeben, oft auch innerhalb ein und derselben Tabelle, und bezieht sich mal auf die installierte, mal auf die tatsächliche Leistung, mal auf die Primärenergie, mal auf die Endenergie. Diese Vorbemerkungen sollen helfen, die Daten für den interessierten Laien nutzbar zu machen. In den nachfolgenden Belegen werden im Wesentlichen die Begriffe Energie und Leistung verwendet. Die Leistung = Energie/Zeit ist die momentan (z.b. pro Sekunde) umgesetzte Energie. Die zeitlich gemittelte Leistung bezieht sich auf einen größeren Zeitraum, z.b. die pro Jahr umgesetzte Energie. Wir folgen dem allgemeinen Sprachgebrauch und reden von Energieerzeugung und Energieverbrauch, und nicht von Energiewandlung, wie es der Satz von der Erhaltung der Energie eigentlich verlangt. Die Energie geben wir in Kilowattstunden oder kwh an, bekannt aus der Stromrechnung ( 1/3 ). Die Leistung geben wir in Kilowatt oder kw an, bekannt aus der Autoreklame (100 kw = 136 PS). N.B.: kwh heißt Kilowatt mal Stunden, anders als bei den umgangssprachlichen Stundenkilometern, kmh = Kilometer pro Stunde. Beispiele: Ein Haarfön hat typisch eine Leistung von 2 kw = 2000 Watt. Eine halbe Stunde Haare trocknen erfordert eine Kilowattstunde Energie: 2 kw ½ h = 1 kwh. Eine Glühlampe von 100 Watt verbraucht am Tag 0,1 kw 24 h = 2,4 kwh. Abkürzungen und Umrechnungen Für große Zahlen verwenden wir die Vorsätze k = Kilo = Tausend M = Mega = 1000 Kilo = eine Million (Mio) G = Giga = 1000 Mega = eine Milliarde (Mrd) T = Tera = 1000 Giga = eine Billion P = Peta = 1000 Tera = Tausend Billionen Beispiele: 1 Terawattstunde (TWh) sind 1 Milliarde Kilowattstunden (1 Mrd kwh) an Energie 1 Terawattstunde pro Jahr entspricht einer mittleren Leistung von Kilowatt (Nebenrechnung: 1 TWh/Jahr = 1 TWh / (365,25 24 h) = 1 TWh / 8766 h = 114,1 MW) Als Basiseinheit der Energie verwendet man statt der Kilowattstunde oft die Wattsekunde, auch Joule genannt: 1 Ws = 1 J Beispiele: 1 Petajoule (PJ) sind 278 Millionen Kilowattstunden (Nebenrechnung: 1 PJ = 1 PWs = 1 PWh/3600 = 0,278 TWh) 1 Petajoule pro Jahr entspricht einer mittleren Leistung von Kilowatt (Nebenrechnung: 1 PJ/Jahr = 0,278 TWh/Jahr = 0,278 TWh / 8766 h = 31,7 MW) 1

2 Belege Die meisten Daten stammen aus BMWi = Bundesministerium für Wirtschaft und Energie "Zahlen und Fakten, Energiedaten" Letzte Aktualisierung: Unsere weiteren Datenquellen sind meist von Regierungsseite beauftragte Agenturen. Die von uns zitierten Wikipedia Seiten verweisen ihrerseits meist auf offizielle Datensammlungen. Abbildung: Energieverbrauch in Deutschland BMWi Tabelle 4: Verbrauch PJ, davon 1436 PJ oder 10,4% aus erneuerbaren Quellen (Zur Vereinfachung haben wir "Sonstige" (1,7%) = Grubengas, nichterneuerbarer Müll u. a. zu "Mineralöl" (33,6%) hinzugezählt, "Außenhandelssaldo Strom" ( 0,9%) wurde weggelassen) "Wasser und Windkraft" und "andere Erneuerbare" sind weiter aufgeschlüsselt in BMWi Tabelle 20: Wasserkraft 75 PJ Biomasse 996 PJ Wind, Sonne, Naturwärme 340 PJ Zu Primär- und Endenergieverbrauch:siehe auch die Tafeln in Absatz 4 Die Wasserkraft ist in Deutschland nur schwerlich auszubauen Arbeitskreis Energie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 2010: "Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem" Kapitel 7 "Wasserkraft" Die Biomasse gilt ebenfalls als weitgehend ausgereizt DPG-Frühjahrstagung 2013 Seite 102 E.D. Schulze, "Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit von Bioenergie als Energiequelle" (Die unter Absatz 11 genannte Fraunhofer Studie geht davon aus, dass die Wasserkraft noch um höchstens 16% ausbaubar ist, siehe dort Tab. 5, und die Biomasse um 40%, siehe dort Tab. 1 und Abb. 11.) Die Gesamtenergie fließt zum größten Teil in Wärme (50%) und mechanische Energie (30%) BMWi Tabelle 7 (Den Stromanteil bei Wärme und mech. Energie haben wir herausgerechnet) 2

3 Absatz 5 Bei der Endenergie haben Wind und Sonne einen Anteil von 2,6% Während die Primärenergie nach Energieträgern wie Kohle, Erdöl usw. aufgeschlüsselt wird, wird die Endenergie gewöhnlich nach Anwendungsbereichen wie Strom, Wärme, Kraftstoffe usw. oder nach Sektoren wie Industrie, Dienstleistungen, Haushalte usw. aufgelistet. Die Berechnung des Anteils der primären Energieträger (hier Wind und Sonne) an der Endenergie ist etwas mühsam, siehe hierzu auch die Energieflussbilder der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. Zur genaueren Aufschlüsselung der Endenergie (die wir hier nicht nachvollziehen wollen) dienten uns die BMWi Tabellen 5 bis 7a und 20 bis 23 Bei Wind- und Sonnenenergie fallen die Umwandlungsverluste geringer aus Folgende Daten stehen zur Verfügung: 1. Gesamtenergie: BMWi Tabelle 5: Verhältnis von gesamter End- zu Primärenergie = 67,0% Dh. Umwandlungsverluste der Gesamtenergie im Mittel = 33,0%. 2. Erneuerbare Energien: Umwelt-Bundesministerium 2013 "Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien" wiedergegeben in erste Tabelle: Verhältnis erneuerbarer End- zu Primärenergie: 1145 PJ / 1591 PJ = 72,0% Dh. Umwandlungsverluste der erneuerbaren Energien im Mittel = 28,0%. Aus 1. und 2. lässt sich berechnen: 3. Nicht-erneuerbare Energien: Verhältnis von nicht-erneuerbarer End- zu Primärenergie = 66,4% Dh. Umwandlungsverluste der nicht-erneuerbaren Energien im Mittel = 33,6%. Absatz 6 12% weniger Benzinverbrauch spart mehr Energie ein, als alle Wind- und Sonnenkraftanlagen zusammen produzieren 1. Benzineinsparung: BMWi Tabelle 6a: Endenergie Verkehr Kraftstoff = 2450 PJ = ,278 TWh = 681 TWh Einsparung 12% = 82 TWh 2. Umrechnung Strom auf Endenergie: BMWi Tabelle 22: Bruttostromerzeugung insgesamt 632,1 TWh BMWi Tabelle 22a: Nettostromerzeugung = 594,3 TWh Netto/Bruttostromerzeugung = 594,3/ 632,1 = 0, Endenergie Wind und Sonne: BMWi Tabelle 20: Primärenergie Windkraft + Photovoltaik = ( ) PJ = 298 PJ Dh. Endenergie aus Wind und Sonne 0, ,278 TWh = 78 TWh 3

4 Absatz 7 Wenn jedes der gut zwanzigtausend Windräder mehr als 1000 Haushalte mit Strom beliefert, dann sollte bald jeder Haushalt in Deutschland versorgt sein BMWi Tabelle 8a: Anzahl der Windkraftanlagen versorgen mehr als 23 Millionen Haushalte (ggf. nach "Repowering" alter Anlagen) BMWi Tabelle 1: Zum Vergleich, Anzahl der Haushalte 41 Millionen Der Stromverbrauch der privaten Haushalte ist 26% des gesamten Stromverbrauchs BMWi Tabelle 21: "Inlandsverbrauch Haushalte": 138,4 TWh "Inlandsverbrauch zusammen": 527,9 TWh Dh. Verhältnis 138,4 / 527,9 = 26,2% Der Stromverbrauch ist 14% des Energieverbrauchs BMWi Tabelle 8: Primärenergieverbrauch PJ = ,278 TWh = 3841 TWh Dh. Verhältnis (aus vorherigem) 527,9 TWh / 3841 TWh = 13,7% Der Stromverbrauch der privaten Haushalte ist knapp 4% des gesamten Energieverbrauchs 0,262 0,137 = 0,036 4% Absatz 8 Die installierte Leistung einer Windkraftanlage ist das sechsfache, die einer Photovoltaikanlage das neunfache der tatsächlich produzierten Leistung 1. Installierte Leistung aller Anlagen: BMWi Tabelle 22, Tafel "Bruttostromerzeugungskapazität": Windkraft: 34,7 GW p (= "GW-peak") Photovoltaik: 35,9 GW p 2. Tatsächliche Leistung aller Anlagen: Tafel "Bruttostromerzeugung": Windkraft: 51,7 TWh/Jahr = 51,7 TWh / 8766 h = 5,9 GW Photovoltaik: 35,9 TWh/Jahr = 35,9 TWh / 8766 h = 4,1 GW Dh. Verhältnis installierte Leistung zu tatsächlicher Leistung: Windkraft: 34,7 GW p / 5,9 GW = 5,9 kw p /kw Photovoltaik: 35,9 GW p / 4,1 GW = 8,8 kw p /kw 4

5 Absatz 9 Eine Windkraftanlage liefert im Mittel 250 kw Die tatsächliche Leistung einer Windkraftanlage (WKA) ist nach vorigem Absatz und Absatz 7 5,8 GW / ( WKA) = 249 kw/wka Zum Vergleich: Die mittlere installierte Leistung einer Windkraftanlage ist 34,7 GW / ( WKA) = 1467 kw/wka Ein mittlerer PKW hat eine Motorleistung 100,7 Kilowatt Durchschnittliche Motorleistung von neu zugelassenen PKW in Deutschland = 100,7 kw Bei 40% Wirkungsgrad verbraucht er 252 kw Kap. 5 Beispiele : Wirkungsgrad Ottomotor (im Bestpunkt) 35-40%, großer Dieselmotor bis zu 50% Dh. 100,7 kw/0,40 = kw Eine typische Photovoltaikanlage liefert 15 Watt je qm Solarzellen Der wichtige Wert "Watt je m 2 Solaranlage" wird in Google oft nachgefragt, ist aber praktisch nicht zu finden. Hier ein Mittelwert aus drei verschiedenen Quellen: Seite 41: Photovoltaik Ertrag ist 150 kwh/m 2 /Jahr Dh. mittlere Leistung: 150 kwh/m 2 /8766 h = 17,1 Watt/m 2 Kap. 1 "Flächenabschätzungen": installierte Leistung 125 Wattpeak / m² Photovoltaik installierte / tatsächliche Leistung = 10,2 kw p / kw (Absatz 8) Dh. (0,125 kw p /m 2 ) / (8,8 kw p /kw) = 14,3 Watt/ m 2 : Ertrag jährlich 950 kwh/kw p Mit obigen 0,125 kw p /m 2 sind das jährlich 0, = 119 kwh/m 2 Dh. 119 kwh/m 2 /8766 h = 13,5 W/m 2 Mittelwert (17,1+12,3+13,5)/3 W/m 2 = 15,0 W/m 2 Das Heidelberger Solarschiff verbraucht bei voller Fahrt 54 kw Länge 37,0 m, Breite 5,4 m, Solarleistung 6,8 kw-peak 2 Drehstrom Elektromotoren à 25 kw Verbrauch bei voller Fahrt 54 kw Die Batterien speichern 345 kwh (Antrieb), 30 kwh (Küche), 28 kwh (Bord) Biomasse liefert 1,5 Watt je qm DPG-Frühjahrstagung 2014 Seite 20 D. Thrän und J. Ponitka: "Die Rolle der Bioenergie in einer nachhaltigen Energieversotgung." Kap. 1.2: Primärenergieverbrauch von mehr als 1000 PJ aus 2.1 Mio ha Ackerfläche: (1000 PJ/Jahr) / (2,1 Mio ha) = ( Mio W) / ( Mio m 2 ) = 1,5 W/m 2 5

6 Absatz 10 Das weltweites Potenzial der Sonnenenergie hundertmal größer als das Potenzial der Windkraft. A. Kleidon, "Life, hierarchy, and the thermodynamic machinery of planet Earth", Physics of Life Reviews Vol. 7, Issue 4, December 2010, Pages , doi: /j.plrev darin 5.1 Solar radiation, p. 444: Die weltweit nutzbare Sonneneinstrahlung ist Terawatt. und Tafel 3 "Global work budget of planet Earth" Aus der Sonneneinstrahlung gespeist wird die kinetische Energie des Windes, mit einer Gesamtleistung von weltweit 900 Terawatt, das sind 0,8% der Sonneneinstrahlung. In südlichen Wüstengebieten ist die Sonneneinstrahlung dreimal größer W.J. Platzer, Solarthermische Kraftwerke Stand und Perspektiven, vierte Folie in Strom aus der Wüste schwer durchsetzbar (vor dem Inhaltsverzeichnis) Absatz 11 Studie Fraunhofer ISE gegenüber heute viermal höheren Anteil an erneuerbaren Energien Tatsächliche Leistungen: 1. Wind an Land: 2013 nach Absatz 8 (s.o.): 50,7 TWh/Jahr 2050 nach Fraunhofer Abb. 11: 217 TWh/Jahr Verhältnis 217/50,7 = 4,2 2. Photovoltaik 2013 nach Absatz 8 (s.o.): 35,9 TWh/Jahr 2050 nach Fraunhofer Abb. 11: 143 TWh/Jahr Verhältnis 143/35,9 = 4,0 Alle zwei bis drei Kilometer ein Windrad Fläche Deutschland qkm 2013 nach Absatz 7 (s.o.): Windkraftanlagen (WKA) qkm / WKA = 16 qkm/wka Dh. im Mittel alle 4 km eine Windkraftanlage 2050: 4 mal mehr WKAs heißt alle 2 km eine WKA Nach "Repowering" alter Anlagen ca. alle 3 km Tausend qkm Solarzellen Studie Fraunhofer Tab. 6: Bruttostromerzeugung PV 143,4 TWh/Jahr Dh. (143,4 TWh / 8766 h) / (15 W/m 2 ) = (16,3/15) Mrd m 2 = 1090 Mio m 2 = 1090 km 2 6

7 Optimierter Energiemix Fraunhofer Die beiden folgende Abbildungen sind nur als Anhaltspunkt gedacht, soweit wir die Daten aus der Studie eruieren konnten. Alle Zahlen in den kolorierten Feldern in % der Gesamtenergie 2012 = 100% 1. Primärenergie Deutschland 2012 und Endenergie Deutschland 2012 und 2050 Verwendung Endenergie 100 Prozent = 100% = 58% sonstiger Strom Verkehr: elektrisch Verkehr: Benzin Prozesswärme Warmwasser Raumwärme 7

8 Absatz 12 Offenes Problem des stark schwankenden Angebots an Wind- und Sonnenenergie Veröffentlichung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2013 K. Kleinknecht, Speicherung der elektrischen Energie, Die Abbildung zeigt die zeitlichen Schwankungen der von allen hiesigen Sonnen und Windkraftanlagen erzeugten Leistung, für den (willkürlich gewählten) Monat September Die starke Mittagssonne führt zu den täglichen, orangefarben eingefärbten Spitzen, die grünen Spitzenwerte entstehen bei starkem Wind. Die im Lauf des Jahres tatsächlich gewonnene Energie ist die Fläche unter den fluktuierenden Kurven, die entsprechende Energie aus installierter Leistung wäre näherungsweise jeweils die Gesamtfläche des Diagramms (= 34,7 GW p für Windanlagen, und 35,9 GW p für Photovoltaikanlagen, siehe oben Absatz 8) siehe auch: Report des Max-Planck Instituts für Plasmaphysik 2012 F. Wagner, Eigenschaften einer Stromversorgung mit variabler Einspeisung Seite 2: Zusammenfassung Studie Agora 2014: ra_speicherstudie_web.pdf 8