Berechnungen zur Energiewende (Teil 1)

Transkript

1 Ich bin gegen Atomkraftwerke und ich bin gegen Kohlekraftwerke, so äußerte sich einst der Rheinland-Pfälzische SPD Bundestagsabgeordnete Gustav Herzog in der SWR Fernsehsendung Zur Sache Rheinland-Pfalz die den Ausbau der Windeenergie zum Thema machte. Bis 2030 soll Rheinland-Pfalz seinen Strom bilanziell zu 100% auf erneuerbaren Energien erzeugen. So steht es im Koalitionsvertrag der Landesregierung. Das sind die beiden Kernaussagen, die diesem Artikel zugrunde liegen. Der Gesamtbedarf an elektrischer Energie beträgt laut statistischem Bundesamt in Deutschland ca GWh pro Jahr. Der mittlere tägliche Bedarf an elektrischer Energie W 24 in Deutschland beträgt: W GWh 1726 GWh (Gigawattstunden) 365 Tage Die mittlere Leistung P 24 aller Kraftwerke (Kohle, Gas, Atom, Wind, Solar, Biogas...), die täglich wirksam an der Stromerzeugung in Deutschland beteiligt sind, beträgt: P GWh GWh 71,9 GW (Gigawatt) 24h 8760h Das entspricht einer Leistung von 72 Atomkraftwerken, wenn man davon ausgeht, dass ein Atomkraftwerk eine Leistung von ca. 1 GW je Block hat. Tatsächlich kann die benötigte Spitzenleistung aller Kraftwerke bei über GW liegen. Obwohl in Deutschland nur noch 12 AKW betriebsbereit sind und der größte Teil der elektrischen Energie mit fossilen Kraftwerken erzeugt wird, rechne ich mit AKW weiter. Die Windenergie gilt als effizienteste erneuerbare Energie. Daher wäre sie an erster Stelle geeignet, das Energieproblem zu lösen. Um den Aufwand abzuschätzen, muss man sich als erstes einen Gesamtüberblick über die Anzahl der in Deutschland benötigten Windräder verschaffen. Die mittlere Nennleistung der Windräder in Deutschland dürfte zur Zeit oder in naher Zukunft bei 2,5 MW liegen. Sie wird sich in Zukunft auf 3MW zubewegen. Daher muss diese Berechnung immer wieder angepasst werden. Ein Windrad mit einer installierten Leistung von 2,5 MW hat unter Deutschen Verhältnissen (Kapazitätsfaktor k 0,18) eine tatsächliche mittlere Leistung von 0,45 MW. (Im Kapazitätsfaktor sind alle Windräder eines Landes enthalten, die an der Küste mit k0,25 und die im Binnenland mit k0,15) Da nach den Wünschen von Grünen und Umweltschützern eine Förderung auf See zugunsten der Förderung im Binnenland zurückgenommen werden soll, wird sich der Kapazitätsfaktor für Deutschland verschlechtern. Die Anzahl Z 1 der benötigten Windenergieanlagen (WEA) pro Atomkraftwerk (AKW) beträgt. Z MW : 0,45 MW 2222 WEA / AKW Formelsammlung und Erläuterungen am Ende von Teil 1 Will man allen Strom mit Windrädern erzeugen, dann benötigt man die Anzahl Z ges Z ges Z 1 x x Windräder. Seite 1 von 5

2 Statistisch gesehen würden Windräder genügen, um den gesamten Strombedarf Deutschlands übers Jahr zu decken. Jedoch treten Strombedarf und Wind nicht passend zur gleichen Zeit auf. Will man die Stromversorgung zu 100% auf erneuerbare Energien umstellen, dann muss man Speichermöglichkeiten schaffen, um Strom in einer geeigneten Energieform für diese Bedarfszeiten zwischenzuspeichern. Aus heutiger Sicht sind Pumpspeicherkraftwerke am ehesten geeignet, um elektrische Energie in annähernd ausreichender Menge zu speichern. Pumpspeicherkraftwerke sind Wasserkraftwerke, die aus einem oberen und einem unteren Wasserspeicher bestehen. Bei Energieüberschuss im Netz werden die Speicher aufgeladen, indem man Wasser vom unteren in den oberen Speicher pumpt. Bei Bedarf wird das Wasser über Turbinen, die Generatoren antreiben, abgelassen und so der benötigte Strom erzeugt. Pumpspeicherkraftwerke arbeiten mit einem Wirkungsgrad von ca. 75%. Das heißt, um das Wasser in den oberen Speicher zu pumpen, benötigen wir mehr Energie, als wir im Generatorbetrieb in Form elektrischer Energie wieder entnehmen können. Die Generatoren der Pumpspeicherkraftwerke müssen in der Lage sein, an Flautetagen die Spitzenleistung von GW aufzubringen. Für die Pumparbeit geht man von der mittleren Jahresleistung aller Kraftwerke von 72 GW aus und erhöht diese um die Wirkungsgradverluste der Pumpspeicherkraftwerke. Wir benötigen also zusätzliche Windräder, um die Verluste der Pumpspeicherkraftwerke zu decken. Über den Wirkungsgrad h der Pumpspeicherkraftwerke, kommen wir auf die Gesamtzahl der mindestens benötigten Windkraftwerke: h P ab P zu (abgegebene Leistung) (zugeführte Leistung) 72 GW benötigte Pumpleistung P PP P ZU 96 GW 0,75 P zu P ab h ^ Windräder 0, Windräder Das ist die Mindestanzahl an Windrädern, die wir in Deutschland benötigen. Eine Reserve in der Verfügbarkeit der Anlagen ist darin nicht enthalten. Zwar sind aufgrund des eingerechneten Kapazitätsfaktors üppige Leistungsreserven in den Windrädern enthalten, jedoch kann man nicht davon ausgehen, dass genau dann, wenn sie gebraucht werden, der Wind auch besonders kräftig weht. Erneuerbare Energien, insbesondere Wind und Sonne, verursachen aufgrund ihrer Wechselhaftigkeit starke Schwankungen im elektrischen Netz. Aufgrund des eingerechneten Kapazitätsfaktors von 0,18 kann bei Starkwind theoretisch das 5-fache der tatsächlich benötigten Kraftwerksleistung auftreten. Für die Netzstabilisierung sind bisher überwiegend Großkraftwerke zuständig. Die Behauptung, dass irgendwo der Wind immer weht, stimmt definitiv nicht. Das zeigt der Monitor der über den Link unten erreichbar ist Seite 2 von 5

3 Die Gesamtleistung der Deutschen Pumpspeicherkraftwerke beträgt zur Zeit etwa 6,6 GW, die Speicherkapazität MWh (Quelle Wikipedia). Zur Zeit sind in Deutschland lediglich 2,2% eines Tagesbedarfs an elektrischer Energie in Pumpspeicherkraftwerken speicherbar. Es fehlt an Speicherkapazitäten. Pumpspeicherkraftwerke sind schnell regelbar und sehr gut dazu geeignet auch Lastspitzen auszugleichen. Die Speicherseen sind keine Biotope und sie sind nicht zur Naherholung geeignet. Sie sind asphaltiert. Es stehen folgende Zahlen gegenüber: die Leistung der täglich an der Stromerzeugung beteiligten Kraftwerke : P GW die Leistung aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke heute: P Pp 6,6 GW der Tagesbedarf an elektrischer Energie in Deutschland : W 24h 1726 GWh das Speichervermögen der deutschen Pumpspeicherkraftwerke: W Pp 37,7 GWh Leistung [P] P 24 P PP 72 GW 10,9 6,6 GW Energie [W] W 24 W PP 1726 GWh 45,8 37,7 GWh Das verdeutlicht, dass die Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland mindestens das 11- fache und das Fassungsvermögen der Speicherseen das 46-fache betragen müsste um elektrische Energie für nur einen Tag zu speichern. Leider muß man davon ausgehen, dass eine Speicherung für 24 Stunden viel zu wenig ist, da Wind und Sonne oft mehrere Tage nicht zur Verfügung stehen. Daher müssten die Speicherkapazitäten um ein Vielfaches größer sein. Wir haben damit gerade mal die Stromerzeugung betrachtet, die etwa 20% des gesamten Endernergiebedarfs in Deutschland ausmacht. Wenn wir auch noch Elektro-Auto fahren wollen, benötigen wir weitere Windkraftwerke, weitere Pumpspeicherkraftwerke und wahrscheinlich sogar weitere Großkraftwerke. Und nun? Man kann sich auf den Standpunkt stellen: Es muß doch was geben! Vielleicht gibt es ja was, aber was? Die Landesregierung von Rheinland-Pfalz will 2650 Windräder installieren! Damit lassen sich bei angenommenen 2,5 MW pro Maschine lediglich ca. 1,65 % des deutschen Stromes erzeugen. (Aktuell stehen in RLP 1600 Windräder und in Bayern 600 bei 3-facher Landesfläche. In Baden-Württemberg sind bei doppelter Landesfläche etwa halb so viele WEA geplant wie in RLP.) Der exzessive Ausbau der Windenergie in Rheinland-Pfalz steht in keinem akzeptablen Verhältnis zu der massiven Zerstörung unserer Landschaft. Den Bezug zu Deutschland darf man bzw. muss man herstellen, da die Energiewende eine bundesdeutsche Aufgabe und das EEG ein bundesdeutsches Gesetz ist. Seite 3 von 5

4 Definitionen Pumpspeicherkraftwerke sind sehr unterschiedlich konzipiert. Ihre Laufzeit im Generatorbetrieb bei Vollast liegt zwischen Stunden. Zum Pumpen werden Stunden benötigt. Die Daten unterschiedlicher Quellen gehen hier auseinander. Zur Abschätzung der benötigten Größenordnung sind sie aber genau genug. Da es viele Unwägbarkeiten gibt, kann das Ergebnis je nach Rechenmethode etwas abweichen. Kapazitätsfaktor von Windrädern Aufgrund der wechselhaften Verfügbarkeit des Windes, von technischen Störungen, und zeitweiligen Energieüberschüssen im Netz muss man von einer reduzierten mittleren Jahresleistung ausgehen. Dazu hat man seit 2005 in verschiedenen Ländern den Kapazitätsfaktor eingeführt. Das ist ein empirisch ermittelter Wert, der sich aus der insgesamt installierten Leistung aller Windkraftwerke eines Landes und dem tatsächlichen Stromertrag errechnet. Dieser wird von verschiedenen Quellen für Deutschland mit 18% angegeben. Für einzelne WKA liegt er unterschiedlich. An der Küste kann er bei 30 % liegen im Binnenland auch bei 15%. Der Kapazitätsfaktor ist nicht der technische Wirkungsgrad der Maschinen, sondern ein Ertragsfaktor. k k k Tatsächlicher Energieertrag aller Windräder eines Landes Maximal möglicher Energieertrag aller Windräder eines Landes (aufgrund ihrer Nennleistung) 30 % an der Küste 15 % im Binnenland Volllaststunden 1 Jahr hat 8760 Stunden Volllaststunden sind die Stunden, in denen die Anlage bei Nennlast läuft. Bei einem Kapazitätsfaktor von 18% in Deutschland ergeben sich 8760 h x 0, ,8 h V Vollaststunden Grundlast, Grundlastkraftwerk ein Kraftwerk das in der Lage ist 24 Stunden am Tag 8760 Stunden im Jahr eine bestimmte Leistung zu fahren, nennt man Grundlastkraftwerk. Windkraftwerke und Photovoltaikanlagen können das nicht, da Wind und Sonne unregelmäßig zur Verfügung stehen. Zu den Grundlastkraftwerken zählen: Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke GUD-Kraftwerke Wasserkraftwerke Spitzenlastkraftwerke können schnell in wenigen Minuten zu einer bestimmten Leistung hochgefahren werden. Dazu zählen Gasturbinen und Pumpspeicherkraftwerke. Seite 4 von 5

5 Formelsammlung Kilo Mega Giga Tera Peta milli micro nano pico k M G T P m m n p 10³ Leistung [P] W Watt kw Kilowatt MW Megawatt GW Gigawatt TW Terawatt Energie Arbeit [W] Leistung x Zeit Ws Wattsekunde 1 Watt eine Sekunde lang Wh Wattstunde 3600 Ws 1 Watt x 3600 Sekunden lang - oder W x 1s lang kwh Kilowattstunde 1 kw x 1 Stunde lang 1000 W x 1 h 1W x 1000 h ( 1 kwh kostet zur Zeit etwa 0,28 ) MWh Megawattstunde 1000 kwh GWh Gigawattstunde 1000 MWh TWh Terawattstunde 1000 GWh Umrechnung chemisch elektrisch mechanisch alt 1 J 1 Ws 1 Nm 0,2387 cal Joule Wattsekunde Newtonmeter Kalorie 1 kcal 4,186 kws ( bzw. kj bzw. knm ) Diese Umrechnung erklärt auch, warum es sinnvoll war, neue Einheiten einzuführen. Eine Tafel Schokolade hat einen Energiegehalt von ca. 550 kcal, das sind: 2300 kj Kilojoule 2300 kws Kilowattsekunden 2300 knm Kilonewtonmeter Seite 5 von 5