Anforderungen an konventionelle Kraftwerke für die Transformation des Energiesystems. Oliver Freund, Benedikt Ernst, Jörg Seume

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1 an Oliver Freund, Benedikt Ernst, Jörg Ringvorlesung Hannover,

2 an technologie Vergleich der 3. an Kraftwerke 4. technologie 5. Beispiele moderner 6. Folie 2 / 38

3 Anstieg der weltweiten Energienachfrage an Mrd. Menschen Bevölkerungswachstum Primärenergieverbrauch ( : + 26%) ( : + 45%) 8,2 1) Primär- Energie- Verbrauch (PEV) In Mio. t SKE technologie 6, , ,9 1, ) PEV-Verbrauch in 2050 bei Annahme von 1,6% Wachstum nach 2030 Derzeit: Davon ohne Zugang zu Strom: 6,8 Mrd. Menschen auf der Erde Heute: Mehr als 1,5 Mrd. 1,2 Mrd. in Industrieländern, etwa konstant In 2030: 1,3 Mrd. Folie 3 / 38 5,6 Mrd. in Entwicklungsländern, stark steigend Quellen : United Nations World Population Prospects 2008 (Bevölkerungszahlen bis 1950), IEA: World Economic Outlook 2009 (Bevölkerungszahlen ab 2006) Grundlagen Energiewirtschaft- und Technik, Prof. H-J Wagner (Primärenergieverbrauch bis 1950), IEA: World Economic Outlook 2009 (PEV ab 2006)

4 Globaler Anstieg der Stromerzeugung prognostiziert an technologie Quelle: World Energy Outlook 2009 Folie 4 / 38

5 Anteile der Energieträger an der Netto-Stromerzeugung in Deutschland 2011 in Prozent an technologie *vorläufige Angaben Quelle: BDEW Folie 5 / 38

6 Europa: 20/20/20-Ziele der EU-Kommission an technologie 20% 20% Mindestreduktion der Treibhausgase bis 2020 ggü (30% Reduktion bei einem internationalen Abkommen) Anteil der Erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch* (Strom, Wärme, Verkehr etc.) 20% Steigerung der Energieeffizienz Folie 6 / 38

7 Verbrauchssteigerung in Europa wird weitestgehend durch Erneuerbare abgedeckt an Kohle und Gas müssen nahezu gesamte CO 2 -Reduktion erbringen technologie Quelle: EURELECTRIC Power Choices 2009 Quelle: EURELECTRIC Power Choices 2009 Folie 7 / 38

8 Investitionen und Kosten r Kraftwerke an technologie Quelle: e.on / Arbeitsbericht Stromerzeugungskosten im Vergleich, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart, 2008 Folie 8 / 38

9 Kumulierte CO 2 -Emissionen nach Energieträgern an technologie Quellen: PSI (2004; 2007), ILK (2004), IER (1997; 2000), EU (2007), Öko-Institut (2008) E.ON Kernkraft, Steiner Folie 9 / 38

10 Jahresvolllaststunden der deutschen Kraftwerke 2009 an technologie Folie 10 / 38

11 Struktur der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2011 an technologie Fluktuierende Einspeisung Folie 11 / 38

12 Zubau an Erneuerbaren Energien in Deutschland gemäß BMU Leitszenario (Nullniveau: 2010) an technologie Installierte Leistung [GW] ~ Wasserkraft Windkraft Onshore Windkraft Offshore PV Biomasse Geothermie Installierte Leistung durch KE (Stand: 2010) Stromerzeugung [TWh] Wasserkraft Windkraft Onshore Windkraft Offshore PV Biomasse Geothermie Stromerzeugung durch KE (Stand: 2010) ~ Quellen: BMU Leitszenario 2009, dena Kurzstudie Kraftwerks- und Netzplanung 2008, atw 2010 Folie 12 / 38 Stand 2009: Prognose 2020: MW EE ca MW EE installiert

13 MW Prognose und tatsächlich erzeugte Windleistung, an Prognose tatsächlich erzeugt technologie ca MW kurzfristiger Regelbedarf Folie 13 / 38 Versorgungssicherheit: Erzeugte Strommenge muss zu jedem Zeitpunkt dem aktuellen Verbrauch angepasst sein Quelle: transparency eex.com, Stand

14 EE-Einspeisung im Jahr 2020 an Einspeisung aus fluktuierenden Erzeugern führt zu starken Schwankungen im Stromnetz Deckung der Residuallast durch Kraftwerke technologie Einspeisung aus regelbaren Kraftwerken Einspeisung aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen Gesamtnachfrage Quelle: BMU FKZ 03MAP146 Folie 14 / 38

15 Gestiegener Bedarf an Regelleistung an technologie Vorhalten großer Regelleistung in n Kraftwerken Steigerung der Flexibilität r Kraftwerke Massiver Netzausbau Massiver Ausbau der Speicherkapazitäten (heute installiert: 40 GWh) Folie 15 / 38 Quelle: Kehr, RWE

16 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an technologie Die angegebenen Werte sind Richtwerte oder typische Werte. Die max. Leistung ist durch die Umwandlung in das 50 Hz Netz definiert. EDLC: Doppelschichtkondensator, Supercap, Electrochemical double layer capacitator Pumpspeicher Druckluftspeicher E-Mobility Quelle: Wikipedia Folie 16 / 38 Quelle: Kehr, RWE

17 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an Beispiel Lastverlauf und erzeugte Leistung durch WEA in der Vattenfall- Regelzone technologie Sehr geringe Einspeisung durch WEA, Dauer: 10 Tage, benötigte Leistung zur Kompensation: ca MW Mögliche Abdeckung durch Speichertechnologien Kosten um Bau, Betrieb und Finanzierung des Speichers abzudecken Folie 17 / 38 Szenario 1: Entleerung Speicher wöchentlich Szenario 2: Entleerung Speicher täglich Quelle: VDE Studie 2009

18 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an technologie Rechenbeispiel 1. Kompensation fluktuierender Energieeinspeisung durch Pumpspeicherkraftwerke (Wirkungsgrad: ca %) Energiebedarf aufgrund fluktuierender Energieeinspeisung: MW * 10 Tage = MW * 10 * 24 h= GWh Bereits installierte Speicher (Pumpspeicherkraftwerke): MW, maximal MWh Goldisthal Betriebsaufnahme: 2003 Leistung: MW Kapazität: MWh Höhe des Speicherbeckens: 880 m ü. NN Folie 18 / 38 Benötigte Pumpspeicherkraftwerke des Typs Goldisthal um fluktuierende Energieeinspeisung auszugleichen: GWh / 8,48 GWh = 198 Quelle: dpa/ Vattenfall

19 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an technologie Rechenbeispiel 2. Kompensation fluktuierender Energieeinspeisung durch Druckluftspeicherung (Wirkungsgrad: ca. 70 %) Energiebedarf aufgrund fluktuierender Energieeinspeisung: MW * 10 Tage = MW * 10 * 24 h= GWh Bereits installierte Speicher (Druckluftspeicher): 321 MW, maximal 642 MWh Kraftwerk Huntorf Betriebsaufnahme: 1978 Leistung: 321 MW Kapazität: 642 MWh Folie 19 / 38 Benötigte Druckluftspeicher des Typs Huntorf um fluktuierende Energieeinspeisung auszugleichen: GWh / 0,642 GWh = Quelle: e.on

20 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an technologie Rechenbeispiel 3. Kompensation fluktuierender Energieeinspeisung durch chemische Speicherung Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe überschüssiger Energie (chemische Energiespeicherung) Einspeisung in bereits vorhandene Erdgasspeicher Rückführung gespeicherter Energie über Gaskraftwerke Gesamtwirkungsgrad ca. 40% (65 % Elektrolyse, 97 % Verdichtung, 60 % Stromerzeugung) Chemische Speicherung heutzutage vergleichsweise teuer (fossiles Erdgas: ct/ kwh GT, 4 ct/ kwh GuD) Zukünftig konkurrenzfähige Stromerzeugungskosten prognostiziert Folie 20 / 38 Entleerung Speicher wöchentlich (oben), täglich (unten) Genügend Potential in Zeiten von Stromüberschuss? Quelle: VDE Studie 2009

21 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an technologie Rechenbeispiel 4. Kompensation fluktuierender Energieeinspeisung durch Speicherung in Elektrofahrzeugen Energiebedarf aufgrund fluktuierender Energieeinspeisung: MW * 10 Tage = MW * 10 * 24 h= GWh 43 Mio. zugelassene PKW in Deutschland (Stand ) Batterie-Speicherkapazität des Opel Ampera: 16 kwh Potenzielle Speicherkapazität, falls alle PKW in Deutschland durch Elektrofahrzeuge ersetzt werden: 43 Mio. PKW * 16 kwh = 688 GWh Es wären 105 Mio. PKW erforderlich um den Speicherbedarf zu decken. Die Fahrzeuge könnten in der Zeit jedoch nicht fahren! Folie 21 / 38 (c) GM Corp. Quelle: KBA 2012, Opel

22 Speichermöglichkeiten für elektrische Energie an Folie 22 / 38 Rechenbeispiel 5. Kompensation fluktuierender Energieeinspeisung durch GuD-Anlagen Energiebedarf aufgrund fluktuierender Energieeinspeisung: MW * 10 Tage = MW * 10 * 24 h= GWh Benötigte GuD-Anlagen um fluktuierende Energieeinspeisung auszugleichen (typische Leistung: MW): Kraftwerk Irsching (GuD) MW / MW = 7 (nur Vattenfall-Regelzone) Block Leistung [MW] technologie Wirkungsgrad Inbetriebnahme Abschaltung % , 4% ,7 % 2010 Quelle: e.on

23 an Kraftwerkstechnik an technologie Durch Klimaschutzbemühungen und massiven Zubau der Erneuerbaren Energien treten für Gas- Und Dampfturbinen folgende Aspekte in den Vordergrund: Große vs. kleine Einheiten, zentral vs. dezentral Wirkungsgradsteigerung Optimierung des Teillastverhaltens/ Wirkungsgradsteigerung bei Teillast Steigerung der Flexibilität Reduzierung der Emissionen Einsatz von und/ oder Dampfturbinen in neuen Erzeugungstechnologien Zusätzlich: Massiver Netz- und Speicherausbau Folie 23 / 38

24 Durchschnittliche Kenngrößen thermischer Kraftwerke an technologie Quelle: A. Voß et al., VGB 2010 Folie 24 / 38

25 Regelung von Dampfkraftwerken an technologie Flexibilität von Dampfkraftwerken durch Dampferzeuger limitiert Folie 25 / 38 Quelle: Kehr, RWE

26 Kaltstart einer Gasturbine an Leistungsgeregeltes und temperaturgeregeltes Anfahren technologie Folie 26 / 38

27 Kaltstart einer GuD-Anlage an Start GT Synchronisierung GT Gasturbine (GT) technologie Dampfturbine (DT) Start DT Synchronisierung DT GuD-Volllast Quelle:, Lechner Stationäre, Springer Verlag, 2010 Folie 27 / 38

28 Wirkungsgradentwicklung bei GT & GuD seit 1970 an technologie Folie 28 / 38 Quelle: Kehr, RWE

29 Entwicklung des Wirkungsgrades von GuD-Anlagen an technologie Folie 29 / 38

30 ALSTOM GT26 an technologie Quelle: Alstom Folie 30 / 38

31 ALSTOM GT26: Technische Daten an technologie Folie 31 / 38 Quelle: Alstom

32 ALSTOM GT26: Betriebskonzept an technologie Folie 32 / 38 EV Temperatur beibehalten über großen Lastbereich: Niedrige Emissionen über einen hohen Lastbereich Hohe Abgastemperatur über ~25% - 100% Last Hoher Kombiwirkungsgrad im Teillastbereich Kurze Kombi-Anfahrtszeit in ca. 50 Minuten (ab GT Zündung bei Volllast bei Heiß-Start) Quelle: Alstom

33 GT26 NO x - und CO-Emissionen an technologie Quelle: Ceric, Siad, VDI Berichte 2051, 2008 Folie 33 / 38

34 ALSTOM GT26: Einsatz im GuD-Kraftwerk Lingen an technologie Brennstoff: Erdgas Elektr. Netto-Leistung: ca. 875 MW Max. Dampfauskopplung: < 100 t/h Elektr. Netto-Wirkungsgrad: > 59 % Status: In Betrieb > Flexibilitätssteigerung im Vergleich zu einer Altanlage Folie 34 / 38 Quelle: Kehr, RWE

35 Siemens SGT5-8000H an technologie Quelle: Siemens Folie 35 / 38

36 Siemens SGT5-8000H an technologie Quelle: Siemens Folie 36 / 38

37 an technologie Zur Erreichung der gesetzten Klimaschutzziele sind weitere Investitionen in Erneuerbare Energien erforderlich Hohes Potential verschiedener Speichermöglichkeiten (Druckluftspeicherung, chemische Speicherung (Wasserstoff)) Speicherbedarf höher als derzeitig und in naher Zukunft vorhandene Kapazitäten Vorhaltung r Kraftwerksleistung für erneuerbare Energien notwendig Dazu bedarf es einer Steigerung der Flexibilität und einer Optimierung des Teillastverhaltens von n Kraftwerken bieten hohes Potenzial, um die fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien auszugleichen Folie 37 / 38

38 an Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 38 / 38