Claus Paal informiert: Energie erzeugen. Kraftwerke: Ein Überblick und die Funktionsweise

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1 Claus Paal informiert: Energie erzeugen Kraftwerke: Ein Überblick und die Funktionsweise Prof. Dr. Wolfgang Kohl 30. Juni 2011 W. Kohl Kraftwerke: Ein Überblick und die Funktionsweise Berufungsvortrag Hochschule Mannheim Fakultät University für Verfahrens- of Applied und Sciences Chemietechnik Helmut Behler

2 Wie viel Energie verbrauchte Deutschland im Jahr 2010? Braunkohle 11% Erdgas 22% Kernenergie 11% Erneuerbare 9% Sonstige 1% Biogas, Klärgas, Müll 26% Biokraftstoffe 14% Solarthermie Geo, WP 3% Wasserkraft 5% Windkraft 10% Steinkohle 12% Mineralöl 34% Holz, Stroh, feste Stoffe 39% Photovoltaik 3% PEV: 14,0 EJ Erneuerbare: 1,3 EJ = 9,4 % Quelle: BMWi, Energiedaten 2011 W. Kohl Kraftwerke: Ein Überblick und die Funktionsweise W. Kohl Von der konventionellen Energieversorgung in die Regenerativen Energien

3 Wie viel Strom wurde 2010 erzeugt? Fernwärme 5% Kohle 4% Müll, Holz, Schlamm 6% Gase 25% Biogen. Müll Biomasse 1% 5% Wind 6% Wasser 3% PV Mineralöl 2% Sonst 1% Steinkohle 1% 19% Strom 22% Heizöl 10% Erdgas 14% Kraftstoffe 28% Kernenergie 23% Braunkohle 25% EEV: 9,1 EJ Strom: 604 TWh Strom hatte nur 22 % Anteil! Quelle: BMWi, Energiedaten 2011

4 Energiewende: Der Weg zur Energie der Zukunft - sicher, bezahlbar und umweltfreundlich Bundesregierung 06. Juni 2011 Umfassende Ergänzung des Energiekonzepts Herbst 2010 in 39 Positionen: Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis um 35 % um 80 % Beschleunigter Ausbau der Erneuerbaren Energien mit 35 % Anteil an Bruttostromverbrauch Ausstieg aus der Kernenergie bis 2022 Stärkung der KWK-Energieerzeugung Markt- und Systemintegration Begrenzung der EEG-Umlage auf 3,5 Ct/kWh.

5 Wie funktioniert ein Kraftwerk? Wärme

6 Wie funktioniert ein Kohle-Kraftwerk? Wärme

7 Kohle - Kraftwerke Quelle: Großkraftwerk Mannheim Leistungsgrößen: MW Brennstoffe: Stein-, Braunkohle CO2-Emissionen: g/kwh Wirkungsgrad: % Spez. Stromkosten: 2 8 Ct./kWh Volllaststunden: h/a Verfügbarkeit: Mittel- u. Grundlast

8 Wie funktioniert ein Gas-Kraftwerk?

9 GuD - Kraftwerke Leistungsgrößen: MW Brennstoffe: Erdgas CO2-Emissionen g/kwh Wirkungsgrad: % Spez. Stromkosten: 6 15 Ct./kWh Volllaststunden: h/a Lastwechsel: Mittellast

10 Wie funktioniert ein Kern-Kraftwerk? W. Kohl Kraftwerke: Ein Überblick und die Funktionsweise W. Kohl Von der konventionellen Energieversorgung in die Regenerativen Energien

11 Atom - Kraftwerke Quelle: KKW Biblis Leistungsgrößen: MW Brennstoffe: Uran CO2-Emissionen: 0 g Wirkungsgrad: 34-38% Volllaststunden: h/a Spez. Stromkosten: 2 4 Ct./kWh Lastwechsel: Grundlast

12 05/2011 Wie viel Energie wird aus der Spaltung von 1 kg Uran 235 frei? Der Faktor Million wird die Menschheit immer faszinieren! 31 MJ/kg 42 MJ/kg 78 Millionen MJ/kg 400 Millionen MJ/kg Verbrennung 1 kg Kohle Verbrennung 1 L Öl Kernspaltung 1 kg Uran Kernfusion 1 kg D + T W. W. Kohl Von der konventionellen Sonnenergie Energieversorgung versus Kernenergie in die Regenerativen Energien

13 Wie funktioniert ein Solar-Kraftwerk?

14 Solarthermische - Kraftwerke Technische Daten: Leistungsgrößen: MW Brennstoffe: Sonne CO2-Emissionen: 0 g Wirkungsgrad: % Volllaststunden: h/a Mit Speicher: h/a Spez. Stromkosten: < 10 Ct./kWh ab 2020 Verfügbarkeit: fluktuierend

15 Solarzelle Leistungsgrößen: 1 10 kw Wohnhäuser kw Hallendächer bis kw Freianlagen Baumaterialien: Halbleiter CO2-Emissionen: 0 g Wirkungsgrad: 5 20 % Spez. Stromkosten: Ct./kWh Volllaststunden: 950 h/a Deutschland h/a Spanien Energieangebot: Fluktuierend 8 kwp PV-Hausdachanlage Beratzhausen 2009

16 Photovoltaik boomt in Deutschland [GWh] Entwicklung der Stromerzeugung Bilanz und Jahr installierten 2010: Leistung von Photovoltaikanlagen in Deutschland Installationen gesamt Anlagen Energiebereitstellung [GWh] MWp installierte Leistung [MWp] Weltmeister ( MW KKW) Stromerzeugung GWh ( GWh KKW) Anteil 2 % Wertschöpfung Mrd. Beschäftigte [MW p ] Förderung EEG bis Mrd Kumuliert bis 2020 (2039) 225 Mrd. 0 (10,5 % Anteil Strom) Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); 1 GWh = 1 Mio. kwh; 1 MW = 1 Mio. Watt; Bild: BMU / Bernd Müller; Stand: März 2011; Angaben vorläufig Chinesische Solarmodule 60 %

17 Auch die Windkraft boomt Statistik: Anzahl: Leistung: Anlagen MW MW neu 37 Mrd. kwh Stromerzeugung: Anteil: 6,2 % Anlagen-Export: 75 % Entwicklung der Stromerzeugung und installierten Leistung von Windenergieanlagen 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

18 Windkraftanlagen Leistungsgrößen: 2 6 MW Nabenhöhe: 120 m Rotordurchmesser: 126 m CO2-Emissionen: 0 g Wirkungsgrad: % Volllaststunden: h/a Inland h/a Küste bis h/a Offshore Spez. Stromkosten: 7 12 Ct./kWh Energieangebot: fluktuierend

19 Wasserkraft Wasserkraftwerke: Laufwasser EVU 585 Pumpspeicher 31 Gesamt 7400 Leistung (GW) 4,05 Ertrag (TWh) 20,9 Anteil an Stromerzeug. 3,3 % Potential zusätzlich + 15 % überwiegend Repowering

20 Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? Eine effiziente Energietechnologie! Blockheizkraftwerk für Nahwärme η = 40 % Fernwärmeauskopplung η = 85 %

21 BHKW mit Brennstoffzelle

22 Energieintensität Intensitäten: kw/m² Sonnenstrahlung 1,37 Atmosphäre 0,25 Ebene Windströmung 0,13 bei 6 m/s 1,04 bei 20 m/s Wasserströmung 108 bei 6 m/s Gezeitenströmung 0,002 Mittel Erdwärme 0,00006 Biomasse 0,0003 Photosynthese Heizöl 30 Heizflächen Kohle 500 Kesselrohr Uran 700 Brennelementhüllrohr Regenerative Energien erfordern: Hohen Flächenbedarf viel Materialaufwand hohe Investitionskosten 40 MWp-PV-Feldanlage Brandis 2009

23 Energiefluktuation 5 kwp-pv-anlage in Frankfurt Strom-Ertrag 2010: Strom-Bedarf im Monat (gemittelt) Strom-Ertrag im Juni 2010 Strom-Ertrag im Dezember 2010 Speicher kwh = Bedarf 5-P-Haushalt 375 kwh 796 kwh 212 % Überschuss 32 kwh % Unterdeckung 350 m² PV-Fläche im Winter erf.

24 Das regenerative Kombikraftwerk Fazit: 100% Versorgung mit Erneuerbaren realisierbar Dreifache Kraftwerksleistung Doppelte Speicherkapazität Intelligentes Leit- und Speichermanagementsystem

25 Regenerative Versorgung von Ballungsgebieten Über Großtechnologien auf Basis regenerativer Energien Mannheim: % Eigenversorgung Megacities 2015 Quelle: A. Hähnel-Schönfelder, Stadt Mannheim, 2009

26 Institut für Energie- und Umltmess-Technik Vergleichende Betrachtungen zu Stromerzeugungsanlagen Kriterien Gas GuD Photovoltaik Windkraft Wasserkraft Biomasse Geothermie Steinkohle Kernkraft Wirkungsgrad [%] Klimafreundlichkeit CO2 Umweltfreundlichkeit Stetige Verfügbarkeit fluktu ierend Volllaststunden [h/a] < < 6000 < Spezif. Anlagenkosten [ /kw] / Brennstoffkosten Spez. Stromge.-kosten [ct/kwh] Potential Deutschl. / Welt Legende: Gut Mittel Schlecht

27 Herausforderungen an die Energiewende Kostendegressionen insbesondere bei Solarenergie und Geothermie, da Leistungsdichten mal geringer als bei konventionellen Systemen Speichertechnologien in Groß-Dimensionen zur Überwindung der starken Fluktuationen Hoch-intelligentes Regelungs- und Lastmanagement zur Integration der heterogenen und komplexen Systeme Großtechnologien auf Basis regenerativer Energien incl. transnationaler Netze zur Versorgung von Ballungsgebieten und Megastädten Energieeffizienz ist das A und O für Regenerative Energien.

28 04/2011 Die Götter verlangen noch viel Schweiß an Ingenieurgeist und Wirtschaftskraft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. W. Kohl W. Kohl Von der konventionellen Sonnenenergie Energieversorgung versus Kernenergie in die Regenerativen Energien