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Energie-Netze-Kurz

Produktion, Verbrauch und Verteilung von Energie in Deutschland. Stand heute und ein Blick in die Zukunft
by

Jakob Winter

on 9 February 2011

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Transcript of Energie-Netze-Kurz

ENERGIE WÄRME GAS STROM Stromproduktion Stromverteilung wer verbraucht den Strom? Ein empfindliches Gleichgewicht Ideen für die Zukunft
Druckluftspeicher-Kraftwerke
Norwegen als Batterie Europas
Ausweitung des Europäischen Verbundsnetzes
Desertec - Strom aus der Wüste
Smart Grid
Wärmeproduktion Verteilung von Wärme Potenziale Speicherung von Wärme
Zukunft des Gasnetzes Gasproduktion Gasverbrauch Gasverteilung Was ist Strom? Energie-Netze
über 83% der in Haushalten benötigten Energie ist Wärmeenergie bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 38% verschleudern fossile Kraftwerke heute mehr Energie durch Abwärme, als in allen deutschen Haushalten für Heizung und Warm-Wasser benötigt wird... (Raumwärme: 71,3% Warmwasser: 12,0%) Industrie: 7,9%
Gewerbe: 23,5%
private Haushalte: 68,6%
Anteil am Wärmeenergie-Verbrauch in Deutschland 2007 Wärmeverbrauch Endenergie-Verbrauch in Deutschland 2007 immerhin: bei 7% des in Deutschland produzierten Stroms wird KWK eingesetzt große Kraftwerke mit KWK

kleinere Blockheizkraftwerke

Müllverbrennungsanlagen

Fernheizwerke (Heizkessel) am Heizbedarf in Deutschland mögliche Lösung: Kraft Wärme Kopplung (KWK) Prozesswärme von Energieerzeugung und Industrie wird für den Wärmebedarf von Haushalten wiederverwertet Effizienz von Kraftwerken mit KWK kann auf bis zu 90% gesteigert werden abzüglich der Verluste bei der Wärmeverteilung-/Speicherung
durch Nahwärme-Netze mit wenigen km Länge
z.B. kleinere Dörfer in ländlicher Lage mit Biomasse-Kraftwerk
durch Fernwärme-Netze großer Länge
größtes Beispiel: Berlin mehrere Kraftwerke
1.500 km Leitungslänge
27% der Häuser Berlins
je länger ein Netz, desto höher muss der Wärmebedarf sein. Sonst wird das System unwirtschaftlich! Verhältnis zwischen Leitungs-
länge und Heizbedarf ist für Wirtschaftlichkeit entscheidend in Deutschland gibt es 19.200 km Nahwärmenetze
mit über 320.000 angeschlossenen Haushalten Wasser ist ein gutes Speichermedium für Wärme 4,19 kJ/kg - mehr als vierfache Speicherkapazität von Beton hohe Wärmekapazität

einfach zu transportieren (Leitungen) Nachteil: Verluste lassen sich nicht vermeiden erfordert großes Speichervolumen in Deutschland 2008 Stromgewinnung nach Energieträgern in Deutschland 2008 Anteile regenerativer Energien Verteilung regenerativer Kraftwerke gerichteter Anteil einer Bewegung von Elektronen oder Ionen

umgangssprachlich meist pro Zeit fließende Ladung gemeint Deutschland 2008 insgesamt 1.886 PJ oder 524 Milliarden kWh/a Stromverbrauch der einzelnen Bereiche edle Energieform, da vielseitig wandelbar umgerechnet 6.400 kWh pro Bundesbürger die Stromproduktion erzeugt 45,8% der Treibhausgase in Deutschland 2007 rund 80% davon gehen auf das Konto von Stein-und Braunkohlekraftwerken 2006 standen sechs der zehn dreckigsten Kohlekraftwerke Europas in Deutschland allein mit dem Austausch aller deutschen Kohlekraftwerke durch regenerative Energien könnte man CO² Emissionen um 1/3 reduzieren! Umstellung zu 100% auf regenerative Energien allein aus ethischer sicht ist eine "nachhaltige" Energiewirtschaft der einzig richtige Weg. Da wir sonst unsere Verfehlungen unseren Nachkommen aufbürden. Entwicklung von Speichermöglichkeiten da Solar- und Windenergie unbeständig sind, muss die zeitliche Differenz zwischen Produktions- und Bedarfsspitzen durch Speicherung der Energie ausgeglichen werden Einsparung von Energie durch effizientere Kraftwerke und Verbrauchsgeräte Luft wird mit hohem Druck in Kavernen im Boden gepumpt
hierzu eignen sich alte Salzbergwerke, in Norddeutschland häufig beim Verdichten der Luft wird Hitze Frei (bleibt heute noch ungenutzt)

Beim Ausströmen muss die Luft mit einer Gasturbine wieder erhitzt werden (sonst Vereisungsgefahr)

daher Wirkungsgrad nur bei 42% Einsatz heute:
bis jetzt erst 2 Kraftwerke weltweit (eins in Deutschland)

momentan noch extrem teuer und daher nur für Spitzenlasten wirtschaftlich

schnelle Reaktionszeit (wenige Minuten) Schwierigkeiten:
in Zukunft:
Speicherung der frei werdenden Wärme beim Verdichten in Festspeicher (Dadurch kein Gas zur Wiedererwärmung nötig)

dadurch drastische Steigerung des Wirkungsgrades

geplantes Kraftwerk in USA mit 480 MW, später 2.500 MW

Entwicklung von Unterwasser-Ballons in 600m Wassertiefe (60 bar Druck) Prototypen im Bau zahlreiche Stauseen halten das Schmelzwasser zurück und leiten es bei Strombedarf durch Turbinen Norwegen deckt eigenen Energiebedarf zu 99% regenerativ gewaltige Speicherpotentiale für Wind- und Solarstrom z.B. könnte Strom großer Offshore-Parks bei Überproduktion zwischengespeichert werden Leistung von 60 Atomkraftwerken stünde innerhalb von Sekunden in ganz Europa zur Verfügung um die enorme Leistung zu übertragen Ausbau des Stromnetzes nötig schon heute hat sich das Landschaftsbild stark geändert. Fischbestände sind drastisch zurückgegangen. Gefahr: Auswirkungen für die Umwelt Norweger machen auch vor, welche Gefahren mit billigem, grünen Strom einhergehen (Pro-Kopf- Verbrauch 4 mal höher, als EU-Durchschnitt. europäische Stromnetze zu einem Verbundsnetz zusammengeschlossen ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) Versorgungssicherheit die Kraftwerke aus 24 Ländern versorgen 450 Millionen Menschen durch einfache Transformierbarkeit (von 230V bis 380 kV) sehr flexibel synchrones Wechselstromnetz auf große Strecken hat Gleichstrom geringere Verluste Verluste auf 1.000 Kilometer Hochspannungsleitung

Wechselstrom: 15%

Gleichstrom: 3-4%
(plus je 0,6% bei der Umrichtung)

Leitungsquerschnitte bei Gleichstrom geringer finanzierbar!
(Leitung von Afrika bis Norwegen kostet so
viel, wie drei Kohlekraftwerke)

Ausgleich reginonaler Produktions- und Verbrauchsdifferenzen

daher Grundvorraussetzung für effizienten Einsatz und Verteilung erneuerbarer Energien HGÜ-Netz könnte ganz Europa verbindet Hochspannungs Gleichstrom Übertragung Wüsten bergen hohes energetisches Potential in 6 Stunden strahlt mehr Energie auf sie nieder, als die Welt in einem Jahr verbraucht! Sonneneinstrahlung in Sahara doppelt so hoch, wie in Deutschland also etwa 2.200 kWh/m² pro Jahr Moderne Pumpspeicherkraftwerke erreichen Effizienz von 80% heutiges Stromnetz ist blind
Betreiber weiß nicht, wer genau Strom verbraucht

Abrechnung erfolgt jährlich durch manuelles Ablesen

alles richtet sich ausschließlich nach Verbrauch nur wer seinen Konsum kennt,
kann ihn optimieren und senken Smart Meter gibt genau an, wieviel Strom gerade verbraucht wird

dadurch extreme Stromverbraucher aufspürbar

monatliche Abrechnung möglich

gestaffelte Tarife geben Anreize, Strom dann zu verbrauchen, wenn er verfügbar ist was gibt es für Gase? Biogas Hauptbestandteil: Methan und Kohlendioxid

Vergärung organischen Materials (z.B. Kläranlagen, landwirtschaftl. Abfälle, nachwachsende Rohstoffe, Mülldeponien)

CO² neutraler Energieträger - Reduzierung des Treibhauseffektes Erdgas hoher Methananteil (variiert je nach Herkunft: Russland und Norwegen haben Methananteile bis zu 99%, Deutschland nur bis zu 87%)

in der Herstellung billiger, als Biogas

Abfallgase aus Industrie- und Vergasungsprozessen (z.B. Stahlproduktion, Grubengas)

wird häufig für eigene Energieerzeugung genutzt und somit ein Austreten in die Atmosphäre verhindert Sondergase Mehr als ein Drittel (37 %) aus Russland, 26 % aus Norwegen und 18 % aus den Niederlanden. Dänemark und Großbritannien liefern je 4 %

starke Abhängigkeit von anderen Nationen

1/4 des jährlichen Gesamtaufkommens werden als Reserven eingelagert. In 46 unterirdischen Tanks haben knapp 20 Milliarden m³ Platz. nur 15% des deutschen Gasbedarfs kann in Deutschland selbst gefördert werden Gas hat einen Anteil von
24,5% am Endenergieverbrauch in Deutschland 2008 anteiliger Gasverbrauch in Deutschland 2008 insgesamt 2.236 PJ oder 621 Milliarden kWh insgesamt 426 PJ oder 118 Milliarden kWh mit CO² Emissionen von 0,198 kg/kWh sehr umweltfreundlicher Brennstoff zum Vergleich: CO² Emission von Steinkohle ist 0,353 kg/kWh Großteil des in Haushalten verwendeten Gases wird für Raumwärme und Warmwasser benötigt gute Brennwertkessel haben eine Effizienz von bis zu 95% 3 unterschiedliche Gasnetze Ferntransport-Rohrleitungen Durchmesser: 1,4 m

Druck: 84 bar

alle 100-150 km muss Gas komprimiert werden (bei 4.700 km gehen 10% der Energie für die Pumpen verloren)

betrieben durch Gashersteller regionales Verteilernetz Druck: etwa 16 bar

betrieben von regionalen Versorgungsunternehmen

Gesamtlänge: 50.000 km Netz regionaler Kommunen Druck: 1 bar (in privaten Haushalten sogar nur 20 mbar)

Gesamtlänge: 370.000 km gesamte deutsche Gasnetz beträgt 420.000 km Leckagen sind schwer zu berechnen. In überwachten Leitungen wurde ein Wert von 0,1% festgestellt Erdgasvorkommen werden vermutlich in 40-60 Jahren erschöpft sein Wasserstoff vor allem in ländlichen Bereichen ökologisch sinnvoll, wo Biomasse als Abfallprodukt anfällt neue Leitungen heute schon kompatibel

erreicht in Brennstoffzellen mit KWK bis zu 100%
Biogas im Sinne von Raumwärme und Warmwasser Verbrauch Definition Wärmeenergie Mechanische Energie Chemische Energie Potentielle Energie Elektrische Energie z.B. Raumheizung, Klimaanlage z.B. Auto, Aufzug, Küchenmaschine z.B. Akku, Sprengstoff z.B. Stausee Anteil von Fernwärme lediglich 14% Verteilung von elektrischem Strom Stromspannungen bezogen auf deutsche Netze die 4 größten Netzbetreiber Länge der Stromnetze: 1.600.000 km Niederspannung 1.070.000 km
Mittelspannung 494.000 km
Hochspannung 74.000 km
Höchstspannung 36.000 km Solar- und Windkraftanlagen nicht
in die aktive Netzregelung einbezogen! ihre Leistung muss von den Betreibern vollständig eingespeist werden (Energieeinspeisegesetz).
Sie zählen zur Grundlast.

Konventionelle Grundlaskraftwerke lassen sich daher immer schlechter auslasten Preise können zu Spitzenlastzeiten um mehrere Euro pro kWh variieren elektrische Energie wird an einer Strombörse gehandelt Verbraucher zahlen heute noch Festpreise (2009 betrug er im Mittel 14 Cent/kWh) Strom kann nicht gespeichert werden! er kann immer nur in eine andere Form der Energie umgewandelt werden (chemische, mechanische, potentielle Energie...) 1. weicht die Frequenz um mehr, als zwei Hertz ab, bricht das Netz zusammen Das europäische Wechselstromnetz ist mit 50 Hertz getaktet.
wird mehr Strom verbraucht, als produziert, sinkt die Frequenz
wird weniger Strom verbraucht, als produziert, steigt die Frequenz Es herrscht ein sensibles Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch wird mehr verbraucht, muss sofort mehr produziert werden und umgekehrt 2. Kraftwerksmanagement Grundlastkraftwerke übernehmen die Grundversorgung in Höhe der minimalen Last im Tages-/Nachtverlauf

laufen stets auf Volllast - daher sehr kostengünstig

sehr träge in der Regelung (nach Abschaltung z.T. ein Tag zur vollen Leistung)

Typen: Laufwasserkraftwerke, Atomkraftwerke, Braunkohlekraftwerke

1. Mittellastkraftwerke Verteilung fossiler Kraftwerke Luft wird auf 700°C erhitzt und durch eine große "Sanduhr" geblasen Turmkraftwerke mit Sandspeicher Dadurch könnten sich Kosten weiter senken lassen (auf unter 5 Cent/kWh) bis 2050 sollen 15% des Strombedarfs gedeckt werden eine neue Studie betrachtet Solarthermie Kraftwerke versorgen EUMENA mit Strom EUMENA = Europe, Middle East and North Africa geschätzte Kosten für das Projekt: 400 Milliarden Euro Kunde erlaubt Fernsteuerung gewisser Verbrauchsgeräte (Kühlhaus, Waschmaschine, Elektroauto)

durch Geräte-ID Stromverbrauch genau einsehbar der nächste Schritt Arten der Wärmeerzeugung vielen Dank für eure Aufmerksamkeit Ein Gesetzesentschluss ermöglicht es Kommunen,
den Anschluss an Fernwärmenetze vorzuschreiben! KWK-Kraftwerke haben erhebliches Einsparungs-
potential bei Ressourcenverbrauch und CO² Ausstoß insbesondere Biomasse-Kraftwerke in Regionen, in denen viel Biomasse anfällt, sind extrem umweltfreundlich Anteil elektrischen Stroms am Endenergieverbrauch beträgt 20,7% Deutschland 2008 Wieviel ist eine Kilowatt-Stunde (kWh)? Strom "fließt" annähernd mit Lichtgeschwindigkeit Spannungs- oder Fequenzänderungen am einen Ende sind auch unverzüglich am anderen Ende spürbar
2. variieren ihre Leistung entsprechend dem vorhersehbaren Strombedarf nach einem vorher festgelegten Tagesfahrplan.

Regelungsgeschwindigkeit im Stundenbereich

mittlere Stromerzeugungskosten

Typen: Thermische Kraftwerke, z.B. Steinkohlekraftwerk müssen jeder Leistungsveränderung im Netz fogen können.

Regelung in Sekunden (Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke) oder Minuten (Gasturbinenkraftwerke)

Leistung kann zwischen 20% und 100% variiert werden

extrem hohe Stromerzeugungskosten (da meist nur wenige Stunden täglich im Einsatz) Spitzenlastkraftwerke 3. um stets dieses Gleichgewicht zu wahren, benötigt man ein ausgeklügeltes dazu werden Kraftwerke in drei Kategorien gegliedert Öl wid in Parabolrinnen auf 390°C erhitzt und in Tanks gespeichert oder gleich zum Antrieb einer Wasserdampf-Turbine eingesetzt Bei Speicherung über 1-2 Tage Effizienz von bis zu 95% möglich Parabolrinnenkraftwerk Transparenz für Produzent und Verbraucher
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