In der Zukunft wird sich die Versorgungsstruktur grundlegend ändern müssen
um die erneuerbaren Energien ausbauen zu können. Der Schwerpunkt wird
daher auf flexibel einsetzbarer Regelenergie liegen, die die stark fluktuierende
Einspeisung der erneuerbaren Energien ausgleichen kann. Es wird zunehmend
erforderlich werden die anfallenden Energieüberschüsse aus erneuerbaren
Energien speichern zu können. Große Mengen elektrischer Energie
zu speichern ist bisher ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die
notwendigen Kapazitäten können noch nicht bereitgestellt werden und die Investitionen
in diesem Bereich sind unverhältnismäßig teuer. Die elektrolytische
Erzeugung von Wasserstoff stellt eine interessante Möglichkeit dar. Ebenso
bietet die Einspeisung von Strom in Batterien eine gute Alternative.
Es werden zwei Modelle untersucht: Die Verbindung von Windenergie mit der
Speicherung durch die Erzeugung von Wasserstoff (Power to Gas) und die
Kopplung von Photovoltaik mit einer Batterie für private Haushalte. Die simulierten
Spot Preise für Strom in €/Mwh für die Jahre 2015, 2020 und 2030
wurden zu den Ein- und Ausspeicherungsmengen in der Zeit (MWh) in einer
Zielfunktion in Beziehung gesetzt, um die Rentabilität der Ein- und Ausspeicherung
zu optimieren. Die Analyse dieser Funktion für das Gasspeichermodell
gibt uns Auskunft über die jährlich zu erwartende Rendite und den
daraus resultierenden Kapitalwert in den untersuchten Jahren. Durchschnittlich
liegt der Kapitalwert bei 414,23 €. Die Analyse dieser Funktion für die PVBatterie
führt bei gleicher Betrachtungsweise zu einem negativen Kapitalwert
von -23725,84 €, dabei ist der Wert des Eigenverbrauchs des privaten Haushaltes
bei dem Batteriemodell noch zu berücksichtigen.
Investitionen im Bereich Power to gas sind langfristig rentabel. Im Photovoltaik-
Batteriemodell sind Investitionen jedoch nicht rentabel, da sie stärker am
Eigenbedarf orientiert sind.
Inhalt
1 Zusammenfassung
2 Einführung
3 Aktueller Stand des Strommarktes und der erneuerbaren Energien in Deutschland
3.1 Derzeitige Stände des Strommarktes nach der Liberalisierung
3.2 Perspektive des Strommarktes unter Berücksichtigung der energiepolitischen Zielsetzung
3.3 Arten derzu bewertenden erneuerbaren Energien
3.4 Stromnetz, Netzengpässe und Netzentwicklung
4 Technische Möglichkeiten der Energie-speicherung
4.1 Speichertechnologien
4.1.1 Pumpspeicherkraftwerke (PSW) (Pumped Hydro PH)
4.1.2 Druckluftspeicher
4.1.3 Natrium-Schwefel-Batterien
4.1.4 Bleibatterie
4.1.5 Redox-Flow-Batterien
4.1.6 Hybrid-Flow- Batterien
4.1.7 Kapazitive (Sensible) Wärmespeicher
4.1.8 Chemische Speicher für Wasserstoff
4.1.9 Lithium-Eisenphosphat
4.1.10 Elektrolyse
4.2 Zukünftige Speichertechnologien
4.2.1 Hybridkraftwerke
4.2.2 ModerneDruckluftspeicher
4.2.3 Moderne supraleitende magnetische Energiespeicher
5 Wirtschaftliche Perspektiven der Anwendung der Speichertechnologie
5.1 EEG - Erneuerbare Energie Gesetz
5.2 Analyse der aktuellen Strompreise
5.2.1 Börsenpreise
5.2.2 Vergütungssätze nach EEG
5.3 Szenarien zur Entwicklung des wirtschaftlichen Potenzials bei Anwendung der Speichertechnologie
6 Das Modell
6.1 Annahmendes Modells
6.2 Beschreibungen des Modelles
6.3 Parameterbestimmungen
7 Auswertung der Ergebnisse
7.1 Speicher Möglichkeiten (Modell Ergebnisse)
7.2 Gasspeicherung (Power to Gas)
7.2.1 Batterie
7.3 Bestimmung der Wirtschaftlichkeitsgrenze zur Stromspeicherung ...
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Symbolverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildungsverzeichnis
Abb.1. Entwicklung der Strombereitstellung und der installierten Leistung von Windenergieanlagen in Deutschland
Abb.2 Entwicklung der Strombereitstellung und der installierten Leistung von Photovoltaik in Deutschland
Abb.3 Tagesdiagramm derGasspeicherung
Abb.4 Wochendiagramm der Gasspeicherung
Abb.5 Tagesdiagramm der Batterie
Abb.6 Wochendiagramm der Batterie
Tabellenverzeichnis
Tab.1 Vergütung für PV-Anlagen an oder auf Gebäuden in Deutschland von 01.01.2011 bis 31.12.2011
Tab.2 Die Vergütung pro kWh aus solarer Strahlungsenergie mit steigender Anlagengröße
Tab.3 Vergütung für Strom aus Windenergie
1 Zusammenfassung
ln der Zukunft wird sich die Versorgungsstruktur grundlegend ändern müssen um die erneuerbaren Energien ausbauen zu können. Der Schwerpunkt wird daher auf flexibel einsetzbarer Regelenergie liegen, die die stark fluktuierende Einspeisung der erneuerbaren Energien ausgleichen kann. Es wird zunehmend erforderlich werden die anfallenden Energieüberschüsse aus erneuerbaren Energien speichern zu können. Große Mengen elektrischer Energie zu speichern ist bisher ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die notwendigen Kapazitäten können noch nicht bereitgestellt werden und die Investitionen in diesem Bereich sind unverhältnismäßig teuer. Die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff stellt eine interessante Möglichkeit dar. Ebenso bietet die Einspeisung von Strom in Batterien eine gute Alternative.
Es werden zwei Modelle untersucht: Die Verbindung von Windenergie mit der Speicherung durch die Erzeugung von Wasserstoff (Power to Gas) und die Kopplung von Photovoltaik mit einer Batterie für private Haushalte. Die simulierten Spot Preise für Strom in €/Mwh für die Jahre 2015, 2020 und 2030 wurden zu den Ein- und Ausspeicherungsmengen in der Zeit (MWh) in einer Zielfunktion in Beziehung gesetzt, um die Rentabilität der Ein- und Ausspeicherung zu optimieren. Die Analyse dieser Funktion für das Gasspeichermodell gibt uns Auskunft über die jährlich zu erwartende Rendite und den daraus resultierenden Kapitalwert in denuntersuchten Jahren. Durchschnittlich liegt der Kapitalwert bei 414,23 €. Die Analyse dieser Funktion für die PV- Batterie führt bei gleicher Betrachtungsweise zu einem negativen Kapitalwert von -23725,84 €, dabei ist der Wert des Eigenverbrauchs des privaten Haushaltes bei dem Batteriemodell noch zu berücksichtigen.
Investitionen im Bereich Power to gas sind langfristig rentabel. Im Photovol- taik-Batteriemodell sind Investitionen jedoch nicht rentabel, da sie stärker am Eigenbedarf orientiert sind.
2 Einführung
Ein Hauptbestandteil zum Erreichen der ehrgeizigen Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland ist der Ausbau der erneuerbaren Energien. „Der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch soll in diesem Sektor bis zum Jahr 2020 mindestens 35% betragen. Dieser Anteil soll bis 2030 auf mindestens 50%, bis 2040 auf mindestens 65% und bis zum 2050 auf mindestens 80% gesteigert werden. Dadurch würden die Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 um 80 bis 95% gesenkt“1. Der steigende Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien ist jedoch auch mit Problemen verbunden. Bei der Nutzung von Windkraft und solarer Energie treten bei der Nutzung erhebliche Schwankungen auf. Die fluktuierende Stromerzeugung beeinflusst die Stabilität des Gesamtsystems. In diesem Zusammenhang spielt die Energiespeicherung eine zunehmende Rolle. Der ständig wachsende Anteil kleiner dezentraler Energieversorger löst einen zunehmenden Bedarf an geeigneten Zwischenspeichern aus. Zur Speicherung überschüssigen Stromes aus erneuerbaren Energien gewinnen Gasspeicher und Batterien zunehmend an Bedeutung. Diese Speichertechnologien ermöglichen es, wenn die Nachfrage die Produktion übersteigt, durch Ausspeicherung genügend Energie bereitzustellen. Die Fragestellung die im Rahmen dieser Masterarbeit behandelt wird lautet, wie man Energie aus erneuerbaren Energien mit geeigneten Speichertechnologien speichern und die gespeicherte Energie zu hohen Börsenpreisen ausspeichern kann. Durch die Simulation zweier Modelle, im ersten Modell eine Kombination von Windenergie mit Gasspeicherung power- to gas und im zweiten Modell eine Kombination von Photovoltaik mit Batterie soll die Rentabilität der Kopplung von erneuerbaren Energien mit Speichertechnologien untersucht werden. Die beiden oben angegebenen Modelle beziehen sich auf in der Praxis betriebene Pilotprojekte.2 Diese beiden erneuerbaren Energielieferanten in Kombination mit den gewählten Speichertechnologien stehen mit Blick auf die Entwicklung ihrer Nutzung, im Mittelpunkt der Untersuchungen dieser Arbeit, weil die Speicherung der nicht kontinuierlich erzeugbaren Energie besondere technische undwirtschaftliche Probleme bereiten, die zu optimieren sind. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Energiewirtschaft der Universität Duisburg-Essen und der RWE Effizienz GmbH wurden zwei Excel- Modelle entwickelt. Das erste Modell ist eine Kombination von Windenergie mit einer Gasspeicherung. Dieses Modell wird als power to gas bezeichnet. Das zweite Modell besteht aus einer Kombination von Photovoltaik und ei ner Batterie. Wichtige Größen bei der Berechnung der Modell sind die Ein- und Ausspeicherungsmenge, der Speicherinhalt am Ende jeder Stunde und die Zielfunktion der Berechnungsperiode sowie die kumulierte Zielfunktion. Weiterhin ist der Kapitalwert eine wichtige Größe, die zu betrachten ist. Die Modelle sind so angelegt, dass bei niedrigen Preisen Strom eingespeichert wird und bei hohen Preisen Strom ausgespeichert wird. Voraussetzung für eine rentable Nutzung ist die Möglichkeit flexibel ein- und ausspeichern zu können, um das Gefälle zwischen Strompreis (Spot Preis) und Speicherverhalten wirtschaftlich sinnvoll zu nutzen. In diesem Modell wurden die simulierten Spot Preise für die Jahre 2015, 2020, und 20303 zu Grunde gelegt. Die Ergebnisse der Modelle wurden auf den Zeitraum eines Tages (24 Stunden) und einer Woche (7 Tage) bezogen und wurden anschließend analysiert und ausgewertet.
3 Aktueller Stand des Strommarktes und der erneuerbaren Energien in Deutschland
3.1 Derzeitige Stände des Strommarktes nach der Liberalisierung
Die Liberalisierung nach 1998 führte zu einer Umstrukturierung undVerstär- kung der Konzentration am Strommarkt. Ursache dafür war das Entstehen neuer Wettbewerber am Markt sowie der Auftritt internationaler Marktteilnehmer. Diese Prozesse führten zu großen Veränderungen auf der Anbieterseite. Etwa 80 größere Stromanbieter fusionierten. Rund 500 kleinere Unternehmen vereinbarten Kooperationen und strategische Allianzen4, Dieser Kooperationsprozess war zur Vermeidung des Verlustes größerer Marktanteile erforderlich. Bei den Verbundunternehmen reduzierte sich die Zahl von acht größeren Unternehmen auf vier große Unternehmen. Die Auswirkungen auf die Stromerzeuger und die Verbraucher gestalteten sie wie folgt: Der Markt zwang die etablierten Unternehmen zu wettbewerblichen Angeboten um Kundenabwanderungen zu verhindern beziehungsweise zu minimieren. Zu diesen Angeboten zählen Preisnachlässe und Serviceverbesserungen sowie Preis- und Servicevorteile durch Kundenkarten bei Partnerunternehmen. Der Wechsel des Anbieters ist für den Kunden ohne Risiko, Privatkunden mit Verträgen bei alternativen Anbietern müssen vom örtlichen Versorger bei Ausfall der Stromlieferung durch den alternativen Anbieter mit Strom versorgt werden.5 Privatkunden und Industriekunden hatten bis zur Liberalisierung nach ihren Wünschen die Stromlieferanten gewählt. Die Liberalisierung führte zur Einrichtung von Strom- und Stromterminbörsen. Die Börsen ermöglichten den Abschluss von Verträgen zu marktgerechten Preisen. Nach der Liberalisierung des Strommarktes kann es sich lohnen den Stromanbieter zu wechseln, weil die Stromanbieter in einem zunehmenden Wettbewerb stehen.
Heute wird Strom ähnlich gehandelt wie andere Güter. Es entsteht ein wirksamer Wettbewerb. Der zu zahlende Strompreis kann flexibel an einen fallenden Kurs an der Börse angepasst werden.
Stromlieferungsverträge können so gestaltet werden, dass sich der vereinbarte Arbeitspreis des Stromes direkt aus dem Strompreis der Leipziger Strombörse (EEX) herleiten lässt. Dies ermöglicht die Schaffung von Transparenz. So kann man sich zum Beispiel relativ niedrige Strompreise vertraglich sichern, wenn langfristig steigende Strompreise zu erwarten sind6. Für differenzierte Laufzeiten von 2 bis 5 Jahren bieten Stromlieferanten die Möglichkeit einen Preis zu vereinbaren. Zu dem bieten diese Verträge die Möglichkeit den Vertrag im Falle sinkender Preise anzupassen. Meistens muss eine Vertragsverlängerung bei Preissenkungen in Kauf genommen werden.7
3.2 Perspektive des Strommarktes unter Berücksichtigung der energiepolitischen Zielsetzung
Die drei Hauptziele, die die Energiepolitik unter Führung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) realisieren will, um für eine homogene Energiemischung konventioneller und erneuerbarer Energien zu sorgen, sind Umweltverträglichkeit, Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit beziehungsweise Wettbewerb.
Das erste Ziel ist die Umweltverträglichkeit. Dies bedeutet die möglichst schonende Nutzung der natürlichen Ressourcen. Ein wirksamer Klimaschutz gilt heute im Bereich Energie als eine der größten Herausforderung für die ganze Welt. Um Energie sparsamer und effizienter einzusetzen und um mit erneuerbaren Energien in Zukunft einen höheren Anteil an der Energieerzeugung zu besetzen, hat die Bundesregierung diverse Initiativen ergriffen. Um zu verhindern, dass sich eine wirksame Klimaschutzpolitik negativ auf die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen auswirkt, sollen Maßnahmen zur Emissionsverminderung sowohl auf nationaler als auch auf europäischer und auf internationaler Ebene durchgeführt werden.
Zum zweiten Ziel hat das Bundesministerium sich die Versorgungssicherheit gesetzt. Darunter versteht man, dass jederzeit ein ausreichendes Angebot an Strom für die Nachfrage gewährleistet wird.
Da Deutschland ein relativ rohstoffarmes Land ist, ist es in hohem Maße an Importe von Energieträgern gebunden. Deshalb versucht die deutsche Regierung darauf zu achten, dass sie einen vielfältigen Energieträgermix nutzen und mehrere verschiedene Bezugsquellen auf der Welt einbeziehen kann, um eine stabile Versorgungslage zu sichern.
Bei der Versorgungssicherheit spielt die sparsame und rationale Energieverwendung sowie die Reduzierung des Energiebedarfs eine große Rolle.
Das letzte Ziel ist die Wirtschaftlichkeit. Die besten Grundlagen für eine wirtschaftliche und effiziente Energiebereitstellung und Energienutzung sind die marktwirtschaftlichen Strukturen und ein funktionierender Wettbewerb.
Eine wichtige Voraussetzung für die Erreichung der Ziele ist die konsequente, einheitliche und europaweite Öffnung der Strom- und Gasmärkte. Diese hat es ermöglicht, dass sich auch in Wirtschaftszweigen, die vorher von einem Monopol beherrscht wurden, der Wettbewerb entfalten und es zu wettbewerbsfähigen Preisen im Energiemarkt kommen konnte. Die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland profitiert ebenso davon wie die industriellen und privaten Verbraucher.
„Energiewende“ ist ein sehr wichtiger Begriff für die Energiepolitik. Unter diesem Begriff versteht man den„ Aufbruch in das Zeitalter der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz“ durch die Umstellung von fossilen Brenn- und Kernbrennstoffen auf erneuerbare Energien.8
Dass die Energieversorgung in Deutschland bis zum Jahre 2050 größtenteils durch erneuerbare Energien gesichert werden soll, hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt. Um dieses Ziel zu realisieren, müssen die Energieversorgungssysteme grundlegend umgebaut werden, um diese ökonomischen und technologischen Herausforderungen für Deutschland zu bewältigen. Der Weg in das neue Energiezeitalter wurde durch das Energiekonzept vom 28. September 2010 und di e Beschlüsse zur Beschleunigung der Energiewende 2011 definiert. 180 Einzelmaßnahmen und ein Monitoring Prozess sind die Bestandteile dieses Energiekonzeptes. Die Energiewende eröffnet die einmalige Chance, dieser Welt ein Beispiel zu geben, wie man Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit in einer führenden Industrienation miteinander vereinbaren kann9. Die durchgeführten Maßnahmen der Bundesregierung sind bisher:
- Schnellerer Atomausstieg (bereits bis Ende des Jahres 2022),
- Klimaschutz durch die Stärkung von erneuerbaren Energien (Treibhausgase sollen bis 2020 um 40% und bis 2050 um mindestens 80% gesenkt werden),
- Zügigere Planungen und Genehmigungen (Das Planungsbeschleunigungsgesetz erleichtert den Bau von Solaranlagen auf den Gebäuden und bietet neue Möglichkeiten Windanlagen aufzurüsten),
- Neue Energiespeicher welche Stromangebot und -nachfrage in Einklang bringen (Für Forschung und Entwicklung in diesem Bereich stellt der Bund bis 2014 insgesamt bis zu 200 Millionen € bereit),
- Netzausbau welcher Versorgungssicherheit schafft (Stärkung der Grundlagen für intelligente Netze und Speicher),
- Moderne konventionelle Kraftwerke als neue Brückentechnologie, Energie sparen und Wirkungsgrade erhöhen (Ineffiziente Geräte müssen schneller vom Markt genommen werden und neue Sanierungsfahrpläne für den Gebäudebestand), - Elektroautos (bis 2020 mindestens 1 Millionen Elektroautos in Deutschland und bis zum Jahr 2030 6 Millionen Elektroautos in Deutschland)10.
Die Vorteile der Energiewende sind folgende: die Versorgungssicherheit wird durch Dezentralität erhöht, der Abbau von fossilen Energieträgern führt zu Vermeidung von Umweltverschmutzung, die Treibhausgase von fossilen Energien werden verringert, Ressourcen wie Erdöl, Erdgas und Kohle werden geschont. Deutschland ist wirtschaftlich und politisch nicht mehr von Exporteuren fossiler Energieträger abhängig. Der Endverbraucher kann Photovoltaikanlagen und zum Teil auch Windkraftanlagen direkt als Kleinkraftwerke installieren.
Die beschleunigte Energiewende hat einen großen Einfluss auf die Strommärkte, insbesondere auf die Strompreise11. Über den Strompreis tragen Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistung sowie die weniger energieintensiven Industrien die meisten Kosten der Energiewende. Der Strompreis wird sich unter Berücksichtigung der zu erwartenden Inflation bis zum Jahr 2020 in Bezug auf die Preise im Jahr 2012 um durchschnittlich 10% erhöhen. Des Weiteren sollen die privaten Haushalte 29 Cent pro kWh zahlen, das heißt 3,1 Cent mehr als heute. Von 4,2 auf 6,3 Cent sollen die im Strompreis enthaltenen Kosten für die Energiewende steigen. Außerdem nimmt das Risiko eines Stromausfalls zu. Dafür gibt es drei Hauptgründe. Bis zum Jahr 2020 sinkt die Reservemarge, von heute 15% auf 5% aufgrund des Rückgangs der regelbaren Kraftwerksleistung. Die Entkopplung von Verbrauchs- und Erzeugungszentren sowie der viel zu langsame Netzausbau (aktuell wurden erst ca. 200 von 4.300 der bis 2020 benötigten Netze gebaut) belasten das Netz zunehmend.12
3.3 Arten der zu bewertenden erneuerbaren Energien
Der hohe Verbrauch an Energie in den Industrienationen hat zu Umweltbeeinflussungen geführt, deren Effekte zu Beginn der 21. Jahrhunderts zu der Erkenntnis geführt haben, dass der Einsatz erneuerbarer Energien einen Beitrag zu Verbesserung der Weltklimasituation darstellt.
Auf der Basis von geothermischer Energie und Solarstrahlung ist es möglich End- bzw. Nutzenenergie aus regenerativen Energien bereitzustellen. Regenerative Energiequellen entstehen auf der Grundlage der natürlichen Energieströme, zum Beispiel entsteht durch die Planetengravitation und die Planetenbewegung Windenergie und Wasserkraft sowie als gespeicherte Sonnenenergie, die Biomasse.13
Solarenergie
Die Sonne strahlt auf den äußeren Rand der Erdatmosphäre ein. An der oberen Atmosphärenschicht geht ein Teil der Strahlung durch Reflektion und Absorption verloren. Die Strahlung, die die Atmosphäre durchdringt erreicht die Erde zum Teil direkt und an Wolken, Staub und Wassertröpfchen gestreut als diffuse Strahlung. Die direkte und diffuse Strahlung bilden gemeinsam die Globalstrahlung.
Die solarthermischen Kraftwerke unterscheiden sich von konventionellen Anlagen durch den Verzicht auf fossile Brennstoffe. Die Wärme wird bei diesen Kraftwerken von der Sonne gewonnen. Dabei kann nur die direkte Sonneneinstrahlung zur Stromerzeugung genutzt werden. Standorte bei denen die Mindeststrahlung oberhalb von 2000 kWh/m2 liegt, ermöglichen eine rentable Nutzung der Sonnenstrahlung. Man unterscheidet drei Typen von solarthermischen Kraftwerken:
-Paraboirinnenkollektoren (parabolic through collectors).
- Solarturmkollektoren (solar tower or sentrai receiver) und - Parabolschüsselkollektoren (parabolic dish collector).14
Windenergie “Windkraftanlagen (WKA) nutzen die kinetische Energie des Windes zur Erzeugung von mechanischer Energie bzw. zur Stromerzeugung.15 "Unter den regenerativen Energien ist die Windenergie eine Mustertechnologie, die innerhalb weniger Jahre zu einer rasanten Entwicklung in dieser Branche geführt hat. Das stark schwankende Angebot des Windes ist eine Besonderheit dieser erneuerbaren Energie, so steigt die Leistung des Windes auf das Achtfache, wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt.16
Ein Nachteil der Nutzung liegt darin, dass die Anlagen bei niedrigen Windgeschwindigkeiten das Leistungsangebot des Windes nutzen müssen und bei extremen Windgeschwindigkeiten durch Sturmstellung keinen Schaden nehmen sollen.17
Man unterscheidet nach dem Standort der WKA Offshore- Anlagen, die im offenen Meer vor der Küste liegen, von Onshore- Anlagen, die sich auf dem Festland befinden beziehungsweise alle Anlagen, die sich nicht im Wasser befinden.18
Sonstige regenerative Energien Wasserkraft
“Bei Wasserkraftwerken wird die kinetische und potenzielle Energie einer bestimmten Wassermenge in mechanische und anschließend in elektrische Energie umgewandelt.”19
Untersuchungen für mehrere Jahre, mindestens für einen Zeitraum von zehn bis zwanzig Jahren müssen hinsichtlich des hydrologischen Abflussverhaltens am Standort vor dem Bau eines Wasserkraftwerkes durchgeführt werden, weil die Jahresarbeit von Wasserkraftwerken stark vom Wasseraufkommen im betreffenden Jahr abhängig ist.20
Diese regenerative Stromerzeugung zählt heute zu den kostengünstigsten Möglichkeiten.
Insbesondere ältere Anlagen sind kostengünstig zu betreiben. Neue Anlagen verursachen durch hohe Baukosten und l ange Amortisationszeiten höhere Stromerzeugungskosten.21
Man unterscheidet folgende Typen von Wasserkraftwerken:
-Niederdruckkraftwerke,
-Laufwasserkraftwerke,
-Stau- oder Schwellenkraftwerke,
-Hochdruckkraftwerke,
-Speicherkraftwerke,
-Pumpspeicherkraftwerke.22
Bioenergie
Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie. Pflanzen bilden durch die Photosynthese Biomasse, die den tierischen Organismen als Nahrung dient. Deren abgestorbene Organismen und organischen Stoffwechselprodukte stellen ebenfalls verwertbare Biomasse dar.23
Um die Flächennutzung beim Biomassenanbau mit anderen regenerativen Energietechniken wie zum Beispiel Solarenergie vergleichen zu können berechnet man den Wirkungsgrad einer Pflanze für den Biomassenanbau. Der Heizwert der getrockneten Biomasse wird durch die Sonnenenergie geteilt, die die Pflanze während ihrer Wachstumsphase erreicht hat.
Biokraftwerke werden technisch wie andere Kraftwerke für fossile Brennstoffe betrieben. Statt fossiler Brennstoffe verwendet man z.B. Holzreste, Hackschnitzel oder Stroh. Da Photovoltaik- oder Windkraftanlagen von der jeweiligen Wetterbedingung abhängig sind, sind Biomassekraftwerke eine optimale Ergänzung, das ich Biomassebrennstoffe optimal lagern und bei Bedarf nutzen lassen. Dadurch kann ein Beitrag zur Sicherung der Gesamtstromversorgung geleistet werden.24
Geothermie
Erdkruste, Erdmantel und Erdkern sind die Schichten, die unsere Erde von außen nach innen betrachtet, bilden. Der Durchmesser des Erdkerns beträgt circa 6.900 km.25
Damit die natürliche Erdwärme als Energiequelle genutzt werden kann sind Tiefenbohrungen erforderlich. Diese Technik wird seit Langem angewendet. Da die geothermische Kraftwerkstechnik relativ niedrige Temperaturen bei der Stromerzeugung erfordert, ist die geothermische Stromerzeugung etwas komplexer.
Man unterscheidet folgende Arten von Geothermie Kraftwerken:
1. Direktdampfnutzung,
2. Flash- Kraftwerke,
3. ORC-Kraftwerke (Organi Rankine Cycles),
4. Kalina-Kraftwerke.
Standorte mit Temperatur zwischen 200 und 300 Grad Celsius sind optimale geothermische Standorte, weil sich damit normale Dampfturbinenkraftwerke antreiben lassen. Wasser verdampft bei Temperaturen oberhalb von 100 Grad Celsius. Liegt das geothermische Temperaturaufkommen unterhalb dieses Grenzwertes, so reicht es nicht mehr aus um damit direkt geothermische Energie zu erzeugen.
Nicht nur die Kosten der Bohrung selbst sind ein Problem bei der Tiefengeothermie, sondern auch das Bohrrisiko. Es ist für kommerzielle Projekte nicht zu unterschätzen, daauch die besten Geologen niemals präzise Voraussagen über die Beschaffenheit des Untergrundes machen können.
3.4 Stromnetz, Netzengpässe und Netzentwicklung
Die Hauptaufgabe eines Stromnetzes ist der Transport und die Verteilung von Strom zwischen dem Stromerzeuger und dem Stromverbraucher.26 Im Jahre 1882 wurde die erste große Stromleitung von Oskar von Miller erbaut. Diese Stromleitung führte 57 Kilometer durch Bayern und transportierte auf dieser Strecke Gleichstrom.27
Die Transporte und Verteilungen werden auf vier verschiedenen Spannungsebenen ausgeführt. Man benötigt verschiedene Spannungsebenen, weil Übertragungsverluste bei höherer Spannung am niedrigsten sind. Um den Verbrauchern eine Stromnutzung zu gewährleisten, muss der Strom auf eine niedrige Spannungsebene transformiert werden. Im Folgenden werden die verschiedenen Netztypen nach ihrer Spannungsebene unterschieden. Der erste Netztyp, das Höchstspannungsnetz, verteilt den in den Großkraftwerken produzierten Strom ab 220 KV im europäischen Verbundnetz. Das westeuropäische Verbundnetz umfasst ebenso das deutsche Verbundnetz wie die Netze der meisten europäischen Länder.
Eine Stufe niedriger stehen die überregionalen Hochspannungsnetze mit mehr als 60 KV. Sie versorgen Regionen, Ballungszentren, sowie große Industriebetriebe mit Strom. Die Verbundunternehmen betreiben sowohl Höchst- als auch Hochspannungsnetze. Auf der regionalen Ebene befinden sich Mittelspannungsnetze zwischen 1 und 60 KV. Von dort aus wird der produzierte Strom an die Transformatorstationen des Niederspannungsnetzes verteilt. Den lokalen Netzbereich deckt das Niederspannungsnetz mit unter 1 KV ab. Dieser reicht vom Ortsnetztransformator bis zur Steckdose.
Unter Höchstspannungsnetzen versteht man auch Übertragungsnetze, HochMittel- und Niederspannungsnetze werden als Verteilnetze bezeichnet.28
Unter Netzengpässen versteht man, die Engpässe die bei der Stromübertragung zwischen zwei verbundenen Netzen in der verfügbaren Übertragungskapazität zustande kommen können. Die Stromflüsse werden in dieser Situation begrenzt.29
Die Genauigkeit der Übertragungskapazität, welche stark von der aktuellen Netzsituation abhängt, spielt eine bedeutende Rolle um Netzengpässe zu verringern oder zu vermeiden. Des Weiteren müssen Ausfälle von Netzelementen, Veränderungen von Einspeisungen sowie Witterungseinflüsse berücksichtigt werden. Durch Wartungen von Netzteilen stehen die Netze für den Betrieb nicht ausreichend zur Verfügung. Bei Kraftwerksausfall muss die Reserve- und Regelleistung jederzeit übertragen werden können. Dies führt dazu, dass die Betriebe wesentlich mehr Netze planen müssen, als Ihnen zurzeit zur Verfügung stehen. Um Netzengpässe zu verhindern sind dynamische, zeitabhängige Simulations- und Stabilitätsrechnungen oder -messungen der aktuellen Situation nötig, durch die man feststellen kann wie viele Kapazitäten genau in einer bestimmten Betriebssituation zur Verfügung stehen. Dies sind einige Gründe die Netzengpässe verursachen.30
Die deutsche Regierung hat sich zum Ziel gesetzt, mehr und mehr Energie aus erneuerbaren Energiequellen zu beziehen. In der Zukunft wird ein flexibleres Netz notwendig sein, da die stark zunehmende Integration erneuerbarer Energien, besonders Wind- und Solarenergie, dies erfordern wird.31
Die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien führt zu Netzengpässen auf der Hoch- und Niederspannungsebene, da der höchste Anteil an erneuerbarem Energiestrom in Norddeutschland produziert wird, der höchste Bedarf und Verbrauch von Strom jedoch in Süddeutschland vorzufinden ist. Da Windenergie wetterabhängig ist, kann man keine konstante Produktion erwarten. Das ist eine Ursache für Netzengpässe auf der Hochspannungsebene. Auf der Niederspannungsebene spielt die Photovoltaikproduktion der Haushalte (auf den Dächern der Häuser) eine entscheidende Rolle, da die Verbraucher Strom ohne vorherigen Plan in das Netz einspeisen, was zu Problemen und Netzengpässen führt.
Das Ziel der Netzstabilität ist mit den heute vorhandenen Mitteln schwer zu erreichen, da der Anschluss von neuen Solar-, Wind- und Wasserkraftwerken bald von dem Netz nicht mehr zu verkraften sein wird. Aus dem gesetzlich vorgeschriebenen „Monitoring-Bericht“ wird, dass zeitliche Auseinanderlaufen deutlich.32
Die Stabilitätsgrenze des elektrischen Systems ist bereits „heute punktuell zeitweise erreicht“.33 Wenn der Netzausbau nicht beschleunigt werden kann, „besteht in den kommenden Jahren bei weiterem Ausbau der erneuerbaren Energien die Gefahr, dass das Sicherheitsniveau im Hinblick auf die Systemstabilität abgesenkt wird.“34 Dies führt zu starken Netzschwankungen, und zu einer Minderung in der Stromzufuhr bis hin zu Kurzschlüssen in der Zukunft. Aus dem Bericht geht des Weiteren hervor, dass „Eingriffe der Netzbetreiber“ erforderlich werden würden und bis 2015 „keine strukturellen Engpässe und keine Gefährdung der Versorgungssicherheit zu erwarten“35 sein werden. Bis 2020 werden 17 Atommeiler vom Netz genommen, welches zur Konsequenz hat, dass die fehlenden Strommengen aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- Wind-, Wasser- und Erdwärme gezogen und zusätzlich aus Importen aus den Nachbarländern ergänzt werden müssen.36
Um den zusätzlichen Übertragungsbedarf zu minimieren und gleichzeitig die Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten sind neue Technologien zur Netzführung und zum Netzaufbau nötig. Durch die Stromerzeugung der Photovoltaikanlagen auf der Ebene der Verteilnetze (Haushalt) ist der Kunde enger an den Energiemarkt angebunden. Dadurch ist der Kunde ein Teil der Netzdienstleistung. Das heißt die Kunden werden dadurch zum Stromerzeuger und über Preissignale durch Lastverschiebungen gehen sie auf das Angebot der erneuerbaren Energien ein. Eine durchgängige und standardisierte Informationsund Koordinationstechnik muss das Zusammenspiel des flexibleren Netzes und der zentralen und dezentralen Einspeiser koordinieren.
Im Folgenden wird die Netzentwicklung durch ein Effizientes Projekt wie zum Beispiel Smart Grid, auf Deutsch auch als "Intelligentes Stromnetz” bezeichnet, dargestellt.
Die Intelligenten Netze sind bereits auf dem Markt und hier wird die Entwicklung auf die nächste Stufe gebracht. Offs^ore-Windanlagen, konventionelle Kraftwerke und S peicherkraftwerke reden miteinander. Wenn der Wind weht und Strom produziert wird, wird ein Teil der konventionellen Kraftwerke abgeschaltet oder bei Peak Stunden (Spitzenverbrauchsstunden) wird Strom aus den Speicherkraftwerken genommen. Die Netzleitstelle organisiert die störungsfreie, kontinuierliche Versorgung der Verbraucher mit Strom. Sie steuert die Kommunikation zwischen Windanlagen, konventionellen Kraftwerken und Speicherkraftwerken dem Verbrauch entsprechend. Als Peak (Spitze) bezeichnet man die Tageszeit von 8.00 Uhr morgens bis 20.00 Uhr am Abend und die Restzeit ist Off Peak (von 0:00 Uhr bis 8:00 Uhr und von 20:00 Uhr bis 0:00 Uhr). In der Peak Zeit sind die Geschäfte geöffnet, die Produktion der Betriebe läuft und in den Haushalten werden die elektrischen Haushaltsgeräte benutzt. Offshore-Windanlagen, konventionelle Kraftwerke und Speicherkraftwerke erzeugen Strom in Hochspannung, der durch Hochspannungsübertragungsnetze in die Ballungsgebiete im Süden des Landes transportiert wird. Man wählt die Hoch-spannungsnetze, weil hier bei der Stromübertragung die geringsten Stromverluste auftreten. Bei Mittel- oder Niedrigspannungsnetzen (220 Volt) wären die Stormverluste höher. Um den Hochspannungsstrom in die Niedrig-spannungsnetze für die Verbraucher einspeisen zu können braucht man Transformatoren, die die Hochspannung über die Mittelspannung auf die Niedrigspannung verringern. Die Netzleitstellen regeln den Stromfluss im Übertragungsnetz und gleichen kritische Über- oder Unterspannungen aus. Smart Grids sind nicht nur für Großanlagen geeignet, sondern ermöglichen auch bei der Kombination von Kleinanlagen die miteinander kommunizieren die Anpassung der Energieproduktion an den Energieverbrauch.
[...]
1Vgl.http://www.erneuerbareenergien.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_e e_zahlen_bf.pdf, S.9
2Energiewelt.de, Enertrag.com
3 EWL Die simulierten Preise sind vom Lehrstuhl für Energiewirtschaft der Universität Duisburg- Essen simuliert.
4Vgl.http://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetGas/AllgemeineInformatione
n/HistorieDerLiberalisierung/HistorieLiberalisierung_node.html
5Vgl.http://www.landtag.nrw.de/portal/WWW/GB_I/I.5/PBGD/Archiv_Veroeffentlichungen_der_1
3.WP/Energie/Strompreise_seit_Liberalisierung.d.Strommarktes,_Nov2003.pdf
6Vgl. http://www.vzbv.de/mediapics/hintergrundinfos_stromkampagne_2007.pdf
7Vgl. http://www.regenerative-zukunft.de/grundlagen/energiewirtschaft
8 Vgl. http://www.energiewende-heute.de/definition-energiewende.html
9 Vgl. http://www.bmu.de/energiewende/kurzinfo/doc/47889.php)
10Vgl.http://www.bundesregierung.de/Content/DE/Artikel/2011/06/2011-06-06-energiewende- kabinett-weitere-informationen.html
11Vgl. Achilles (2011).
12Vgl.http://www.mckinsey.de/html/presse/2012/20120508_pm_klimaschutz.asp
13Vgl. Kaltschmitt, M., Streicher, W., Wiese, A., (2005), S.11
14Vgl. Konstantin, P. (2006), S.249- 250
15Kaltschmitt, M., u.a. (2005) ,S.189.
16Vgl. ebd. S.189.
17Vgl. ebd. S.190.
18 Vgl. ebd. S.201.
19 Vgl. Konstantin, P. (2006), S. 260.
20 Vgl. ebd. S. 261.
21 Vgl. Kaltschmitt, M., u.a. (2011), S. 228.
22 Vgl. Konstantin, P. (2006), S.271.
23 Vgl. Kaltschmitt, M., u.a. (2011) S. 263.
24 Vgl. Kaltschmitt, M., u.a. (2011), S. 266.
25 Vgl. ebd. S. 234.
26 Vgl. Monstadt, J. (2003), S. 61.
27 Vgl. Fuchs, F. (2008), S.16.
28 Vgl. Monstadt, J. (2003), S. 61.
29 Vgl. Ströbele, W., u.a. (2012), S. 235.
30 Vgl. Renn, J. und Schlögl, R. (2011), S. 42-43.
31 Vgl. ebd. : http://www.edition-open-access.de/proceedings/1/chapter_4.html
32 Vgl.http://news.naanoo.com/news/neuer-strom-bericht-warnt-vor-netzengpassen-durch- erneuerbare-energien
33Monitoring-Bericht in Ebd.
34Monitoring-Bericht in Ebd.
35Monitoring-Bericht in Ebd.
36Vgl. Ebd.
- Arbeit zitieren
- Fares Farah (Autor:in), 2012, Wirtschaftlichkeitsszenarien von Speichermöglichkeiten als Grundlage für Geschäftsmodelle von Energieversorgern, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/268914
