Stromerzeugung und -verbrauch – ein Bilanzproblem.
In Kraftwerken wird elektrischer Strom erzeugt. Die dazu notwendige Energie kann beispielsweise gewonnen werden aus:
- der Bewegungsenergie fließender Gewässer (Laufkraftwerke)
- der Lageenergie des Wassers in hochliegenden Stauseen (Pumpspeicherkraftwerke)
- aus der Bewegungsenergie der Luft (Windkraftwerke)
- direkt aus der Sonnenenergie (Solarkraftwerk, Photovoltaik)
- thermische Energie aus Verbrennung verschiedener Brennstoffe (Erdöl, Gas, Holz, Müll usw.)
- aus der thermischen Energie, die bei Atomspaltung frei wird (Atomkraftwerke)
- aus Erdwärme (Geothermie), siehe z.B. hier
In Kraftwerken wird elektrischer Strom erzeugt. Die dazu notwendige Energie kann beispielsweise gewonnen werden aus:
- der Bewegungsenergie fließender Gewässer (Laufkraftwerke)
- der Lageenergie des Wassers in hochliegenden Stauseen (Pumpspeicherkraftwerke)
- aus der Bewegungsenergie der Luft (Windkraftwerke)
- direkt aus der Sonnenenergie (Solarkraftwerk, Photovoltaik)
- thermische Energie aus Verbrennung verschiedener Brennstoffe (Erdöl, Gas, Holz, Müll usw.)
- aus der thermischen Energie, die bei Atomspaltung frei wird (Atomkraftwerke)
- aus Erdwärme (Geothermie), siehe z.B. hier
Mit diesen primären Energiequellen (den
Primärenergieträgern)
werden zunächst (außer bei Photovoltaik) Turbinen angetrieben, die ihrerseits wieder Generatoren antreiben, die letztendlich dadurch die elektrische Energie („Strom“) erzeugen. Der erzeugte Strom der einzelnen Kraftwerke wird in das Stromnetz eingespeist und über verschiedene Spannungsebenen zu den Endverbrauchern verteilt.
Man kann Kraftwerke auch danach unterteilen, wie gleichförmig und vorhersehbar sie Energie erzeugen bzw. wie schnell sie auf schwankenden Verbrauch reagieren können. Denn: Eine Eigenheit der Versorgung mit elektrischer Energie liegt darin, dass praktisch in jedem Moment gleich viel Energie erzeugt werden muss wie zeitgleich verbraucht wird. Das wird ein zunehmendes Problem.
Es ist leicht einzusehen, dass z.B. Laufkraftwerke und thermische Kraftwerke relativ konstant Energie erzeugen können, denn die Donau fließt beispielsweise ohne schnelle Schwankungen dahin. Solche Kraftwerke erzeugen jenen Teil des Stromverbrauchs, der langfristig konstant ist, die sogenannte Grundlast. Die meisten thermischen Kraftwerke können an langsame Schwankungen des Stromverbrauchs angepasst, also etwa morgens an- und abends abgefahren werden. Sie arbeiten dann als Mittellast-Kraftwerke. Gaskraftwerke können innerhalb von wenigen Minuten aus dem Stillstand ihre maximale elektrische Leistung abgeben und so Spitzenlasten abdecken. Bei ihnen geht es wegen dieser Schnellstartfähigkeit primär um die Stromerzeugung, allerdings wird auch die entstehende Abwärme zur Dampferzeugung benutzt, um den Wirkungsgrad auf etwas über 60% und bei maximaler Wärmeauskopplung auf knapp über 85% anzuheben. Der erzeugte Dampf wird in einer Dampfturbine ebenfalls zum Antrieb eines Generators und zur weiteren Stromerzeugung und bei größeren Anlagen auch für Fernwärme verwendet.
Somit sollte klar sein, dass Photovoltaik oder Windkraft allein keine Alternativen zu einem Heizkraftwerk sein können, das auf einen schnell schwankenden Stromverbrauch nicht reagieren, aber dafür konstant Energie liefern kann. Wir werden vielmehr alle Möglichkeiten der Stromerzeugung in einem sinnvollen Mix und auch einen Ausbau des Stromnetzes benötigen, um Verbrauch und Erzeugung weiterhin gut ausbalancieren zu können.
Man kann Kraftwerke auch danach unterteilen, wie gleichförmig und vorhersehbar sie Energie erzeugen bzw. wie schnell sie auf schwankenden Verbrauch reagieren können. Denn: Eine Eigenheit der Versorgung mit elektrischer Energie liegt darin, dass praktisch in jedem Moment gleich viel Energie erzeugt werden muss wie zeitgleich verbraucht wird. Das wird ein zunehmendes Problem.
Es ist leicht einzusehen, dass z.B. Laufkraftwerke und thermische Kraftwerke relativ konstant Energie erzeugen können, denn die Donau fließt beispielsweise ohne schnelle Schwankungen dahin. Solche Kraftwerke erzeugen jenen Teil des Stromverbrauchs, der langfristig konstant ist, die sogenannte Grundlast. Die meisten thermischen Kraftwerke können an langsame Schwankungen des Stromverbrauchs angepasst, also etwa morgens an- und abends abgefahren werden. Sie arbeiten dann als Mittellast-Kraftwerke. Gaskraftwerke können innerhalb von wenigen Minuten aus dem Stillstand ihre maximale elektrische Leistung abgeben und so Spitzenlasten abdecken. Bei ihnen geht es wegen dieser Schnellstartfähigkeit primär um die Stromerzeugung, allerdings wird auch die entstehende Abwärme zur Dampferzeugung benutzt, um den Wirkungsgrad auf etwas über 60% und bei maximaler Wärmeauskopplung auf knapp über 85% anzuheben. Der erzeugte Dampf wird in einer Dampfturbine ebenfalls zum Antrieb eines Generators und zur weiteren Stromerzeugung und bei größeren Anlagen auch für Fernwärme verwendet.
Somit sollte klar sein, dass Photovoltaik oder Windkraft allein keine Alternativen zu einem Heizkraftwerk sein können, das auf einen schnell schwankenden Stromverbrauch nicht reagieren, aber dafür konstant Energie liefern kann. Wir werden vielmehr alle Möglichkeiten der Stromerzeugung in einem sinnvollen Mix und auch einen Ausbau des Stromnetzes benötigen, um Verbrauch und Erzeugung weiterhin gut ausbalancieren zu können.
Bei Solar- und Windkraftwerken kann die Energieaufbringung kurzfristig und schwer vorhersehbar stark schwanken
(Volatilität)
. Das ist so lange kein Problem, als ihr Anteil an der gesamten Stromaufbringung klein ist. Mit dem zunehmenden Anteil an Solar- und Windstrom wird aber auch die Sicherstellung der Netzstabilität (Erzeugung gleich Verbrauch) ein zunehmendes Problem. Das wird sich nur durch entsprechende Speicher lösen lassen, in denen die momentan erzeugte, aber nicht benötigte Energie gespeichert und bei Bedarf dann rasch abgegeben werden kann. Mit einer Ausnahme sind solche Speicher für große Energiemengen derzeit nicht kostengünstig realisierbar.
Diese Ausnahme sind die oben erwähnten Speicherkraftwerke. Man lässt Wasser aus hochliegenden Stauseen bei Bedarf über Rohre in Kraftwerke in Tallagen fließen. Die kinetische Energie treibt dort Turbinen zur Stromerzeugung an. Damit können Spitzenlasten abgedeckt werden. Andererseits kann aber in Zeiten geringen Stromverbrauchs überschüssiger Strom aus Grundlastkraftwerken (die Donau lässt sich mal nicht abdrehen) dazu verwendet werden, durch große Pumpen Wasser aus dem Tal in den hochliegenden Speicher zurück zu pumpen, das dann wieder zur Abdeckung von Spitzenlasten verwendet wird.
Es ist leicht ersichtlich, dass in großen Netzen die Netzstabilität leichter sicherzustellen ist als in kleinen Versorgungsinseln, weil sich in großen Netzen Schwankungen des Strombedarfs der vielen vergleichsweise kleinen Verbraucher besser gegenseitig kompensieren. Sehr kurzfristige Schwankungen des Verbrauchs werden in Kraftwerken durch die Trägheit der vielen rotierenden Massen, also den Schwung aller Turbinen und Generatoren im Netz sowie auch durch die gespeicherte Wärmeenergie in Dampfkraftwerken ausgeglichen. Das sind aber Kurzzeitspeicher, die in dieser Form bei Photovoltaik und Windkraftwerken nicht gegeben sind. Das ist einer der Gründe, warum deren volatile Stromerzeugung die Netzstabilität mehr und mehr gefährdet.
Zuletzt noch ein wichtiger Punkt : In thermischen Kraftwerken kann die erzeugte Wärme natürlich nicht nur zur Stromerzeugung verwendet werden, sondern zusätzlich auch die Wärme direkt: Entweder als Prozesswärme für Industriebetriebe oder, viel häufiger, zur Einspeisung in Fernwärmenetze. Dadurch erreichen solche Blockheizkraftwerke Wirkungsgrade von über 80% , und wenn dann dazu noch nachwachsende Rohstoffe verbrannt werden, können sie auch CO2-neutral sein. Das nun bei uns geplante Biomasse-Heizkraftwerk fällt in diese Kategorie. Mehr dazu in einem nächsten Beitrag.
Zum nächsten Beitrag: Was ist ein Biomasse-Heizkraftwerk
Es ist leicht ersichtlich, dass in großen Netzen die Netzstabilität leichter sicherzustellen ist als in kleinen Versorgungsinseln, weil sich in großen Netzen Schwankungen des Strombedarfs der vielen vergleichsweise kleinen Verbraucher besser gegenseitig kompensieren. Sehr kurzfristige Schwankungen des Verbrauchs werden in Kraftwerken durch die Trägheit der vielen rotierenden Massen, also den Schwung aller Turbinen und Generatoren im Netz sowie auch durch die gespeicherte Wärmeenergie in Dampfkraftwerken ausgeglichen. Das sind aber Kurzzeitspeicher, die in dieser Form bei Photovoltaik und Windkraftwerken nicht gegeben sind. Das ist einer der Gründe, warum deren volatile Stromerzeugung die Netzstabilität mehr und mehr gefährdet.
Zuletzt noch ein wichtiger Punkt : In thermischen Kraftwerken kann die erzeugte Wärme natürlich nicht nur zur Stromerzeugung verwendet werden, sondern zusätzlich auch die Wärme direkt: Entweder als Prozesswärme für Industriebetriebe oder, viel häufiger, zur Einspeisung in Fernwärmenetze. Dadurch erreichen solche Blockheizkraftwerke Wirkungsgrade von über 80% , und wenn dann dazu noch nachwachsende Rohstoffe verbrannt werden, können sie auch CO2-neutral sein. Das nun bei uns geplante Biomasse-Heizkraftwerk fällt in diese Kategorie. Mehr dazu in einem nächsten Beitrag.
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