Elektrische Energieerzeugung: Überblick

Elektrische Anlagen und Projektierung

Erzeugung elektrischer Energie

• Derzeit wird elektrische Energie aus fossilen Energieträgern, Kernenergie und erneuerbaren Energien erzeugt.

Fossile Energieträger

• Kernenergie
• Steinkohle
• Braunkohle
• Erdgas
• Pumpspeicherwasser
• Sonstige (Heizöl, Raffineriegas, Abfall)

Regenerative Energie

• Photovoltaik
• Windkraft
• Biomasse
• Geothermie
• Laufwasser

Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Deutschland (Halbjahr 2021 vs. Halbjahr 2022)

• Im ersten Halbjahr 2021 betrug die Bruttostromerzeugung 292,7 Mrd. kWh.
• Im ersten Halbjahr 2022 stieg dieser Wert auf 299,2 Mrd. kWh.

Installierte elektrische Leistung konventioneller Kraftwerke ab 10 Megawatt nach Energieträgern (Stand 04/2022)

• Braunkohle: 18.028 MW
• Steinkohle: 16.427 MW
• Erdgas: 26.465 MW
• Mineralöl: 1.482 MW
• Kernkraft: 4.291 MW
• Sonstige: 5.626 MW (Gichtgas, Grubengas, Konvertergas, Raffineriegas, Synthesegas, Diesel, Haus und Industrieabfall, Ersatzbrennstoffe)

Kraftwerksleistung nach Bundesländern (Stand 04/2022)

• Nordrhein-Westfalen hat mit 24.771 MW mit Abstand die grösste elektrische Bruttoleistung in Deutschland
• Die installierte Leistung durch Kohle ist 8.285 MW, Erdgas 7.071 MW
• Mecklenburg-Vorpommern hat mit 2.193 MW die kleinste Leistung in Deutschland.

Entwicklung der Stromerzeugungskapazitäten aus Braunkohle

• Die Stromerzeugungskapazitäten aus Braunkohle sollen dem Kohleausstiegsgesetz nach reduziert werden
• Kraftwerke mit mehr als 100 MW Nennleistung sind enthalten
• Bis 2022 betrug die installierte Leistung knapp 16.000 MW, sie sinkt auf ca 6.000 MW bis 2038

Stromtausch Import und Export

• Deutschland ist temporärer Grünstrom-Überschussproduzent, wird sich aber langfristig vom Stromexporteur zum Importeur wandeln.
• Wenn keine zusätzlichen modernen Kraftwerke gebaut werden, ist ein Import von 134.000 GWh aus dem Ausland im Jahr 2050 nötig.

Verbundnetz: Wichtigste Energieerzeuger

• Russland
• Deutschland
• Frankreich
• Großbritannien
• Ukraine
• Italien

Europäisches Verbundnetz

• Bereits 1951 entstand ein einheitliches europäisches Verbundnetz
• Die Liberalisierung des Strommarktes führte zur Gründung der "Union for the Coordination of Transmission of Electricity" (UCTE)
• Neben der UCTE gibt es weitere Verbundnetze in Europa
• Seit 2009 sind diese im Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber organisiert (ENTSO-E) mit insgesamt 42 Betreibern
• Ein verbundnetzübergreifender Austausch über regulären Wechselstrom ist aktuell nicht möglich, da die Netze asynchron zueinander sind
• Gleichstromleitungen garantieren einen (minimalen) Transfer unter den Verbundnetzen
• Langfristiges Ziel ist ein paneuropäischer Binnenmarkt für Strom, wobei Gleichstromlösungen vielversprechend sind

Maßnahmen zur Energiewende

• Ausnutzen von Energieeinsparpotenzialen in privaten Haushalten
• Ausnutzen von Energieeinsparpotenzialen in der Industrie (DIN EN ISO 50001)
• Vollständiger Umbau der Energieerzeugung auf Regenerative Energien
• Ausbau der innerdeutschen Stromtrassen
• Weiterentwicklung der Energiespeichersysteme

Schritte zur Umsetzung der Energiewende

• Akzeptanz für Energiewende schaffen
• Verbindliche Ziele für Emissionsminderung und erneuerbare Energien schaffen
• Kapitalbereitstellung für Energieforschung und notwendige Ausbildung
• Kapitalbereitstellung für den Ausbau erneuerbarer Energien und der Infrastruktur

Netzbetrieb in Deutschland

• Das deutsche Stromnetz besteht aus verschiedenen Spannungsebenen, die von Großkraftwerken bis zu kleinen Kraftwerken reichen und die unterschiedlichen Verbraucher versorgen.

Inselbetrieb

• Inselbetrieb bedeutet ein geschlossenes, lokal begrenztes System aus Energieverbrauchern und -erzeugern.
• Die Energieversorgung eines Schiffes oder einer Berghütte erfolgt zum Beispiel über Inselnetze.
• Herausforderungen sind: Ausfallsicherheit und Speicherkapazitäten

Kohlekraftwerk Lippendorf

• Installierte Leistung: 1.840 MW
• Braunkohle aus dem Tagebau Schleenhain über 14 km Bandanlage
• 380 kV Spannungserzeugung
• Wirkungsgrad 42,55%
• Stromerzeugung von 11 Mrd. kWh/a (ca. 3 Mio. Haushalte)
• 80% des Fernwärmebedarfs von Leipzig
• Kraftwerksblöcke verfügen über 160 Meter hohe Kesselhäuser, in denen die beiden Dampferzeuger montiert sind
• Die Brennkammer und der Überhitzertrakt sind am Tragrost des Kesselgerüstes aufgehangen, um das Dehnungsverhalten der circa 14.000 Tonnen schweren Last zu verbessern
• Acht Ventilator-Schlagradmühlen mahlen die Rohbraunkohle zu Staub und blasen ihn in die Brennkammer ein

Energieumwandlung im Kraftwerk

• Durch die Turbine wird thermische Energie in Drehbewegung umgewandelt
• Da der Dampf dabei an Druck und Temperatur verliert und sich sein Volumen vergrößert, besteht der Turbosatz aus mehreren baulich angepassten Teilturbinen: dem Hoch-, Mittel- und Niederdruckteil
• Die Drehbewegung der Turbinenwelle wird auf den Induktor des Generators übertragen

Umweltschutz

• Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) wird dem Rauchgas Schwefeldioxid entzogen, indem es mit einer Suspension aus Branntkalk und Wasser in Verbindung gebracht wird
• Ergebnis ist Gips, der natürlichem Gips ebenbürtig oder sogar überlegen ist
• Der REA-Gips wird in der Baustoffindustrie verarbeitet

Das Kraftwerk als Lebensraum

• An mehreren Gebäuden des Kraftwerks Nistkästen angebracht, in denen Wander- und Turmfalken schon über Generationen ihren Nachwuchs aufziehen
• Die Kühltürme beherbergen jeweils 220 Karpfen, die vor Revisionsstillständen abgefischt werden

Wasserkraftwerk Mittweida

• Turbinentyp: Kaplan Turbinen
• Anzahl: 3 (2 modernisiert)
• Jahresarbeit: 3 bis 3,5 Mill. kWh

Wasserkraftwerke

• Wasserkraftwerke nutzen die potentielle Energie des Wassers
• Durch das Fallrohr wird diese Energie in kinetische Energie umgewandelt und auf das Laufrad der Wasserturbine übertragen
• Laufwasserkraftwerke nutzen das natürliche Gefälle eines Flusses aus und wandeln die Strömungsenergie in elektrische Energie um
• Sie werden zur Deckung des Grundlastbedarfs an elektrischer Energie eingesetzt
• Geringe Gefälle und große Wassermengen werden mit der Kaplan-Turbine als günstigste Bauart umgewandelt

Speicherwasserkraftwerke

• Speicherwasserkraftwerke werden in geeigneten Geländeformen mit einem natürlichen Wasserzulauf durch den Bau von Talsperren errichtet
• Eine kontinuierliche Nutzung des Wassers ist nicht zweckmäßig
• Werden in der Elektrizitätsversorgung zur Spitzenbedarfsdeckung eingesetzt
• FRANCIS-Turbinen (Mittel-druckturbine mit radialem Wassereintritt) oder bei sehr großen Gefälle PELTON-Turbinen (Hochdruckturbine mit tangentialem Wasser-eintritt) zum Einsatz

Meeresströmungskraftwerk

• Vor der Küste Großbritanniens entstand das erste Meeresströmungskraftwerk der Welt, das deutsch-britische Pilotprojekt "Seaflow"
• Funktioniert wie eine Windkraftanlage unter Wasser.
• Leistungsstärkstes Meeresströmungskraftwerk ist "MeyGen" zwischen Schottland und den Orkney-Inseln.
• Soll voll ausgebaut fast 400 Megawatt Leistung erbringen.

Windkraftanlagen

• Heutige Windkraftanlagen sind in der Regel Auftriebsläufer mit horizontaler Drehachse
• Die kinetische Energie des Windes wird meist durch drei Rotorblätter in mechanische Rotationsenergie umgewandelt
• Die Rotorblätter sind an der Nabe verankert und können zur Leistungsregelung um die Längsachse verdreht werden
• Der Rotor ist über eine Welle und ein Getriebe mit dem Generator verbunden, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt
• Das gesamte Maschinenhaus ist dabei drehbar auf einem Turm gelagert
• Es gibt Windkraftanlage mit verschiedenen Höhen und Durchmessern der Rotoren

Windkraftanlagen Generatorsysteme

• Bei doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren ist der Läufer des Generators über einen Umrichter mit dem Netz verbunden
• Vorteil dieses Generatorkonzepts ist, dass der Umrichter nicht für die Gesamte Leistung der Windkraftanlage ausgelegt werden muss, sondern lediglich für den Regelbereich der Läuferleistung (ca. 1/3 der Bemessungsleistung des Stators)
• Durch den Einsatz eines drehzahlvariablen Synchrongenerators, der über einen Vollumrichter an das Netz angeschlossen ist, kann man die höchste Regelbarkeit erzielen
• Es gibt fremderregte und permanente Synchrongeneratoren

Vertikale Windkraftanlagen Vorteile

• keine Windnachführung notwendig
• keine Gondellagerung notwendig
• keine Schleifkontakte notwendig
• geringe Geräuschentwicklung
• gute Ausnutzung von turbulentem Wind

Vertikale Windkraftanlagen Nachteile

• theor. max. Wirkungsgrad von η ≈ 0,40
• hohe mechanische Beanspruchung der Rotorblätter
• geringe Drehzahlen = großer Generator
• aufwändige Blattbefestigung

Photovoltaikanlagen

• Photovoltaikanlage / Solargenerator wandeln das Sonnenlicht mit einem p-n Übergang eines Halbleiters direkt in Gleichstrom um

Aufbau PN-Übergang

• Die Dotierung verstärkt die Leitfähigkeit von Halbleitern durch Überschuss an freien Elektronen und Löchern.
• Bor ist dreiwerting als p-dotierung. Phosphor ist fünfwertig als n-Dotierug
• Durch die Verbindung von p- und n- leitendem Material entsteht ein pn- Übergang.

Funktion der Solarzelle

• Das innere elektrische Feld macht aus dem Halbleiter mit pn- Übergang eine Diode, die den Strom nur in einer Richtung fließen lässt
• Beleuchtet man einen solchen sich im Gleichgewicht befindenden Halbleiter, so werden Elektronen/Löcher-Paare erzeugt
• 24% der Lichtquanten des Sonnenlichts besitzen zu wenig und 33% zuviel Energie um Elektron/Loch-Paare zu erzeugen
• 15% Verluste haben technologische Ursachen.

Füllfaktor

• Der Füllfaktor bezeichnet den Quotienten aus der maximalen Leistung einer Solarzelle am Maximum Power Point und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom
• Die ideale Solarzelle stellt eine Konstantstromquelle dar (bis zu ihrer Maximalspannung), ihr Strom-Spannungs-Diagramm bildet ein Rechteck und der Füllfaktor ist gleich 1.

Energiepreise

• Die unterschiedlichen Strompreise setzen sich aus verschiedenen Faktoren zusammen, Nuklear bis zu 12,7% und fossile Energieträger bis zu 35%

Sondertarife

• Beispiel: Weichenheizungsanlagen der Deutschen Bahn AG Jährliche Fixkosten:
• 50 Hz pro kW 148,80 €
• 16,7 Hz pro kW 92,40 € Variable Kosten (Arbeitspreis):
• 50 Hz pro kWh 0,124 €
• 16,7 Hz pro kWh 0,084 €

Strompreisentwicklung

• Strompreisanstiegen sind durch die sogenannte "Merit Order" zu erklären
• Durch die Merit Order profitieren Wind und Solarstromproduzenten aufgrund fallender Produktionskosten

Energiespeicherung Aufgaben

• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen
• Load Levelling (Ausgleich Schwach- und Hochlastzeiten)
• Primärreglung in Netzen (Frequenzausgleich)
• Erhaltung der Spannungsqualität

Energiespeicher Anforderungen

• Hohe Energie- und Leistungsdichte
• Hohe Lebensdauer
• Hochstrombelastbarkeit
• Schnelle Ansprechzeiten
• Geringe Anforderungen an die Ladungstechnologie
• Weiter Betriebstemperaturbereich
• Geringes Sicherheitsrisiko
• Hoher Wirkungsgrad
• Geringe Wartungsaufwendungen
• Einfaches und kostengünstiges Recycling

Speichertechnologien

• Elektrisch: Supraleitende Spulen / Diverse Kondensatoren
• Mechanisch: Pumpspeicherkraftwerke, Schwungrad, Druckluftspeicher
• Elektrochemisch: Akkumulatoren mit internem / externem Speicher

Supraleitende Spulen

• Supraleitende Spulen sind eine elektrische Speichertechnologie
• Hohe Wirkungsgrade von über 95% sind möglich
• Geringe Energieverluste und Alterungseffekte, aber hoher Kühlaufwand

SuperCaps

• SuperCaps funktionieren anders als Kondensatoren, sondern haben keine Dielektrika
• Hohe Leistungsdichte und Schnellladefähigkeit, dafür geringere Energiedichte als Batterien

Pumpspeicherkraftwerk

• Beispiel: Goldisthal
• Installierte Leistung: 1060 MW
• Oberbecken: 13 Mio. Liter Wasser
• Verfügbarkeit bei Volllast: ca. 8 Stunden
• Speicherbare Energiemenge: ca. 8,5 GWh
• Anlaufzeit: ca. 100 sec

Druckluftspeicher

• Alternative für Pumpspeicherkraftwerke in flachen Gegenden
• Zur Netzstabilisierung (Frequenzstabilisierung)
• Anlaufzeit: 5-10 min
• In Schwachlastzeiten wird mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter Druckluft in einer Kaverne gespeichert
• In Zeiten hoher Stromnachfrage wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die Leistung an einen Generator abgibt.

Eisspeicher

• Eisspeicher nutzen die Kristallisationsenergie von Wasser
• Die gleiche Energiemenge liefert die Verbrennung von 110 Litern Heizöl.

Schwungrad

• Mögliche Anwendungen sind: Elektromobilität, Notstromaggregate, Netzstabilisierung
• Nutzen Sonderanwendungen mit Bedarf an Großen Energiemengen für kurze Zeiträume
• Drehzahl zwischen 2000 und 100.000 Umdrehungen pro Minute

TU Dresden Schwungradspeicher

• Der neue Rotationskinetische Speicher hat eine deutliche höhere Kapazität als verfügbare Geräte.
• Speicherkapazität beträgt 500 kWh und die elektrische Lade- und Entladeleistung 500 kW.

Speichertechnologien

• Elektrochemisch -Akkumulatoren mit internem Speicher (Pb, NiCd, Li-Ion) -Akkumulatoren mit externem Speicher (Gasspeicher, Speicher mit flüssigen Aktivmassen ,Primärbatterien mit externer Regernation)

Energieversorgung

• Energieversorgungsnetze in Deutschland laufen von Großkraftwerken zu Kleinen Kraftwerken

Übertragung und Verteilung elektrischer Energie

• Doppeleitungsmasten transportieren 380 kV Strom, die Höhe beträgt über 38m
• Schaltanlage als Knotenpunkt, Streckentrennung mit Leistungsschalter

Komponenten einer Schaltanlage

• Sammelschienentrenner
• Strommessung
• Spannungsmessung
• Leitungstrenner
• Erdungsschalter

Netzformen

• Einfach stichgespeistes Strahlennetz
• Zweifach stichgespeistes Strahlennetz
• Einfach stichgespeistes Strahlennetz mit Ringergänzung
• Über Transformatorketten mehrfach gespeistes Maschennetz

Netzformen Benennung

• Es werden grundsätzlich 3 unterschiedliche Netzformen verwendet
• diese unterscheiden sich Grundsätzlich durch die Erdungsanlage der Stromquelle und der Verbraucher
• T = Terra (lat. für Erde)
• N = Neutral
• I = Isolation
• C = Combiné (franz. für kombiniert)
• S = Séparé (franz. für separat) Beispiele
• TN-S Netz ist EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)- freundlich, hat aber höheren Aufwand in der Schutztechnik
• TN-C Netz ist einfach zu errichten, verursacht aber Streuströme
• IT-Netz -> Beeinflussung benachbarter Anlagen ist gering, benötigt aber Betriebsmittel die durchgängig für die Spannung zwischen Außenleitern isoliert sein