Elektrische Energieerzeugung (auch Stromerzeugung oder Stromproduktion) bezeichnet die großtechnische Gewinnung elektrischer Energie mit Hilfe von Kraftwerken. Die so bereitgestellte elektrische Energie wird über Stromnetze zu den Verbrauchern transportiert.
Bei der elektrischen Energieerzeugung wird im physikalischen Sinn keine Energie erzeugt, sondern lediglich Energie, welche (an einem Kraftwerk) inputseitig aus einer nichtelektrischen Energieform zugeführt wird, in elektrische umgewandelt. Die so verstandene „Erzeugung von Elektrischer Energie“ (el. Energie = Spannung × Stromstärke × Zeit), die eigentlich eine elektrische Energiegewinnung durch Umwandlung darstellt, wird in Kreisen der Energiewirtschaft „Stromerzeugung“ genannt. „Stromerzeugung“ ist ein Fachbegriff der Energiewirtschaft, der in Physik und Ingenieurwesen unbenutzbar ist.
Allgemeines
Elektrische Energieerzeugung aus physikalischer Perspektive
Aus physikalischer Perspektive ist der elektrische Strom die pro Zeitspanne fließende elektrische Ladung. Die Energie berechnet sich als Stromstärke multipliziert mit der elektrischen Spannung und der Zeitdauer. Da die physikalische Gesamtenergie nach dem Energieerhaltungssatz konstant bleibt, ist der Begriff Energieerzeugung aus physikalischer Sicht unzutreffend. Es handelt sich um eine Umwandlung verschiedener Energieformen, meist die Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie durch einen Generator. Die elektrische Energie wird dann zumeist über ein Stromnetz zu den angeschlossenen Geräten geleitet, um deren Strombedarf zu decken. Der Großteil der Stromerzeugung geschieht im industriellen Maßstab in Kraftwerken.
Elektrische Energieerzeugung aus energiewirtschaftlicher Perspektive
Unter Bruttostromerzeugung versteht man die insgesamt erzeugte elektrische Energie, z. B. eines Kraftwerkes oder eines Gebietes. Bei letzterem werden alle Stromerzeugungsquellen berücksichtigt (also z. B. Wind, Wasser, Sonne, Kohle, Öl).
Zieht man von der Bruttostromerzeugung den Eigenbedarf der Kraftwerke ab, erhält man die Nettostromerzeugung. Beispielsweise liegt der Eigenbedarf von Kohlekraftwerken bei etwa 10 % und der von Kernkraftwerken um die 5 % der von ihnen selbst erzeugten elektrischen Energie, wobei der Eigenenergiebedarf von Kernkraftwerken auch nach der Beendigung der Stromerzeugung („Abschaltung“) für mehrere Jahre bestehen bleibt, da der Reaktor weiter gekühlt und abgesichert werden muss.
Die Summe aus Netto-Stromerzeugung und Stromimporten ergibt das Stromaufkommen. Abzüglich der Stromexporte und des Pumpstromverbrauchs für Pumpspeicherkraftwerke erhält man den Bruttostromverbrauch. Werden hiervon schließlich noch die im Stromnetz anfallenden Übertragungsverluste (Leitungsverluste, Verluste im Umspannwerk etc.) abgezogen erhält man den Nettostromverbrauch (Endenergieverbrauch).
Technische Grundlagen
Die Erzeugung des Stroms findet in Kraftwerken statt. Sehr oft wird in Kraftwerken zur Erzeugung der elektrischen Energie eine rotierende elektrische Maschine eingesetzt, ein sog. elektrischer Generator (vgl. Fahrraddynamo). In Wärmekraftwerken kommen meistens Drehstrom-Synchrongeneratoren zum Einsatz. Auch in Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken finden Drehstrom-Synchrongeneratoren Anwendung. Dort werden aber ebenfalls Drehstrom-Asynchrongeneratoren eingesetzt.
Hauptvorteil der elektrischen Energie ist die Möglichkeit, einen ganzen Erdteil wie Europa mit einem Verbundnetz zu überziehen, in dem der elektrische Strom mit geringen Verlusten verteilt werden kann (s. a. elektrischer Energietransport) und sich durch die Vielzahl der verbundenen Kraftwerke die Redundanz und somit die Versorgungssicherheit erhöht.
Hauptnachteil des elektrischen Stromes ist die Tatsache, dass er sich nicht unmittelbar speichern lässt. Nur durch verlustreiche Umwandlung in andere Energieformen, beispielsweise mittels Pumpspeicherkraftwerken, lässt sich vermeiden, dass die erzeugte elektrische Energie in jedem Augenblick exakt mit der verbrauchten Menge übereinstimmen muss. In einem System mit hohem Anteil an (fluktuierenden) erneuerbaren Energien sollen in Zukunft Speicherkraftwerke die bedarfsgerechte Strombereitstellung übernehmen.
Die erzeugte elektrische Energie eines Wasserkraftwerks, einer Windkraftanlage oder eines Kernkraftwerks wird derzeit größtenteils direkt über die Übertragungsnetze in industrialisierte Gebiete transportiert und verbraucht. Je nach dem Verhältnis von Angebot und Nachfrage entstehen somit ein sehr unterschiedlicher Strompreis und gegebenenfalls auch negative Strompreise. Zur Lösung dieser Probleme wird eine Wasserstoffwirtschaft diskutiert, die bisher jedoch nur als Konzept vorliegt.
Bedeutung
Elektrische Energie ist ein vielseitig verwendbarer Energieträger, der sich mit besonders geringen Verlusten in andere Energieformen umwandeln lässt. Sie ist Voraussetzung für jede moderne Industrie und kann in der Regel nicht einfach durch andere Energieträger ersetzt werden.
Ein Stromausfall bringt jede Volkswirtschaft zum Erliegen und muss deshalb weitestgehend begrenzt bleiben. Eine hohe Versorgungssicherheit ist deshalb eine wichtige Bedingung für moderne Gesellschaften. Die durchschnittliche Unterbrechungsdauer der Elektroenergieversorgung je Stromverbraucher hat in Deutschland in den letzten Jahren abgenommen und lag im Jahr 2019 bei 12,2 Minuten.
Im Jahr 2019 betrug der Endenergieverbrauch in Deutschland 9.050 Petajoule. Der Anteil des Stromverbrauchs war mit 1.806 Petajoule knapp 20 %. Dazu kamen 388 Petajoule Fernwärme, die in der Regel als Beiprodukt der Stromerzeugung entsteht. Die höchsten Anteile am Endenergieverbrauch haben Kraftstoffe für den Verkehr, Gas, das für Heizwärme und viele Industrieprozesse benötigt wird und an dritter Stelle Strom.
Geschichte
Der Siegeszug der elektrischen Energieversorgung begann nach 1882 durch die Konstruktion von Kraftwerken mit elektrischen Generatoren. Zunächst waren es voneinander unabhängige Insellösungen. Spätestens 1890 erkannte man jedoch die Vorteile von wechselstrombetriebenen Stromnetzen, weil diese nicht mehr so stark von der Betriebssicherheit einzelner Kraftwerke abhingen (siehe Stromkrieg). In Deutschland bildeten sich zwei fast unabhängige Stromnetze:
- Das öffentliche Netz mit 50 Hz und
- das Bahnstromnetz mit 16 2/3 Hz für die Eisenbahn.
Einige Kraftwerke wurden mit getrennten Generatoren ausgestattet und konnten Strom für beide Systeme erzeugen.
In Deutschland wurde 1998 die Energieversorgung mit dem Energiewirtschaftsgesetz neu reguliert mit dem Ziel, Wettbewerb in Teile der Wertschöpfungskette zu tragen (siehe Liberalisierung der Energiewirtschaft). Seither ist der Wechsel des Stromlieferanten möglich und der Stromvertrieb ist mit über 1000 Stromlieferanten sehr kompetitiv. Bereits zuvor wurde auch die Förderung erneuerbarer Energien vorangetrieben, seit dem Jahr 2000 mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz. Der Anteil der Stromerzeugung mit Anspruch auf Erlöse nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz betrug 2019 42 % und stieg im Jahr 2020 auf 47 %.
Da die erneuerbare Erzeugung trotz ihres hohen Anteils an der Nettostromerzeugung im geltenden Marktdesign keinen Anreiz zu wettbewerblichem Verhalten hat, bleiben sie bei Untersuchungen des Kartellamts zu Marktkonzentration und Marktmacht unberücksichtigt. Wettbewerb entsteht in der derzeitigen Marktorganisation nur unter den konventionellen Erzeugern bei der Deckung der Restlast nach Abzug der Einspeisung erneuerbarer Energien (siehe Marktdesign der Energiewirtschaft).
Die konventionelle Erzeugung ohne Anspruch auf Erlöse nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ist immer noch stark konzentriert. Im Jahr 2019 erzeugten die fünf größten Stromerzeugunger RWE, E.ON, Vattenfall, LEAG und EnBW etwa 212 Terawattstunden Strom und hielten damit einem Anteil von 70,1 Prozent an der gesamten konventionellen Nettostromerzeugung in Deutschland.
Arten der elektrischen Energieerzeugung
Erzeugungsanlagen unterscheiden sich in ihrer Verfügbarkeit, Flexibilität, den verbrauchten Brennstoffen, ihrem CO2-Ausstoß und ihrer Kostenstruktur. Um die Nachfrage zu jedem Zeitpunkt wirtschaftlich und ökologisch optimal zu erzeugen, werden verschiedene Typen von Erzeugungsanlagen kombiniert. Dazu gehören auch Pumpspeicher und gegebenenfalls andere Speichertechnologien.
Fluktuierende und disponible Erzeugung
Disponible Erzeugungsanlagen (engl. dispatchable, deutsch auch grundlastfähig) sind Elektroenergieerzeugungsanlagen, deren Einsatz in Abhängigkeit von Bedarf oder Strompreisen vorgegeben werden kann. Dies ist typischerweise für die konventionelle Erzeugung in Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken der Fall, ebenso bei verschiedenen erneuerbaren Energien wie z. B. im Falle von Biomasse- und Geothermiekraftwerken. Dagegen ist die Energieproduktion sogenannter fluktuierender Erzeugung, wie etwa typisch vorkommend bei Windkraft- und Solaranlagen, dargebotsabhängig. Das heißt, die Quantität an erzeugter Elektroenergie richtet sich nach den jeweiligen Wind- und Sonneneinstrahlungsverhältnissen. Einige Erzeugungsarten nehmen hier eine Mittelstellung ein. Dazu gehören:
- wärmegeführte KWK-Anlagen, die ebenfalls bedarfsgerecht produzieren können, deren Fahrplan aber in der Regel vom Wärmebedarf eines Fernwärmenetzes bestimmt ist,
- Müllverbrennungsanlagen, die oftmals prozessabhängig produzieren,
- Laufwasserkraftwerke.
Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke
Disponible Erzeugungsanlagen werden je nach ihrer Flexibilität in Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke aufgeteilt. Hier geht es einerseits darum, um wie viel Prozent der Nennleistung das Kraftwerk seine Leistung reduzieren kann ohne ganz abzufahren, wie schnell es nach dem Abfahren wieder hochfahren kann und wie schnell das Kraftwerk seine Leistung erhöhen oder senken kann und wie steil die Gradienten des abzufahrenden Fahrplans somit sein dürfen. Ob ein Kraftwerk in Grundlast oder Mittellast fährt, hängt nicht nur von technischen Grenzen, sondern auch von wirtschaftlichen Gegebenheiten ab. Das An- und Abfahren erzeugt Kosten, die umso eher eingebracht werden, je größer die Marktpreisunterschiede ausfallen.
Dezentrale elektrische Energieerzeugung
Eine Stromerzeugung in der Nähe des Verbrauchers, etwa innerhalb oder in der Nähe von Wohngebieten und Industrieanlagen, bezeichnet man als dezentrale Stromerzeugung. Wird Strom über ein räumlich begrenztes Stromnetz verteilt, das nicht mit dem Verbundnetz gekoppelt ist, spricht man von einem Inselnetz. Einen Verbraucher, der unabhängig ist von Energieimporten, nennt man energieautark.
Bei mobilen Geräten oder kleinen stationären Anlagen kommen typischerweise Batterien oder Akkumulatoren als Energiespeicher zum Einsatz (s. a. Antriebsbatterie, Batteriespeicher).
Unterscheidung nach Energieträgern
Beim Strommix wird untersucht, auf welchen Energieträgern die elektrische Energieerzeugung beruht. Der allgemeinere Energiemix dagegen reflektiert die Anteile der Energieträger am Primärenergieverbrauch.
Bruttostromerzeugung nach Energieträgern
Internationaler Vergleich
Global wurden im Jahr 2011 etwa 22.158,5 TWh elektrischer Energie produziert. Etwa zwei Drittel der Gesamtproduktion stammen aus der Verbrennung fossiler Energieträger, ca. 20 % wurden regenerativ erzeugt und knapp 12 % mittels Kernenergie gewonnen.
| Energieträger | 2011 | 2012 | 2015 |
|---|---|---|---|
| Kohle | 41,2 | 40,3 | 40,7 |
| Erdgas | 21,9 | 22,4 | 21,6 |
| Erdöl | 3,9 | 4,1 | 4,1 |
| Kernenergie | 11,7 | 10,8 | 10,6 |
| Wasserkraft | 15,6 | 16,1 | 16,2 |
| Übrige Erneuerbare | 4,2 | 4,7 | 6,0 |
Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Deutschland
Die Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in Deutschland für die Jahre 1990, 2000 und 2009 bis 2021 ist in den beiden folgenden Tabellen aufgeführt. Im Jahr 2021 lag die Bruttostromerzeugung nach vorläufigen Zahlen bei 588,1 TWh inkl. Pumpstromerzeugung (PSE) 5,2 TWh (582,9 TWh ohne PSE). Erneuerbare Energien 233,6 TWh, fossile Energieträger etwa 259,4 TWh, und die Kernenergie 69,1 TWh. Sonstige wie Pumpspeicher, Hausmüll und Industrieabfall stellten weitere 26,0 TWh bereit. Den größten Anteil an der elektrischen Energieerzeugung hatte die Windenergie mit einer Erzeugung von 113,9 TWh, gefolgt von Braunkohle (110,3 TWh), Erdgas (89,7 TWh), Kernenergie (69,1 TWh) und Steinkohle (54,7 TWh). Im Jahr 2021 betrugen die hochgerechneten Kohlenstoffdioxidemissionen betrugen nach Umweltbundesamt 420 g/kWh. 2019, dem letzten Jahr, für das zu diesem Zeitpunkte reale Werte vorliegen, waren es 411 g/kWh.
| Energieträger | 1990 | 2000 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Braunkohle | 170,9 | 148,3 | 145,6 | 145,9 | 150,1 | 160,7 | 160,9 | 155,8 | 154,5 | 149,5 | 148,4 | 145,6 | 114,0 | 91,7 | 110,1 | 116,2 | |
| Steinkohle | 140,8 | 143,1 | 107,9 | 117,0 | 112,4 | 116,4 | 127,3 | 118,6 | 117,7 | 112,2 | 92,9 | 82,6 | 57,5 | 42,8 | 54,6 | 64,4 | |
| Kernenergie | 152,5 | 169,6 | 134,9 | 140,6 | 108,0 | 99,5 | 97,3 | 97,1 | 91,8 | 84,6 | 76,3 | 76,0 | 75,1 | 64,4 | 69,1 | 34,7 | |
| Erdgas | 35,9 | 49,2 | 80,9 | 88,8 | 85,7 | 75,9 | 67,0 | 60,6 | 61,5 | 80,6 | 86,0 | 81,6 | 89,9 | 94,7 | 90,3 | 79,8 | |
| Mineralölprodukte | 10,8 | 5,9 | 10,1 | 8,6 | 7,0 | 7,5 | 7,0 | 5,5 | 6,1 | 5,7 | 5,5 | 5,1 | 4,8 | 4,7 | 4,6 | 4,4 | |
| Windenergie onshore | k. A. | 9,5 | 39,5 | 38,4 | 49,3 | 50,9 | 51,8 | 57,0 | 72,3 | 67,7 | 88,0 | 90,5 | 101,2 | 104,8 | 90,3 | 100,2 | |
| Windenergie offshore | k. A. | 0,0 | 0,0 | 0,2 | 0,6 | 0,7 | 0,9 | 1,5 | 8,3 | 12,3 | 17,7 | 19,5 | 24,7 | 27,3 | 24,4 | 25,1 | |
| Wasserkraft | 19,7 | 24,9 | 19,0 | 21,0 | 17,7 | 21,8 | 23,0 | 19,6 | 19,0 | 20,5 | 20,2 | 18,1 | 20,1 | 18,7 | 19,7 | 17,5 | |
| Biomasse | k. A. | 1,6 | 26,5 | 29,2 | 32,1 | 38,3 | 40,1 | 42,2 | 44,6 | 45,0 | 45,0 | 44,6 | 44,3 | 45,1 | 44,3 | 44,6 | |
| Photovoltaik | k. A. | 0,0 | 1,6 | 12,0 | 20,0 | 26,7 | 30,6 | 35,4 | 38,1 | 37,6 | 38,8 | 44,3 | 45,2 | 49,5 | 49,3 | 60,8 | |
| Hausmüll(2) | k. A. | 1,8 | 4,3 | 4,7 | 4,8 | 5,0 | 5,4 | 6,1 | 5,8 | 5,9 | 6,0 | 6,2 | 5,8 | 5,8 | 5,8 | 5,6 | |
| Übrige Energieträger | 19,3 | 22,6 | 21,2 | 26,5 | 25,4 | 25,5 | 26,2 | 27,0 | 27,3 | 27,3 | 27,5 | 27,3 | 25,4 | 24,8 | 24,5 | 23,8 | |
| davon PSE | k. A. | 4,5 | 4,6 | 6,4 | 5,8 | 6,1 | 5,8 | 5,9 | 5,9 | 5,6 | 6,0 | 6,7 | 5,9 | 6,6 | 5,3 | 6,0 | |
| Summe | 549,9 | 576,6 | 596,5 | 632,7 | 612,9 | 628,9 | 637,6 | 626,5 | 647,0 | 649,1 | 652,3 | 641,4 | 608,2 | 574,7 | 587,1 | 577,3 | |
| davon regenerativ erzeugt | 19,7 | 37,9 | 96,0 | 105,4 | 124,4 | 143,4 | 151,9 | 161,9 | 188,1 | 189,1 | 215,7 | 223,3 | 241,6 | 251,5 | 233,9 | 254,0 |
| Energieträger | 1990 | 2000 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Braunkohle | 31,1 % | 25,7 % | 24,4 % | 23,0 % | 24,5 % | 25,5 % | 25,2 % | 24,8 % | 23,8 % | 23,0 % | 22,7 % | 22,5 % | 18,6 % | 16,0 % | 18,8 % | 20,1 % |
| Steinkohle | 25,6 % | 24,8 % | 18,1 % | 18,5 % | 18,3 % | 18,5 % | 19,5 % | 18,9 % | 18,2 % | 17,2 % | 14,2 % | 12,9 % | 9,4 % | 7,4 % | 9,3 % | 11,2 % |
| Kernenergie | 27,7 % | 29,5 % | 22,6 % | 22,2 % | 17,6 % | 15,8 % | 15,2 % | 15,5 % | 14,2 % | 13,0 % | 11,7 % | 11,8 % | 12,3 % | 11,2 % | 11,8 % | 6,0 % |
| Erdgas | 6,5 % | 8,5 % | 13,6 % | 14,1 % | 14,0 % | 12,1 % | 10,6 % | 9,7 % | 9,6 % | 12,5 % | 13,3 % | 12,9 % | 14,9 % | 16,0 % | 15,4 % | 13,8 % |
| Mineralölprodukte | 2,0 % | 1,0 % | 1,7 % | 1,4 % | 1,2 % | 1,2 % | 1,1 % | 0,9 % | 1,0 % | 0,9 % | 0,9 % | 0,8 % | 0,8 % | 0,7 % | 0,8 % | 0,8 % |
| Windenergie onshore | k. A. | 1,6 % | 6,6 % | 6,1 % | 8,1 % | 8,2 % | 8,1 % | 9,1 % | 11,1 % | 10,4 % | 13,4 % | 14,3 % | 16,5 % | 18,7 % | 15,9 % | 17,5 % |
| Windenergie offshore | k. A. | 0,0 % | 0,0 % | 0,0 % | 0,1 % | 0,1 % | 0,1 % | 0,2 % | 1,3 % | 1,9 % | 2,7 % | 3,0 % | 4,0 % | 4,8 % | 4,2 % | 4,3 % |
| Wasserkraft | 3,6 % | 4,3 % | 3,2 % | 3,3 % | 2,9 % | 3,5 % | 3,6 % | 3,1 % | 2,9 % | 3,2 % | 3,1 % | 2,6 % | 3,3 % | 3,3 % | 3,4 % | 3,0 % |
| Biomasse | k. A. | 0,3 % | 4,4 % | 4,6 % | 5,2 % | 6,1 % | 6,3 % | 6,7 % | 6,9 % | 6,9 % | 6,9 % | 7,1 % | 7,3 % | 7,7 % | 7,5 % | 7,7 % |
| Photovoltaik | k. A. | 0,0 % | 1,1 % | 1,8 % | 3,2 % | 4,2 % | 4,9 % | 5,8 % | 6,0 % | 5,9 % | 6,0 % | 7,1 % | 7,8 % | 8,9 % | 8,4 % | 10,5 % |
| Hausmüll(2) | k. A. | 0,3 % | 0,7 % | 0,7 % | 0,8 % | 0,8 % | 0,8 % | 1,0 % | 0,9 % | 0,9 % | 0,9 % | 1,0 % | 0,9 % | 1,0 % | 1,0 % | 1,0 % |
| Übrige Energieträger | 3,5 % | 3,9 % | 3,5 % | 4,1 % | 4,2 % | 4,1 % | 4,1 % | 4,3 % | 4,1 % | 4,2 % | 4,1 % | 4,1 % | 4,2 % | 4,3 % | 4,2 % | 4,1 % |
| Summe | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100 % | 100,0 % |
| regenerativer Anteil | 3,6 % | 6,6 % | 16,1 % | 16,7 % | 20,2 % | 22,8 % | 23,9 % | 25,9 % | 29,1 % | 29,2 % | 33,1 % | 35,0 % | 39,9 % | 44,4 % | 40,5 % | 44,0 % |
Der Strommix der einzelnen Versorgungsunternehmen weicht von diesen Durchschnittswerten stark ab.
Wirtschaftliche Aspekte
Stromgestehungskosten
Insbesondere bei Erneuerbaren Energien werden zur Beurteilung von Wirtschaftlichkeit, Effizienz und Kostenregression auf Grund von technischem Fortschritt oft die sogenannten Stromgestehungskosten betrachtet. Dies sind im Wesentlichen die Vollkosten der Energieerzeugung, das heißt zu den variablen Kosten pro erzeugte kWh kommt die Umlage der Investition auf die produzierte Arbeit in kWh. Stromgestehungskosten Erneuerbarer Energien sind in den letzten Jahren stark gesunken.
Die Stromgestehungskosten hängen von dem Amortisationszeitraum, also von der Lebensdauer der Anlage und von den sogenannten Volllaststunden der Anlage ab. Diese Kennzahl für den Nutzungsgrad einer Anlage misst, wie viele Stunden die Anlage ihre Nennleistung produzieren müsste, um die im Jahr tatsächlich produzierte Arbeit zu erzeugen. Je mehr Volllaststunden und je länger die Laufzeit, auf desto mehr produzierte kWh kann die ursprüngliche Investition umgelegt werden und umso geringer sind die Stromgestehungskosten der Anlage.
Der Amortisationszeitraum für EEG-Anlagen ergibt sich aus der Förderdauer des Erneuerbaren Energien Gesetzes, Volllaststunden von Wind- und Solaranlagen ergeben sich aus dem Wind- und Sonneneinstrahlungsaufkommen.
Für konventionelle Anlagen muss die anzusetzende Lebensdauer eingeschätzt werden. Die Volllaststunden einer konventionellen Anlage bestimmen sich aus ihren Grenzkosten. Kraftwerke mit höheren Grenzkosten stehen in der Merit Order weiter hinten und werden seltener eingesetzt. Ein Ausbau der Erneuerbaren Energien führt über den Merit Order Effekt zu einer Verdrängung konventioneller Erzeugung, damit zu sinkenden Volllaststunden und somit zu steigenden Stromgestehungskosten konventioneller Anlagen.
Stromgestehungskosten konventioneller Anlagen sind von Marktpreisen der Brennstoffe abhängig. Diese müssen gegebenenfalls über den Amortisationszeitraum prognostiziert werden. Eine Studie des VGB PowerTech e.V. kam 2015 zu der nebenbei gezeigten Aufstellung.
Die entsprechende Studie des Fraunhoferinstituts 2018 setzt bei Volllaststunden kleinere Korridore und kommt zu kleineren Bandbreiten beim Ergebnis. Die Erneuerbaren Energien befinden sich dort im unteren Bereich des VGB-Korridors. Die angenommene Laufzeit der Kraftwerke unterscheidet sich in beiden Studien nicht.
Elektrische Energieerzeugung und Strommarkt
Seit 1998 ist es in Europa möglich, elektrische Energie wie ein Wertpapier zu handeln. Über sogenannte Bilanzkreise wird sichergestellt, dass jeder Versorger den Energiebedarf für den Folgetag für seinen Endkundenabsatz an den Handelsmärkten beschafft und jeder Kraftwerksbetreiber seine geplante Erzeugung für den Folgetag dort verkauft hat. Für Betreiber konventioneller Kraftwerke ist es jedoch sinnvoller, die aus Strompreis und Brennstoffkosten resultierende Marge bereits deutlich vorher am Terminmarkt abzusichern (siehe Kraftwerkseinsatzoptimierung).
Kurzfristige Abweichungen in Erzeugung und Bedarf können noch bis kurz vor Lieferung auf den Intradaymärkten ausgeglichen werden. Erfolgt dies nicht, kommt es zu Frequenzabweichungen im Übertragungsnetz und der Übertragungsnetzbetreiber sorgt für den Ausgleich zwischen Bedarf und Erzeugung durch Bereitstellung sogenannter Regelleistung. Regelleistung ist auf Abruf bereitstehende zusätzliche Erzeugung oder auch Last und wird in einer Auktion des Übertragungsnetzbetreibers ausgeschrieben. Die Teilnahme am Regelmarkt ist besonders für flexible Kraftwerke möglich und attraktiv.
CO2- und Schadstoffemissionen
| Emission Kohlendioxid in g/kWh |
Emission Schwefeldioxid in mg/kWh |
Emission Stickoxide in mg/kWh | |
|---|---|---|---|
| Kohlekraftwerk | 790–1230 | 750 | 800 |
| Wasserkraftwerk | 4–13 | 20 | 40 |
| Kernkraftwerk | 31 | 30 | 30 |
| Erdgas GuD | 410–430 | 80 | 390 |
| Windkraftanlage | 8–16 | 50 | 40 |
| Photovoltaik | 27 – 59 | 108 | 0.0716 |
| Holz HKW | 40 | 150 | 1130 |
Auswirkungen auf die Gesundheit
Die elektrische Energieerzeugung ist eine bedeutende Quelle für Luftverschmutzung. Nach einer 2015 in Nature erschienenen Studie verursachte die Stromerzeugung im Jahr 2010 weltweit etwa 465.000 vorzeitige Todesfälle durch Luftverschmutzung. Am stärksten betroffen war China mit ca. 237.000 Todesfällen, in Deutschland starben ca. 4.400 Menschen infolge durch die Stromerzeugung hervorgerufenen Luftverschmutzung.
Die unterschiedlichen Effekte von verschiedenen Formen der Elektroenergieerzeugung auf die Gesundheit sind schwer zuzuschreiben und unsicher zu erfassen. Die folgende Tabelle umschreibt eine Schätzung auf Basis von Daten aus der Europäischen Union (Methode: ExternE). Die Gesundheitsschäden können durch Unfälle und durch Luftverschmutzung im Normalbetrieb auftreten. Laut Tabelle werden die meisten Erkrankungen durch Luftverschmutzung pro erzeugter Terawattstunde in der Europäischen Union durch Braun- und Steinkohle verursacht, gefolgt von Erdöl und Biomasse. Als wesentliche Probleme der Kernenergie sehen die Autoren hingegen nicht die Luftverschmutzung und den normalen Betrieb, welche vergleichsweise wenige Todesfälle verursachten, sondern langfristige Gefahren verbunden mit der Lagerung der nuklearen Abfälle und die Schäden im Falle eines Unfalls.
| Primär- energie- quelle | Todesfälle durch Unfälle (Öffentlichkeit) | Todesfälle durch Unfälle (Beschäftigte) | Todesfälle durch Luftverschmutzung | Schwere Erkrankungen durch Luftverschmutzung | Leichte Erkrankungen durch Luftverschmutzung |
|---|---|---|---|---|---|
| Braunkohle | 0,02 | 0,10 | 32,6 | 298 | 17.676 |
| Steinkohle | 0,02 | 0,10 | 24,5 | 225 | 13.288 |
| Erdgas | 0,02 | 0,001 | 2,8 | 30 | 703 |
| Erdöl | 0,03 | 18,4 | 161 | 9.551 | |
| Biomasse | 4,63 | 43 | 2.276 | ||
| Kernenergie | 0,003 | 0,019 | 0,052 | 0,22 | |
Siehe auch
Literatur
- Jürgen D. Pinske: Elektrische Energieerzeugung. 2., vollst. überarb. und erw. Aufl., Teubner, Stuttgart 1993, ISBN 978-3-519-06170-0.
- Klaus Heuck/Klaus-Dieter Dettmann/Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung: Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie für Studium und Praxis, 9., Springer Vieweg 2013, ISBN 978-3-8348-1699-3.
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme: Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. 5. Aufl., Springer Vieweg, Berlin 2017, ISBN 978-3-662-55315-2.
- Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 9., Hanser 2015, ISBN 978-3-446-44267-2.
- Valentin Crastan: Elektrische Energieversorgung. Teil 2: Energiewirtschaft und Klimaschutz, Elektrizitätswirtschaft und Liberalisierung, Kraftwerktechnik und alternative Stromversorgung, chemische Energiespeicherung. 4. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-662-48964-2.
- Panos Konstantin: Praxisbuch Energiewirtschaft. Energieumwandlung, -transport und -beschaffung im liberalisierten Markt. Springer, 2007, ISBN 978-3-540-35377-5.
Weblinks
- AG Energiebilanzen
- Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
- Smard Strommarktdatenbank der Bundesnetzagentur
Einzelnachweise
- ↑ Die Bundesregierung: Glossar zu Energie. Abgerufen am 20. Oktober 2020.
- ↑ Wiley: Netto-Stromverbrauch, Wiley ChemgaPedia. Abgerufen am 3. November 2018.
- ↑ Unterbrechungsdauer der Stromversorgung. Abgerufen am 5. September 2021.
- ↑ Endenergieverbrauch nach Energieträgern. Abgerufen am 5. September 2021.
- ↑ Martin Roscheisen: Die Geschichte der Energieversorgung in Deutschland- (Memento vom 18. Februar 2010 im Internet Archive) In: rmartinr.com, abgerufen am 22. März 2012.
- ↑ Sektorgutachten Energie. Abgerufen am 5. September 2021.
- ↑ Stromerzeugung in Deutschland. Abgerufen am 5. September 2021.
- ↑ Monitoringbericht 2020. Abgerufen am 5. September 2021.
- ↑ World Development Indicators: Electricity production, sources, and access. Weltbank, abgerufen am 22. Dezember 2013, neue Zahlen für 2015 am 4. Oktober 2018.
- ↑ Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern. AG Energiebilanzen, Stand 26. April 2022, abgerufen am 8. Juli 2022.
- ↑ Bilanz 2019: CO2-Emissionen pro Kilowattstunde Strom sinken weiter. Pressemitteilung des Umweltbundesamts. Abgerufen am 8. Juli 2022.
- 1 2 Bruttostromerzeugung in Deutschland von 1990 bis 2022 nach Energieträgern, Stand 21. Februar 2023. (PDF) Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e. V., abgerufen am 28. Juni 2023.
- 1 2 Bruttostromerzeugung in Deutschland. Statistisches Bundesamt, abgerufen am 14. April 2023.
- ↑ Christoph Kost, Shivenes Shammugam, Verena Fluri, Dominik Peper, Aschkan Davoodi Memar, Thomas Schlegl: Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien. Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE, Freiburg Juni 2021 (fraunhofer.de [PDF]).
- ↑ Studie zu Stromgestehungskosten: Photovoltaik und Onshore-Wind sind günstigste Technologien in Deutschland. Abgerufen am 6. September 2021.
- ↑ Zur Wirtschaftlichkeit von Kohlekraftwerken am Beispiel des geplanten Kohlekraftwerks in Mainz. Abgerufen am 4. September 2021.
- ↑ Levelised Cost of Electricity. Abgerufen am 6. September 2021 (englisch).
- 1 2 3 4 5 Deutscher Bundestag, 2007: CO2-Bilanzen verschiedener Energieträger im Vergleich S. 21. (PDF; 747 kB), aufgerufen am 29. Mai 2016.
- 1 2 3 Wiley InterScience, 30. Januar 2006: Photovoltaics Energy Payback Times, Greenhouse Gas Emissions and External Costs: 2004–early 2005 Status, aufgerufen am 22. März 2012.
- ↑ Johannes Lelieveld et al.: The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale. In: Nature. Band 525, 2015, S. 367–371, doi:10.1038/nature15371.
- ↑ Anil Markandya, Paul Wilkinson: Electricity generation and health. In: The Lancet. Band 370, 2007, S. 979–990, doi:10.1016/S0140-6736(07)61253-7., Link (Memento vom 23. Januar 2014 im Internet Archive)