Elektrische Energieversorgung 2: Energiewirtschaft und Klimaschutz Elektrizitatswirtschaft, Liberalisierung Kraftwerktechnik und alternative Stromversorgung, chemische Energiespeicherung

582 Pages·2012·12.333 MB·German

by  Valentin Crastan (auth.)

Elektrische Energieversorgung 2
Valentin Crastan
Elektrische
Energieversorgung 2
Energiewirtschaft und Klimaschutz
Elektrizitätswirtschaft, Liberalisierung
Kraftwerktechnik und alternative
Stromversorgung, chemische
Energiespeicherung
3., bearbeiteteAuflage
2123
Prof.Dr.-Ing.ValentinCrastan
ch.desBlanchards18
2533Evilard
Schweiz
[email protected]
ISBN978-3-642-19855-7 e-ISBN978-3-642-19856-4
DOI10.1007/978-3-642-19856-4
SpringerHeidelbergDordrechtLondonNewYork
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
© Springer-VerlagBerlinHeidelberg2003,2008,2012
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderediederÜber-
setzung,desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung,
derMikroverfilmungoderderVervielfältigungaufanderenWegenundderSpeicherunginDatenverar-
beitungsanlagen, bleiben, auchbeinurauszugsweiserVerwertung, vorbehalten. EineVervielfältigung
diesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichen
BestimmungendesUrheberrechtsgesetzesderBundesrepublikDeutschlandvom9.September1965in
derjeweilsgeltendenFassungzulässig. Sieistgrundsätzlichvergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen
unterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe-
rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
Einbandentwurf:eStudioCalamarS.L.
GedrucktaufsäurefreiemPapier
SpringeristTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia(www.springer.com)
Vorwort
Fürdievorliegende3.AuflagedeszweitenBandesderReiheElektrischeEnergie-
versorgung (2. Auflage 2008) drängte sich angesichts der vielenAktualisierungen
undErweiterungeneineAufspaltunginzweiTeileauf,diefortanalsBand2und3
erscheinen.
Band 2 setzt sich mit den Fragen der Energiewirtschaft und des Klimaschutzes
auseinander,sowiemitderElektrizitätswirtschaftundderdamitverbundenenLibe-
ralisierungsanstrengungen. Ferner wird die Elektrizitätserzeugung mit klassischen
undalternativenMittelndargelegt.
InBand3werdendieProblemederRegelungundStabilitätsowiederPlanungund
desBetriebsdesNetzeseinschließlichNetzleittechnikbehandelt.DieTechnikender
SteuerungmittelsLeistungselektronik(FACTS)undderimmerwichtigerwerdenden
Gleichstromübertragung(HGÜ)werdenumfassenddargelegt.
ImvorliegendenBand2wurdenKap.1undderAnhangimHinblickaufdiemit
derDringlichkeitdesKlimaschutzesanstehendenFragenerweitert.Eineweltweite
AnalyseistindiesemZusammenhangunerlässlich.DazubietendieStatistikender
IEAeinesehrguteGrundlage.ImZusammenhangmitdemWettbewerbimStrom-
sektoristdieSichtdesÖkonomeneingebrachtworden,wofürichNiklausVontobel,
CreditSuisse,zuDankverpflichtetbin.DerAspektBrennstoffzellenundchemische
Energiespeicherung,diefüreinezeitgemäßeMobilitätvonBedeutungsind,wirdin
den Beiträgen von Prof. M. Höckel und Prof.A.Vezzini näher erörtert, denen ich
ebenfallsmeinenDankausspreche.DankenmöchteichschließlichallenKo-Autoren
(SeiteVIII),welchedieüblichenAnpassungenundAktualisierungenvorgenommen
habenunddemSpringer-VerlagfürdieguteZusammenarbeit.
Evilard V.Crastan
imDezember2010
v
Vorwort zur 2. Auflage
Indernunvorliegenden2.Auflagedes2004erschienenenzweitenBandesistKap.1
deutlich ausgebaut worden, um den Veränderungen im Bereich der Energiewirt-
schaftundinsbesonderedendurchdenKlimawandelaufgeworfenenFragestellungen
Rechnungzutragen.
AußerdemwurdeimRahmenderAusführungenzurLiberalisierungderElektri-
zitätswirtschaftdemAspektRisikomanagementeingrößeresGewichtbeigemessen,
wofür ich T. Putzi der Bernischen KraftwerkeAG und Prof. M. Höckel, HTI Bi-
el, zu Dank verpflichtet bin. Ebenso danke ich Dr. J. Kreusel, ABB, für einige
AktualisierungenzumThema.
DieStrukturdesBandesistimWesentlichendiegleichegeblieben.Ungenauig-
keitenundFehlerwurdenausgemerztsowieAnpassungenundAktualisierungendort
vorgenommen,wodiesnotwendigwar.
DankenmöchteichfernerProf.A.Shah,UniversitätNeuchaˆtel,fürdenanregen-
denGedankenaustauschzumThemaPhotovoltaik,Prof.M.Q.Tran,ETHLausanne,
fürdieDurchsichtundeinigeAnregungenzuKap.9(Kernfusion)undDr.UlfBossel
fürBemerkungenzumThemaBrennstoffzellen.
Schließlich sei den Ko-Autoren Dr. R. Apel und O. Vollmeier, Siemens AG,
gedankt für die Mühe, die Sie sich genommen haben, ihre Kapitel zum Thema
Netzleittechnikanzupassenundoptimalzukoordinieren.
DemSpringer-VerlagdankeichfürdieguteundeffizienteZusammenarbeit.
Biel V.Crastan
imJuni2008
vii
Vorwort zur 1. Auflage
Der im Jahr 2000 erschienene Band 1 des nun vorliegenden zweibändigen Wer-
kes„ElektrischeEnergieversorgung“behandeltdieelektrotechnischenGrundlagen,
die Modellierung der Elemente des Drehstromnetzes, das stationäre und qua-
sistationäre Verhalten symmetrischer Netze und von Netzen mit Unsymmetrien
sowie die Grundlagen der Netzelement-Bemessung, der Schaltvorgänge und der
Schutztechnik.
In Band 2 werden diese vor allem die Energieübertragung und -verteilung
betreffenden Ausführungen durch die energie- und insbesondere die elektrizitäts-
wirtschaftlichenAspekte ergänzt, wozu auch die Kraftwerktechnik und alternative
ArtenderStromerzeugunggehören.BreitenRaumfindenfernerdieFragenderDy-
namik und Stabilität des Energieversorgungsnetzes und die mit der Planung und
BetriebsführungzusammenhängendenProbleme.Obwohlgut60%desBuchesvon
mir stammen und dieses somit Monographie-Charakter hat, sind wesentliche Bei-
trägevondenaufSeiteXXVaufgeführtenKo-Autorengeleistetworden,denenich
meinenherzlichstenDankausspreche.
DerausfünfTeilenundeinemAnhangbestehendeBand2gliedertsichwiefolgt:
TeilIwidmetsichdenenergiewirtschaftlichenGrundfragenunterEinbezugöko-
logischer Aspekte sowie den Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung. Einen
breitenRaumnehmendanndieFragenderMarktöffnungein,diedurchdenBeitrag
vonDr.J.KreuselzurFunktionsweiseliberalisierterStrommärktewesentlichvertieft
undmitdenAusführungenvonProf.M.HöckelzudenThemenRisikomanagement
undStrompreisgestaltungabgerundetwerden.
TeilIIbehandeltdiekonventionelleaufWasserkraftsowieauffossileundnuklea-
reBrennstoffenbasierendeKraftwerktechnikeinschl.ModellierungundDynamik.
DieAusführungenzudenfürdieZukunftwichtigenKombikraftwerkensinddurch
einen Beitrag von H. Kleinen ergänzt. EinAbschnitt über die ökologisch wichtige
WärmepumperundetdenAspektEnergieumwandlungab.
TeilIIIbetrifftdiealternativenMethodenderStromproduktion,ihreTechnikund
Aussichten.BesonderserwähntseiendieWindkraft,diePhotovoltaik,dieKernfusion
unddieBrennstoffzelle.
ix
x Vorwortzur1.Auflage
Teil IV setzt sich mit den Fragen der Regelung und Stabilität des Energiever-
sorgungsnetzesauseinander.Diez.T.bereitsinBand1behandeltenModellierungs-
probleme werden ergänzt und vertieft und die heute vorhandenen Werkzeuge zur
Simulation komplexer Netze im Beitrag von Dr. M. Pöller beschrieben. Außer-
dem werden die Fragen der Netzregelung und die Probleme der Polradwinkel-
und der Spannungsstabilität eingehend behandelt. EineAnalyse der Polradwinkel-
stabilität in ausgedehnten Netzen (UCTE-Netz) und der Ursachen entsprechender
PolradwinkelpendelungenfindetsichimBeitragvonProf.Dr.H.Weber.
Teil V erörtert zuerst das Betriebsoptimierungsproblem für das vertikal inte-
grierte Energieversorgungssystem und geht dann auf die durch die Marktöffnung
und den Wettbewerb sich aufdrängenden Änderungen ein. Der Fall der Betriebs-
optimierung bei ausgehandeltem Netzzugang wird im Beitrag von Dr. J. Kreusel
vertieft. Eine wesentliche Innovation im Bereich der Steuerung und Optimierung
desEnergieversorgungsnetzesstellendieFACTSdar,derenEigenschaftenundEin-
satzmöglichkeiten in dem von Dr. D. Westermann verfassten Kap. 15 eingehend
behandelt werden. Da gerade wegen der Marktöffnung auch die Fragen der Leit-
undInformationstechnikanBedeutungzunehmen,befassensichzweiBeiträgevon
Dr.R.Apel(Kap.16)undO.Vollmeier(Kap.17)ausverschiedenenBlickwinkeln
mitdiesemFragenkomplex.
ImAnhangsindinersterLiniephysikalisch-mathematischeGrundlagen,diefür
dasvertiefteVerständniseinigerKapitelnotwendigsind,wiethermodynamischeund
kernphysikalische Grundlagen oder Grundbegriffe der Dynamik, Regelungstech-
nik und Optimierungsrechnung, gegeben. Die Lösungen derAufgaben und einige
TabellenundGraphikenfindensichebenfallsimAnhang.
FürdieDurchsichtdesAbschnittsKernfusionundeinigenützlicheHinweisebin
ichDr.KurtAppert,ETHL,zuDankverpflichtet,ebensodankeichDr.UlfBossel
für die Durchsicht des Abschnitts Brennstoffzellen. Den Ko-Autoren möchte ich
nochmals für ihre wesentlichen Beiträge danken. Dem Springer-Verlag sei für die
stetsangenehmeundinsbesondereFrauG.MaasfürIhreengagierteZusammenarbeit
gedankt.
Biel V.Crastan
imJuni2003
Ko-Autoren Band 2
Prof.Dipl.-Ing.MichaelHöckel
HochschulefürTechnikundInformatik,Biel,Schweiz
Abschn.3.6und3.9.3,Abschn.8.4,Abschn.9.1und9.2
Dipl.-Ing.HeinrichKleinen
SiemensAG,PowerGeneration,Erlangen,Deutschland
Abschn.5.7und5.8
Prof.Dr.-Ing.JochenKreusel
ABBAG,Mannheim,Deutschland
Abschn.3.8
Dipl.-Ing.ThomasPutzi
BernischeKraftwerkeAG,Bern,Schweiz
Abschn.3.9
Prof.Dr.-Ing.AndreaVezzini
HochschulefürTechnikundInformatik,Biel,Schweiz
Abschn.9.3
NiklausVontobel
Senioreconomist,CreditSuisse,Zürich,Schweiz
Abschn.3.7
xi
Inhalt
TeilI Energiewirtschaft,Elektrizitätswirtschaft
1 EnergiewirtschaftundKlimaschutz .............................. 3
1.1 Grundbegriffe,geschichtlicherRückblick....................... 3
1.1.1 Energiesektor ....................................... 3
1.1.2 Nutzprozesse........................................ 5
1.1.3 GeschichtlicherRückblick............................. 5
1.1.4 PerspektivenundProbleme ............................ 7
1.2 VerfügbarkeitderPrimärenergie .............................. 7
1.2.1 NichterneuerbareEnergien............................ 8
1.2.2 ErneuerbareEnergien................................. 11
1.2.3 PotentialundNutzungderwichtigsten
Solarenergiearten .................................... 14
1.2.4 ÖkologischeProbleme................................ 19
1.3 Energiebedarf,CO -Emissionen,Indikatoren ................... 21
2
1.3.1 Allgemeines......................................... 21
1.3.2 EndenergieundVerlustedesEnergiesektors .............. 21
1.3.3 WeltweiterPrimärenergiebedarf,Energiesektor ........... 22
1.3.4 CO -EmissionenundIndikatoren ...................... 24
2
1.4 EnergieverbrauchundCO -EmissioneninEuropa ............... 25
2
1.4.1 BevölkerungundBruttoinlandsprodukt .................. 25
1.4.2 EnergieverbrauchproKopf ............................ 25
1.4.3 EnergieintensitätundCO -Emissionen .................. 27
2
1.4.4 EndenergieundVerlustedesEnergiesektors
inderEU-15 ........................................ 29
1.4.5 Ländermitmehrals30Mio.Einwohner ................. 29
1.5 WeltweiterEnergieverbrauch ................................. 32
1.5.1 EnergieverbrauchinderVergangenheit .................. 32
1.5.2 Energieverbrauch,BevölkerungundBIPin2007 .......... 33
1.5.3 Primär-undEndenergieundihreVerteilung2007 ......... 36
xiii
xiv Inhalt
1.6 ZukünftigeEntwicklungdesWeltenergiebedarfs................. 46
1.6.1 EntwicklungderWeltbevölkerung ...................... 47
1.6.2 ZunahmedesBIP(KKP)undEnergienachfrage
(IEA-Szenarien:WEO2006,450-Szenario) .............. 49
1.7 CO -EmissionenundKlimaschutz ............................ 50
2
1.7.1 WeltweiteEntwicklungderCO -Emissionen,
2
IEA-Szenarien....................................... 50
1.7.2 Klimaschutz,mittel-undlangfristigeMaßnahmen......... 52
1.7.3 ElektrizitätsverbrauchundKlimaschutz.................. 54
1.7.4 Transportbereich..................................... 57
1.7.5 Wärmebereich ....................................... 58
2 Wirtschaftlichkeitsberechnungen ................................ 59
2.1 Investitionsrechnung,Diskontierungsverfahren .................. 60
2.1.1 Kapitalwertmethode .................................. 60
2.1.2 Annuitätsmethode.................................... 62
2.2 KostenderEnergie ......................................... 64
2.2.1 KostenderelektrischenEnergie ........................ 64
2.2.2 SpezifischeEnergiekostenandenKraftwerksklemmen ..... 65
2.2.3 SpezifischeJahreskostenderKraftwerke................. 66
2.2.4 KostenderelektrischenEnergieamVerbraucher .......... 67
2.2.5 EinflussderEinspeisungvonWindenergie ............... 68
3 Elektrizitätswirtschaft,Liberalisierung........................... 69
3.1 VerbrauchelektrischerEnergie................................ 69
3.1.1 StrukturdesEnergieverbrauchs......................... 70
3.1.2 SchwankungendesEnergiebedarfs...................... 71
3.2 DeckungdesElektrizitätsbedarfs.............................. 73
3.2.1 Kraftwerkarten ...................................... 73
3.2.2 Kraftwerkeinsatz..................................... 75
3.2.3 Wasserspeicherung ................................... 77
3.2.4 Energieaustausch .................................... 78
3.3 Wasserkraftwerke........................................... 79
3.4 ThermischeKraftwerke...................................... 81
3.5 WettbewerbimElektrizitätssektor............................. 84
3.5.1 Einführung.......................................... 84
3.5.2 GrundpfeilerdesWettbewerbsundProbleme ............. 85
3.5.3 Reorganisationsmodelle............................... 88
3.5.4 Privatisierung,RegulierungderMonopole ............... 92
3.5.5 KonsequenzenderMarktöffnung ....................... 92
3.6 Strompreisgestaltung(Prof.Dipl.-Ing.MichaelHöckel)........... 93
3.6.1 VerteilungderSelbstkosten ............................ 94
3.6.2 Stromtarife.......................................... 101