Elektrische Energieversorgung 2: Energiewirtschaft und Klimaschutz, Elektrizitätswirtschaft und Liberalisierung, Kraftwerktechnik und alternative ... chemische Energiespeicherung

601 Pages·2017·23.54 MB·German

by  Valentin Crastan

Valentin Crastan
Elektrische
Energieversorgung 2
Energiewirtschaft und Klimaschutz,
Elektrizitätswirtschaft und Liberalisierung,
Kraftwerktechnik und alternative
Stromversorgung, chemische Energiespeicherung
4. Auflage
Elektrische Energieversorgung 2
Valentin Crastan
Elektrische
Energieversorgung 2
Energiewirtschaft und Klimaschutz,
Elektrizita¨tswirtschaft und Liberalisierung,
Kraftwerktechnik und alternative
Stromversorgung, chemische Energiespeicherung
4., bearbeitete Auflage
Prof.Dr.-Ing.ValentinCrastan
Ch.desBlanchards18
Evilard,Schweiz
ISBN978-3-662-48964-2 ISBN978-3-662-48965-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-48965-9
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Vorwort
Angesichts des dringenden Handlungsbedarfs in Sachen Klimawandel, der durch die
UNO-Klimakonferenz COP21 in Paris endlich auch weltweit die n€otige Anerkennung
gefunden hat, ist Kap.1 bezüglich Klimaschutz erweitert und anhand der neuesten
statistischen Daten aktualisiert worden. Entsprechende Aktualisierungen sind auch in
denAnha¨ngenCundDzufinden.
Der als Folge des sta¨rkeren Einsatzes erneuerbaren Energien und der Liberalisie-
rungsanstrengungensichdeutlichabzeichnendenUmbruchsinderElektrizita¨tswirtschaft
ist durch Anpassungen der entsprechenden Kapiteln berücksichtigt worden, wofür ich
Prof.J.Kreuseldankbarbin(Abschn.3.7).Insbesonderem€ochteichProf.M.H€ockelund
Dr.StefanBurrivonderEidgen€ossischenElektrizita¨tskommissionfürdieNeufassungdes
Abschnitts Liberalisierung aus schweizerischer Sicht danken (Abschn.3.6). Danken
m€ochte ich schließlich auch allen Ko-Autoren (Seite VIII), welche die üblichen Anpas-
sungenundAktualisierungenvorgenommenhabenunddemSpringer-Verlagfürdiegute
Zusammenarbeit.
Evilard V.Crastan
imFebruar2016
v
Vorwort zur 1. Auflage
Der im Jahr 2000 erschienene Band 1 des nun vorliegenden zweiba¨ndigen Werkes
„Elektrische Energieversorgung“ behandelt die elektrotechnischen Grundlagen, die Mo-
dellierungderElementedesDrehstromnetzes,dasstationa¨reundquasistationa¨reVerhal-
ten symmetrischer Netze und von Netzen mit Unsymmetrien sowie die Grundlagen der
Netzelement-Bemessung,derSchaltvorga¨ngeundderSchutztechnik.
InBand2werdendiesevorallemdieEnergieübertragungund-verteilungbetreffenden
Ausführungen durch die energie- und insbesondere die elektrizita¨tswirtschaftlichen As-
pekteerga¨nzt,wozuauchdieKraftwerktechnikundalternativeArtenderStromerzeugung
geh€oren. Breiten Raum finden ferner die Fragen der Dynamik und Stabilita¨t des
Energieversorgungsnetzes und die mit der Planung und Betriebsführung zusammen-
ha¨ngenden Probleme. Obwohl gut 60% des Buches von mir stammen und dieses somit
Monographie-Charakter hat, sind wesentliche Beitra¨ge von den auf Seite XXV aufge-
führtenKo-Autorengeleistetworden,denenichmeinenherzlichstenDankausspreche.
DerausfünfTeilenundeinemAnhangbestehendeBand2gliedertsichwiefolgt:
Teil I widmet sich den energiewirtschaftlichen Grundfragen unter Einbezug
€okologischer Aspekte sowie den Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung. Einen
breitenRaumnehmendanndieFragenderMarkt€offnungein,diedurchdenBeitragvon
Dr.J.KreuselzurFunktionsweiseliberalisierterStromma¨rktewesentlichvertieftundmit
den Ausführungen von Prof. M. H€ockel zu den Themen Risikomanagement und
Strompreisgestaltungabgerundetwerden.
Teil II behandelt die konventionelle auf Wasserkraft sowie auf fossile und nukleare
Brennstoffen basierende Kraftwerktechnik einschl. Modellierung und Dynamik. Die
Ausführungen zu den für die Zukunft wichtigen Kombikraftwerken sind durch einen
Beitrag von H. Kleinen erga¨nzt. Ein Abschnitt über die €okologisch wichtige Wa¨rme-
pumperundetdenAspektEnergieumwandlungab.
Teil III betrifft die alternativen Methoden der Stromproduktion, ihre Technik und
Aussichten. Besonders erwa¨hnt seien die Windkraft, die Photovoltaik, die Kernfusion
unddieBrennstoffzelle.
Teil IV setzt sich mit den Fragen der Regelung und Stabilita¨t des Energieversor-
gungsnetzesauseinander.Diez.T.bereitsinBand1behandeltenModellierungsprobleme
vii
viii Vorwortzur1.Auflage
werden erga¨nzt und vertieft und die heute vorhandenen Werkzeuge zur Simulation
komplexerNetzeimBeitragvonDr.M.P€ollerbeschrieben.AußerdemwerdendieFragen
der Netzregelung und die Probleme der Polradwinkel- und der Spannungsstabilita¨t ein-
gehend behandelt. Eine Analyse der Polradwinkel- stabilita¨t in ausgedehnten Netzen
(UCTE-Netz) und der Ursachen entsprechender Polradwinkelpendelungen findet sich
imBeitragvonProf.Dr.H.Weber.
Teil V er€ortert zuerst das Betriebsoptimierungsproblem für das vertikal integrierte
Energieversorgungssystem und geht dann auf die durch die Markt€offnung und den
Wettbewerb sich aufdra¨ngenden Änderungen ein. Der Fall der Betriebsoptimierung bei
ausgehandeltemNetzzugangwirdimBeitragvonDr.J.Kreuselvertieft.Einewesentliche
Innovation im Bereich der Steuerung und Optimierung des Energieversorgungsnetzes
stellen die FACTS dar, deren Eigenschaften und Einsatzm€oglichkeiten in dem von
Dr. D. Westermann verfassten Kap.15 eingehend behandelt werden. Da gerade wegen
der Markt€offnung auch die Fragen der Leit- und Informationstechnik an Bedeutung
zunehmen, befassen sich zwei Beitra¨ge von Dr. R. Apel (Kap.16) und O. Vollmeier
(Kap.17)ausverschiedenenBlickwinkelnmitdiesemFragenkomplex.
Im Anhang sind in erster Linie physikalisch-mathematische Grundlagen, die für das
vertiefte Versta¨ndnis einiger Kapitel notwendig sind, wie thermodynamische und kern-
physikalische Grundlagen oder Grundbegriffe der Dynamik, Regelungstechnik und Op-
timierungsrechnung, gegeben. Die L€osungen der Aufgaben und einige Tabellen und
GraphikenfindensichebenfallsimAnhang.
Für die Durchsicht des Abschnitts Kernfusion und einige nützliche Hinweise bin ich
Dr. Kurt Appert, ETHL, zu Dank verpflichtet, ebenso danke ich Dr. Ulf Bossel für die
Durchsicht des Abschnitts Brennstoffzellen. Den Ko-Autoren m€ochte ich nochmals für
ihrewesentlichenBeitra¨gedanken.DemSpringer-Verlagseifürdiestetsangenehmeund
insbesondereFrauG.MaasfürIhreengagierteZusammenarbeitgedankt.
Biel V.Crastan
imJuni2003
Ko-Autoren Band 2
Dr.rer.pol.StefanBurri
ElCom,Basel,Schweiz
Abschn.3.6
Prof.Dipl.-Ing.MichaelH€ockel
HochschulefürTechnikundInformatik,Biel,Schweiz
Abschn.2.3,Abschn.3.6,Abschn.3.8.3,Abschn.9.3.2,9.3.3und9.4,
Abschn.10.1und10.2
Dipl.-Ing.HeinrichKleinen
SiemensAG,PowerGeneration,Erlangen,Deutschland
Abschn.5.7und5.8
Prof.Dr.-Ing.JochenKreusel
ABBAG,Mannheim,Deutschland
Abschn.3.7
Dipl.-Ing.ThomasPutzi
BernischeKraftwerkeAG,Bern,Schweiz
Abschn.3.8
Prof.Dr.-Ing.AndreaVezzini
HochschulefürTechnikundInformatik,Biel,Schweiz
Abschn.10.3
ix
Inhaltsverzeichnis
TeilI Energiewirtschaft,Elektrizita¨tswirtschaft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 VerfügbarkeitderPrima¨renergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 NichterneuerbareEnergien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 ErneuerbareEnergien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 PotentialundNutzungderwichtigstenSolarenergiearten. . . . 14
1.2.4 O¨kologischeProbleme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Energiebedarf,CO -Emissionen,Indikatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2
1.3.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 EndenergieundVerlustedesEnergiesektors. . . . . . . . . . . . . 22
1.3.3 WeltweiterPrima¨renergiebedarf,Energiesektor. . . . . . . . . . . 23
1.3.4 CO -EmissionenundIndikatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2
1.4 EnergieverbrauchundCO -EmissioneninEuropa. . . . . . . . . . . . . . . 26
2
1.4.1 Bev€olkerungundBruttoinlandsprodukt. . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2 EnergieverbrauchproKopf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.3 Energieintensita¨tundCO -Emissionen. . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2
1.4.4 EndenergieundVerlustedesEnergiesektorsinderEU-15. . . 29
1.4.5 La¨ndermitmehrals30Mio.Einwohner. . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5 WeltweiterEnergiebedarf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.5.1 EnergieverbrauchinderVergangenheit. . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.5.2 Energiebedarf,Bev€olkerungundBIPin2013. . . . . . . . . . . . 35
1.5.3 Prima¨r-undEndenergieundihreVerteilung2013. . . . . . . . . 39
xi
xii Inhaltsverzeichnis
1.6 ZukünftigeEntwicklungdesWeltenergiebedarfs. . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.6.1 EntwicklungderWeltbev€olkerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.6.2 ZunahmedesBIP(KKP)undEnergienachfrage. . . . . . . . . . 54
1.7 CO -EmissionenundKlimaschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2
1.7.1 Klimaschutz,mittel-undlangfristigeMaßnahmen. . . . . . . . . 55
1.7.2 Elektrizita¨tsverbrauchundKlimaschutz. . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.7.3 Transportbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.7.4 Wa¨rmebereich. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 62
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2 Wirtschaftlichkeitsberechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1 Investitionsrechnung,Diskontierungsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.1.1 Kapitalwertmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.1.2 Annuita¨tsmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2 KostenderEnergie. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. 70
2.2.1 KostenderelektrischenEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.2.2 SpezifischeEnergiekostenandenKraftwerksklemmen. . . . . 72
2.2.3 SpezifischeJahreskostenderKraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.2.4 KostenderelektrischenEnergieamVerbraucher. . . . . . . . . 74
2.2.5 EinflussderEinspeisungvonWindenergieund
Solarenergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3 Strompreisgestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.1 VerteilungderSelbstkosten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.2 Stromtarife. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Elektrizita¨tswirtschaft,Liberalisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1 VerbrauchelektrischerEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.1 StrukturdesEnergieverbrauchs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.2 SchwankungendesEnergiebedarfs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2 DeckungdesElektrizita¨tsbedarfs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1 Kraftwerkarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.2 Kraftwerkeinsatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.3 Wasserspeicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.4 Energieaustausch.. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . 102
3.3 Wasserkraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4 ThermischeKraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.5 WettbewerbimElektrizita¨tssektor. . . .. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. 109
3.5.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.2 GrundpfeilerdesWettbewerbsundProbleme. . . . . . . . . . . . 110
3.5.3 Reorganisationsmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5.4 Privatisierung,RegulierungderMonopole. . . . . . . . . . . . . . 116
3.5.5 KonsequenzenderMarkt€offnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117