Referenzen
Kraftwerke
Ein Kraftwerk (veraltete Bezeichnung: Elektrizitätswerk) ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung und dient teilweise zusätzlich zur Bereitstellung von thermischer Energie. Bei einem Kraftwerk wird mechanische Energie (daher auch Kraft-) mittels Generatoren in elektrische Energie verwandelt, die in der Regel in das Stromnetz eingespeist wird. Die mechanische Energie zum Antrieb der Generatoren stammt ihrerseits aus
• kinetischer Energie (Wasser- und Windkraftwerk),
• thermischer Energie (über Dampfturbinen oder Gasturbinen) aus
o Sonnenstrahlungsenergie (Sonnenwärmekraftwerk)
o chemischer Energie (Verbrennung von Kohle, Erdöl, Erdgas,
Biomasse, Müll),
o Kernenergie (Kernspaltung, evtl. künftig Kernfusion).
Die jeweiligen Primärenergien werden in diesen Energieumwandlungsketten mit unterschiedlichen Wirkungsgraden in elektrische Energie umgewandelt. Alle Methoden stehen miteinander in wirtschaftlicher Konkurrenz und sind politisch teils gewollt und gefördert (erneuerbare Energien: Sonne, Wasser, Wind), oder nicht gewollt und besteuert (Kernspaltung: Brennelementesteuer; Verbrennung: Kohlendioxid-Emission).
Vereinzelt wird der Begriff Kraftwerk fälschlicherweise auch auf Anlagen angewendet, bei denen keine mechanische Energie genutzt wird (z. B. Photovoltaikanlagen).
Physikalische Grundlagen
Kraftwerke wandeln nichtelektrische Energie (thermische, mechanische, chemische, solare oder auch atomare Energie) in elektrische Energie um. Die Energieumwandlung ist immer mit Exergieverlusten verbunden. Die eingesetzte Energie (Fossile Energie, radioaktive Stoffe, Sonne, Wind, Biomasse, Wasserkraft) bilden die Primärenergie und der Strom die Sekundärenergie. Der elektrische Strom bildet eine sehr hochwertige Energie, die sich sehr gut weit übertragen und in andere Energiearten umwandeln lässt. Da nur ein Teil der Energie in elektrische Energie überführt werden kann, fällt immer ein nicht nutzbarer Energieanteil an, der als Entropie an die Umgebung abgegeben wird. Die bekannteste Form der Abwärme bilden die Kühlturmschwaden. Bei der Sonnenenergie erhitzt sich der Siliziumwafer, wenn das auftreffende Photon kein Elektron aus dem Leitungsband angehoben hat. Im Falle der Wasserkraft heizt die Reibung das Nutzwasser geringfügig auf.
Folgende Arten von Kraftwerken sind Standardtypen und technisch weit entwickelt:
• Dampfkraftwerk
o Kohlekraftwerk
o Kernkraftwerk
o Ölkraftwerk
o Sonnenwärmekraftwerk
o Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk)
o Biomasseheizkraftwerk
• Gasturbinenkraftwerk
• Stromerzeugungsaggregat
• Photovoltaikanlage
• Windkraftanlage
• Wasserkraftwerk
• Gezeitenkraftwerk
• Sonderform: Kraft-Wärme-Kopplung
In experimentellen Stadium befinden sich:
• Strom-Boje, Meeresströmungskraftwerk
• Geothermiekraftwerk
• Aufwindkraftwerk
• Wellenkraftwerk
Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:
• Kernfusionsreaktor
• Magnetohydrodynamischer Generator
• Fallwindkraftwerk
• Meereswärmekraftwerk
• Osmosekraftwerk
Technische Verfahren
Die Verfahren, die sehr unterschiedlichen Arten von Primärenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, unterscheiden sich bezüglich technischem Aufwand, Wirkungsgrad, aber auch Umweltbelastung. Einige Verfahren besitzen als Herzstück ein Dampfkraftwerk: Heißer Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an, diese wiederum einen Generator, der den Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad liegt bei 46 % und lässt sich – sofern Gas als Brennstoff verwendet wird – in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk auf 60 % erhöhen.
Unabhängig davon kann man bei günstigen Umständen – wenn ein Großabnehmer von Niedertemperaturwärme unmittelbar benachbart ist – die Abwärme der Dampfkühlung nach der Turbine nutzen, was man als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Dampfkraftwerke unterscheiden sich durch die Art der Wärmeerzeugung:
• Durch Verbrennung von fossilen Rohstoffen wie Kohle oder von
erneuerbaren Energiequellen wie Holz.
• Durch Ausnutzung von Kernenergie.
• Durch Bündelung von Sonnenlicht.
Die Dampfturbine lässt sich durch andere Antriebsarten ersetzen:
• In Wasserkraftwerken treibt die Bewegungsenergie von zuvor
gestautem Wasser eine Wasserturbine und diese den Generator.
• Windkraftanlagen nutzen die Bewegungsenergie von Luft.
• Mit Dieselmotoren betreibt man kleinere Anlagen wie transportable
Notstromaggregate, aber auch Großanlagen wie auf Kreta,
Fuerteventura oder Malta.
Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:
• Der Maschinentransformator formt die im Generator induzierte Spannung in Hochspannung um, da dieselbe Leistung bei höherer Spannung und somit geringerer Stromstärke verlustärmer im Stromnetz transportiert werden kann.
• Im Leitstand laufen alle für den Betrieb des Kraftwerkes notwendigen Messwerte zusammen, von dort aus werden die Anlagenteile des Kraftwerkes wie Armaturen, Pumpen und diverse Hilfsantriebe gesteuert und geregelt sowie die Sicherheitseinrichtungen überwacht.
• An allen Teilen des Kraftwerkes sind Komponenten wie Brandschutzeinrichtungen, Sicherungen und Sicherheitsventile untergebracht, die den sicheren Betrieb gewährleisten und bei Störungen eingreifen.
• In Dampfkraftwerken kommen als wichtige Komponenten Dampfkessel, Dampfturbine, Generator, Kondensator, Maschinenhaus, Rauchgasentstickung, Rauchgasentschwefelung, Wasseraufbereitung, Kühlturm, Entaschung (bei Kohle als Brennstoff), Schornstein, Speisepumpe und Rohrleitungen hinzu.
• In Wasserkraftwerken bestehen die wichtigsten Komponenten aus Maschinenhaus, Treibgutrechen, Wasserturbine, Generator, Wehr oder Staudamm, bei Speicherkraftwerken kommen noch Rohrleitungen und Wasserschloss hinzu.
Alle diese Komponenten werden mit dem Kraftwerk-Kennzeichensystem erfasst und dokumentiert. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung und Benennung der Bauteile und hat sich international durchgesetzt.
In allen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa wird die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz bereitgestellt. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Kraftwerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Kraftwerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes gibt an, in welchem Maße die darin eingesetzte Primärenergie als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dieser hängt stark von der verwendeten Technik ab und reicht von 12 % bei Photovoltaik über 46 % bei Wärmekraftwerken bis zu 90 % bei Wasserkraftwerken.
Leistung unterschiedlicher Kraftwerksarten in Deutschland (2009)[1]
1Die angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich auf das Verhältnis von an das Netz abgegebener elektrischer Energie zur eingesetzten Primärenergie; vor allem Wärmekraftwerke haben einen recht beträchtlichen Eigenbedarf (Speisewasserpumpe!), der durchaus 5% der erzeugten elektrischen Energie betragen kann. Im Fall einer zusätzlichen Wärmeauskopplung können bei den vier erstgenannten Arten zum Teil Nutzungsgrade bis zu 92 %[4] erreicht werden. Der Wirkungsgrad hat eine hohe Relevanz bei hohen Primärenergiekosten (zum Beispiel Öl und Gas). Wenn die Primärenergie gratis ist (zum Beispiel Wind, Sonne, Wasser) sind die Investitionskosten pro kW entscheidend.
2Für Kernkraftwerke kann kein eindeutiger Wirkungsgrad angegeben werden. Zwecks Vergleichsmöglichkeit im Rahmen internationaler Vereinbarungen wird bei Kernkraftwerken durch die Agenda 21 der Wirkungsgrad des Sekundärkreislaufs angegeben, der nicht mit der potentiellen Spaltenergie des Brennstoffs korreliert.[5]
Vernetzung der Kraftwerke
Nur geographisch isolierte Stromnetze (Inselnetze), beispielsweise auf kleineren, isolierten Inseln, werden von einem einzigen Kraftwerk versorgt. Fällt dieses geplant oder ungeplant aus, bricht die Stromversorgung und damit meist auch die lokale Infrastruktur mit gravierenden Folgen zusammen. Um solche Effekte zu vermeiden wurde schon 1954 ein HGÜ-Seekabel zwischen der Insel Gotland und dem schwedischen Festland in Betrieb genommen.
Ist das zu versorgende Gebiet ausreichend groß, wird die Gesamtlast stets auf viele Kraftwerke verteilt:
• Grundlastkraftwerke haben geringe Primärenergiekosten und können deshalb günstigen Strom erzeugen. Durch ihre häufig hohen Kapitalkosten müssen sie aber möglichst kontinuierlich durchlaufen. Auch lassen sie sich häufig schlecht regeln (Beispiel: Atomkraftwerke) oder können ihre Primärenergie nicht speichern (Beispiel: Laufwasser-Kraftwerke).
• Die vorhersehbaren und sich täglich wiederholenden langsamen Schwankungen des Strombedarfes im Tagesverlauf übernehmen die Mittellastkraftwerke. Viele Steinkohle-Kraftwerke werden so betrieben, d.h. sie werden am Morgen an- und abends abgefahren.
• Für die Aufnahme von kurzzeitigen Laständerungen und für unvorhersehbaren Notfälle werden Spitzenlastkraftwerke eingesetzt, welche die Stromproduktion schnell dem Bedarf anpassen können. Spitzenkraftwerke können auch als Mittel- und Grundlastkraftwerke eingesetzt werden. Deren Einsatzzeit wird aber typischerweise so kurz als möglich gehalten, da sie durch die höheren Brennstoffkosten (zum Beispiel Öl und Gas) bzw. höheren Betriebskosten auch die höchsten Kosten verursachen.
Für manche Kraftwerkstypen spricht beispielsweise ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gasturbinenkraftwerke und bestimmte Typen von Wasserkraftwerken können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden, Kernkraftwerke benötigen einige Tage. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gasturbinen- und Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke) häufig die Spitzenlast im Netz übernehmen.
Diese dezentrale Stromerzeugung ist seit Jahrzehnten Standard in allen Stromnetzen wie dem Europäischen Verbundsystem, wird aber in den letzten Jahren als besonderer Vorzug der Anbindung von Kleinstkraftwerken gepriesen. Deren Aufschwung begann in Deutschland mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991.
Steuerung der Kraftwerke
Der Stromverbrauch ist nicht konstant, Kraftwerke können ausfallen und die Kraftwerksleistung kann variieren (siehe Bild). Da sich ohne Regelung die Netzfrequenz zu stark ändern würde, muss die Momentanleistung der angeschlossenen Kraftwerke ständig angepasst werden.
Die kurzfristige Leistungsregelung, abhängig von der aktuellen Netzfrequenz, muss im Sekundenbereich geschehen. Dazu werden bestimmte Wärme-Kraftwerke leicht angedrosselt gefahren, damit kann durch Öffnen der Regelventile in der Frischdampfleitung die Stromerzeugung innerhalb von Sekunden um bis zu 5 % hochgefahren werden. Eine Alternative ist, die Kondensatvorwärmung aus Anzapfdampf zu reduzieren und so mehr Dampf für die Stromerzeugung in der Turbine zu lassen. Diese zweite Möglichkeit hat den Vorteil, dass sie den Wirkungsgrad des Kraftwerks nicht so beeinträchtigt wie die Frischdampf-Drosselung. Beide Maßnahmen nutzen sehr begrenzte Speicherkapazitäten (Dampf im Dampferzeuger, Wasservorrat im Speisewasserbehälter). Sie können also nur sehr kurzfristige Schwankungen ausregeln.
Die Kraftwerksleistung lässt sich nicht beliebig schnell anpassen, die Zeiten liegen zwischen sieben Minuten bei Gasturbinenkraftwerken und einigen Stunden. Auch ist die Leistungsänderung beschränkt, die abgefangen werden kann. Als beispielsweise am 4. November 2006 eine Hochspannungsleitung, die gerade 10.000 MW übertrug, überraschend abgeschaltet wurde, erzeugten die Kraftwerke in Nord- und Osteuropa zu viel Leistung, die in West- und Südeuropa fehlte. Als Folge zerfiel das europäische Gesamtnetz durch regionale Notabschaltungen in kleine „Inseln“, die wieder mühsam synchronisiert werden mussten.
Steuerung von Verbrauchern
Im Normalfall bestimmt der Stromverbraucher, wann und wie viel Energie er dem Netz entnimmt. Es gibt aber auch Möglichkeiten, die Energiebilanz eines Strometzes mit Hilfe der Verbraucher auszugleichen. Traditionell benutzt man dafür Rundsteuertechnik, die bereits 1899 erfunden[6] wurde. Verbraucher wie Warmwasser- oder Wärmespeicherheizungen können für begrenzte Zeit ohne Energiezufuhr auskommen, ohne ihre Funktion zu verlieren. Manche Industriebetriebe schließen auch Verträge mit ihrem Stromversorger in denen sie sich bereit erklären, gelegentlich große Stromverbraucher auf Aufforderung für begrenzte Zeit abzuschalten. Insbesondere in der Schweiz werden solche Systeme seit über 50 Jahren eingesetzt[7]. Inzwischen werden diesbezüglich auch digitale Lösungen mit höherer Flexibilität entwickelt[8].
Im Zusammenhang mit intelligenten Stromzählern dürfte diese Möglichkeit der Netzregelung große Bedeutung erlangen. Der Verbraucher legt z.B. fest, welchen Strompreis er für seine Waschmaschine maximal zahlen will. Der Energieversorger kann den intelligenten Stromzähler jederzeit mit aktuellen Tarifinformationen versorgen. Der intelligente Stromzähler schaltet zum passenden Zeitpunkt den Stromkreis der Waschmaschine frei.
Eigenschaften verschiedener Kraftwerksarten
Überblick
Es gibt keinen „besten“ Kraftwerkstyp, jeder besitzt spezifische Vor- und Nachteile. Insbesondere auf Grund der hohen Flexibilität bezüglich Lastanpassung, geringer Standortabhängigkeit, kurzen Bauzeiten, niedrigen Baukosten und verhältnismäßig niedrigen Emissionen war die Stromerzeugung aus Erdgas mit 83,7 GW der Spitzenreiter bezüglich des Zubaus von neuer Kraftwerksleistung zwischen 2000 und 2008 in der EU, an zweiter Stelle lag Windkraft mit 55,2 GW[9].
Die untere Tabelle zeigt unter anderem die Investitionskosten für ein neues Kraftwerk[10][11] und bezieht sich auf die Erzeugung von 1 kW elektrischer Spitzenleistung. Letztlich sind aber die Kosten ausschlaggebend, welche entstehen, um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen. Das heißt für eine Vollkosten-Stromerzeugungs-Rechnung muss man neben den Investitionskosten und der Bauzeit insbesondere auch die jährliche Laufzeit, Brennstoff-, Unterhalts-, indirekte Umwelt-, Rückbau- und Entsorgungskosten berücksichtigen. Zudem muss man beachten wie flexibel ein Kraftwerk Strom erzeugen kann: Ein flexibles Kraftwerk (zum Beispiel Gas, Öl oder Speicherkraftwerk), welches insbesondere während dem Spitzenstrombedarf und somit während hohen Strompreisen Strom produziert, arbeitet auch bei überdurchschnittlichen Stromerzeugungskosten immer noch profitabel.
Verfügbarkeit von Primärenergie
Die Wahl der Kraftwerkstypen ist abhängig von vielen Faktoren, wobei neben der Verfügbarkeit auch die wirtschaftliche Situation im jeweiligen Land von Bedeutung ist. Dabei stellen sich folgende elementare Einzelfragen:
• Welche Primärenergien gibt es im eigenen Land?
• Welche ist am einfachsten und ohne hohe Kosten in großen Mengen zu
gewinnen?
• Wie hoch sind die Baukosten eines passenden Kraftwerks?
• Ist ein Netz vorhanden?
• Ist das Kraftwerk zuverlässig?
• Wie hoch sind die Umweltbelastungen im Verhältnis zum Nutzen?
• Lassen sich Nebenprodukte des Kraftwerks wie Abwärme sinnvoll
nutzen?
• Was geschieht mit dem Abfall[18]?
Ein hoher Anteil an Gebirgen bietet die häufig Möglichkeit, günstige Wasserkraftwerke betreiben zu können. In der Schweiz etwa wurden 2008 52 % des elektrischen Stromes in Wasserkraftwerken erzeugt, in Brasilien etwa 84 %[19], in Norwegen 98 % und in Kongo sogar über 99 %[20]. Aus wetterbedingten Gründen (Niederschlag) ändert sich der Wasserkraftsenergie-Anteil meistens von Jahr zu Jahr[21].
Der Tatsache, dass manche Primärenergien wie Wind, Wellen oder Sonnenlicht kostenlos und weltweit in riesigen Mengen zur Verfügung stehen Kernprobleme wie Standortabhängigkeit, wetterabhängige Energielieferung, Widerstand von etablierten Energielieferanten[22] und lokaler Bevölkerung und hohe Investitionskosten gegenüber. Da bereits heute sehr viel flexible Wasserkraftskapazität installiert ist (die weltweite Wasserkraftsleistung beträgt bereits Heute über 1000 GW[23]), Strom über tausende von Kilometern mit geringen Verlusten übertragen werden kann[24], die Variierung von beispielsweise Windenergie über kurze Zeitabstände anfällt[25] (und somit keine Energiemengen über große Zeiträume gespeichert werden müssen), vernetzte Windfarmen Grundlast- und reduzierten Spitzenstrom liefern[26] [27] und sich zudem Wasser- und Solarstrom antizyklisch zu Windstrom verhalten (es wird mehr Windstrom[28] [29] [30] und weniger Photovoltaik- und Wasserstrom [31] im Winter generiert) ist die Integration von viel mehr Stromerzeuger, die mit kostenloser Primärenergie Strom produzieren kein Problem, das nicht mit Technologien lösbar ist.
Ortswahl
Die Industriezentren und Großstädte als Großverbraucher elektrischen Stromes sind sehr ungleichmäßig über die Staatsflächen verstreut. Zur Vermeidung von Übertragungsverlusten werden nahe gelegene Großkraftwerke bevorzugt. Wenn möglich, werden für Wärmekraftwerke für gewöhnlich Standorte an Flüssen mit ausreichender Wasserführung gewählt. Ausnahmen sind Braunkohlekraftwerke, die zugunsten geringer Transportkosten in Nähe der Förderstätten errichtet werden.
Vergleichbare Probleme kennt man von Wasserkraftwerken, die weitab von Industriezentren gebaut wurden, weil genau dort extrem viel elektrische Leistung erzeugt werden kann:
• Der größte Teil der Stromproduktion der Cabora-Bassa-Talsperre muss mittels einer 1414 Kilometer langen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) in die benachbarte Republik Südafrika verkauft werden, weil keine näher gelegenen Großabnehmer existieren.
• Der Großteil der in Paraguay erzeugten elektrischen Energie des noch leistungsstärkeren Wasserkraftwerkes Itaipú wird aus Paraguay ebenfalls über HGÜ 850 km weit nach São Paulo transportiert. Diese extreme Abhängigkeit von einem einzigen Großlieferanten führte am 16. November 2009 zum umfangreichsten Stromausfall in der Geschichte Brasiliens[32][33][34]. Die Stromversorgung in 18 der 26 brasilianischen Staaten mit ungefähr 60 Millionen Menschen fiel dabei für über fünf Stunden aus.
Windkraftwerke können prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden, da zu ihnen während des Betriebes nur selten Materiallieferungen nötig sind und da sie wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen. Allerdings muss wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Der Standort einer Windkraftanlage muss über eine gute Standfestigkeit verfügen, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.
Baugröße
Die Baugröße wird von der Erfahrung geprägt, dass der elektrische Wirkungsgrad mit der Baugröße zunimmt und die Kosten pro erzeugter Energieeinheit abnimmt. Mit anderen Worten: Ein Kraftwerksblock mit 1000 MW (1 GW) kann zu günstigeren Kosten Strom produzieren als ein Kleinkraftwerk mit 1 MW vom gleichen Kraftwerkstyp.
Kleinkraftwerke müssen allerdings meistens nicht mit Grosshandelsstrompreisen konkurrieren sondern mit den Endverbraucherstrompreisen, was unter Umständen zu einer besseren Wirtschaftlichkeit trotz höheren Stromkosten führen kann. Kleinkraftwerke werden zudem meistens in Fernwärmenetze eingesetzt, wodurch ein wesentlicher Teil der eingesetzten Primärenergie (höherer Gesamt-Wirkungsgrad) auch als Wärme verkauft werden kann. Insbesondere mit steigenden Brennstoff- und CO2-Kosten gewinnen deshalb Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen beziehungsweise BHKWs an Bedeutung. Auch die kurze Bauzeit, die hohe Flexibilität (schnelle Lastanpassung) und die steigende Zuverlässigkeit von Kleinkraftwerken hat in den letzten Jahren zu einem starken Wachstum geführt. So sind weltweit alleine zwischen Juni 2007 und Mai 2008 annähernd 60 GW Hubkolbengeneratoren und Gasturbinen-Generatoren mit einer Leistung zwischen 0.5 MW und 60 MW installiert worden[35]. Hubkolbenmotoren und Gasturbinen welche typischerweise in Kleinkraftwerken eingesetzt werden, weisen teilweise auch einen höheren elektrischen Wirkungsgrad auf als Dampfturbinen (da die maximale Verbrennungs-Temperatur wesentlich höher ist)[36]. Hubkolbenmotoren weisen zudem einen höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich auf als Gasturbinen und Dampfturbinen[37].
Wenn man die Emissionsbilanz von einem BHKW mit einem Steinkohlekraftwerk oder Gas-und Dampfkraftwerk vergleicht, dann sinken zwar die CO2-, SO2- und Feinstaub-Emissionen, dafür steigen die NOx- und CO-Emissionen[38]. Da aber BHKWs vor allem alte Öl- und Gasheizungen ersetzen, verbessert sich dadurch jedoch die gesamte Emissionsbelastung (79 % des Deutschen Wärmebedarfs wird nach wie vor mit Öl- und Gasheizungen gedeckt und nur 13 % durch Fernwärme und lediglich 4 % mit Strom[39].
Da kleinere Kraftwerke ihre Leistung schnell dem Bedarf anpassen können, das Höchstspannungsnetz entlasten, den Abstand zwischen Verbraucher und Kraftwerk reduzieren und zwangsläufig eine höhere Anzahl von Kraftwerken bedingen wird die Netzsicherheit verbessert[40].
Wirtschaftliche Bedeutung
Kraftwerke besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch wirtschaftlicher und ökologischer Ressourcen zu.
Die Investitionen für ein Kraftwerk sind erheblich. Beispielsweise rechnet man für ein modernes Kohlekraftwerk mit etwa 800 € pro installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Kraftwerksblock mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen € anzusetzen.
In Deutschland gibt es einen erheblichen Ersatzbedarf an Kraftwerkskapazitäten: Zahlreiche bestehende Braunkohle-, Steinkohle- und Erdgaskraftwerke nähern sich einer Altersgrenze, an der sie durch moderne Kraftwerke ersetzt werden sollten. Dafür sprechen technische, wirtschaftliche und ökologische Gründe. Durch die im September 2010 beschlossene Laufzeitverlängerung sinkt dieser Ersatzbedarf.
Das Institut der deutschen Wirtschaft (IW) beleuchtete 2010 in einer Studie, welche Bedeutung der Kraftwerksbau für Bauwirtschaft und Baustoffwirtschaft hat.[65]
Siehe auch
• Portal Energie
• Energietechnik
• Liste der Kraftwerke, Liste europäischer Kraftwerke nach Emission
• Elektrizität/Tabellen und Grafiken
• Schattenkraftwerk
Literatur
• BWK. (= „Brennstoff, Wärme, Kraft“) Vom VDI herausgegebene Fachzeitschrift
Weblinks
Commons: Kraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• Die hundert größten Kraftwerke mit Bild
• Karte der Kraftwerke mit dem höchsten CO2-Ausstoß
• Kraftwerk-Datenbank des Umweltbundesamtes
Einzelnachweise
1. Energiestatistiken, BMWi
2. IEA CHP/DHC Country Scorecard for Germany
3. Bramming Fernwärme
4. Bramming Fernwärme
5. [1]
6. Entwicklung der Rundsteuertechnik
7. Tonfrequenz Rundsteuerung
8. Digitalstrom
9. EWEA, Net increase in power capacity EU 2000–2008
10. [2] Relative cost of electricity by generation source
11. [3] Stromerzeugungskosten im Vergleich
12. GuD-Kraftwerk
13. Coal-Fired Power Plant Construction Costs
14. Average cost of building a hydroelectric project
15. $23.6 billion for two 1.6 GW Areva reactors in Ontario
16. Florida Power and Light estimates its two new plants will cost as much as $24 billion
17. BBC Nuclear clean-up to cost £70 billion
18. Wärme und Strom in China mit Hühner-kot
19. Hydro power capacity in Brazil
20. Hydro power capacity in Congo
21. BFE, Elektrizitätsstatistiken
22. Wind Resistance in Wyoming
23. Renewable Global Status Report 2009
24. Rio Madeira HVDC-Link
25. Windkraftanlagen-Leistungsverlaufs im Anlagenverbund
26. JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGY AND CLIMATOLOGY, Supplying Baseload Power and Reducing Transmission Requirements by Interconnecting Wind Farms
27. EFFECTS OF LARGE-SCALE DISTRIBUTION OF WINDENERGY IN AND AROUND EUROPE
28. Monatliche Energielieferung aller WKAs in Deutschland
29. Danish Energy Agency monthly statistics
30. Windstatistik Portugal
31. Elektrizitätsstatistik Schweiz
32. [4] Brasilien: Wurde der Stromausfall durch Hacker oder UFOs verursacht?
33. [5] 2009 Brazil and Paraguay blackout
34. [6] Itaipu Dam Problem Cauess Huge Brazilian Power Outage
35. 2008 32nd power generation survey
36. Kraft-Wärme-Kopplung mit Jenbacher Gasmotoren
37. Kraftmaschinen auf Basis fossiler Brennstoffe
38. BHKW Emissionen
39. Wärmewirtschaft in Deutschland
40. Oak Ridge National Laboratory Combined Heat and Power
41. EEG ab 1. Juli 2010
42. EEG ab 1. Juli 2010
65. Institut der deutschen Wirtschaft Köln: Kraftwerksbau als Chance für die Bau- und Baustoffwirtschaft. Köln, 10. September 2010. (Kurzstudie)
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• kinetischer Energie (Wasser- und Windkraftwerk),
• thermischer Energie (über Dampfturbinen oder Gasturbinen) aus
o Sonnenstrahlungsenergie (Sonnenwärmekraftwerk)
o chemischer Energie (Verbrennung von Kohle, Erdöl, Erdgas,
Biomasse, Müll),
o Kernenergie (Kernspaltung, evtl. künftig Kernfusion).
Die jeweiligen Primärenergien werden in diesen Energieumwandlungsketten mit unterschiedlichen Wirkungsgraden in elektrische Energie umgewandelt. Alle Methoden stehen miteinander in wirtschaftlicher Konkurrenz und sind politisch teils gewollt und gefördert (erneuerbare Energien: Sonne, Wasser, Wind), oder nicht gewollt und besteuert (Kernspaltung: Brennelementesteuer; Verbrennung: Kohlendioxid-Emission).
Vereinzelt wird der Begriff Kraftwerk fälschlicherweise auch auf Anlagen angewendet, bei denen keine mechanische Energie genutzt wird (z. B. Photovoltaikanlagen).
Physikalische Grundlagen
Kraftwerke wandeln nichtelektrische Energie (thermische, mechanische, chemische, solare oder auch atomare Energie) in elektrische Energie um. Die Energieumwandlung ist immer mit Exergieverlusten verbunden. Die eingesetzte Energie (Fossile Energie, radioaktive Stoffe, Sonne, Wind, Biomasse, Wasserkraft) bilden die Primärenergie und der Strom die Sekundärenergie. Der elektrische Strom bildet eine sehr hochwertige Energie, die sich sehr gut weit übertragen und in andere Energiearten umwandeln lässt. Da nur ein Teil der Energie in elektrische Energie überführt werden kann, fällt immer ein nicht nutzbarer Energieanteil an, der als Entropie an die Umgebung abgegeben wird. Die bekannteste Form der Abwärme bilden die Kühlturmschwaden. Bei der Sonnenenergie erhitzt sich der Siliziumwafer, wenn das auftreffende Photon kein Elektron aus dem Leitungsband angehoben hat. Im Falle der Wasserkraft heizt die Reibung das Nutzwasser geringfügig auf.
Folgende Arten von Kraftwerken sind Standardtypen und technisch weit entwickelt:
• Dampfkraftwerk
o Kohlekraftwerk
o Kernkraftwerk
o Ölkraftwerk
o Sonnenwärmekraftwerk
o Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk)
o Biomasseheizkraftwerk
• Gasturbinenkraftwerk
• Stromerzeugungsaggregat
• Photovoltaikanlage
• Windkraftanlage
• Wasserkraftwerk
• Gezeitenkraftwerk
• Sonderform: Kraft-Wärme-Kopplung
In experimentellen Stadium befinden sich:
• Strom-Boje, Meeresströmungskraftwerk
• Geothermiekraftwerk
• Aufwindkraftwerk
• Wellenkraftwerk
Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:
• Kernfusionsreaktor
• Magnetohydrodynamischer Generator
• Fallwindkraftwerk
• Meereswärmekraftwerk
• Osmosekraftwerk
Technische Verfahren
Die Verfahren, die sehr unterschiedlichen Arten von Primärenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, unterscheiden sich bezüglich technischem Aufwand, Wirkungsgrad, aber auch Umweltbelastung. Einige Verfahren besitzen als Herzstück ein Dampfkraftwerk: Heißer Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an, diese wiederum einen Generator, der den Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad liegt bei 46 % und lässt sich – sofern Gas als Brennstoff verwendet wird – in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk auf 60 % erhöhen.
Unabhängig davon kann man bei günstigen Umständen – wenn ein Großabnehmer von Niedertemperaturwärme unmittelbar benachbart ist – die Abwärme der Dampfkühlung nach der Turbine nutzen, was man als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Dampfkraftwerke unterscheiden sich durch die Art der Wärmeerzeugung:
• Durch Verbrennung von fossilen Rohstoffen wie Kohle oder von
erneuerbaren Energiequellen wie Holz.
• Durch Ausnutzung von Kernenergie.
• Durch Bündelung von Sonnenlicht.
Die Dampfturbine lässt sich durch andere Antriebsarten ersetzen:
• In Wasserkraftwerken treibt die Bewegungsenergie von zuvor
gestautem Wasser eine Wasserturbine und diese den Generator.
• Windkraftanlagen nutzen die Bewegungsenergie von Luft.
• Mit Dieselmotoren betreibt man kleinere Anlagen wie transportable
Notstromaggregate, aber auch Großanlagen wie auf Kreta,
Fuerteventura oder Malta.
Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:
• Der Maschinentransformator formt die im Generator induzierte Spannung in Hochspannung um, da dieselbe Leistung bei höherer Spannung und somit geringerer Stromstärke verlustärmer im Stromnetz transportiert werden kann.
• Im Leitstand laufen alle für den Betrieb des Kraftwerkes notwendigen Messwerte zusammen, von dort aus werden die Anlagenteile des Kraftwerkes wie Armaturen, Pumpen und diverse Hilfsantriebe gesteuert und geregelt sowie die Sicherheitseinrichtungen überwacht.
• An allen Teilen des Kraftwerkes sind Komponenten wie Brandschutzeinrichtungen, Sicherungen und Sicherheitsventile untergebracht, die den sicheren Betrieb gewährleisten und bei Störungen eingreifen.
• In Dampfkraftwerken kommen als wichtige Komponenten Dampfkessel, Dampfturbine, Generator, Kondensator, Maschinenhaus, Rauchgasentstickung, Rauchgasentschwefelung, Wasseraufbereitung, Kühlturm, Entaschung (bei Kohle als Brennstoff), Schornstein, Speisepumpe und Rohrleitungen hinzu.
• In Wasserkraftwerken bestehen die wichtigsten Komponenten aus Maschinenhaus, Treibgutrechen, Wasserturbine, Generator, Wehr oder Staudamm, bei Speicherkraftwerken kommen noch Rohrleitungen und Wasserschloss hinzu.
Alle diese Komponenten werden mit dem Kraftwerk-Kennzeichensystem erfasst und dokumentiert. Dies erleichtert die eindeutige Zuordnung und Benennung der Bauteile und hat sich international durchgesetzt.
In allen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa wird die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz bereitgestellt. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Kraftwerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Kraftwerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes gibt an, in welchem Maße die darin eingesetzte Primärenergie als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dieser hängt stark von der verwendeten Technik ab und reicht von 12 % bei Photovoltaik über 46 % bei Wärmekraftwerken bis zu 90 % bei Wasserkraftwerken.
Leistung unterschiedlicher Kraftwerksarten in Deutschland (2009)[1]
| Kraftwerkstyp | Installierte Leistung in GW | Erzeugte Energie in TWh | Anteil der gesamten elektrischen Energie | Wirkungsgrad1 |
| Steinkohlekraftwerke | 29,0 | 107,9 | 18,2 % | < 50 % |
| Braunkohlekraftwerke | 22,4 | 145,6 | 24,5 % | < 50 % |
| Kernkraftwerke | 21,5 | 134,9 | 22,7 % | ≈ 35 %2 |
| Kraft-Wärme- Kopplung (2005) [2] | 20,84 | 77,85 | 13 % | > 80 %[3] |
| Gaskraftwerke | 23,1 | 78,8 | 13,3 % | GuD ~58 %, Gas < 40 % |
| Windkraftanlagen | 25,8 | 38,6 | 6,5 % | ≈ 50 % |
| Wasserkraftwerke | 10,3 | 24,7 | 4,2 % | ≈ 90 % |
| Biomasse | ? | 25,5 | 4,3 % | ≈ 40 % |
| Müllverbrennung | ? | 6,4 | 1,1 % | ≈ 45 % |
| Ölkraftwerk | 5,2 | 9,6 | 1,6 % | ≈ 45 % |
| Photovoltaik | 9,8 | 6,6 | 1,1 % | ≈ 15 % |
| Gesamt | 152,9 | 593,2 |
1Die angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich auf das Verhältnis von an das Netz abgegebener elektrischer Energie zur eingesetzten Primärenergie; vor allem Wärmekraftwerke haben einen recht beträchtlichen Eigenbedarf (Speisewasserpumpe!), der durchaus 5% der erzeugten elektrischen Energie betragen kann. Im Fall einer zusätzlichen Wärmeauskopplung können bei den vier erstgenannten Arten zum Teil Nutzungsgrade bis zu 92 %[4] erreicht werden. Der Wirkungsgrad hat eine hohe Relevanz bei hohen Primärenergiekosten (zum Beispiel Öl und Gas). Wenn die Primärenergie gratis ist (zum Beispiel Wind, Sonne, Wasser) sind die Investitionskosten pro kW entscheidend.
2Für Kernkraftwerke kann kein eindeutiger Wirkungsgrad angegeben werden. Zwecks Vergleichsmöglichkeit im Rahmen internationaler Vereinbarungen wird bei Kernkraftwerken durch die Agenda 21 der Wirkungsgrad des Sekundärkreislaufs angegeben, der nicht mit der potentiellen Spaltenergie des Brennstoffs korreliert.[5]
Vernetzung der Kraftwerke
Nur geographisch isolierte Stromnetze (Inselnetze), beispielsweise auf kleineren, isolierten Inseln, werden von einem einzigen Kraftwerk versorgt. Fällt dieses geplant oder ungeplant aus, bricht die Stromversorgung und damit meist auch die lokale Infrastruktur mit gravierenden Folgen zusammen. Um solche Effekte zu vermeiden wurde schon 1954 ein HGÜ-Seekabel zwischen der Insel Gotland und dem schwedischen Festland in Betrieb genommen.
Ist das zu versorgende Gebiet ausreichend groß, wird die Gesamtlast stets auf viele Kraftwerke verteilt:
• Grundlastkraftwerke haben geringe Primärenergiekosten und können deshalb günstigen Strom erzeugen. Durch ihre häufig hohen Kapitalkosten müssen sie aber möglichst kontinuierlich durchlaufen. Auch lassen sie sich häufig schlecht regeln (Beispiel: Atomkraftwerke) oder können ihre Primärenergie nicht speichern (Beispiel: Laufwasser-Kraftwerke).
• Die vorhersehbaren und sich täglich wiederholenden langsamen Schwankungen des Strombedarfes im Tagesverlauf übernehmen die Mittellastkraftwerke. Viele Steinkohle-Kraftwerke werden so betrieben, d.h. sie werden am Morgen an- und abends abgefahren.
• Für die Aufnahme von kurzzeitigen Laständerungen und für unvorhersehbaren Notfälle werden Spitzenlastkraftwerke eingesetzt, welche die Stromproduktion schnell dem Bedarf anpassen können. Spitzenkraftwerke können auch als Mittel- und Grundlastkraftwerke eingesetzt werden. Deren Einsatzzeit wird aber typischerweise so kurz als möglich gehalten, da sie durch die höheren Brennstoffkosten (zum Beispiel Öl und Gas) bzw. höheren Betriebskosten auch die höchsten Kosten verursachen.
Für manche Kraftwerkstypen spricht beispielsweise ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gasturbinenkraftwerke und bestimmte Typen von Wasserkraftwerken können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden, Kernkraftwerke benötigen einige Tage. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gasturbinen- und Wasserkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke) häufig die Spitzenlast im Netz übernehmen.
Diese dezentrale Stromerzeugung ist seit Jahrzehnten Standard in allen Stromnetzen wie dem Europäischen Verbundsystem, wird aber in den letzten Jahren als besonderer Vorzug der Anbindung von Kleinstkraftwerken gepriesen. Deren Aufschwung begann in Deutschland mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991.
Steuerung der Kraftwerke
Der Stromverbrauch ist nicht konstant, Kraftwerke können ausfallen und die Kraftwerksleistung kann variieren (siehe Bild). Da sich ohne Regelung die Netzfrequenz zu stark ändern würde, muss die Momentanleistung der angeschlossenen Kraftwerke ständig angepasst werden.
Die kurzfristige Leistungsregelung, abhängig von der aktuellen Netzfrequenz, muss im Sekundenbereich geschehen. Dazu werden bestimmte Wärme-Kraftwerke leicht angedrosselt gefahren, damit kann durch Öffnen der Regelventile in der Frischdampfleitung die Stromerzeugung innerhalb von Sekunden um bis zu 5 % hochgefahren werden. Eine Alternative ist, die Kondensatvorwärmung aus Anzapfdampf zu reduzieren und so mehr Dampf für die Stromerzeugung in der Turbine zu lassen. Diese zweite Möglichkeit hat den Vorteil, dass sie den Wirkungsgrad des Kraftwerks nicht so beeinträchtigt wie die Frischdampf-Drosselung. Beide Maßnahmen nutzen sehr begrenzte Speicherkapazitäten (Dampf im Dampferzeuger, Wasservorrat im Speisewasserbehälter). Sie können also nur sehr kurzfristige Schwankungen ausregeln.
Die Kraftwerksleistung lässt sich nicht beliebig schnell anpassen, die Zeiten liegen zwischen sieben Minuten bei Gasturbinenkraftwerken und einigen Stunden. Auch ist die Leistungsänderung beschränkt, die abgefangen werden kann. Als beispielsweise am 4. November 2006 eine Hochspannungsleitung, die gerade 10.000 MW übertrug, überraschend abgeschaltet wurde, erzeugten die Kraftwerke in Nord- und Osteuropa zu viel Leistung, die in West- und Südeuropa fehlte. Als Folge zerfiel das europäische Gesamtnetz durch regionale Notabschaltungen in kleine „Inseln“, die wieder mühsam synchronisiert werden mussten.
Steuerung von Verbrauchern
Im Normalfall bestimmt der Stromverbraucher, wann und wie viel Energie er dem Netz entnimmt. Es gibt aber auch Möglichkeiten, die Energiebilanz eines Strometzes mit Hilfe der Verbraucher auszugleichen. Traditionell benutzt man dafür Rundsteuertechnik, die bereits 1899 erfunden[6] wurde. Verbraucher wie Warmwasser- oder Wärmespeicherheizungen können für begrenzte Zeit ohne Energiezufuhr auskommen, ohne ihre Funktion zu verlieren. Manche Industriebetriebe schließen auch Verträge mit ihrem Stromversorger in denen sie sich bereit erklären, gelegentlich große Stromverbraucher auf Aufforderung für begrenzte Zeit abzuschalten. Insbesondere in der Schweiz werden solche Systeme seit über 50 Jahren eingesetzt[7]. Inzwischen werden diesbezüglich auch digitale Lösungen mit höherer Flexibilität entwickelt[8].
Im Zusammenhang mit intelligenten Stromzählern dürfte diese Möglichkeit der Netzregelung große Bedeutung erlangen. Der Verbraucher legt z.B. fest, welchen Strompreis er für seine Waschmaschine maximal zahlen will. Der Energieversorger kann den intelligenten Stromzähler jederzeit mit aktuellen Tarifinformationen versorgen. Der intelligente Stromzähler schaltet zum passenden Zeitpunkt den Stromkreis der Waschmaschine frei.
Eigenschaften verschiedener Kraftwerksarten
Überblick
Es gibt keinen „besten“ Kraftwerkstyp, jeder besitzt spezifische Vor- und Nachteile. Insbesondere auf Grund der hohen Flexibilität bezüglich Lastanpassung, geringer Standortabhängigkeit, kurzen Bauzeiten, niedrigen Baukosten und verhältnismäßig niedrigen Emissionen war die Stromerzeugung aus Erdgas mit 83,7 GW der Spitzenreiter bezüglich des Zubaus von neuer Kraftwerksleistung zwischen 2000 und 2008 in der EU, an zweiter Stelle lag Windkraft mit 55,2 GW[9].
Die untere Tabelle zeigt unter anderem die Investitionskosten für ein neues Kraftwerk[10][11] und bezieht sich auf die Erzeugung von 1 kW elektrischer Spitzenleistung. Letztlich sind aber die Kosten ausschlaggebend, welche entstehen, um eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen. Das heißt für eine Vollkosten-Stromerzeugungs-Rechnung muss man neben den Investitionskosten und der Bauzeit insbesondere auch die jährliche Laufzeit, Brennstoff-, Unterhalts-, indirekte Umwelt-, Rückbau- und Entsorgungskosten berücksichtigen. Zudem muss man beachten wie flexibel ein Kraftwerk Strom erzeugen kann: Ein flexibles Kraftwerk (zum Beispiel Gas, Öl oder Speicherkraftwerk), welches insbesondere während dem Spitzenstrombedarf und somit während hohen Strompreisen Strom produziert, arbeitet auch bei überdurchschnittlichen Stromerzeugungskosten immer noch profitabel.
| Typ | Baukosten in €/kW (max) | Primär- energie- Kosten | effektive Laufzeit/Jahr | Besonderheit |
| Gaskraftwerk | 460[12] | hoch | 40 % | sehr flexible Lastanpassung günstige Investitionskosten kurze Bauzeit |
| Kohlekraftwerk | 2000[13] | mittel | 85 % | sehr klimaschädlich (CO2) radioaktive Asche Umweltbelastung |
| Wasserkraftwerk | 1500[14] | keine | 60 % | keine Brennstoffabhängigkeit sehr flexible Lastanpassung lange Bauzeit (große Kraftwerke) abhängig von der geographische Lage |
| Kernkraftwerk | 5000[15][16] | niedrig | 85 % | geringe Flexibilität lange Bauzeit hohe Entsorgungs-, Endlagerungs- und Rückbaukosten [17] |
| Windkraftanlage | 1050 onshore 1950 offshore | keine | 20 % onshore 32 % offshore | keine Brennstoffabhängigkeit wetter- und standortabhängig kurze Bauzeit |
| Photovoltaik | 3500 | keine | 10 % | keine Brennstoffabhängigkeit tageszeit-, wetter- und standortabhängig kurze Bauzeit Installation auf bebauten Flächen konkurriert ev. mit Endkundenstrompreis |
Verfügbarkeit von Primärenergie
Die Wahl der Kraftwerkstypen ist abhängig von vielen Faktoren, wobei neben der Verfügbarkeit auch die wirtschaftliche Situation im jeweiligen Land von Bedeutung ist. Dabei stellen sich folgende elementare Einzelfragen:
• Welche Primärenergien gibt es im eigenen Land?
• Welche ist am einfachsten und ohne hohe Kosten in großen Mengen zu
gewinnen?
• Wie hoch sind die Baukosten eines passenden Kraftwerks?
• Ist ein Netz vorhanden?
• Ist das Kraftwerk zuverlässig?
• Wie hoch sind die Umweltbelastungen im Verhältnis zum Nutzen?
• Lassen sich Nebenprodukte des Kraftwerks wie Abwärme sinnvoll
nutzen?
• Was geschieht mit dem Abfall[18]?
Ein hoher Anteil an Gebirgen bietet die häufig Möglichkeit, günstige Wasserkraftwerke betreiben zu können. In der Schweiz etwa wurden 2008 52 % des elektrischen Stromes in Wasserkraftwerken erzeugt, in Brasilien etwa 84 %[19], in Norwegen 98 % und in Kongo sogar über 99 %[20]. Aus wetterbedingten Gründen (Niederschlag) ändert sich der Wasserkraftsenergie-Anteil meistens von Jahr zu Jahr[21].
Der Tatsache, dass manche Primärenergien wie Wind, Wellen oder Sonnenlicht kostenlos und weltweit in riesigen Mengen zur Verfügung stehen Kernprobleme wie Standortabhängigkeit, wetterabhängige Energielieferung, Widerstand von etablierten Energielieferanten[22] und lokaler Bevölkerung und hohe Investitionskosten gegenüber. Da bereits heute sehr viel flexible Wasserkraftskapazität installiert ist (die weltweite Wasserkraftsleistung beträgt bereits Heute über 1000 GW[23]), Strom über tausende von Kilometern mit geringen Verlusten übertragen werden kann[24], die Variierung von beispielsweise Windenergie über kurze Zeitabstände anfällt[25] (und somit keine Energiemengen über große Zeiträume gespeichert werden müssen), vernetzte Windfarmen Grundlast- und reduzierten Spitzenstrom liefern[26] [27] und sich zudem Wasser- und Solarstrom antizyklisch zu Windstrom verhalten (es wird mehr Windstrom[28] [29] [30] und weniger Photovoltaik- und Wasserstrom [31] im Winter generiert) ist die Integration von viel mehr Stromerzeuger, die mit kostenloser Primärenergie Strom produzieren kein Problem, das nicht mit Technologien lösbar ist.
Ortswahl
Die Industriezentren und Großstädte als Großverbraucher elektrischen Stromes sind sehr ungleichmäßig über die Staatsflächen verstreut. Zur Vermeidung von Übertragungsverlusten werden nahe gelegene Großkraftwerke bevorzugt. Wenn möglich, werden für Wärmekraftwerke für gewöhnlich Standorte an Flüssen mit ausreichender Wasserführung gewählt. Ausnahmen sind Braunkohlekraftwerke, die zugunsten geringer Transportkosten in Nähe der Förderstätten errichtet werden.
Vergleichbare Probleme kennt man von Wasserkraftwerken, die weitab von Industriezentren gebaut wurden, weil genau dort extrem viel elektrische Leistung erzeugt werden kann:
• Der größte Teil der Stromproduktion der Cabora-Bassa-Talsperre muss mittels einer 1414 Kilometer langen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) in die benachbarte Republik Südafrika verkauft werden, weil keine näher gelegenen Großabnehmer existieren.
• Der Großteil der in Paraguay erzeugten elektrischen Energie des noch leistungsstärkeren Wasserkraftwerkes Itaipú wird aus Paraguay ebenfalls über HGÜ 850 km weit nach São Paulo transportiert. Diese extreme Abhängigkeit von einem einzigen Großlieferanten führte am 16. November 2009 zum umfangreichsten Stromausfall in der Geschichte Brasiliens[32][33][34]. Die Stromversorgung in 18 der 26 brasilianischen Staaten mit ungefähr 60 Millionen Menschen fiel dabei für über fünf Stunden aus.
Windkraftwerke können prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden, da zu ihnen während des Betriebes nur selten Materiallieferungen nötig sind und da sie wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen. Allerdings muss wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Der Standort einer Windkraftanlage muss über eine gute Standfestigkeit verfügen, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.
Baugröße
Die Baugröße wird von der Erfahrung geprägt, dass der elektrische Wirkungsgrad mit der Baugröße zunimmt und die Kosten pro erzeugter Energieeinheit abnimmt. Mit anderen Worten: Ein Kraftwerksblock mit 1000 MW (1 GW) kann zu günstigeren Kosten Strom produzieren als ein Kleinkraftwerk mit 1 MW vom gleichen Kraftwerkstyp.
Kleinkraftwerke müssen allerdings meistens nicht mit Grosshandelsstrompreisen konkurrieren sondern mit den Endverbraucherstrompreisen, was unter Umständen zu einer besseren Wirtschaftlichkeit trotz höheren Stromkosten führen kann. Kleinkraftwerke werden zudem meistens in Fernwärmenetze eingesetzt, wodurch ein wesentlicher Teil der eingesetzten Primärenergie (höherer Gesamt-Wirkungsgrad) auch als Wärme verkauft werden kann. Insbesondere mit steigenden Brennstoff- und CO2-Kosten gewinnen deshalb Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen beziehungsweise BHKWs an Bedeutung. Auch die kurze Bauzeit, die hohe Flexibilität (schnelle Lastanpassung) und die steigende Zuverlässigkeit von Kleinkraftwerken hat in den letzten Jahren zu einem starken Wachstum geführt. So sind weltweit alleine zwischen Juni 2007 und Mai 2008 annähernd 60 GW Hubkolbengeneratoren und Gasturbinen-Generatoren mit einer Leistung zwischen 0.5 MW und 60 MW installiert worden[35]. Hubkolbenmotoren und Gasturbinen welche typischerweise in Kleinkraftwerken eingesetzt werden, weisen teilweise auch einen höheren elektrischen Wirkungsgrad auf als Dampfturbinen (da die maximale Verbrennungs-Temperatur wesentlich höher ist)[36]. Hubkolbenmotoren weisen zudem einen höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich auf als Gasturbinen und Dampfturbinen[37].
Wenn man die Emissionsbilanz von einem BHKW mit einem Steinkohlekraftwerk oder Gas-und Dampfkraftwerk vergleicht, dann sinken zwar die CO2-, SO2- und Feinstaub-Emissionen, dafür steigen die NOx- und CO-Emissionen[38]. Da aber BHKWs vor allem alte Öl- und Gasheizungen ersetzen, verbessert sich dadurch jedoch die gesamte Emissionsbelastung (79 % des Deutschen Wärmebedarfs wird nach wie vor mit Öl- und Gasheizungen gedeckt und nur 13 % durch Fernwärme und lediglich 4 % mit Strom[39].
Da kleinere Kraftwerke ihre Leistung schnell dem Bedarf anpassen können, das Höchstspannungsnetz entlasten, den Abstand zwischen Verbraucher und Kraftwerk reduzieren und zwangsläufig eine höhere Anzahl von Kraftwerken bedingen wird die Netzsicherheit verbessert[40].
Wirtschaftliche Bedeutung
Kraftwerke besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch wirtschaftlicher und ökologischer Ressourcen zu.
Die Investitionen für ein Kraftwerk sind erheblich. Beispielsweise rechnet man für ein modernes Kohlekraftwerk mit etwa 800 € pro installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Kraftwerksblock mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen € anzusetzen.
In Deutschland gibt es einen erheblichen Ersatzbedarf an Kraftwerkskapazitäten: Zahlreiche bestehende Braunkohle-, Steinkohle- und Erdgaskraftwerke nähern sich einer Altersgrenze, an der sie durch moderne Kraftwerke ersetzt werden sollten. Dafür sprechen technische, wirtschaftliche und ökologische Gründe. Durch die im September 2010 beschlossene Laufzeitverlängerung sinkt dieser Ersatzbedarf.
Das Institut der deutschen Wirtschaft (IW) beleuchtete 2010 in einer Studie, welche Bedeutung der Kraftwerksbau für Bauwirtschaft und Baustoffwirtschaft hat.[65]
Siehe auch
• Portal Energie
• Energietechnik
• Liste der Kraftwerke, Liste europäischer Kraftwerke nach Emission
• Elektrizität/Tabellen und Grafiken
• Schattenkraftwerk
Literatur
• BWK. (= „Brennstoff, Wärme, Kraft“) Vom VDI herausgegebene Fachzeitschrift
Weblinks
Commons: Kraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• Die hundert größten Kraftwerke mit Bild
• Karte der Kraftwerke mit dem höchsten CO2-Ausstoß
• Kraftwerk-Datenbank des Umweltbundesamtes
Einzelnachweise
1. Energiestatistiken, BMWi
2. IEA CHP/DHC Country Scorecard for Germany
3. Bramming Fernwärme
4. Bramming Fernwärme
5. [1]
6. Entwicklung der Rundsteuertechnik
7. Tonfrequenz Rundsteuerung
8. Digitalstrom
9. EWEA, Net increase in power capacity EU 2000–2008
10. [2] Relative cost of electricity by generation source
11. [3] Stromerzeugungskosten im Vergleich
12. GuD-Kraftwerk
13. Coal-Fired Power Plant Construction Costs
14. Average cost of building a hydroelectric project
15. $23.6 billion for two 1.6 GW Areva reactors in Ontario
16. Florida Power and Light estimates its two new plants will cost as much as $24 billion
17. BBC Nuclear clean-up to cost £70 billion
18. Wärme und Strom in China mit Hühner-kot
19. Hydro power capacity in Brazil
20. Hydro power capacity in Congo
21. BFE, Elektrizitätsstatistiken
22. Wind Resistance in Wyoming
23. Renewable Global Status Report 2009
24. Rio Madeira HVDC-Link
25. Windkraftanlagen-Leistungsverlaufs im Anlagenverbund
26. JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGY AND CLIMATOLOGY, Supplying Baseload Power and Reducing Transmission Requirements by Interconnecting Wind Farms
27. EFFECTS OF LARGE-SCALE DISTRIBUTION OF WINDENERGY IN AND AROUND EUROPE
28. Monatliche Energielieferung aller WKAs in Deutschland
29. Danish Energy Agency monthly statistics
30. Windstatistik Portugal
31. Elektrizitätsstatistik Schweiz
32. [4] Brasilien: Wurde der Stromausfall durch Hacker oder UFOs verursacht?
33. [5] 2009 Brazil and Paraguay blackout
34. [6] Itaipu Dam Problem Cauess Huge Brazilian Power Outage
35. 2008 32nd power generation survey
36. Kraft-Wärme-Kopplung mit Jenbacher Gasmotoren
37. Kraftmaschinen auf Basis fossiler Brennstoffe
38. BHKW Emissionen
39. Wärmewirtschaft in Deutschland
40. Oak Ridge National Laboratory Combined Heat and Power
41. EEG ab 1. Juli 2010
42. EEG ab 1. Juli 2010
65. Institut der deutschen Wirtschaft Köln: Kraftwerksbau als Chance für die Bau- und Baustoffwirtschaft. Köln, 10. September 2010. (Kurzstudie)
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