Publicitad D▼
⇨ definición de Kraftwerk (Wikipedia)
Publicidad ▼
Kraftwerk (n. neu.)
⇨ Bjarnarflag Kraftwerk • Bjarnarflag-Kraftwerk • Blanda-Kraftwerk • Búrfell-Kraftwerk • Conrod Kraftwerk • Conrod-Kraftwerk • Cuno-Kraftwerk • EBS-Kraftwerk • Eigenbedarf (Kraftwerk) • Konventionelles Kraftwerk • Krafla Kraftwerk • Krafla-Kraftwerk • KraftWerk – Dresdner Energiemuseum • Kraftwerk (Band) • Kraftwerk Abwinden-Asten • Kraftwerk Adamów • Kraftwerk Agios Dimitrios • Kraftwerk Altbach/Deizisau • Kraftwerk Altenwörth • Kraftwerk Altwürttemberg AG • Kraftwerk Amsteg • Kraftwerk Archangelsk • Kraftwerk Arzberg • Kraftwerk Aschach • Kraftwerk Aufkirchen • Kraftwerk BASF-Antwerpen • Kraftwerk BASF-Ludwigshafen • Kraftwerk Bad Abbach • Kraftwerk Bad Tölz • Kraftwerk Berggeist • Kraftwerk Bergheim • Kraftwerk Bergkamen • Kraftwerk Berlin-Lichterfelde • Kraftwerk Berlin-Moabit • Kraftwerk Berlin-Wilmersdorf • Kraftwerk Bertoldsheim • Kraftwerk Bexbach • Kraftwerk Bełchatów • Kraftwerk Birsfelden • Kraftwerk Bittenbrunn • Kraftwerk Borken • Kraftwerk Boxberg • Kraftwerk Bremen-Farge • Kraftwerk Bremen-Hafen • Kraftwerk Bremen-Hastedt • Kraftwerk Buschhaus • Kraftwerk Böhlen • Kraftwerk Campocologno • Kraftwerk Castrop-Rauxel • Kraftwerk Cavaglia • Kraftwerk Charlottenburg • Kraftwerk Datteln • Kraftwerk Delimara • Kraftwerk Dortmund • Kraftwerk Duisburg-Walsum • Kraftwerk Dürnrohr • Kraftwerk Ebensand • Kraftwerk Eitting • Kraftwerk Ekibastus • Kraftwerk Elektrogorsk • Kraftwerk Ensdorf • Kraftwerk Erfurt-Ost • Kraftwerk Erlaufboden • Kraftwerk Farge • Kraftwerk Finkenheerd • Kraftwerk Forstsee • Kraftwerk Fortuna • Kraftwerk Franken I • Kraftwerk Franken II • Kraftwerk Freudenau • Kraftwerk Frimmersdorf • Kraftwerk Gabčíkovo • Kraftwerk Geesthacht • Kraftwerk Giessen • Kraftwerk Goldenberg • Kraftwerk Greifenstein • Kraftwerk Gustav Knepper • Kraftwerk Hamm • Kraftwerk Harbke • Kraftwerk Heegermühle • Kraftwerk Heilbronn • Kraftwerk Heimbach • Kraftwerk Herne Baukau • Kraftwerk Herrentöbeli • Kraftwerk Heyden • Kraftwerk Hirschfelde • Kraftwerk Ibbenbüren • Kraftwerk Ingolstadt • Kraftwerk Irsching • Kraftwerk Jaworzno • Kraftwerk Jochenstein • Kraftwerk Jänschwalde • Kraftwerk Kachlet • Kraftwerk Kaprun • Kraftwerk Kirchmöser • Kraftwerk Klingenberg • Kraftwerk Klosters • Kraftwerk Kneiding • Kraftwerk Konakowo • Kraftwerk Kozienice • Kraftwerk Kruckel • Kraftwerk Kubel • Kraftwerk Lausward • Kraftwerk Lenggries-Fleck • Kraftwerk Leverkusenstraße • Kraftwerk Lippendorf • Kraftwerk Lubmin • Kraftwerk Lungerersee • Kraftwerk Lünen • Kraftwerk Malzenice • Kraftwerk Malženice • Kraftwerk Manapouri • Kraftwerk Mannheim • Kraftwerk Marbach • Kraftwerk Marsa • Kraftwerk Matra • Kraftwerk Mehrum • Kraftwerk Melk • Kraftwerk Melnik • Kraftwerk Mitte (Dresden) • Kraftwerk Mittelsbüren • Kraftwerk Murfall • Kraftwerk Muslen • Kraftwerk Mátra • Kraftwerk Mělník • Kraftwerk Neufinsing • Kraftwerk Neurath • Kraftwerk Niederaußem • Kraftwerk Niederrhein • Kraftwerk Nußdorf • Kraftwerk Obere Sill • Kraftwerk Obernach • Kraftwerk Obersaxen/Tavanasa • Kraftwerk Offleben • Kraftwerk Opponitz • Kraftwerk Ottensheim-Wilhering • Kraftwerk Palü • Kraftwerk Pfrombach • Kraftwerk Pintrun • Kraftwerk Plessa • Kraftwerk Plomin • Kraftwerk Quierschied/Weiher • Kraftwerk Regensburg • Kraftwerk Reisholz • Kraftwerk Reuter West • Kraftwerk Riedersbach • Kraftwerk Robbia • Kraftwerk Rostock • Kraftwerk Rupperswil-Auenstein • Kraftwerk Rybnik • Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt • Kraftwerk Römerbrücke • Kraftwerk Schilling • Kraftwerk Schkopau • Kraftwerk Scholven • Kraftwerk Schwarze Pumpe • Kraftwerk Schärding-Neuhaus • Kraftwerk Schönow • Kraftwerk Simmering • Kraftwerk Springorum • Kraftwerk Staudinger Großkrotzenburg • Kraftwerk Stiftsmühle • Kraftwerk Stuttgart-Münster • Kraftwerk Taichung • Kraftwerk Termopaipa • Kraftwerk Teruel • Kraftwerk Trattendorf • Kraftwerk Turów • Kraftwerk Ugljevik • Kraftwerk Union • Kraftwerk Vetschau • Kraftwerk Vockerode • Kraftwerk Voerde • Kraftwerk Vohburg • Kraftwerk Völklingen/Fenne • Kraftwerk Walheim • Kraftwerk Wallsee-Mitterkirchen • Kraftwerk Weisweiler • Kraftwerk Werdohl-Elverlingsen • Kraftwerk Westerholt • Kraftwerk Wienerbruck • Kraftwerk Wilhelmshaven • Kraftwerk Wölfersheim • Kraftwerk Ybbs-Persenbeug • Kraftwerk Zolling • Kraftwerk Zschornewitz • Kraftwerk-Kennzeichensystem • Kárahnjúkar-Kraftwerk • Lastabwurf (Kraftwerk) • Nesjavellir-Kraftwerk • ORC-Kraftwerk • RDF-Kraftwerk • Sima-Kraftwerk • Tivoli-Kraftwerk • Vatnsfell-Kraftwerk • Virtuelles Kraftwerk • WBC Kraftwerk Wels • Zu-Hause-Kraftwerk • Zuhause-Kraftwerk
Publicidad ▼
Wikipedia
Ein Kraftwerk (veraltete Bezeichnung: Elektrizitätswerk) ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung und dient teilweise zusätzlich zur Bereitstellung von thermischer Energie. Bei einem Kraftwerk wird meist mechanische Energie 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
Auch Photovoltaikanlagen werden als Kraftwerke bezeichnet, obwohl sie keine beweglichen Teile enthalten und daher kinetische Energie nicht als Energieform in der Umwandlungskette vorkommt.[1]
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: Kohlenstoffdioxid-Emission).
Inhaltsverzeichnis |
Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts wurde die benötigte Energie neben menschlicher und tierischer Kraft durch Dampfkraft erzeugt. Dampfmaschinen wurden genutzt, um mechanische Leistung zu erzeugen, die in Fabriken mittels Transmissionen zu den Maschinen übertragen wurde. Weitere bekannte Energiequellen waren Wasserkraft und Windkraft. Diese Primärenergiequellen konnten nur in unmittelbarer Nachbarschaft genutzt werden.
Erst durch die Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens war die Voraussetzung geschaffen, den Ort der Energiefreisetzung vom Ort des Energieverbrauchs räumlich zu trennen. Die ersten Kraftwerke wurden von Dampfmaschinen angetrieben, es entstanden Stromnetze zur Verteilung der Energie. Im Systemwettstreit zwischen der zu erzeugenden Stromart zwischen Thomas Alva Edison, George Westinghouse und Nikola Tesla setzte sich das Wechselstromsystem durch, das einen weiten Übertragungsweg des elektrischen Stromes bei vertretbaren Leitungsverlusten zulässt.
Die Verbrennung der Kohle in Dampfkesseln zur Erzeugung von Strom wurde schnell als weiterer Absatzmarkt von den Zechenbetreibern erkannt. Ausgehend von den Zechenkraftwerken wurde der Strom an die benachbarte Industrie und Privathaushalte verteilt. Nachdem der Strom anfangs vorwiegend für Beleuchtungszwecke genutzt wurde, führte die allgemeine Verfügbarkeit der Energie zu neuen innovativen strombetriebenen Maschinen in der Industrie und in Privathaushalten und damit zu einem weiteren Anstieg der Stromerzeugung. Heute ist ein hochentwickelter Staat ohne Kraftwerke und Stromnetz undenkbar.
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.
Windkraftanlagen in Dänemark
Folgende Arten von Kraftwerken sind Standardtypen und technisch weit entwickelt:
In experimentellen Stadium befinden sich:
Noch im experimentellen Stadium hinsichtlich der physikalischen Grundlagen sind:
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:
Die Dampfturbine lässt sich durch andere Antriebsarten ersetzen:
Zu einem Kraftwerk gehören eine Reihe von Komponenten:
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.
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 ca. 35 % bei einem Kernkraftwerk über 46 % bei (modernen) Steinkohlekraftwerken bis zu 90 % bei Wasserkraftwerken.
Kraftwerkstyp | Installierte Leistung in GW (2009) |
Erzeugte Energie in TWh |
Anteil der gesamten elektrischen Energie |
Wirkungsgrad1 |
---|---|---|---|---|
Steinkohlekraftwerke | 29,0 | 107,9 | 18,2 % | < 46 % |
Braunkohlekraftwerke | 22,4 | 145,6 | 24,5 % | < 44 %[3] |
Kernkraftwerke | 21,5 | 134,9 | 22,7 % | ≈ 35 %2 |
Kraft-Wärme-Kopplung (2005)[4] | 20,84 | 77,85 | 13 % | > 80 %[5] |
Gaskraftwerke | 23,1 | 78,8 | 13,3 % | GuD ~60 %, Gas < 40 % |
Windkraftanlagen | 25,8 | 38,6 | 6,5 % | ≈ 50 % |
Wasserkraftwerke | 10,3 | 24,7 | 4,2 % | ≈ 90 % |
Biomasse (ohne KWK) | ? | 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 | ca. 168 | ca. 656 |
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 %[6] 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.[7]
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:
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.
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.
Im Normalfall bestimmt der Stromverbraucher, wann und wie viel Energie er dem Netz entnimmt. Es gibt aber auch Möglichkeiten, die Energiebilanz eines Stromnetzes mit Hilfe der Verbraucher auszugleichen. Traditionell benutzt man dafür Rundsteuertechnik, die bereits 1899 erfunden[8] 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[9]. Inzwischen werden diesbezüglich auch digitale Lösungen mit höherer Flexibilität entwickelt[10].
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.
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[11].
Die untere Tabelle zeigt unter anderem die Investitionskosten für ein neues Kraftwerk[12][13] 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 | Gaskraftwerk | Kohlekraftwerk | Wasserkraftwerk | Kernkraftwerk | Windkraftanlage | Photovoltaikanlage |
---|---|---|---|---|---|---|
Baukosten in €/kW (max) |
460[14] | 2000[15] | 1500[16] | 5000[17][18] | 980 onshore[19] 1950 offshore |
1780[20] |
Primärenergie-Kosten | hoch | mittel | keine | niedrig | keine | keine |
effektive Laufzeit/Jahr |
40 % | 85 % | 60 % | 85 % | 20 % onshorea) ca. 35-50 % offshore |
10 %a) |
Besonderheit | sehr flexible Lastanpassung günstige Investitionskosten kurze Bauzeit |
sehr klimaschädlich (CO2) radioaktive Asche Umweltbelastung |
keine Brennstoffabhängigkeit sehr flexible Lastanpassung lange Bauzeit (große Kraftwerke) abhängig von der geographische Lage |
geringe Flexibilität lange Bauzeit hohe Entsorgungs-, Endlagerungs- und Rückbaukosten[21] |
keine Brennstoffabhängigkeit wetter- und standortabhängig kurze Bauzeit |
keine Brennstoffabhängigkeit tageszeit-, wetter- und standortabhängig kurze Bauzeit Installation auf bebauten Flächen konkurriert ev. mit Endkundenstrompreis |
a) Daten für Deutschland, in anderen Ländern z.T. höher
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:
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 %[23], in Norwegen 98 % und in Kongo sogar über 99 %[24]. Aus wetterbedingten Gründen (Niederschlag) ändert sich der Wasserkraftsenergie-Anteil meistens von Jahr zu Jahr[25].
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[26] 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[27]), Strom über tausende von Kilometern mit geringen Verlusten übertragen werden kann[28], die Variierung von beispielsweise Windenergie über kurze Zeitabstände anfällt[29] (und somit keine Energiemengen über große Zeiträume gespeichert werden müssen), vernetzte Windfarmen Grundlast- und reduzierten Spitzenstrom liefern[30][31] und sich zudem Wasser- und Solarstrom antizyklisch zu Windstrom verhalten (es wird mehr Windstrom[32][33][34] und weniger Photovoltaik- und Wasserstrom[35] im Winter generiert) ist die Integration von viel mehr Stromerzeuger, die mit kostenloser Primärenergie Strom produzieren kein Problem, das nicht mit Technologien lösbar ist.
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:
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.
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung werden die insgesamt höchsten Wirkungsgrade - bis nahe 100% - dann erzielt, wenn die stets anfallende Wärmeleistung keinen weiteren Transportverlusten unterliegt, idealerweise also direkt am Standort des Kraftwerks zum Heizen oder für Prozesswärme genutzt werden kann. Damit werden im Unterschied zu den anderen Kraftwerkstypen, deren Wirkungsgrad i.a. mit der Größe steigt, gerade kleinere, lokale Anlagen ökonomisch.
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 beim Endverbraucher jedoch nicht mit Grosshandelsstrompreisen konkurrieren, sondern mit jenen für Endverbraucher, sodass ggf. eine bessere Wirtschaftlichkeit erreicht wird, da kein Verteilnetz im Spiel ist. Kleinkraftwerke werden zudem teils in Fernwärmenetzen eingesetzt, wodurch ein wesentlicher Teil der eingesetzten Primärenergie (höherer Gesamt-Wirkungsgrad) auch als Wärme verkauft werden kann. Mit steigenden Brennstoff- und CO2-Kosten gewinnen deshalb Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen beziehungsweise BHKWs an Bedeutung.
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 zudem die Netzsicherheit verbessert[39].
Energieträger | Strompreis |
---|---|
Braunkohle | 2,40 ct/kWh |
Kernenergie | 2,65 ct/kWh |
Steinkohle | 3,35 ct/kWh |
Wasserkraft | 4,3 ct/kWh |
Erdgas | 4,90 ct/kWh |
Windenergie | 9,2 ct/kWh[40] |
Photovoltaik | 21,11-28,74 ct/kWh |
Der Preis des erzeugten Stromes hängt von der Art des Kraftwerkes und dessen Brennstoffkosten ab. Er betrug in Deutschland im Jahr 2010 gemäß Fraunhofer Institut im Mix 7 ct/kWh[41].
Dazu kommen weitere Kosten für den Betrieb der Stromnetze, Subventionen für gewisse Stromerzeuger (Erneuerbare-Energien-Gesetz und Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) sowie Steuern. Die Verbraucher zahlen einen Mischpreis[42], der auch von der bezogenen Menge abhängt.
Bei Windenergie und Photovoltaik sind die aktuellen Einspeisevergütungen für Neuanlagen nach dem EEG angegeben. Diese Einspeisevergütungen entsprechen nicht den Stromgestehungskosten, sondern enthalten auch angemessene Gewinne der Betreiber. Laut ISET betragen die Erzeugungskosten für Windstrom etwa 5,5 bis 6,5 ct/kWh.[43]
Die Angabe der Stromerzeugungskosten für Kernenergie bezieht sich auf den Durchschnitt der relativ alten und weitgehend abgeschriebenen Kernkraftwerke Deutschlands. Die Stromgestehungskosten neuer Kernkraftwerke belaufen sich wegen der sehr hohen Kapitalkosten auf etwa 10 ct/kWh.
Nicht enthalten sind bei dieser Betrachtung externe Kosten. In Kohlekraftwerken entstehen beispielsweise große Mengen CO2, die für die globale Erwärmung verantwortlich gemacht werden. Rechnet man diese externen Kosten ein, so ist Strom, produziert von Windkraftanlagen, nach Jacobsen und Masters billiger als Kohlestrom.[44] Das Umweltbundesamt gibt die Externen Kosten von Braunkohle- bzw. Steinkohlekraftwerken mit 8,7ct/kWh bzw. 6,8 ct/kWh an, während sie bei der Stromerzeugung aus Photovoltaik mit 0,8 ct/kWh sowie der Windenergie mit 0,1 ct/kWh deutlich niedriger liegen.[45]
Der Durchschnitt aus den Stromerzeugungskosten gemäß BMWi ist halb so hoch wie der tatsächliche durchschnittliche Stromerzeugungspreis von 6,9 ct/kWh (welcher Windstrom und PV-strom nicht beinhaltet[46]. Diese Preise sind also demnach vom BMWi vermutlich zu tief geschätzt worden. Zudem handelt es sich bei diesen Stromerzeugern um amortisierte Kraftwerke. So wird beispielsweise ein neues Russisches Kernkraftwerk in der Türkei momentan für 15.35 ct/kWh angeboten[47], und schon alleine die Kapitalkosten im noch nicht fertig gestellten Kernkraftwerk Olkiluoto in Finnland werden etwa 5 ct/kWh betragen. Andererseits bewegend sich die Einspeisevergütungen für Photovoltaik momentan zwischen 22,76 und 39,14 ct/kWh[48].
Die Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken (BHKW) ergibt sich aus der kurzen Bauzeit, hoher Flexibilität (schnelle Lastanpassung) und steigender Zuverlässigkeit und hat in den letzten Jahren zu einem starken Wachstum dieses Segments geführt. So sind weltweit zwischen Juni 2007 und Mai 2008 etwa 60 GW Hubkolbengeneratoren und Gasturbinen-Generatoren mit einer Leistung zwischen 0,5 MW und 60 MW installiert worden[49]. Hubkolbenmotoren und Gasturbinen, welche meist in Kleinkraftwerken eingesetzt werden, weisen teilweise auch einen höheren elektrischen Wirkungsgrad auf als Dampfturbinen, da die maximale Verbrennungs-Temperatur wesentlich höher ist[50]. Hubkolbenmotoren weisen wiederum einen höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich auf als Gasturbinen und Dampfturbinen[51].
In Deutschland wird etwa 50 % des Stroms durch Dampfkraftwerke erzeugt, in denen fossile Energie verbrannt wird und Kohlenstoffdioxid als Abgas erzeugt wird. Aufgrund der elementaren Zusammensetzung des Energieträgers Kohle ist der CO2-Anteil bei der Verbrennung signifikant höher als beim Erdgas, dessen wesentlicher Bestandteil Methan bildet. Daher sollen für Kohlekraftwerke Versuchsanlagen errichtet werden, um Kohlenstoffdioxid aus dem Rauchgas zu kondensieren und in flüssiger Form bei zirka 60 bar unterirdisch in Klüften aus porösem Gestein zu verpressen (CO2-Abscheidung und -Speicherung, CCS). Allerdings ist diese Technologie mit erheblichen Einbußen beim Wirkungsgrad verbunden. Für die CO2-Kondensation und ihr Verpressen müssen etwa 10 % der eingesetzten Energie aufgewendet werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad auf 35 % bis 40 % sinkt.
Nicht alle Kraftwerke erzeugen im Betrieb CO2, jedoch entsteht bei der Herstellung, beim Betrieb und bei ihrem Abriss grundsätzlich auch klimaschädliches CO2. Die insgesamt (über den gesamten Lebenszyklus) freigesetzte Menge ist sehr unterschiedlich, wie die folgende Tabelle zeigt. Die rot unterlegten Felder zeigen, dass in Deutschland die Kohlekraftwerke nur 47 %, also nicht einmal die Hälfte der gesamten elektrischen Energie erzeugen, aber über 80 % des dabei erzeugten Kohlendioxids CO2 verursachen. Der Anteil, den Kernkraftwerke bei etwa gleicher Gesamtleistung indirekt beitragen, ist mit 0,7 % sehr gering. In den beiden rechten Spalten ist die aktuelle Verteilung im Nachbarland Frankreich gegenübergestellt.
Kraftwerksart | CO2-Emissionen pro kWh in g[52] |
Anteil der gesamten elektrischen Energie (2007) in Deutschland[53] |
Anteil am CO2- Ausstoß aller Stromerzeugungsanlagen in Deutschland |
Anteil der gesamten elektrischen Energie (2007) in Frankreich |
Anteil am CO2- Ausstoß aller Kraftwerke |
---|---|---|---|---|---|
Wasserkraft | 4–13 | 4,3 % | 0,06 % | 8,8 %[54] | 1,2 % |
Windenergie | 8–16 | 6,2 % | 0,12 % | 0 % | |
Photovoltaik | 21–55[55] | 0,5 % | 0,1 % | 0 % | |
Kernkraftwerk | 66[56] | 22 % | 0,7 % | 78 %[57] | 27,8 % |
Erdgas GuD | 410–430 | 11,7 % | 8,1 % | ||
Erdöl | 890 | 1,3 % | 1,9 % | ||
Steinkohle | 790–1080 | 22,8 % | 35,3 % | 4,6 %[58] | 71 % |
Braunkohle | 980–1230 | 24,5 % | 44,9 % | ||
andere (Müll, Biomasse usw.) |
500 (geschätzt) | 6,7 % | 8,9 % | ||
Strommix in
Deutschland (2007) |
604 |
In Deutschland beträgt der Anteil des in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (BHKW) mit unterschiedlichen Energieträgern erzeugten Stroms etwa 13 %.[59] Bei Erzeugung aus Erdgas wird dabei eine durchschnittliche CO2-Menge von 243 g/kWh freigesetzt.[60]
Beim Vergleich der Emissionsbilanz zwischen einem BHKW und einem Steinkohle- oder Gas-und Dampfkraftwerk sinken zwar die CO2-, SO2- und Feinstaub-Emissionen, dafür steigen jedoch die NOx- und CO-Emissionen[61]. Sofern aber BHKWs alte Öl- und Gasheizungen ersetzen, verbessert sich 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[62]).
Obwohl auch in Frankreich 71 % des erzeugten CO2 durch die 15 Kohlekraftwerke freigesetzt werden, ist die Gesamtmenge erheblich geringer, wie die folgenden Tabelle zeigt. In dieser werden für das Jahr 2007 die Auswirkung der sehr unterschiedlichen Kraftwerkparks der Nachbarländer Deutschland und Frankreich verglichen. Nach Angaben der EDF[63] werden 95 % der elektrischen Energie in Frankreich CO2-arm erzeugt. Bei fast gleicher elektrischer Gesamtenergie wird in Frankreich zur Stromerzeugung nicht einmal 10 % des in Deutschland freigesetzten Klimagases CO2 produziert.
Staat | Elektrizitätserzeugung aller Kraftwerke in TWh |
Strommix in g/kWh |
CO2-Ausstoß in 109 kg |
Anzahl der großen thermischen Kraftwerksblöcke |
Anzahl der Kernkraftwerksblöcke |
---|---|---|---|---|---|
Deutschland | 636,5 | 604 | 384 | ≈ 70 | 17 |
Frankreich[64] | 610,6[63] | 61 | 37 | 15 | 58 |
Das Abgas eines Kraftwerkes, in dem Rohstoffe wie Kohle oder Holz verbrannt werden, enthält nicht nur Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf, sondern – je nach Brennstoff – in geringer Beimengung weitere Bestandteile, die umwelt- und gesundheitsschädlich sind und daraus entfernt werden sollten. In Schwellenländern verzichtet man aus Kostengründen fast immer darauf und nimmt beispielsweise massive Smogbildung in Kauf. In Deutschland wurden ab 1974 entsprechende Verfahren gesetzlich vorgeschrieben und schrittweise realisiert. Die Entstehung des Atemgiftes Kohlenstoffmonoxid muss schon während der Verbrennung durch eine geeignete Steuerung unterbunden werden.
Von kerntechnischen Unfällen bzw. Problemen bei der Lagerung einmal abgesehen, ist die Strahlenbelastung des Menschen durch Gewinnung und Einsatz von Kohle deutlich höher als diejenige durch Kernkraftwerke. In Kohle sind Spuren verschiedener radioaktiver Substanzen enthalten, vor allem von Radon, Uran und Thorium. Der Gehalt liegt je nach Lagerstätte zwischen wenigen ppm und 80 ppm.[65] Da weltweit etwa 7800 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr in Kraftwerken verbrannt wird, schätzt man den Gesamtausstoß auf 10.000 Tonnen Uran und 25.000 t Thorium, der zum großen Teil in der Asche enthalten ist. Die Asche von europäischer Kohle enthält etwa 80 bis 135 ppm Uran.
Bei der Kohleförderung, vor allem Staub aus Tagebauen, über Abgase von Kraftwerken oder über die Kraftwerksasche werden diese Substanzen freigesetzt und tragen zur künstlichen Strahlenbelastung bei.[66] Dabei ist vor allem die Bindung an Feinstaubpartikel besonders kritisch. In der Umgebung von Kohlekraftwerken können oft sogar höhere Belastungen gemessen werden als in der Nähe von Kernkraftwerken. Nach Schätzungen des Oak Ridge National Laboratory werden durch die Nutzung von Kohle zwischen 1940 bis 2040 weltweit 800.000 t Uran und 2 Mio. t Thorium freigesetzt werden.[67][68]
Zwischen 1960 und 1970 wurde in den USA etwa 1100 Tonnen Uran aus Kohleasche gewonnen. 2007 beauftragte die chinesische National Nuclear Corp die kanadische Firma Sparton Resources, in Zusammenarbeit mit dem Beijing No. 5 Testing Institute Versuche durchzuführen, Uran aus der Asche des Kohlekraftwerks Xiaolongtang in der Provinz Yunnan zu gewinnen. Der Urangehalt der Asche aus diesem Kraftwerk liegt mit durchschnittlich 210 ppm Uran (0,021 % U) über dem Urangehalt mancher Uranerze.[69].
Die sehr preiswerte Gewinnung von Braunkohle im Tagebau führt zu Zwangsumsiedlung ganzer Dörfer (Liste abgebaggerter Ortschaften), zur Vernichtung von landwirtschaftlich nutzbarer Fläche und zur Niveauabsenkung des Geländes unter den Grundwasserspiegel. Nach der großflächigen Zerstörungen der Landschaft folgt oft eine Rekultivierung, wobei tiefer liegenden Gebiete der Abbaugruben geflutet werden. Diese können dann – wie das Leipziger Neuseenland – touristisch genutzt werden. An den Steilufern der ehemaligen Kohlegruben können sich auch noch Jahrzehnte nach Ende der Abbauarbeiten Erdrutsche wie am Concordiasee mit Todesfällen und hohem Sachschaden ereignen.
Die meisten Kraftwerke nutzen Flusswasser zum Kühlen, insgesamt jährlich ca. 224 Kubikkilometer in Nordamerika und 121 Kubikkilometer in Europa. Um die Umweltbelastung durch die zusätzliche Wassererwärmung durch Kraftwerke nicht zu groß werden zu lassen, müssen deswegen im Sommer Kraftwerke zum Teil gedrosselt bzw. komplett abgeschaltet werden. Durch die Globale Erwärmung wird sich dieser Effekt noch weiter verstärken. So wird sich in Europa die Wassertemperatur von Flüssen im Hochsommer laut einer Studie zwischen 2031 und 2060 um ca. 0,8–1,0°C erhöhen, in den USA um 0,7–0,9°C. Dadurch könnte die Produktion von konventionellen Kraftwerken um 6–19 % bzw. 4–16 % geringer ausfallen. Dieser Rückgang könnte durch Erneuerbare Energien kompensiert werden.[70][71]
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. Dazu kommt der deutsche Ausstieg aus der Kernenergie, sodass weitere Kraftwerke in Zukunft abgeschaltet werden.
Das Institut der deutschen Wirtschaft (IW) beleuchtete 2010 in einer Studie, welche Bedeutung der Kraftwerksbau für Bauwirtschaft und Baustoffwirtschaft hat.[72]
Manche Kraftwerke aus der Pionierzeit der Elektrifizierung sind heute noch voll betriebene technische Denkmäler. So war das Walchenseekraftwerk früher das Wahrzeichen des Bayernwerks. Manche Kraftwerksbauten wurden unter künstlerischen Gesichtspunkten entworfen oder wurden im Rahmen von Kunstprojekten verziert. Ein prominentes Beispiel dieser Art ist das Kraftwerk Heimbach, das im Jugendstil entworfen wurde.
Contenido de sensagent
computado en 0,063s