Vbew-hinweis Wichtige Begriffe Für Die Energiewende „strom“

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VBEW-Hinweis Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Ausgabe: 12.2015 Herausgegeben vom Verband der Bayerischen Energie- und Wasserwirtschaft e. V. – VBEW Wichtige Begriffe für die Energiewende Inhaltsverzeichnis 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Elektrische Leistung .................................................................................................................3 Regelleistung............................................................................................................................4 Nennleistung / Dauerleistung / Kurzzeitleistung ........................................................................5 Brutto-/Netto-Leistung ..............................................................................................................6 Wirkleistung / Blindleistung / Scheinleistung .............................................................................7 Installierte Leistung / Gesicherte Leistung / Leistungsbedarf ....................................................8 Leistungsbilanz .........................................................................................................................9 Elektrische Energie / Arbeit ....................................................................................................10 Eigenverbrauch / Eigenversorgung .........................................................................................11 Ausnutzungsdauer / Volllaststunden .......................................................................................12 Wirkungsgrad / Nutzungsgrad ................................................................................................13 Wirkungsgradmethode ...........................................................................................................14 Heizwert / Brennwert ..............................................................................................................15 Dispatch / Redispatch.............................................................................................................16 Einspeisemanagement ...........................................................................................................17 Residuallast ............................................................................................................................18 Stromerzeugungsreserven .....................................................................................................19 Einheiten / Umrechnungen .....................................................................................................20 Herausgeber Verband der Bayerischen Energie- und Wasserwirtschaft e.V. – VBEW Akademiestraße 7 80799 München E-Mail: [email protected] Internet: www.vbew.de Änderungshistorie Ausgabe Datum Änderungen zur vorherigen Version 07/2015 17.07.2015 Originalversion 12/2015 22.12.2015 Kapitel „Stromerzeugungsreserven“ neu eingefügt 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 2 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 1. Elektrische Leistung Definition Mit dem Begriff Leistung wird die in einer bestimmten Zeitspanne umgesetzte Energie bezeichnet. Der Begriff elektrische Leistung wird dann verwendet, wenn es sich bei der umgesetzten Energie um elektrische Energie handelt. Im physikalischen Sinne ist elektrische Leistung ein Momentanwert, bei dem der genaue Zeitpunkt (t) angegeben werden müsste. In der Elektrizitätswirtschaft werden daher neben Momentanwerten die mittleren Leistungen für definierte Zeitspannen (z. B. ¼ Stunde, 1 Stunde) verwendet. Die Leistung ist dann der Quotient aus der in einer Zeitspanne geleisteten Arbeit ∆W und der Zeitdauer ∆t. Unter Leistung wird, wenn nichts anderes genannt ist, stets die elektrische Wirkleistung verstanden. Zur Abgrenzung Wirkleistung/Blindleistung/Scheinleistung siehe Kapitel 5. Berechnung Die Leistung P berechnet sich als Quotient aus verrichteter Arbeit ∆W und benötigter Zeit ∆t: ∆𝑊 ∆𝑡 Die elektrische Leistung entspricht dem Produkt aus elektrischer Spannung U und Stromstärke I: 𝑃= 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 (Gleichstrom) Mit Hilfe dieser Formel kann sehr leicht zwischen den Einheiten „Watt“ für die Leistung, „Volt“ für die Spannung sowie „Ampere“ für die Stromstärke umgerechnet werden. Sind zwei der Angaben bekannt, lässt sich der dritte Wert errechnen (siehe Beispiele zu „Elektrischer Arbeit“). Beispiele 100 Elektrische Leistung in W 𝑝(𝑡) = 𝑢(𝑡) ∙ 𝑖(𝑡) (Wechselstrom) Beispiel: Leistung eines Kühlschranks 75 50 Leistungsaufnahme 25 0 0 10 20 30 40 50 Zeit in Minuten 60 70 80 Abbildung 1: Leistungsgang eines Kühlschranks mit 100 W Maximalleistung  Wird eine Energiemenge von 1 kWh in einer Zeitspanne von 1 Stunde (h) konstant umgesetzt, dann beträgt die Leistung 1 kW.  Wird dieselbe Energiemenge in kürzerer Zeit umgesetzt, ist die Leistung größer.  Bei vielen Geräten wird die Leistung nicht über den gesamten Zeitraum abgerufen. Beispielsweise schaltet sich ein Kühlschrank ein, wenn eine bestimmte Temperatur überschritten ist; unter einem bestimmten Temperaturwert schaltet er sich wieder aus. Infolge kommt es zu keinem konstanten Leistungsabruf, sondern zu einer/einem schwankenden Lastgangkurve bzw. Leistungsgang.  Block 2 des Kernkraftwerks Isar ist mit einer elektrischen Bruttoleistung von 1.485 MW der leistungsstärkste Kernreaktor in Deutschland. Die Nettoleistung des Blocks 2 beträgt 1.410 MW.  Das Kraftwerk Neurath (Nordrhein-Westfalen) ist das größte Braunkohlekraftwerk in Deutschland. Es leistet elektrisch brutto 4.400 MW und netto 4.168 MW (Summe aller 7 Blöcke).  Die Enercon E-126 ist die derzeit (Juni 2015) größte Onshore-Windkraftanlage Deutschland. Sie hat eine Nabenhöhe von 135 m und eine Nennleistung von 7,6 MW.  Wenn 1 Mio. Elektrofahrzeuge in Deutschland (Ziel der Bundesregierung bis 2020) gleichzeitig mit einer Ladeleistung von 10 kW geladen werden, ergibt sich eine Gesamtleistung von 10 GW (= 10.000 MW), was etwa 10 Großkraftwerken entspricht. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 3 von 21 in Wichtige Begriffe für die Energiewende 2. Regelleistung Beschreibung Ein stabiler und zuverlässiger Netzbetrieb erfordert ein ständiges Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch. Durch Vorhalten von Regelleistung gewährleistet ein Netzbetreiber dieses Gleichgewicht und stellt die Versorgung der Stromkunden sicher, etwa bei unvorhergesehenen Ereignissen im Stromnetz. Ein Mangel an Erzeugungsleistung oder ein Überschuss an Verbrauch äußert sich als Frequenzabfall oder Spannungsabfall im Stromnetz. Ein Überschuss an Erzeugung oder ein Mangel an Verbrauch führt zu einem Frequenzanstieg oder Spannungsanstieg. Beide Auswirkungen kurzfristigen Einsatz vermieden werden. Leistung Primärregelung durch alle ÜNB Sekundärregelung und Minutenreserve durch den betroffenen ÜNB Ausgleich durch den betroffenen Bilanzkreis sollen durch den von Regelleistung Zeit 30 s 15 min > 60 min Positive und negative Regelleistung Abbildung 2: Zeitlicher Ablauf des Regelenergieeinsatzes Quelle: regelleistung.net Der Ausgleich eines Mangels im Stromnetz wird als positive Regelleistung bezeichnet und kann durch Hinzuschalten eines Erzeugers (z. B. eines Kraftwerks) oder durch Abschalten eines Verbrauchers erfolgen. Analog wird ein Überschuss im Stromnetz durch negative Regelleistung ausgeglichen, was durch Abschalten eines Erzeugers oder durch zusätzlichen Stromverbrauch erreicht wird. Abrufdauer der Regelleistung In Deutschland existieren je nach Abrufdauer drei Regelleistungsarten: Primärregelleistung (PRL), Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserve (MR). Primärregelleistung Die Primärregelung erfolgt automatisch und innerhalb weniger Sekunden nach Auftreten der „Störung“. Sie wird durch alle Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) gemeinsam bereitgestellt. Die vollständige Aktivierung muss innerhalb von 30 Sekunden gesichert sein:  Abzudeckender Zeitraum: 0 < t < 15 min Sekundärregelleistung Die Sekundärregelung wird durch den jeweils betroffenen ÜNB erbracht, zum energetischen Ausgleich und zur Frequenzregelung der eigenen Regelzone. Die Aktivierung erfolgt automatisch und innerhalb eines Zeitraums von maximal 5 Minuten.  Abzudeckender Zeitraum: 30 s < t < 15 min Minutenreserve (Tertiärregelleistung) Der Abruf der Minutenreserve erfolgt nicht mehr automatisch, sondern manuell oder über eine Merit-Order-Liste mit elektronischem Abrufverfahren. Eine vollständige Aktivierung ist innerhalb eines Zeitraums von 15 Minuten gegeben.  Abzudeckender Zeitraum: 15 min < t < 1 h (mehrere Stunden bei mehreren „Störungen“) Ausgleich durch den Bilanzkreis Die Übertragungsnetzbetreiber sind in Deutschland nur innerhalb der ersten vier Viertelstunden nach Auftreten einer „Störung“ für die Reservebereitstellung verantwortlich. Nach spätestens 60 Minuten ist der betroffene Bilanzkreis für den Ausgleich verantwortlich. (Quellen: ÜNB-Plattform regelleistung.net, amprion, VBEW) 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 4 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 3. Nennleistung / Dauerleistung / Kurzzeitleistung Beschreibung Die Nennleistung ist die höchste Dauerleistung unter Nennbedingungen, die eine Anlage erreicht. Diese Dauerleistung kann dabei beliebig lange erbracht werden, ohne dass z. B. eine Überhitzung eines Elektromotors auftritt. 125 kW Abbildung 3: 75 kW Nennleistung im Range Extender Betrieb Die Begriffe Nennleistung und Dauerleistung werden heute in der Regel synonym verwendet. Die Kurzzeitleistung wird gelegentlich auch als Spitzenleistung bezeichnet. Nennleistung / Dauerleistung Bestimmte Geräte und Anlagen können kurzzeitig mit einer höheren Leistung als der Nennleistung betrieben werden (Kurzzeitleistung). Das ist z. B. bei vielen Elektrofahrzeugen der Fall. Kurzzeitleistung Bei Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen wird als Nennleistung immer die elektrische Nennleistung der Anlage angegeben. Als zweiter Wert liegt bei KWK-Anlagen in der Regel die Angabe der „thermischen Leistung“ vor. 28 kW Leistung des BMW i3 Beispiele  Ein Mensch kann eine Dauerleistung von etwa 100 W erbringen.  Ein trainierter Ausdauersportler (z. B. Radrennfahrer) kann Dauerleistungen von etwa 400 W erzielen.  Die historische Einheit „Pferdestärke“ geht auf die Dauerleistung des Pferdes zurück (1 PS = 735,50 W). Sie entspricht etwa der Leistung, die ein Zugpferd aufwenden muss, um mit Schrittgeschwindigkeit einen Wagen mit 500 kg Masse eine 10-prozentige Steigung hochzuziehen. Das Eigengewicht des Pferdes (etwa 700 – 1.000 kg) wurde in der Definition des PS nicht berücksichtigt. Tatsächlich leistet ein Zugpferd im Arbeitseinsatz etwa (1 + 1,5 = 2,5) PS.  Die Kurzzeitleistung eines Pferdes ist hingegen wesentlich höher als seine Dauerleistung, sie liegt bei etwa 15 kW oder 20 PS.  Ein elektrischer Haartrockner hat eine Dauerleistung von 2.000 W bzw. 2 kW, was etwa 2,7 PS entspricht.  Ein elektrischer Durchlauferhitzer im Haushalt kommt auf etwa 20 kW Dauerleistung.  Der ICE 3 hat eine Nennleistung von 8.000 kW. Bei 460 Sitzplätzen ergeben sich 17,4 kW pro Passagier.  Das größte Kreuzfahrtschiff der Welt, die „Allure of the Seas“, hat eine Nennleistung von 60 MW. Pro Passagier entspricht das 11,1 kW.  Das Elektrofahrzeug BMW i3 hat eine Nennleistung von 75 kW (102 PS), kurzzeitig kann jedoch eine Spitzenleistung von 125 kW (170 PS) erzielt werden. Bei leerer Fahrzeugbatterie liefert der Range Extender eine Nennleistung von 28 kW (38 PS). 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 5 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 4. Brutto-/Netto-Leistung Beschreibung Die Netto-Leistung Pne eines Kraftwerks ist die an das Versorgungssystem (Übertragungs- bzw. Verteilnetz) abgegebene Leistung. Sie ergibt sich aus der Bruttoleistung Pbr abzüglich der elektrischen Eigenverbrauchsleistung PEigV während des Betriebs. Die Eigenverbrauchsleistung wird auch dann von der Bruttoleistung abgezogen, wenn sie nicht von der Erzeugungseinheit selbst, sondern aus externen Quellen bereitgestellt wird. Pne = Pbr - PEigV 232 MW Beispiele Eigenverbrauch PEigV  Der Eigenverbrauch eines Kraftwerks kann bis zu 10 % seiner Bruttoleistung betragen.  Eigenverbrauch kann sowohl in der Anlage selbst auftreten als auch für vorbereitende Maßnahmen zur Brennstoffversorgung.  Wärmekraftwerke enthalten stromverbrauchende Aggregate wie Speisewasserpumpen, Kühlwasserpumpen, Gebläse, Umwälzpumpen oder Abbildung 4: Brutto-/Netto-Leistung des Braunkohlekraftwerks Neurath Abgasreinigungsanlagen.  Kohlekraftwerke benötigen Energie für den Transport der Kohle zum Verbrennungsraum, beispielsweise für Förderbänder.  Das Braunkohlekraftwerk Neurath (siehe Kapitel 1) leistet mit allen sieben Blöcken brutto 4.400 MW und netto 4.168 MW. Es hat daher eine Eigenverbrauchsleistung von 232 MW, was 5 % der Bruttoleistung entspricht.  4.400 MW BruttoLeistung Pbr 4.168 MW NettoLeistung Pne Das im Bau befindliche Steinkohlekraftwerk Datteln 4 wird eine Bruttoleistung von 1.100 MW und eine Nettoleistung von 1.052 MW haben. Die Eigenverbrauchsleistung von 48 MW macht einen Anteil von 4 % der Bruttoleistung aus. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 6 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 5. Wirkleistung / Blindleistung / Scheinleistung Wirkleistung Ist die elektrische Leistung, die für die Umwandlung in andere Leistungen (z. B. mechanische, thermische oder chemische) verfügbar ist. Sie ist die nutzbare Leistung nach Abzug der Blindleistung. Blindleistung Blindleistung ist die elektrische Leistung, die zum Aufbau von magnetischen Feldern (z. B. in Motoren, Transformatoren) oder von elektrischen Feldern (z. B. in Kondensatoren, Kabeln, Leitungen) benötigt wird und nicht zur nutzbaren Arbeit beiträgt. Sie ist damit eine Leistung, die keine Wirkung erzielt. Blindleistung entsteht, wenn Leistung zum Aufbau der magnetischen Felder aus dem Netz bezogen wird. Die Blindleistung reduziert die effektiv nutzbare Kapazität des Netzes und verursacht Übertragungsverluste. Der Effekt tritt ausschließlich bei Wechselstrom auf. Scheinleistung Blindleistung Wirkleistung Die Scheinleistung setzt sich zusammen aus der Abbildung 5: Zusammenhang zwischen Blindleistung, Wirkleistung und Scheinleistung Blindleistung und der Wirkleistung. Bei bei sinusförmigen Größen verschwindender Blindleistung, beispielsweise in Gleichstromnetzen, sind Scheinleistung und Wirkleistung gleich. Bei Wechselstrom ist die Scheinleistung in der Regel größer als die Wirkleistung. Blindleistungskompensation Als Folge der zusätzlichen Belastung durch Blindleistung müssen die Stromnetze größer dimensioniert werden, um eine ausreichende Kapazität für die Wirkleistung zu schaffen. Darüber hinaus müssen auch Transformatoren größer dimensioniert und Übertragungsverluste ausgeglichen werden. Ab einer bestimmten Menge an Blindstrom kann es sinnvoll sein, eine Blindleistungskompensationsanlage zu installieren. Diese erzeugt eine entgegenwirkende Blindleistung, der den ursprünglichen Blindstrom der Verbraucher ausgleichen kann. Beispiele  Der Ausgleich der Blindleistung ist insbesondere bei Wechselstrom-Hochspannungsleitungen, die als Erdkabel verlegt werden sollen, mit hohem Aufwand verbunden. Je länger die Kabelverbindung, desto größer ist der Bedarf an Blindleistungskompensation.  Ein üblicher Stromzähler für Haushaltskunden erfasst nur die Wirkarbeit.  Es gibt spezielle Stromzähler für Industriekunden, die auch die Blindarbeit messen können.  Für Industriekunden, deren Sondervertrag eine zusätzliche Inrechnungstellung der Blindarbeit vorsieht, kann sich eine eigene Blindleistungskompensationsanlage finanziell lohnen.  Die Hochspannung-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) hat den Vorteil, dass bei der Übertragung keine Blindleistung entsteht. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 7 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 6. Installierte Leistung / Gesicherte Leistung / Leistungsbedarf Installierte Leistung Mit der installierten Leistung wird die maximale Leistung (Nennleistung) aller betrachteten Anlagen bezeichnet, beispielsweise bei einem Kraftwerk die Nennleistung aller Generatoren. Die installierte Leistung kann sich auch auf eine Region beziehen, z. B. bei der Photovoltaik die Summe der Nennleistungen aller Anlagen in Bayern. Mit Bezug auf das gesamte Stromversorgungssystem bezeichnet der Begriff installierte Leistung die Leistungssumme aller in Deutschland verfügbaren Erzeugungsanlagen. Gesicherte Leistung Nicht einsetzbare Leistung Installierte Leistung Gesicherte Leistung Leistungsbedarf Die gesicherte Leistung eines einzelnen Kraftwerks oder eines Versorgungssystems ist diejenige Abbildung 6: Zusammenhang zwischen installierter Leistung, die jederzeit abgerufen werden kann und Leistung, gesicherter Leistung und Leistungsbedarf ohne Schwankungen für beliebig lange Zeit zur Verfügung steht. Unter Berücksichtigung von technologiespezifischen Ausfallzeiten (z. B. Revisionen, Störungen) muss diese mit einer hohen (und im Einzelfall definierten) Wahrscheinlichkeit bereitgestellt werden können. Im Zusammenhang mit der Versorgungssicherheit der Stromerzeugung bezeichnet der Begriff „gesicherte Leistung“ die Gesamtleistung, die mit festgelegter (z. B. 99- oder 97 %-iger) Wahrscheinlichkeit verfügbar ist. Die gesicherte Leistung berechnet sich, indem die vorhandenen Kraftwerke mit einem „Leistungskredit“ (z. B. 90 % bei Kohle- und Kernkraftwerken, 85 % bei GuDKraftwerken, 100 % bei Pumpspeicherkraftwerken) bewertet und aufsummiert werden. Wind- und Photovoltaik-Anlagen besitzen aufgrund der schwankenden Verfügbarkeit einen sehr geringen Leistungskredit. Leistungsbedarf Der Leistungsbedarf eines Versorgungssystems ist die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Stromerzeugung und Strombedarf benötigte Leistung. Er bezeichnet die Summe aller Lasten und den gegebenenfalls zuzuordnenden Übertragungsverlusten und Reserveleistungen. Beispiele  Ein Kraftwerk kann auch dann zur gesicherten Leistung eines Gesamtsystems beitragen, wenn es (z. B. aufgrund von Revisionen) weniger als 99 % der Zeit verfügbar ist; denn ein gleichzeitiger Ausfall mehrerer Kraftwerke ist relativ unwahrscheinlich.  Als Teil der gesicherten Leistung waren 2013 in Deutschland Braunkohlekraftwerke mit 23,1 GW und Steinkohlekraftwerke mit 29,2 GW installiert (die Angaben beziehen sich auf die Bruttostromerzeugungskapazität).  An installierter Kraftwerksleistung aus weiteren nicht-erneuerbaren Energieträgern kamen 2013 in Deutschland 26,7 GW aus Erdgaskraftwerken, 12,1 GW aus Kernenergie und 2,9 GW aus Heizöl hinzu, die ebenfalls zur gesicherten Leistung beitragen.  Als weitgehend schwankungsunabhängig gilt erneuerbarer Strom aus Wasserkraft (10,3 GW), Biomasse (6,5 GW) und Geothermie (0,024 GW) (Zahlen jeweils für 2013) – diese zählen zur gesicherten Leistung.  Die höchsten installierten Leistungen weisen jedoch die fluktuierenden erneuerbaren Energieträger Wind (34,7 GW) und Photovoltaik (36,3 GW) auf (Zahlen jeweils für 2013) – aufgrund der schwankenden Einspeisung mit geringem Beitrag zur gesicherten Leistung. (Quellen: RP-Energie-Lexikon, BMWi-Energiedaten) 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 8 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 7. Leistungsbilanz Leistungsbilanz Die Leistungsbilanz ist die Gegenüberstellung des Leistungsbedarfs eines Versorgungssystems und seiner Deckungsmöglichkeiten zu einem bestimmten Zeitpunkt. Aus der Kraftwerks- und Bezugsleistung zu diesem Zeitpunkt sowie allen Leistungsanforderungen auf der Verbraucherseite ergibt sich ein Leistungssaldo als Kennzeichen der Bedarfs-Deckungssituation. Die Leistungsbilanz ermöglicht es somit, unter Berücksichtigung der Unsicherheiten der Datenerhebung die voraussichtlich kritischsten Situationen zu bewerten. Hintergrund Um das Gesamtsystem stabil zu halten, ist es eine Grundvoraussetzung, dass zu jedem Zeitpunkt die verfügbare Leistung der abgerufenen Leistung entspricht. Eine Möglichkeit zur Bewertung dieses Gleichgewichts ist das Aufstellen einer Leistungsbilanz. Mit der Novellierung des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) im Jahr 2011 wurden die Übertragungsnetzbetreiber verpflichtet, einmal jährlich einen Bericht zu ihrer Leistungsbilanz zu erstellen. Der Bericht muss von den Übertragungsnetzbetreibern zum 30.09. an das BMWi übermittelt werden. Die vier Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz, Amprion, TenneT und TransnetBW übermitteln ihre Leistungsbilanzen in einem gemeinsamen Bericht. Die Anlagenbetreiber wiederum sind verpflichtet, den Übertragungsnetzbetreibern Daten ihrer Anlagen, die für den zuverlässigen Betrieb der Netze und die Erstellung der Leistungsbilanz notwendig sind, unverzüglich zu übermitteln. Ausgleich der Bilanzkreise Der Bilanzkreisverantwortliche ist dafür verantwortlich, dass zu jeder Viertelstunden-Messperiode die Leistungsbilanz des Bilanzkreises, d.h. die Summe aller Entnahmen und Einspeisungen, ausgeglichen ist. Zum kontinuierlichen Ausgleich der Schwankungen werden Primär- und Sekundärregelleistung sowie Minutenreserve eingesetzt (siehe Kapitel 2). Beispiele  Folgende vereinfachte Abbildung zeigt die Leistungsbilanz eines Versorgungssystems mit freier Leistung (d.h. die gesicherte Leistung ist höher als die zu erwartende Höchstlast auf Verbraucherseite). Gesamte Kraftwerksleistung Nicht einsetzbare Leistung Erforderliche Reserveleistung Gesicherte Leistung Freie Leistung Höchstlast bei außergewöhnlichen Anforderungen Höchstlast bei normalen Anforderungen Abbildung 7: Leistungsbilanz eines Versorgungssystems, vereinfachte Darstellung. (Quellen: VGB, VBEW) (Quellen: 50Hertz, Amprion, TenneT, TransnetBW, VGB, VBEW) 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 9 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 8. Elektrische Energie / Arbeit Definition Als elektrische Arbeit (= elektrische Energie) bezeichnet man die erzeugte, übertragene, gelieferte, bezogene oder umgesetzte elektrische Energiemenge. Ohne besonderen Zusatz ist unter Arbeit die Wirkarbeit zu verstehen. In der Physik wird für die elektrische Energie das Formelzeichen E bzw. W und die Einheit Wattsekunde (Ws) oder Joule (J) verwendet (1 Ws = 1 J). Bei der Messung des Energieumsatzes im Bereich der elektrischen Energietechnik ist die Maßeinheit kWh (Kilowattstunde) üblich. Beispiel: Elektrische Arbeit als Integral Berechnung 100 Elektrische Leistung in W Die elektrische Arbeit wird beschrieben durch die Fläche (das Integral) der abgerufenen Leistung über die Zeit (siehe Abbildung). Je größer die Zeitdauer einer abgerufenen Leistung, desto größer ist auch die verrichtete Arbeit. Elektrische Arbeit 75 50 25 Im vereinfachten Fall einer konstanten Spannung und 0 0 10 20 30 40 Stromstärke (dadurch konstanter Leistung) lässt sich Zeit in Minuten die elektrische Arbeit berechnen als Produkt der Abbildung 8: Elektrische Arbeit als Integral Leistung über ihre Zeitdauer: 50 𝑊 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ ∆𝑡 = 𝑃 ∙ ∆𝑡 Im allgemeinen Fall einer über die Zeit veränderlichen Spannung und/oder Stromstärke berechnet sie sich als Integral des Produkts aus Spannung (u) und Stromstärke (i) über die jeweilige Zeitdauer ∆𝑡 : 𝑡 𝑊 = ∫𝑡 1 𝑢(𝑡) ∙ 𝑖(𝑡) 𝑑𝑡 . 0 Beispiele  Wird eine Leistung von 1.000 W über einen Zeitraum von 1 Stunde abgerufen, so wurde die elektrische Energiemenge von 1 kWh benötigt.  Die gleiche Energiemenge (1 kWh) erfordert ein elektrischer Heizlüfter mit 2.000 W Leistung, der eine halbe Stunde lang betrieben wird.  Ein neueres Elektrogerät mit 1 W Standby-Leistung, das das ganze Jahr (8.760 Stunden) über im Standby-Modus läuft, hat einen jährlichen Energiebedarf von 8,76 kWh.  Bei Autobatterien wird die Kapazität üblicherweise in Amperestunden angegeben. Mit Hilfe der Formel P = U∙I (siehe Kapitel „Elektrische Leistung“) lässt sich die Kapazität einfach in kWh umrechnen: Bei einer Kapazität von beispielsweise 60 Ah und einer Nennspannung von 12 V ergibt sich eine gespeicherte Energiemenge von 0,72 kWh (unter der vereinfachten Annahme einer konstant bleibenden Spannung).  Auf gleiche Weise kann die gespeicherte Energiemenge bei E-Fahrzeug-Batterien oder Hausspeichersystemen berechnet werden. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 10 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 9. Eigenverbrauch / Eigenversorgung Eigenverbrauch eines Kraftwerks Der Eigenverbrauch (Eigenbedarf) eines Kraftwerks ist die elektrische Arbeit, die in den Nebenund Hilfsanlagen der Erzeugungseinheit benötigt wird. Hierzu zählt etwa der Energieverbrauch für Kühlwasserpumpen, Kohlemühlen, Frischluftgebläse oder Rauchgasreinigungsanlagen. Für eine genauere Erläuterung siehe Kapitel 4 „Brutto-/Netto-Leistung“. Eigenverbrauch von Solarstrom Der Eigenverbrauch von Strom aus einer Solaranlage bedeutet, dass dieser Strom direkt vor Ort selbst genutzt wird und keine Einspeisung in kW das Netz der allgemeinen Versorgung erfolgt. 7 Angesichts sinkender Einspeisevergütungen hat 6 Lastgang der Eigenverbrauch von Solarstrom in den PV-Erzeugung 5 letzten Jahren an Attraktivität gewonnen. Eigenversorgung mit Strom Die technische Entwicklung von PV-Anlagen, Blockheizkraftwerken, Hausspeichersystemen etc. ermöglicht heute eine zunehmende Eigenversorgung mit Strom. Das Netz der allgemeinen Versorgung wird in vielen Fällen nur noch als „Lückenfüller“ bei Nichtverfügbarkeit der Eigenversorgung (z. B. PV-Anlage im Winter) genutzt. 4 6 5 4 Überschuss/ Netzeinspeisung 3 3 2 2 Eigenverbrauch Netzbezug 1 1 Netzbezug 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Abbildung 9: Beispiellastgang mit Eigenverbrauch aus einer PV-Anlage Beispiele  In den letzten Jahren sind viele Hausspeichersysteme auf den Markt gekommen, die dazu beitragen, den Eigenverbrauch von PV-Strom in Privathaushalten zu erhöhen.  Eine Alternative zu einem Hausspeichersystem könnte es zukünftig sein, die Batterien im Elektrofahrzeug als Zwischenspeicher zu nutzen.  Eine vollständige Eigenversorgung wäre mit sehr hohen Investitionskosten verbunden. Für die meisten Verbraucher wird daher auch in Zukunft ein Netzanschluss benötigt. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ 7 Stand: 22.12.2015 / Seite 11 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 10. Ausnutzungsdauer / Volllaststunden Ausnutzungsdauer einer Anlage Die Ausnutzungsdauer oder Nutzungsdauer einer Erzeugungseinheit ist der Quotient aus der Betriebsarbeit dieser Anlage in einem Zeitraum und der Nennleistung der Anlage. Die Ausnutzungsdauer wird häufig in „Volllaststunden pro Jahr“ angegeben. Berechnungsbeispiel: Ein Blockheizkraftwerk hat eine Nennleistung von 10 kW und produzierte im letzten Jahr 30.000 kWh Strom. Die Ausnutzungsdauer dieses BHKWs liegt demnach bei 3.000 Volllaststunden. 7.000 Volllaststunden 6.000 Die Anzahl der Volllaststunden bezeichnet den Zeitraum, den eine Anlage mit der Nennleistung betrieben werden müsste, um die gleiche elektrische Arbeit zu erzielen wie im Betrachtungszeitraum. Der Betrachtungszeitraum kann dabei auch Phasen des Stillstands oder des Teillastbetriebs beinhalten. 5.000 Volllaststunden 2013 4.000 3.000 2.000 1.000 0 Berechnungsbeispiel: Eine Windkraftanlage mit einer Nennleistung von 5 MW steht einen Tag still und leistet anschließend 12 Stunden lang 2 MW sowie einen Tag lang 3 MW. Innerhalb dieses 60-Stunden-Zeitraums Abbildung 10: Durchschnittliche Vollaststunden in Deutschland 2013 aus wurden 19,2 Volllaststunden geleistet. Berechnung: 0 5 2 5 3 5 ∙ 24 + ∙ 12 + ∙ 24 = 19,2 EE-Anlagen (errechnet aus eingespeister Strommenge). Quelle: BDEW Weitere Beispiele  Photovoltaikanlagen erreichen in Deutschland derzeit etwa 910 Volllaststunden pro Jahr, Onshore-Windanlagen 1.610 Volllaststunden (BDEW, Stand: 2013).  Aufgrund der geringen Brennstoffkosten und der hohen Verfügbarkeit weisen die meisten Volllaststunden in 2013 Kernkraftwerke (7.630 h) und Braunkohle-Kraftwerke (7.030 h) auf. Steinkohle-Kraftwerke erzielen 4.380 Stunden.  Seit Jahren rückläufig ist die Ausnutzungsdauer von Erdgaskraftwerken, im Jahr 2013 waren es 2.480 Stunden. Hauptgrund ist die steigende Einspeisung von Wind- und PV-Strom, in Verbindung mit den hohen Brennstoffkosten von Erdgaskraftwerken. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 12 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 11. Wirkungsgrad / Nutzungsgrad Wirkungsgrad Der elektrische Wirkungsgrad eines Kraftwerks ist das Verhältnis zwischen abgegebener elektrischer Leistung und eingesetzter Leistung. Bei thermischen Kraftwerken bezieht sich die eingesetzte thermische Leistung auf den Brennstoffverbrauch pro Zeiteinheit, gerechnet nach dem Heizwert. Genauso kann der Wirkungsgrad über die nutzbare und eingesetzte Arbeit berechnet werden. Nutzungsgrad Elektrische Energie 40 % Eingesetzte Der elektrische Nutzungsgrad eines Brennstoffmenge Kraftwerks ist das Verhältnis zwischen 100 % abgegebener elektrischer Energiemenge und eingesetzter Energiemenge über einen bestimmten Zeitraum. Der Nutzungsgrad ist im Allgemeinen niedriger als der Abwärme (Verlustenergie) Wirkungsgrad, wenn das Kraftwerk nicht 60 % über den gesamten Zeitraum mit der Abbildung 11: Sankey-Diagramm eines Kraftwerks mit 40 % Nennleistung betrieben wird. elektrischem Wirkungsgrad Jahresnutzungsgrad Der Jahresnutzungsgrad einer Anlage berechnet sich durch den Brennstoffeinsatz sowie die tatsächlich nutzbar gemachte Energie über den Zeitraum eines gesamten Jahres. Der Jahresnutzungsgrad ist insbesondere bei Heizungsanlagen interessant. Beispiele  Der Wirkungsgrad eines Kraftwerks ist durch die Ein- und Austrittstemperatur an der Dampfturbine nach oben beschränkt (Carnot-Wirkungsgrad). Je höher die Temperaturdifferenz, desto höher ist auch der Wirkungsgrad.  Kohlekraftwerke (Stein- und Braunkohle) können nach heutigem Stand der Technik Wirkungsgrade von maximal 50 % erzielen. Üblicherweise liegen die Wirkungsgrade jedoch im Bereich von 30-40 %.  Erdgaskraftwerke (GuD-Anlagen) können im Nennbetrieb Wirkungsgrade von über 60 % aufweisen.  Der Wirkungsgrad eines Pkw-Ottomotors liegt bei neueren Fahrzeugen im Bereich von 35-40 %, wenn das Fahrzeug im optimalen Drehzahlbereich gefahren wird.  Der Wirkungsgrad eines modernen Dieselmotors im Fahrzeug ist etwas besser als beim Ottomotor, etwa 40-45 %.  Der Nutzungsgrad ist sowohl bei benzin- als auch dieselbetriebenen Fahrzeugen deutlich schlechter als der Wirkungsgrad, da die Fahrzeuge im Normalfall nicht im optimalen Drehzahlbereich fahren.  Häufiger Stop-and-go-Verkehr verschlechtert den Nutzungsgrad eines Fahrzeugs, etwa im Vergleich zu Fahrten auf der Landstraße.  Bei falsch dimensionierten Heizungsanlagen kann der tatsächliche Jahresnutzungsgrad deutlich unter den Herstellerangaben zum Wirkungsgrad liegen. So kann auch ein Brennwertkessel mit 105 % Wirkungsgrad einen Jahresnutzungsgrad von nur 30 % aufweisen, wenn z. B. die Bereitstellungsverluste im Sommer sehr hoch sind. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 13 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 12. Wirkungsgradmethode Beschreibung Um verschiedene Energieumwandlungsverfahren vergleichen zu können, betrachtet man die Primärenergie, die zur Bereitstellung einer bestimmten Menge an Endenergie erforderlich ist. Mit Hilfe der Wirkungsgradmethode lässt sich der Primärenergieverbrauch berechnen. Die Wirkungsgradmethode ist die international angewandte Methode zur Bestimmung des Primärenergieverbrauchs. Bei Strom aus fossilen Energieträgern wird der jeweilige Heizwert mit der eingesetzten Energiemenge multipliziert, sofern der Heizwert bekannt ist. Kernenergie wird definitionsgemäß mit einem Wirkungsgrad von 33 % zur Umrechnung zwischen Endenergie und Primärenergie festgelegt; Strom aus Erneuerbaren Energien wird immer mit 100 % angesetzt. PJ 14.000 13.828 PJ Energieverbauch Deutschland 2013 12.000 Sonstige 9.269 PJ 10.000 Ern. Energien Sonstige Fernwärme 8.000 Kernenergie Strom 6.000 Gase Gase Heizöl Mineralöl 4.000 Kraftstoff Braunkohle Braunkohle 2.000 Steinkohle Steinkohle 0 Primärenergie Abbildung 12: Endenergie Primär- und Endenergieverbrauch in Deutschland 2013, unterteilt nach Energieträgern (berechnet nach der Wirkungsgradmethode). Quelle: BMWi-Energiedaten Eine gelegentlich angewandte Alternative zur Wirkungsgradmethode ist die Substitutionsmethode. Hier wird davon ausgegangen, dass Strom aus Erneuerbaren Energien konventionellen Strom substituiert; anschließend wird der durchschnittliche Primärenergieeinsatz zugrunde gelegt, der bei der Erzeugung konventionellen Stroms angefallen wäre. Beispiele:  Deutschland hatte im Jahr 2014 einen Primärenergieverbrauch von 13.076 PJ; in 2013 waren es 13.828 PJ.  3.880 PJ oder rund 30 % wurden 2014 aus heimischen Energieträgern gewonnen, der größte Teil davon aus Braunkohle.  Die heimische Energiegewinnung aus Wasserkraft, Wind und Photovoltaik stieg von 58 PJ im Jahr 1990 auf 401 PJ im Jahr 2014.  Mit Abstand wichtigster Energieträger in Deutschland bleibt das Mineralöl mit einem Primärenergieverbrauch von 4.577 PJ oder 35 % in 2014, auf Erdgas entfielen 20,4 %.  Der Primärenergieverbrauch je Einwohner ging in Deutschland von 187,8 GJ in 1990 auf 158,7 GJ in 2014 zurück.  Wichtigster Endenergieträger in Deutschland sind Kraftstoffe (2.548 PJ), gefolgt von Erdgas (inkl. Flüssiggas und Raffineriegas) mit 2.497 PJ und Strom (1.854 PJ) (Zahlen für 2013).  1.059 PJ Primärenergieverbrauch in 2014 entfallen auf Kernenergie (Wirkungsgrad 33 %). Werden diese vollständig durch Erneuerbare Energien (100 % Wirkungsgrad) ersetzt, entspricht das einem Primärenergieaufwand von 349 PJ. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 14 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 13. Heizwert / Brennwert Heizwert Der Heizwert (Hi) ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt. Es wird bei der Ermittlung des Heizwertes davon ausgegangen, dass es sich um eine vollständige Verbrennung handelt und das gesamte im Brennstoff enthaltene Wasser anschließend in gasförmiger Form vorliegt. 120 Der Heizwert bezieht sich auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs, eine üblicherweise verwendete Einheit ist MJ/kg. Eine veraltete Bezeichnung für den Heizwert ist auch „unterer Heizwert (Hu)“. Brennwert 120 Heizwerte in GJ/t 100 80 60 40 20 7 9 15 20 28 32 41 43 45 0 Der Brennwert (Hs) ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert wird. Es wird bei der Ermittlung des Brennwertes Abbildung 13: Heizwerte verschiedener Brennstoffe davon ausgegangen, dass das gesamte im Brennstoff enthaltene Wasser kondensiert und auf eine Temperatur von 25 °C abgekühlt wird. Der Brennwert hat wie der Heizwert üblicherweise die Einheit MJ/kg. Veraltete Bezeichnungen für den Brennwert sind auch „oberer Heizwert (Ho)“ oder „kalorischer Brennwert“. Bestimmung von Heizwert und Brennwert Die Bestimmung von Heizwert und Brennwert erfolgt unter genormten Bedingungen nach DIN 5499. Zur Berechnung des Brennstoffverbrauches bei fossilen Brennstoffen wird in der Regel der Heizwert verwendet. Lediglich in der Gaswirtschaft ist auch die Angabe des höheren Brennwertes üblich. Beispiele  Erdgas (H-Gas) hat einen Brennwert von etwa 50 MJ/kg. Der Heizwert liegt etwa 10 % darunter bei ca. 45 MJ/kg.  Heizöl (HEL) hat einen Brennwert von 45,4 MJ/kg und einen Heizwert von 42,6 MJ/kg.  Braunkohlebriketts haben einen Brennwert von etwa 21 MJ/kg und einen Heizwert von 19,6 MJ/kg.  Der Wasserdampf im Abgas stammt sowohl aus vorher vorhandenem Wasser im Brennstoff als auch aus Verbrennungsreaktionen (Entstehung von H2O bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen).  Enthält das Verbrennungsgas keinen Wasserdampf, sind Heizwert und Brennwert identisch.  Ein Brennwertkessel hat die Aufgabe, den in der Regel höheren Brennwert möglichst vollständig auszunutzen, indem der enthaltene Wasserdampf kondensiert wird. Brennwertkessel können damit auch Wirkungsgrade von mehr als 100 % erzielen. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 15 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 14. Dispatch / Redispatch Dispatch Der Begriff Dispatch bezeichnet die Kraftwerkseinsatzplanung eines Betreibers von mehreren Kraftwerken. Das Ziel des Kraftwerksbetreibers ist es dabei, eine möglichst kostenoptimale Fahrweise seiner verfügbaren Kraftwerke umzusetzen. Hierzu werden neben den Brennstoffkosten auch Kriterien wie Anfahrzeiten oder ein veränderter Wirkungsgrad bei Teillast berücksichtigt. Die Kraftwerkseinsatzpläne werden Kraftwerksbetreiber am Vortrag Übertragungsnetzbetreiber übergeben. durch an die den Redispatch Mit dem Begriff Redispatch wird das Eingreifen in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken durch den Netzbetreiber bezeichnet, um das Stromnetz oder bestimmte Abschnitte davon vor einer Überlastung zu schützen. Ausgehend von den Kraftwerkseinsatzplänen erstellt der Netzbetreiber eine Lastflussberechnung. Werden Abbildung 14: Schematische Darstellung aufgrund der Vorausberechnung mögliche Redispatch (Quelle: FfE) Netzengpässe erwartet, können die Kraftwerksbetreiber zu einer Verschiebung ihrer geplanten Stromproduktion angewiesen werden (Redispatch-Maßnahme). Redispatch-Maßnahmen lassen sich unterscheiden in präventive (ex ante) und kurative (ex post) Beeinflussung der Energielieferungen. Die Kosten für das Redispatch werden auf die Netznutzungsentgelte umgelegt. Beispiele  Die vermehrte Einspeisung von Strom aus Wind und PV – in Kombination mit einem nicht schritthaltenden Netzausbau – hat dazu geführt, dass häufiger Redispatch-Maßnahmen durch den Netzbetreiber vorgenommen werden müssen.  Eine Entlastung des Stromnetzes kann auch durch Lastflexibilisierungsmaßnahmen, wie etwa dem kurzzeitigen Abschalten von größeren Stromverbrauchern, erzielt werden. Man spricht hier vom Redispatch-Potenzial. 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 16 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 15. Einspeisemanagement Beschreibung Mit dem Begriff Einspeisemanagement wird die temporäre Reduzierung der Einspeiseleistung von EEG-Anlagen sowie von KWK- und Grubengas-Anlagen bezeichnet. Die Reduzierung erfolgt zum Zwecke der Netzentlastung. Der verantwortliche Netzbetreiber kann unter besonderen Voraussetzungen die bevorrechtigte Einspeisung aus EEG-, KWK- und Grubengas-Anlagen vorübergehend abregeln, wenn die Netzkapazitäten nicht ausreichen, um den insgesamt erzeugten Strom abzutransportieren. Hintergrund Seit Inkrafttreten des EEG im Jahr 2000 erfolgte ein starker Zubau fluktuierend einspeisender Erneuerbarer Energien. Zu Zeiten mit viel Wind und viel Sonne sind die Einspeiseleistungen teils so hoch, dass Netze aller Spannungsebenen in einigen Regionen an ihre Kapazitätsgrenzen stoßen. Mit der EEG-Reform 2009 wurde die gesetzliche Grundlage für das Einspeisemanagement geschaffen. Gemäß § 11 EEG sind Netzbetreiber ausnahmsweise berechtigt, an ihr Netz angeschlossene Anlagen, die über eine Einrichtung zur ferngesteuerten Einspeisereduzierung verfügen, abzuregeln, wenn:  andernfalls ein Netzengpass entstünde,  der Vorrang für EEG-, KWK- und Grubengas-Strom Einspeisemanagement (Quelle: FfE) gewahrt bleibt,  verfügbare Daten über die Ist-Einspeisung in der jeweiligen Netzregion abgerufen wurden. Abbildung 15: Schematische Darstellung Ziel der gesetzlichen Regelung ist es, einen möglichst hohen Anteil von Strom aus Erneuerbaren Energien, Grubengas oder Kraft-Wärme-Kopplung unter Aufrechterhaltung der Netzsicherheit in das Netz zu integrieren und dabei den gesetzlich vorgeschriebenen, unverzüglichen Netzausbau nicht zu beeinträchtigen. Die Anlagenbetreiber erhalten für ihre entgangenen Erlöse eine Entschädigung. Beispiele  Das Einspeisemanagement ermöglicht eine optimale Nutzung der vorhandenen Netze. Bis zum Abschluss von Netzverstärkungsmaßnahmen läge die einzige Alternative in einem Stopp des EEG-Anlagen-Zubaus.  Die Anlagenbetreiber müssen technische Einrichtungen vorhalten, um dem Netzbetreiber die Einspeisereduzierung bzw. Abschaltung zu ermöglichen.  Die Ermittlung der Entschädigungszahlung muss einfach nachvollziehbar und für die Anlagenbetreiber praktisch umsetzbar sein. Die Bundesnetzagentur hat hierzu einen Leitfaden veröffentlicht. (Quellen: Bundesnetzagentur, TenneT) 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 17 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 16. Residuallast Residuallast Die Residuallast eines Stromnetzes ist die Gesamtlast abzüglich der vorrangigen Einspeisung aus fluktuierenden Erneuerbaren Energien (z. B. Wind und PV) und KWK-Anlagen. Es handelt sich um die Restnachfrage, welche von den übrigen 80 (zumeist konventionellen) Kraftwerken gedeckt 70 GW werden muss. 60 Must-run-Anlagen 50 Erzeugungsanlagen, die bevorrechtigt einspeisen bzw. aus technischen Gründen nicht abgeschaltet werden können (z. B. KWK), werden auch als Must-run-Anlagen bezeichnet. 40 Hintergrund Leistung PV Leistung Wind 30 Leistung KWK 20 Residuallast 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Stunde des Tages Die Verfügbarkeit von Wind- und Sonnenenergie Abbildung 16: Residuallast an einem Beispieltag ist nicht steuerbar. Nach Möglichkeit sollen Windund PV-Anlagen ihre gesamte verfügbare Leistung in das Stromnetz einspeisen können, da im Falle einer Abregelung (siehe Kapitel 15 „Einspeisemanagement“) „kostenloser“ Strom verschenkt würde. Gleiches gilt für KWK-Anlagen, die mit einer bestimmten Mindestleistung laufen müssen, um den jeweiligen Wärmebedarf decken zu können. Die verbleibende Restlast muss durch Wärmekraftwerke oder Pumpspeicherkraftwerke gedeckt werden. Auch Erneuerbare Energien wie Biomasse und regelbare Wasserkraft werden zur Deckung der Residuallast eingesetzt. Je nach Definition werden teilweise auch (nicht regelbare) Laufwasserkraftwerke und Kernkraftwerke zu den Must-run-Anlagen gezählt. Beispiele  Durch die Energiewende in Deutschland haben die Einspeisung von Wind- und PV-Strom und damit die Schwankungen in der Residuallast stark zugenommen.  Aufgrund der gestiegenen Schwankungen kann nur noch ein kleinerer Teil der Residuallast durch Grundlastkraftwerke gedeckt werden. Der Bedarf an Spitzenlastkraftwerken hat dagegen zugenommen und wird auch in Zukunft weiter zunehmen.  Neben dem Einspeisemanagement (Kapitel 15) kann auch ein Lastmanagement, also das gezielte Ansteuern großer Stromverbraucher, die Deckung einer schwankenden Residuallast erleichtern. (Quellen: RP-Energie) 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 18 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 17. Stromerzeugungsreserven Beschreibung Die zunehmende Stromerzeugung aus den wetter- und tageszeitabhängigen Energiequellen Wind und Sonne führt zu einer immer stärker schwankenden Einspeisung in das Stromnetz. Um diese Schwankungen auch in Zukunft ausgleichen zu können, will die Bundesregierung den Strommarkt weiterentwickeln. Mit dem neuen „Strommarkt 2.0“ soll ein Aufbau von Stromerzeugungsreserven erfolgen. Umfang (GW) Sicherheitsbereitschaft und Kapazitätsreserve (einschließlich Neubau) Sicherheitsbereitschaft Um einen Beitrag für das deutsche Klimaschutzziel 2020 zu leisten, werden ab 2016 Braunkohlekraftwerke schrittweise aus dem Markt genommen und vorläufig stillgelegt (im Umfang von 2,7 GW bzw. 13 % der GesamtBraunkohlekapazität). Die CO2Emissionen im deutschen Stromsektor sollen so merklich verringert werden. max. 5 % der Jahreshöchstlast Kapazitätsreserve 2,7 GW Braunkohle Soweit Neubaubedarf festgestellt wird: Anrechnung auf das Kapazitätssegment Sicherheitsbereitschaft 2017 2018 2019 2020 Klimasegment (Sicherheitsbereitschaft) 2021 2022 Kapazitätssegment 2023 Jahr Neubau (Netzreserve) Darstellung der Reservebegriffe Für jeweils vier Jahre kann auf die Abbildung 17: Graphische (nach BMWi, teils vorläufige Planung, ohne Kraftwerke als „letzte und befristete vorhandene Netzreserve) Absicherung der Stromversorgung“ (Sicherheitsbereitschaft) zurückgegriffen werden, wenn es „wider Erwarten trotz freier Preisbildung am Strommarkt nicht zu einem Ausgleich von Angebot und Nachfrage kommt (z.B. bei extremen Wettersituationen)“. Nach Ablauf dieser vier Jahre werden die Braunkohlekraftwerke endgültig stillgelegt. Netzreserve In der „Netzreserve“ werden seitens der Betreiber zur Stilllegung vorgesehene, aber systemrelevante Kraftwerke zur Überbrückung von Netzengpässen außerhalb des Strommarktes vorgehalten. Sie dient zur Gewährleistung der Netzstabilität und orientiert sich zeitlich und größenmäßig an den regionalen Netzengpässen. Die Netzreserve ist erforderlich, bis wichtige Netzausbauvorhaben fertiggestellt sind. Sie besteht bereits heute und wurde mit den Beschlüssen zum Strommarkt 2.0 verlängert. Kapazitätsreserve Im neuen Strommarktgesetz wird eine „Kapazitätsreserve“ eingeführt, die der Absicherung des Strommarktes dient. Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit kommt die Reserve zum Einsatz, wenn trotz freier Preisbildung an der Strombörse kein ausreichendes Angebot existiert, um einen Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage zu ermöglichen. Dazu werden Erzeugungskapazitäten außerhalb des Strommarktes vorgehalten und bei Bedarf eingesetzt. Neubaumaßnahmen der Netzreserve werden auf die Kapazitätsreserve angerechnet. Reservekosten Die Kosten für Aufbau und Vorhaltung der Stromerzeugungsreserven werden Reservekosten genannt. Sie sind heute nur grob abschätzbar, da die Anlagen der Kapazitätsreserve sowie die Neubauanlagen der Netzreserve wettbewerblich über ein Ausschreibungsverfahren bestimmt werden. Die Reservekosten werden über die Netzentgelte auf den Strompreis umgewälzt. (Quellen: Gesetzentwurf zur Weiterentwicklung des Strommarktes (November 2015), BMWi, VBEW) 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 19 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende 18. Einheiten / Umrechnungen Gebräuchliche Einheiten Joule Joule (J) ist die internationale Einheit für Energie. Sie ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine Sekunde lang die Leistung von einem Watt zu erbringen – und wird daher auch Wattsekunde genannt: 1J=1 kg ∙ m² s² = 1 Ws Watt Die Angabe der Leistung erfolgt im internationalen Einheitensystem in Watt (W). Die Einheit Watt ist wie das Joule eine abgeleitete SI-Einheit, daher lässt sie sich auch mit den Basiseinheiten kg, m und s ausdrücken: J 1 W = 1 s = 1 VA = 1 kg ∙ m² s³ Kilowattstunde Elektrische Energie wird statt in Joule oft auch in Kilowattstunden (kWh) angegeben. Die Tatsache, dass ein Joule einer Wattsekunde entspricht, ermöglicht eine einfache Umrechnung in kWh und umgekehrt: 1 kWh = 3.600.000 Ws = 3,6 MJ (Kilo-)Kalorie Die Kalorie ist eine veraltete Maßeinheit der Energie, ursprünglich die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser um 1 °C zu erwärmen. Da der genaue Wert je nach Ausgangstemperatur und Druckniveau geringfügig schwankt, wurde eine Kilokalorie (kcal) definitionsgemäß festgelegt als: 1 kcal = 4,1868 kJ Steinkohle-/Öleinheit Eine Steinkohleeinheit (SKE) entspricht der Energiemenge, welche bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle (mit exakt 7.000 kcal/kg Heizwert) frei wird: 1 kg SKE = 7.000 kcal = 29,308 MJ = 8,14 kWh = 0,7 ÖE Eine Öleinheit (auch Rohöleinheit) ist eine gelegentlich verwendete Maßeinheit für die in Heizstoffen enthaltene Energie: 1 kg ÖE = 41,868 MJ 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 20 von 21 Wichtige Begriffe für die Energiewende Übliche Bezeichnungen J = Joule Wh = Wattstunde kJ = Kilojoule kWh = Kilowattstunde MJ = Megajoule MWh = Megawattstunde GJ = Gigajoule GWh = Gigawattstunde TJ = Terajoule TWh Terawattstunde PJ = Petajoule - EJ = Exajoule kcal = Kilokalorie SKE = Steinkohleeinheit ÖE = (Roh-)Öleinheit = - Umrechnungen 1 kWh = 3,6 MJ 1 MJ = 0,2778 kWh 1 TWh = 3,6 PJ 1 kcal = 4,1868 kJ 1 kg SKE = 29,308 MJ 1 kg ÖE = 41,868 MJ 1.000 J = 1 kJ 1.000.000 J = 1 MJ 1.000.000.000 J = 1 GJ 1.000.000.000.000 J = 1 TJ 1.000.000.000.000.000 J = 1 PJ 1.000.000.000.000.000.000 J = 1 EJ 652.20 Wichtige Begriffe für die Energiewende „Strom“ Stand: 22.12.2015 / Seite 21 von 21