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Working Paper
Technologie-Steckbriefe »Dezentrale Energie-technologien«
Charakterisierung der Technologien sowie Aufkommen und räumliche Verteilung in Nordrhein-Westfalen
Autoren: Annedore Kanngießer Cornelius Schill Joachim Krassowski Boris Dresen
Oberhausen, 06.04.2017
1 Hintergrund und Motivation
Das vorliegende Working Paper ist im Rahmen des Projektes »Transformati-onsprozesse für nachhaltige und wettbewerbsfähige Wirtschafts- und Indust-riestrukturen in NRW im Kontext der Energiewende« entstanden.1
Ziel des Projektes ist es, die Herausforderungen des industriellen Transformati-onsprozesses in Nordrhein-Westfalen aus verschiedensten Sichten (bspw. wirt-schaftlich, gesellschaftlich, politisch) und Ebenen (Makro-, Meso- und Mikro-ebene) zu analysieren und daraus Erfolgsfaktoren sowie Handlungs- und Kooperationsmöglichkeiten abzuleiten. Die Energiewende als Auslöser für den Transformationsprozess beinhaltet dabei gleichermaßen Chancen wie Heraus-forderungen.
Als Grundlage für die weiterführenden Analysen wurde daher zu Projektbe-ginn eine Übersicht über die Situation von Stromerzeugung und Stromver-brauch in NRW erstellt. Dabei lag der Fokus auf der Erstellung von Technolo-gie-Steckbriefen für die verschiedenen, überwiegend dezentralen Erzeugungstechnologien.
2 Ist-Situation und Ziele der Energiewende in Nordrhein-Westfalen
Derzeit (Stand: Ende 2015) haben in NRW die erneuerbaren Energien einen Anteil von 12,6% an dem Bruttostromverbrauch. Dies entspricht einer Strom-erzeugung aus erneuerbaren Energien von 18 TWh.2 Den größten Anteil da-ran haben die Windenergie mit 6,9 TWh, die Biomasse mit 4,6 TWh und die Photovoltaik mit 3,8 TWh. Weitere, jedoch deutlich kleinere Beiträge zur Stromerzeugung liefern die Wasserkraft sowie die Deponie- und Grubengas-anlagen.3
Der Klimaschutzplan NRW hat für den Sektor Energieumwandlung die folgen-den Handlungsfelder identifiziert:4
Handlungsfeld 1: Ausbau der erneuerbaren Energien: hierbei wird aufgrund der existierenden Potenziale ein besonderer Schwerpunkt auf die Windkraft und die Photovoltaik gelegt. Ziel ist es, dass der An-teil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch bis zum Jahr 2025 auf 30% gesteigert werden soll.
Handlungsfeld 2: Kraft-Wärme-(Kälte-)Kopplung: die Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) soll von ca. 13% an der Gesamt-stromerzeugung (Stand: 2012) bis zum Jahr 2020 auf mindestens 25% gesteigert werden.
Handlungsfeld 3: Konventioneller Kraftwerkspark: der konventionelle Kraftwerkspark soll modernisiert werden, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz und Flexibilität der Kraftwerke. Dies gilt sowohl für neu in Betrieb zu nehmende Kraftwerke als auch für die Modernisie-rung existierender Kraftwerke.
1 Projekthomepage: http://www.vi-transformation.de/cluster-tii/ 2 Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (Hrsg.): Strom aus Erneuerbaren Energien in Nord-
rhein-Westfalen: Stand und Ausbau 2015. LANUV-Info 33. Recklinghausen, 2016. 3 Energieatlas NRW: http://www.energieatlasnrw.de 4 Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (Hrsg.):
Klimaschutzplan Nordrhein-Westfalen: Klimaschutz und Klimafolgenanpassung. 1. Auflage, Düsseldorf, Dezember 2015.
Handlungsfeld 4: Energiesystem: über die Ausbau- und Modernisie-rungsziele für einzelne Technologien in den Handlungsfeldern 1 bis 3 sieht der Klimaschutzplan eine Vielzahl an weiteren Aktivitäten vor, um das Energiesystem versorgungssicher und kosteneffizient zu ge-stalten und die Integration der erneuerbaren Energien zu unterstüt-zen. Diese Aktivitäten reichen von der Vernetzung der Energiemärkte über F&E-Maßnahmen bis hin zur Schaffung geeigneter Rahmenbe-dingungen für die Verstärkung von Netzen sowie den Aufbau von Speichern oder Virtuellen Kraftwerken.
3 Technologiesteckbriefe
Im Folgenden werden die verschiedenen Stromerzeugungstechnologien in Form von Steckbriefen charakterisiert sowie die räumliche Verteilung der in-stallierten Leistungen in NRW dargestellt. Dabei werden folgende Technolo-gien berücksichtigt:
Windkraft Onshore Photovoltaik Freifläche Photovoltaik Dach Biogasanlage Holzheizkraftwerk Holzvergasungsanlage Dampfkraftwerk Gasturbinenkraftwerk Blockheizkraftwerk
Weiterführendes, im Rahmen des Projektes erstelltes Kartenmaterial zu Anla-genanzahlen, installierten Leistungen sowie produzierten Strommengen sind unter http://maps4use.de/anwendungsbeispiele/ »Transformationsprozesse im Kontext der Energiewende« zu finden.
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Windkraftanlagen Onshore
Windkraftanlagen wandeln Luftbewegungen in elektrische Energie um. Sie bestehen aus einem Mast an dem der Rotor, der meist aus drei Rotorblättern besteht, befestigt ist. Der Rotor wandelt die kine-tische Energie des Windes in eine Drehbewegung um. Über eine Welle wird dann der elektrische Generator angetrieben. Rotor und Rotor-blätter sind meist verstellbar, um eine optimale Ausnutzung des Windes in Be-zug auf Windrichtung und -stärke zu er-lauben. Die Stromerzeugung erfolgt un-geregelt in Abhängigkeit des Windange-bots. Windkraftanlagen gehören daher wie Photovoltaikanlagen zu den fluktuie-renden Stromerzeugern. Wenn eine Netzüberlastung nicht anders zu verhin-dern ist, dürfen Netzbetreiber die Ein-speisung von Windkraftanlagen reduzie-ren.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
3,8 GW (2015) [1] 3,2 GW (2012) [2] 2,2 GW (2005) [2]
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
5,8 TWh (2015) [1] 5,2 TWh (2012) [2] 2,8 TWh (2005) [2]
Technische Daten
typische Anlagengröße 0,5 – 5 MW [3] Tendenz zu größeren Anlagenleistungen
Primärenergieträger Wind
Umwandlungskette Kinetisch-Mechanisch-Elektrisch
Generatortyp Synchron- oder Asyn-chrongenerator
elektrischer Wirkungs-grad
ca. 50 % [4] Wirkungsgrad schwankt je nach Windge-schwindigkeit
Gesamtwirkungsgrad -
Eigenverbrauch der An-lage
- Angabe Nettowirkungsgrad
Eigenstromnutzung - typischerweise keine Eigenstromnutzung
Lastgradient - abhängig von Windangebot
Startzeit 0,1 h [9]
Minimallast 0 %
Mindestbetriebszeit 0 h
Mindeststillstandszeit 0 h
Anlagenverfügbarkeit > 95 % [5]
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Vorrangige Betriebszei-ten
nach Windangebot; Windgeschwindigkeit: 4,5 bis 25 m/s [3]
gute Windbedingungen in Deutschland in den Wintermonaten [8]
Lebensdauer 20 - 25 Jahre [3]
Netzanschlussebene Mittel- und Hochspan-nung
je nach Leistungsgröße des Windparks
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
möglichst windreiche Standorte
Mindestabstände zu bebautem Gelände sind einzuhalten
Wirtschaftliche Kennwerte Investitionskosten 1 000 – 1 900 €/kW[3] Systempreise; Prognosewert für 2017
fixe Betriebskosten 19 – 46 €/kWa [3] Angabe der Betriebskosten erfolgt oft ausschließlich als variable Kosten
variable Betriebskosten 24 – 27 €/MWh [7] Fixkosten inklusive
Treibhausgasemissionen 8,76 g/kWh [6] gesamter Lebenszyklus; CO2-Äquivalent
Literatur
[1] Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie: EnergyMap; 2015; energymap.info [2] Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz
des Landes Nordrhein-Westfalen: EnergieDaten.NRW 2014; http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf
[3] DIW: Current and Prospective Costs of Electricity Generation until 2050; http://www.diw.de/documents/publikationen/73/diw_01.c.424566.de/diw_datadoc_2013-068.pdf
[4] Liersch, Jan: Technik von Windkraftanlagen; Key Wind Energy GmbH; 2012 [5] IEA: Technology Roadmap – Wind Energy; 2013;
http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Wind_2013_Roadmap.pdf [6] Umweltbundesamt: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger; 2014 [7] Deutsche WindGuard GmbH: Kostensituation der Windenergie an Land in Deutschland;
Varel; 2013; https://www.energie-cluster.ch/admin/data/files/file/file/1129/2016-02-27-kosten-windenergie-onshore.pdf?lm=1456508411
[8] Institut für Solare Energieversorgungstechnik: Windenergie Report Deutschland 2008; Kassel; http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/opencms/export/sites/windmonitor/img/Windenergie_Report_2008.pdf
[9] Manwell, J.F.; McGowan, J.G.; Rogers, A.L.: Wind Energy Explained - Theory, Design and Application; Chichester; Wiley; 2009
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Photovoltaikanlagen auf Freiflächen
Photovoltaikanlagen wandeln in Photovoltaikmodulen solare Strahlung direkt in elektrische Energie um. Der erzeugte Gleichstrom wird in einem Wechselrichter zu Wechselstrom umgerichtet und kann dann in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die Stromerzeugung erfolgt ungeregelt in Abhän-gigkeit des Strahlungsangebots. Photovoltaikanlagen gehören daher wie Windkraftanlagen zu den fluktu-ierenden Stromerzeugern. Wenn eine Netzüberlastung nicht anders zu verhindern ist, dürfen Netzbe-treiber die Einspeisung von Photo-voltaikanlagen reduzieren. Freiflä-chenanlagen sind auf Grund der verfügbaren Fläche meist leistungs-stärker als Dachflächenanlagen. Durch Nachführsysteme, die die Photovoltaikmodule optimal aus-richten, kann die erzeugte Strom-menge deutlich gesteigert werden.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
0,22 GW (2015) [1] 3,6 GW (2012) [2] 0,2 GW (2005) [2]
Werte für 2005 und 2012 Dach- und Freiflächenanlagen
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
0,18 TWh (2015) [1] 2,9 TWh (2012) [2] 0,1 TWh (2005) [2]
Werte für 2005 und 2012 Dach- und Freiflächenanlagen
Technische Daten
typische Anlagengröße bis > 100 MW großes Leistungsspektrum durch modula-re Bauweise möglich
Primärenergieträger Solare Strahlung
Umwandlungskette Strahlung-Elektrisch inkl. Umwandlung von Gleich- in Wech-selstrom
Generatortyp -
elektrischer Wirkungs-grad
16 – 25 % [3] 7 – 20 % [3]
Kristalline Zellen Dünnschichtzellen
Gesamtwirkungsgrad -
Eigenverbrauch der An-lage
- geringer Strombedarf für Standbybetrieb der Anlage
Eigenstromnutzung -
Lastgradient - Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot
Kaltstartzeit 0 h Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Heißstartzeit 0 h Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot
Minimallast 0 %
Mindestbetriebszeit 0 h
Mindeststillstandszeit 0 h
Anlagenverfügbarkeit ca. 95 % [4]
Vorrangige Betriebszei-ten
nach Strahlungsange-bot
zeitliche Entkopplung durch Einsatz von Speichern möglich
Lebensdauer 20 – 30 Jahre [5]
Netzanschlussebene Nieder- und Mit-telspannung je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
strahlungsreiche Standorte
Vergütung nach EEG nur bei Aufstellung auf vorbelasteten Flächen möglich
Wirtschaftliche Kennwerte
Investitionskosten 1 360 €/kWp (2011)[7] 810 €/kWp (2017) [7]
Systempreise; Prognosewert für 2017
fixe Betriebskosten ca. 1 %€invest/a [5]
variable Betriebskosten - nur fixe Betriebskosten
Treibhausgasemissionen 55 g/kWh (2013) [6] multikristalline Zelle; gesamter Lebens-zyklus; CO2-Äquivalent
Literatur
[1] Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie: EnergyMap; 2015; energymap.info [2] Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz
des Landes Nordrhein-Westfalen: EnergieDaten.NRW 2014; http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf
[3] DIW: Current and Prospective Costs of Electricity Generation until 2050; http://www.diw.de/documents/publikationen/73/diw_01.c.424566.de/diw_datadoc_2013-068.pdf
[4] Jahn, Ulrike: Photovoltaik-Anlagen – Bewährung und Herausforderung; 2003 [5] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in
Deutschland; Stand 22.04.2016 [6] Umweltbundesamt: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger; 2014 [7] EuPD Research: Die Zukunft des PV-Freiflächensegments in Deutschland; 2012
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Photovoltaikanlagen auf Dachflächen
Photovoltaikanlagen wandeln in Photovoltaikmodulen solare Strahlung direkt in elektrische Energie um. Der erzeugte Gleichstrom wird in einem Wechselrichter zu Wechselstrom umgerichtet und kann dann in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die Stromerzeugung erfolgt ungeregelt in Abhängigkeit des Strahlungsangebots. Photovoltaikanlagen gehören daher wie Windkraftanlagen zu den fluktuierenden Stromerzeugern. Wenn eine Netzüberlastung nicht anders zu verhindern ist, dürfen Netzbetreiber die Einspeisung von Photovoltaikanlagen reduzieren.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
3,9 GW (2015) [1] 3,6 GW (2012) [2] 0,2 GW (2005) [2]
Werte für 2005 und 2012 Dach- und Freiflächenanlagen
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
3,2 TWh (2015) [1] 2,9 TWh (2012) [2] 0,1 TWh (2005) [2]
Werte für 2005 und 2012 Dach- und Freiflächenanlagen
Technische Daten
typische Anlagengröße < 1 bis > 100 kW begrenzt durch verfügbare Dachfläche Primärenergieträger Solare Strahlung
Umwandlungskette Strahlung-Elektrisch inkl. Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom
Generatortyp -
elektrischer Wirkungsgrad
16 – 25 % [3] 7 – 20 % [3]
Kristalline Zellen Dünnschichtzellen
Gesamtwirkungsgrad -
Eigenverbrauch der Anlage
-
Eigenstromnutzung 20 – 40 % [8] ohne Speicher; je nach Anlagengröße und Stromverbrauch des Gebäudes
Lastgradient - Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot
Kaltstartzeit 0 h Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot
Heißstartzeit 0 h Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot
Minimallast 0 %
Mindestbetriebszeit 0 h
Mindeststillstandszeit 0 h
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Anlagenverfügbarkeit ca. 95 % [5]
Vorrangige Betriebszeiten
nach Strahlungsangebot
zeitliche Entkopplung durch Einsatz von Speichern möglich
Lebensdauer 20 – 30 Jahre [6]
Netzanschlussebene Nieder- und Mittelspannung
je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
nach Süden aus-gerichtete Dachflächen
Wirtschaftliche Kennwerte
Investitionskosten 1 300 €/kWp (2015)[6] 2 800 €/kWp (2010)[6]
netto Endkundensystempreis
fixe Betriebskosten ca. 1 %€invest/a [6]
variable Betriebskosten - nur fixe Betriebskosten
Treibhausgasemissionen 55 g/kWh (2013) [7] multikristalline Zelle; gesamter Lebenszyklus; CO2-Äquivalent
Literatur
[1] Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie: EnergyMap; 2015; energymap.info [2] Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz
des Landes Nordrhein-Westfalen: EnergieDaten.NRW 2014; http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf
[3] DIW: Current and Prospective Costs of Electricity Generation until 2050; http://www.diw.de/documents/publikationen/73/diw_01.c.424566.de/diw_datadoc_2013-068.pdf
[4] Quaschning, Volker: Solare Unabhängigkeitserklärung; Photovoltaik; 2012 [5] Jahn, Ulrike: Photovoltaik-Anlagen – Bewährung und Herausforderung; 2003 [6] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in
Deutschland; Stand 22.04.2016 [7] Umweltbundesamt: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger; 2014 [8] C.A.R.M.E.N. e.V.: Photovoltaikanlagen – Eigenverbrauch, Speicherung und
Vermarktung; 2014; https://www.carmen-ev.de/files/Sonne_Wind_und_Co/Sonne/Photovoltaikanlagen_klein.pdf
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Biogasanlage
Eine Biogasanlage dient der Produktion von Biogas aus Biomasse durch anaerobe Vergärung. Die Anlage besteht in der Regel aus einem oder mehreren Fermentern (Bioreaktoren) mit Substrat-eintragssystem, einem Gasspeicher (zum Beispiel als Gasspeicherdach im Fermenter integriert), der Gasverwer-tung durch ein Blockheizkraftwerk und dem Gärrestlager. Eine Alternative zur Nutzung des Biogases als Brennstoff für ein Blockheizkraftwerk ist die Aufbereitung zu Biomethan mit Einspeisung in das Erdgasnetz. Biogas ist ein gut speicherbarer erneuerbarer Energieträger. Biogasanlagen können flexibel betrieben werden und sowohl Gas- als auch Strom- und Wärmebereitstellung an den jeweiligen Bedarf anpassen.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW 289 MW (2015) [1]
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
2 200 GWh (2013) [2] 1 900 GWh (2012) [2] 1 600 GWh (2011) [2]
Technische Daten
typische Anlagengröße < 100 kW – 1 MW [1]
Primärenergieträger Biomasse
Einsatz verschiedener Arten feuchter Biomasse möglich. Häufig Ganzpflanzensilagen (Mais, Roggen), Zuckerrüben, Gülle
Umwandlungskette Biologisch-Thermisch-Kinetisch-Elektrisch
Umwandlungskette einschließlich der Nutzung in einem BHKW
Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator gilt für das BHKW
elektrischer Wirkungsgrad
25 – 43 % [3] gilt für das BHKW
Gesamtwirkungsgrad 86 – 104 % [3] gilt für das BHKW
Eigenverbrauch der Anlage ca. 3 – 8 % bezogen auf die elektrische Leistung
Eigenstromnutzung - -
Lastgradient - Biogasanlagen werden bei konstanter Last betrieben
Quelle: Biomassepotenzialstudie NRW – Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW, Teil 3 - Biomasse-Energie, LANUV, 2013
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Kaltstartzeit ca. 5 d
bezieht sich auf das Hochfahren des biologischen Prozesses bei betriebswarmer Anlage (ca. 38°C) und aktiver Biomasse
Heißstartzeit ca. 30 d bezieht sich auf das Hochfahren des biologischen Prozesses bei kalter Anlage (20°C) und aktiver Biomasse
Minimallast - Biogasanlagen werden bei konstanter Last betrieben
Mindestbetriebszeit
Mindeststillstandszeit
Anlagenverfügbarkeit bis 8 760 h/a
Vorrangige Betriebszeiten
ganzjährig zeitliche Entkopplung von Gasproduktion und Gasnutzung durch Gasspeicher oder Gaseinspeisung
Lebensdauer 20 – 30 a
Netzanschlussebene
Niederspannungsstrom-netz/Mittelspannungs-stromnetz oder Nieder-/Mitteldruckgasnetz
je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
Nähe zu verfügbaren Substraten, ggf. Anschluss Gasnetz; Nähe zum Wärmeverbraucher
Wirtschaftliche Kennwerte Investitionskosten 4 000 – 6 000 €/kW je nach Leistungsgröße
fixe Betriebskosten -
variable Betriebskosten 150 – 300 €/MWhel [4] einschließlich Biomassekosten
Treibhausgasemissionen 205 – 470 gCO2/kWhel
[5]
abhängig von den genutzten Einsatzstoffen und dem Wärmenutzungsgrad
Literatur
[1] Landwirtschaftskammer NRW: Auswertung der Biogasanlagen-Betreiberdatenbank 2015; https://www.landwirtschaftskammer.de/landwirtschaft/technik/biogas/pdf/biogas-nrw-abbildungen.pdf
[2] Energiestatistik-NRW.de; http://www.energiestatistik-nrw.de/themen/regenerative-energien/nutzung-ausbau
[3] ASUE: BHKW Kenndaten 2011; 2011 [4] FNR, Faustzahlen Biogas; http://biogas.fnr.de/daten-und-fakten/faustzahlen/ [5] Umweltbundesamt: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger; 2014
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Holzheizkraftwerk
Holzheizkraftwerke mit Wasserdampfkreislauf basieren auf Standardtechnologie aus der Kraftwerks-technik. Primärer Konversionsschritt ist die Biomasseverbrennung, während die Wandlung der thermischen in mechanische (und damit elektrische) Energie auf dem thermodynamischen Kreis-prozess mit Wasserdampf beruht.
Der Verbrennungsschritt kann in unterschiedlichen Technologien ausgeführt werden. Dazu zählen insbesondere verschiedene Ausführungen von Rost- und Wirbelschichtfeuerungen einschließlich verschiedener Beschickungsverfahren. In der Regel wird die Verbrennung zur Emissionsbegrenzung gestuft durchgeführt.
Je nach Ausführung der Anlage kommen noch effizienzsteigernde Einheiten (wie Luftvorwärmung) oder ergänzende Abgasreinigungs-maßnahmen hinzu.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
212 MW (2014) [1]
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
1,6 TWh (2013) [2] 1,5 TWh (2012) [2] 0,7 TWh (2005) [2]
Werte für feste Biomasse (Holzheizkraftwerke einschließlich Holzvergasungsanlagen)
Technische Daten
typische Anlagengröße 5 MW – 20 MW [1]
Primärenergieträger Biomasse Frischholz und Altholz
Umwandlungskette Chemisch-Thermisch-Kinetisch-Elektrisch
Umwandlungskette einschließlich der Nutzung in einem BHKW
Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator gilt für die Dampfturbine
elektrischer Wirkungsgrad
24 % [4]
Gesamtwirkungsgrad
Eigenverbrauch der Anlage
Eigenstromnutzung -
Lastgradient 30 % PN/h [1]
Kaltstartzeit Mehrere Stunden [1]
Heißstartzeit Wenige Stunden [1]
Minimallast
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Mindestbetriebszeit
Mindeststillstandszeit
Anlagenverfügbarkeit bis 8 300 h/a [1]
Vorrangige Betriebszeiten
ganzjährig
Lebensdauer 35 a [4]
Netzanschlussebene Nieder-/Mittelspannungsstromnetz
je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
Nähe zu verfügbaren Substraten; Nähe zum Wärmeverbraucher
Wirtschaftliche Kennwerte Investitionskosten 3000 – 4000 €/kW [1] je nach Leistungsgröße
fixe Betriebskosten -
variable Betriebskosten 54 – 60 €/ MWhel [3] Biomassekosten
Treibhausgasemissionen 4,2 – 58,9 gCO2/kWhe
[5] abhängig von der Art der eingesetzten Substrate und dem Wärmenutzungsgrad
Literatur
[1] Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ): Stromerzeugung aus Biomasse. Zwischenbericht, Leipzig, Juni 2013.
[2] Energiestatistik-NRW.de; http://www.energiestatistik-nrw.de/themen/regenerative-energien/nutzung-ausbau
[3] Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina; acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften; Union der deutschen Akademien der Wissenschaften; Flexibilitätskonzepte für eine nachhaltige Energieversorgung; 2016
[4] Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung(IER): Lebenszyklusanalyse ausgewählter Stromerzeugungstechniken, 2007
[5] Umweltbundesamt: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger; 2014
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Holzvergasungsanlage
Bei der Vergasung wird meistens feste, vorzugsweise holzartige Biomasse unter Zuhilfenahme eines gasförmigen Vergasungsmittels bei hohen Temperaturen im Bereich um 900 °C in einen gasförmigen Energieträger, das sogenannte Synthesegas, umgewandelt. Das Synthesegas als Zwischenenergieträger besteht im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Zielkomponenten sowie Wasserdampf und Kohlendioxid als Koppelprodukte der Vergasung und weiteren – mehr oder weniger nutzbaren – Bestandteilen, von denen Methan der häufigste und noch am besten nutzbare ist. Außerdem kann je nach Wahl des Vergasungsmittels noch ein hoher Anteil von Stickstoff (bis zu 50 Prozent) im Synthesegas enthalten sein.
Abhängig von der späteren Nutzung des so erzeugten Synthesegases und der Leistungsgröße der Anlage unterscheiden sich die eingesetzten Reaktortypen und Vergasungsmittel stark, sodass es bisher in diesem Bereich keine Standardkonfiguration gibt. Für kleine Leistungen unter einer Feuerungsleistung von etwa 1 MW (entsprechend ca. 250 kg/h Holz-hackschnitzel mit einem Wasser-gehalt von ca. 20 bis 25 Prozent) haben sich die Festbettreaktoren etabliert [1]. Im mittleren Bereich der Feuerungsleistung zwischen 1 MW und rund 250 MW werden im Allgemeinen verschiedene Wirbelschichtsysteme eingesetzt, während bei Anlagen mit einer Feuerungsleistung deutlich über 100 MW Flugstromvergaser bevorzugt eingesetzt werden.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
3 MW (2011) [2] -
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
- -
Technische Daten
typische Anlagengröße 45 – 200 kWel [3] 1 – 20 MWFWL [3]
kleine Anlagen marktverfügbar große Anlagen in der Regel Pilotanlagen
Primärenergieträger Biomasse Frischholz und Altholz
Umwandlungskette Chemisch-Thermisch-Kinetisch-Elektrisch
Umwandlungskette einschließlich der Nutzung in einem BHKW
Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator
gilt für das BHKW
elektrischer Wirkungsgrad 18 – 33 % [3] -
Gesamtwirkungsgrad - -
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Eigenverbrauch der Anlage
- -
Eigenstromnutzung - -
Lastgradient - -
Kaltstartzeit 2 – 48 h [3] Kleinanlagen schnell, Großanlagen wegen Ausmauerung deutlich langsamer
Heißstartzeit 0,25 – 1 h [3]
Minimallast - -
Mindestbetriebszeit - -
Mindeststillstandszeit - -
Anlagenverfügbarkeit 4 000 – 8 200 h/a [3] -
Vorrangige Betriebszeiten
ganzjährig zeitliche Entkopplung von Gasproduktion und Gasnutzung durch Gasspeicher
Lebensdauer > 20 a [3] -
Netzanschlussebene Niederspannungs- oder Mittelspannungsstromnetz
abhängig von der Anlagengröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
Nähe zu verfügbaren Substraten; Nähe zum Wärmeverbraucher
-
Wirtschaftliche Kennwerte
Investitionskosten 3 500 – 10 000 €/kW [2]
Holzvergasung zur Stromerzeugung (Stromerzeuger inklusive)
fixe Betriebskosten 2 – 3 % [3] Wartungskosten in Prozent von den Investitionen / a
variable Betriebskosten 110 – 200 €/ MWhel [2]
Biomassekosten
Treibhausgasemissionen 80 – 180 gCO2/kWhel [4] berechnet für kleine Vergasungsanlagen
Literatur
[1] Zeymer et al. 2013; Zeymer, M./Herrmann, A./Oehmichen, K./Schmersahl, R./Schneider, R./Heidecke, P./He, L./Volz, F.: „Kleintechnische Biomassevergasung − Option für eine nachhaltige und dezentrale Energieversorgung“. In: DBFZ-Report 18, November 2013.
[2] Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ): Monitoring zur Wirkung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse, Leipzig, März 2012.
[3] Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina; acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften; Union der deutschen Akademien der Wissenschaften; Flexibilitätskonzepte für eine nachhaltige Energieversorgung; 2016
[4] DBFZ Report Nr. 18 Kleintechnische Biomassevergasung: Option für eine nachhaltige und dezentrale Energieversorgung; 2013
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Dampfkraftwerk
Wasser wird in einem Kessel erhitzt und verdampft. Der unter Druck stehende Dampf wird über eine Turbine entspannt und treibt darüber den Generator an. Die Wärmezufuhr erfolgt in Dampfkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung vor allem durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas. Die Abwärme wird für die Vorwärmung der Verbrennungsluft und ggf. für die Trocknung des Brennstoffes genutzt. Außerdem wird bei KWK-Anlagen die Wärme außerhalb des Kraftwerkes z.B. für Prozess- oder Raumwärme genutzt.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
6,5 GW (2015) [1] (1,5 GW (2015)) [1]
nach KWKG zugelassene Dampfturbinen-anlagen; in Klammern Anlagen <100MW
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
134,7 TWh (2013) [12] 136,7 TWh (2005) [12] 143,4 TWh (1990) [12]
Strom aus Stein- und Braunkohle; keine Unterscheidung nach Kraftwerkstechnologie
Technische Daten
typische Anlagengröße 100 – 1 000 MW [2] deutlich kleinere Anlagen vorhanden
Primärenergieträger v.a. Braun-, Steinkohle in NRW
Umwandlungskette Chemisch-Thermisch-Kinetisch-Elektrisch
Generatortyp Synchrongenerator
elektrischer Wirkungsgrad
38 – 46 % [3][4] 35 – 43 % [3][4]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
Gesamtwirkungsgrad - abhängig von der Menge an ausgekoppelter Wärme
Eigenverbrauch der Anlage
8 – 14 % [5] 4,5 - 6 % [5]
Steinkohlekraftwerk Braunkohlekraftwerk
Eigenstromnutzung -
Lastgradient 0,6 – 8 % PN/min [5]
Kaltstartzeit 6 – 8 h [6] 9 – 15 h [6]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
Heißstartzeit 2 – 4 h [7] 4 – 6 h [7]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
Minimallast 30 – 40 % [7][8] 50 – 60 % [7][8]
Verbesserung des Teillastverhaltens durch Einsatz mehrerer kleinerer Turbinen
Mindestbetriebszeit 3 – 4 h [8][9] 5 – 6 h [8][9]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
Mindeststillstandszeit 2 – 3 h [8][9] 6 – 8 h [8][9]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Anlagenverfügbarkeit 82 – 92 % [5] 85 – 95 % [5]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
Vorrangige Betriebszeiten
Strombedarfsorientiert; KWK-Anlagen während der Heizperiode
bei KWK-Anlagen zeitliche Entkopplung vom Wärmebedarf durch Wärmespeicher möglich
Lebensdauer 35 – 45 Jahre [5]
Netzanschlussebene bis zu 380 kV [2] je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
an Wasserwegen; tlw. Nähe zu Brennstoffgewinnung
abhängig von Brennstoff und Wärmenutzung
Wirtschaftliche Kennwerte Investitionskosten 1 200 - 2 700 €/kW [5]
fixe Betriebskosten 24 – 47 €/kWela [5] 28 – 37 €/kWela [5]
Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke
variable Betriebskosten 3 – 12 €/MWhel [5] von Brennstoffkosten abhängig
Treibhausgasemissionen 919 gCO2Äq/kWhel [12] 1 070 gCO2äq/kWhel [12]
Steinkohlekraftwerk Braunkohlekraftwerk
Literatur
[1] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: Liste der nach KWKG zugelassene KWK-Anlagen
[2] Bundesnetzagentur: Kraftwerksliste Stand 10.05.2015 [3] Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS): CO2-Emissionsgrenzwerte für
Kraftwerke, 2014 [4] Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung(IER):
Lebenszyklusanalyse ausgewählter Stromerzeugungstechniken, 2007 [5] DIW: Current and Prospective Costs of Electricity Generation until 2050;
http://www.diw.de/documents/publikationen/73/diw_01.c.424566.de/diw_datadoc_2013-068.pdf
[6] Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme: Kohleverstromung zu Zeiten niedriger Börsenstrompreise; 2013
[7] VDE: Erneuerbare Energie braucht flexible Kraftwerke – Szenarien bis 2020 [8] Steck, Michael; Mauch, Wolfgang (Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.):
Technische Anforderungen an neue Kraftwerke im Umfeld dezentraler Stromerzeugung, 2008
[9] Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung: Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsportfolio; 2009
[10] KW21 – Kraftwerke des 21. Jahrhunderts Arbeitskreis Energiewirtschaft: Integration und Bewertung erzeuger- und verbraucherseitiger Energiespeicher
[11] Deutsche Energie-Agentur GmbH: Kurzanalyse der Kraftwerksplanung in Deutschland bis 2020 (Aktualisierung), 2010
[12] Umweltbundesamt: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger; 2014 [13] Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz
des Landes Nordrhein-Westfalen: EnergieDaten.NRW 2014; http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Gasturbinenkraftwerk
Außenluft wird angesaugt und vor der Brennkammer verdichtet. Dort wird Brennstoff zur verdichteten Luft beigemischt und verbrannt, wodurch sich das Gemisch ausdehnt. Die Volumenänderung wird genutzt, um eine Turbine anzutreiben. Die Turbine treibt neben dem Generator auch den, auf derselben
Welle montierten Verdichter an. Das Starten des Prozesses kann auch ohne Verfügbarkeit des allgemeinen Versorgungsnetzes z.B. durch Verwendung eines Dieselmotors erfolgen. Gasturbinen werden daher auch als schwarzstartfähig bezeichnet. Die im Kraftwerksprozess anfallende Abwärme kann z.B. über ein Fernwärmenetz einer externen Nutzung zugeführt werden. Auf Grund der sehr hohen Lastgradienten und hohen Brennstoffkosten sind Gasturbinen besonders gut für die Deckung von kurzen Spitzenlasten
geeignet. Verbesserungen des Wirkungsgrades werden vor allem durch die Nutzung der Abwärme zur Stromerzeugung in einem Dampfprozess (GuD-Kraftwerk) erreicht.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW
7,5 GW (2013) [8] 5,2 GW (2005) [8]
Strom aus Gasen; keine Unterscheidung nach Kraftwerkstechnologie
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
13,7 TWh (2013) [8] 20,3 TWh (2005) [8] 20,4 TWh (1990) [8]
Strom aus Erdgas; keine Unterscheidung nach Kraftwerkstechnologie
Technische Daten
typische Anlagengröße 50 – 400 MW [1] kleinere Anlagen vorhanden; Mikrogasturbinen im kW-Bereich verfügbar
Primärenergieträger Erdgas, Schwachgas, flüssige Brennstoffe
Umwandlungskette Chemisch-Thermisch-Kinetisch-Elektrisch
Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator
elektrischer Wirkungsgrad
35 – 46 % [2] (53 – 60 %) [2]
Werte für GuD in Klammern, Wirkungsgradsteigerung durch vermehrten Einsatz von GuD-Anlagen
Gesamtwirkungsgrad 80 – 90 % [7] abhängig von der Menge an ausgekoppelter Wärme
Eigenverbrauch der Anlage
1 – 3 % [2]
Eigenstromnutzung -
Lastgradient 8 – 20 % PN/min [2]
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Kaltstartzeit 0,1 – 0,5 h [3][4] nur Gasturbine
Heißstartzeit 0,1 – 0,25 h[3][4] nur Gasturbine
Minimallast 40 – 50 % [3][5] Verbesserung des Teillastverhaltens durch Einsatz mehrerer kleinerer Turbinen
Mindestbetriebszeit 0,25 – 1 h [5][6]
Mindeststillstandszeit 0 – 0,25 h [5][6]
Anlagenverfügbarkeit 85 – 90 % [2] ohne GUD
Vorrangige Betriebszeiten
technisch keine Einschränkungen; als KWK-Anlage während der Heizperiode
bei KWK zeitliche Entkopplung vom Wärmebedarf durch Wärmespeicher möglich
Lebensdauer 25 – 30 Jahre [2] abhängig von Betriebsstunden und Anzahl Starts
Netzanschlussebene 400 V – 380 kV je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
Anschluss Gasnetz; Nähe zum Wärmeverbraucher
abhängig von Brennstoff und Wärmenutzung
Wirtschaftliche Kennwerte
Investitionskosten 380 – 800 €/kW [2] (625 – 1 210 €/kW) [2] Werte für GuD in Klammern
fixe Betriebskosten 9 – 20 €/kWela [2] GuD im oberen Bereich
variable Betriebskosten 1,2 – 4 €/MWhel [2] stark von Brennstoffkosten abhängig
Treibhausgasemissionen 377 gCO2Äq/kWhel [9] GUD-Heizkraftwerk; nur strombezogener Anteil
Literatur
[1] Bundesnetzagentur: Kraftwerksliste Stand 10.05.2015 [2] DIW: Current and Prospective Costs of Electricity Generation until 2050;
http://www.diw.de/documents/publikationen/73/diw_01.c.424566.de/diw_datadoc_2013-068.pdf
[3] VDE: Erneuerbare Energie braucht flexible Kraftwerke – Szenarien bis 2020 [4] Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE): Kohleverstromung zu Zeiten niedriger
Börsenstrompreise, 2013 [5] Steck, Michael; Mauch, Wolfgang (Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.):
Technische Anforderungen an neue Kraftwerke im Umfeld dezentraler Stromerzeugung, 2008
[6] Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung(IER): Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsportfolio, 2009
[7] Unabhängiges Institut für Umweltfragen e.V.: Informationssammlung zur KWK; http://www.ufu.de/media/content/files/Fachgebiete/Klimaschutz/KWK/kwk_informationssammlung.pdf
[8] Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen: EnergieDaten.NRW 2014; http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf
[9] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und –strategien: Globales Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS); 2015
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Blockheizkraftwerk
Blockheizkraftwerke (BHKW) erzeugen gleichzeitig Wärme und Strom. Sie sind modular aufgebaut und besitzen eine im Vergleich zu anderen Stromerzeugern relativ kleine Leistung. Die Hauptkomponenten sind der Motor, der Generator und der Wärmetauscher für die Auskopplung der Wärme. Als Antriebseinheit wird meist ein Otto- oder Dieselmotor verwendet. Auch andere Technologien wie Stirling-motoren und (Mikro-)gasturbinen werden eingesetzt.
Kenndaten NRW
Installierte Leistung NRW 742 MW (2015) [1] nach KWKG zugelassene BHKW-Anlagen
Produzierte elektrische Energiemenge NRW
13,7 TWh (2013) [6] 20,3 TWh (2005) [6] 20,4 TWh (1990) [6]
Strom aus Erdgas; keine Unterscheidung nach Kraftwerkstechnologie
Technische Daten
typische Anlagengröße < 1 kW – 10 MW [1] vereinzelt auch Anlagen über 10 MW
Primärenergieträger Erdgas, Schwachgas, flüssige Brennstoffe
Umwandlungskette Chemisch-Thermisch-Kinetisch-Elektrisch
Generatortyp Synchron- oder Asynchrongenerator
elektrischer Wirkungsgrad
25 – 43 % [3] große Anlagen tendenziell höhere elektrische und geringere Gesamtwirkungsgrade
Gesamtwirkungsgrad 86 – 104 % [3]
hohe Gesamtwirkungsgrade durch Niedertemperaturwärmeauskopplung und Nutzung der Kondensationswärme des Abgases möglich.
Eigenverbrauch der Anlage -
Angabe der Netto-Leistung; Nettowirkungsgrad
Eigenstromnutzung 0 – 100 % abhängig von Betriebsweise und zeitlichem Zusammenhang von Anlagenleistung und Strombedarf
Lastgradient 8-20 % PN/min [2] bei laufender Anlage
Kaltstartzeit < 0,1 h [2] bei langen Stillstandszeiten mögl. länger
Heißstartzeit < 0,1 h [2]
Virtuelles Institut „Transformation – Energiewende NRW“ – Stromerzeuger Steckbrief
Minimallast 50 % [2]
Mindestbetriebszeit < 0,1 h häufiges Einschalten führt zu verkürzter Lebensdauer
Mindeststillstandszeit < 0,1 h häufiges Einschalten führt zu verkürzter Lebensdauer
Anlagenverfügbarkeit bis 95 % Herstellerinformation
Vorrangige Betriebszeiten
zur Zeit v.a. wärmegeführt während der Heizperiode
aus technischer Sicht keine Einschränkung; bei KWK zeitliche Entkopplung vom Wärmebedarf durch Wärmespeicher möglich;
Lebensdauer 25 000 – 120 000 Bh [3]
Betriebsstunden bis Generalüberholung; bei 5 000 - 8 000 Bh/a: ca. 5 - 15 Jahre
Netzanschlussebene Niederspannung (Mittelspannung für größere Anlagen) [4]
je nach Leistungsgröße
Rahmenbedingungen bei der Aufstellung
Anschluss Gasnetz; Nähe zum Wärmeverbraucher
abhängig von Brennstoff und Wärmenutzung
Wirtschaftliche Kennwerte Investitionskosten 1 200 - 2 500 €/kW [3] je nach Leistungsgröße
fixe Betriebskosten - in variablen Kosten enthalten, da größter Kostenanteil variabel
variable Betriebskosten 5 – 40 €/MWhel [3] je nach Leistungsgröße
Treibhausgasemissionen 414 gCO2Äq/kWhel [5] 440 gCO2Äq/kWhel [5]
BHKW Erdgas: 500 kW (oben), 50 kW (unten); nur strombezogener Anteil
Literatur
[1] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: Liste der nach KWKG zugelassene KWK-Anlagen
[2] Fraunhofer IWES: Kurzstudie zum Thema Effekte des Ausgleichs von Stromdefiziten durch Biogasanlagen; 2014
[3] ASUE: BHKW Kenndaten 2011; 2011 [4] ASUE: BHKW Grundlagen, 2010 [5] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien: Globales Emissions-
Modell integrierter Systeme (GEMIS); 2015 [6] Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des
Landes Nordrhein-Westfalen: EnergieDaten.NRW 2014; http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf