Technologie-Steckbriefe »Dezentrale Energi e- technologien« · Windkraftanlagen wandeln Luftbewegungen in elektrische Energie um. Sie bestehen aus einem Mast an dem der Rotor ,

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.

http://www.vi-transformation.de/cluster-tii/

http://www.energieatlasnrw.de/

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.

http://maps4use.de/anwendungsbeispiele/

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]


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

http://www.energiestatistik-nrw.de/medien/downloads/EnergieDaten.NRW_2014.pdf

http://www.diw.de/documents/publikationen/73/diw_01.c.424566.de/diw_datadoc_2013-068.pdf


http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/Wind_2013_Roadmap.pdf

https://www.energie-cluster.ch/admin/data/files/file/file/1129/2016-02-27-kosten-windenergie-onshore.pdf?lm=1456508411

https://www.energie-cluster.ch/admin/data/files/file/file/1129/2016-02-27-kosten-windenergie-onshore.pdf?lm=1456508411

http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/opencms/export/sites/windmonitor/img/Windenergie_Report_2008.pdf

http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/opencms/export/sites/windmonitor/img/Windenergie_Report_2008.pdf


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


0,22 GW (2015) [1] 3,6 GW (2012) [2] 0,2 GW (2005) [2]

Werte für 2005 und 2012 Dach- und Freiflächenanlagen


0,18 TWh (2015) [1] 2,9 TWh (2012) [2] 0,1 TWh (2005) [2]


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


Eigenverbrauch der An-lage

- geringer Strombedarf für Standbybetrieb der Anlage

Eigenstromnutzung -

Lastgradient - Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot

Kaltstartzeit 0 h Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot


Heißstartzeit 0 h Leistungsänderung verzögerungsfrei nach Strahlungsangebot

Minimallast 0 %



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


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




[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



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


3,9 GW (2015) [1] 3,6 GW (2012) [2] 0,2 GW (2005) [2]



3,2 TWh (2015) [1] 2,9 TWh (2012) [2] 0,1 TWh (2005) [2]


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


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 %




Anlagenverfügbarkeit ca. 95 % [5]

Vorrangige Betriebszeiten

nach Strahlungsangebot

zeitliche Entkopplung durch Einsatz von Speichern möglich


Netzanschlussebene Nieder- und Mittelspannung

je nach Leistungsgröße


nach Süden aus-gerichtete Dachflächen


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




[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


https://www.carmen-ev.de/files/Sonne_Wind_und_Co/Sonne/Photovoltaikanlagen_klein.pdf

https://www.carmen-ev.de/files/Sonne_Wind_und_Co/Sonne/Photovoltaikanlagen_klein.pdf


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]


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


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


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


ganzjährig zeitliche Entkopplung von Gasproduktion und Gasnutzung durch Gasspeicher oder Gaseinspeisung

Lebensdauer 20 – 30 a

Netzanschlussebene

Niederspannungsstrom-netz/Mittelspannungs-stromnetz oder Nieder-/Mitteldruckgasnetz



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


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


212 MW (2014) [1]


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


Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator gilt für die Dampfturbine


24 % [4]

Gesamtwirkungsgrad


Eigenstromnutzung -

Lastgradient 30 % PN/h [1]

Kaltstartzeit Mehrere Stunden [1]

Heißstartzeit Wenige Stunden [1]

Minimallast


Mindestbetriebszeit

Mindeststillstandszeit

Anlagenverfügbarkeit bis 8 300 h/a [1]


ganzjährig

Lebensdauer 35 a [4]

Netzanschlussebene Nieder-/Mittelspannungsstromnetz



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


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


3 MW (2011) [2] -


- -

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



Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator

gilt für das BHKW

elektrischer Wirkungsgrad 18 – 33 % [3] -

Gesamtwirkungsgrad - -



- -

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] -


ganzjährig zeitliche Entkopplung von Gasproduktion und Gasnutzung durch Gasspeicher

Lebensdauer > 20 a [3] -

Netzanschlussebene Niederspannungs- oder Mittelspannungsstromnetz

abhängig von der Anlagengröße


Nähe zu verfügbaren Substraten; Nähe zum Wärmeverbraucher

-


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


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


6,5 GW (2015) [1] (1,5 GW (2015)) [1]

nach KWKG zugelassene Dampfturbinen-anlagen; in Klammern Anlagen <100MW


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


Generatortyp Synchrongenerator


38 – 46 % [3][4] 35 – 43 % [3][4]

Steinkohlekraftwerke Braunkohlekraftwerke

Gesamtwirkungsgrad - abhängig von der Menge an ausgekoppelter Wärme


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]


Heißstartzeit 2 – 4 h [7] 4 – 6 h [7]


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]


Mindeststillstandszeit 2 – 3 h [8][9] 6 – 8 h [8][9]



Anlagenverfügbarkeit 82 – 92 % [5] 85 – 95 % [5]



Strombedarfsorientiert; KWK-Anlagen während der Heizperiode

bei KWK-Anlagen zeitliche Entkopplung vom Wärmebedarf durch Wärmespeicher möglich


Netzanschlussebene bis zu 380 kV [2] je nach Leistungsgröße


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]


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;


[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




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


7,5 GW (2013) [8] 5,2 GW (2005) [8]

Strom aus Gasen; keine Unterscheidung nach Kraftwerkstechnologie


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


Generatortyp Synchron oder Asynchrongenerator


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


1 – 3 % [2]

Eigenstromnutzung -

Lastgradient 8 – 20 % PN/min [2]


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


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


Anschluss Gasnetz; Nähe zum Wärmeverbraucher



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;


[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


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


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


Generatortyp Synchron- oder Asynchrongenerator


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]


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


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]



Anschluss Gasnetz; Nähe zum Wärmeverbraucher


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

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Technologie-Steckbriefe »Dezentrale Energi e- technologien« · Windkraftanlagen wandeln Luftbewegungen in elektrische Energie um. Sie bestehen aus einem Mast an dem der Rotor ,