VL_RegEn 1-3

• Sozialverträglichkeit

• Umweltverträglichkeit

• Humanverträglichkeit

• Allen Menschen ist eine menschenwürdige Existenz zu ermöglichen

• Mittel zum Leben sollen allen Menschen zur Verfügung stehen

• Verbrauch an Mitteln zum Leben eines Teils der Menschheit darf nicht auf Kosten des anderen Teils erfolgen

• Globale Gerechtigkeit

  • Konflikte zw. Industrie- und Schwellen- bzw. Entwicklungsländern wegen stark unterschiedlichem Ressourcenverbrauch

  • Verknappung von Ressourcen führt zu Verteuerung -> zusätzliches Entwicklungshindernis

• Generative Gerechtigkeit

  • Künftige Generationen sollten gleiche oder zumindest ähnliche Lebensmöglichkeiten wie die gegenwärtigen vorfinden

• Natürliche Grundlagen des Menschen und aller anderen Lebewesen dürfen nicht gefährdet werden

• Verbrauch an natürlichen Ressourcen und techn. Eingriffe in die Natur dürfen diese nicht dauerhaft überlasten, schädigen oder gar zerstören

• Entwicklungen bzw. Eingriffe, die gravierende negative Auswirkungen zeigen, sollten rückgängig gemacht (zumindest gestoppt) werden können

• Fehlbarkeit und Unvollkommenheit des Menschen müssen berücksichtigt werden

• Anforderungen einer Technik sollten den menschlichen Fähigkeiten und Möglichkeiten entsprechen

• Fehlerfreundlichkeit: Fehler in einem System – egal ob durch technisches oder menschliches Versagen – müssen möglich sein, ohne dass sie zu Katastrophen führen

Primärenergie (PE) ist Energie, die in der Natur vorhanden ist, z.B. in:

• Kohle, Erdgas, Erdöl

  • fossile Energieträger

• Uranerz, Thoriumerz

  • Kernenergie

• Solarstrahlung, Erdwärme, Biomasse, Wind, Wasser

  • regenerative Energieträger

Um Primärenergie besser nutzbar zu machen, wird sie als Sekundärenergie zur Verfügung gestellt

Sekundärenergie ist Energie, die nicht direkt aus der Natur stammt -> umgewandelte primär Energie

• leichter zu nutzen als PE: Transport, Lagerung, Speicherung, Umwandlung

• SE Träger sind elektrischer Strom, Benzin, Diesel, Schweröl, Kohlebriketts, Koks, Brennstäbe für AKWs, Pellets, Holzkohle

  
  

Energie, die beim Verbraucher ankommt, z.B. in Form von:

• Kraftstoffen

• Brennstoffen

• Elektrischen Strom

Vom Verbraucher benötigte Energie

• Wärme

• Kälte

• Mechanische Energie

• Beleuchtung

Die Bereitstellung von PE bis hin zur NE ist mit Verlusten verbunden. D.h. mit der Umwandlung von nutzbarer Energie (Exergie), in nicht nutzbarer Energie (Anergie)

• Carnot Wirkungsgrad: höchster theoretisch möglicher Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie

• Je höher die Temp. differenz desto größer der Wirkungsgrad

• Hauptaufgabe der Energietechnik ist die Umwandlung der verschiedenen Formen und Arten von PE in End- beziehungsweise Nutzenergie

  • Großtechnisch in Kraftwerken über Wärmeenergie als Zwischenform (Verbrennung)

  • andere Möglichkeiten: direkt aus chemischer Energie (Brennstoffzelle) oder direkt aus potenzieller Energie (Windkraft, Wasserkraft)

• Energiewandlung ist mit Verlusten verbunden: Umwandlungsgüte wird durch Wirkungsgrad beschrieben

• Weltweiter PE-Verbrauch ~600 EJ

• Durchschnittliche Jährliche Zunahme seit 2011 ~1,3%

PE-Verbrauch nach Energieträgern:

• Weiterer Anstig um ~27% gegenüber 2017

  • Prognose enthält bereits erhebliche Steigerung der Energieeffizienz

• Entspricht jährl. steigerung von ~1%

• PE-Bedarf in Deutschland: 13 EJ

In Deutschland konnte zuletzt bei einer Steigung des BIP eine gleichzeitige Senkung des PE-Verbrauchs pro Kopf beobachtet werden. Der PE-Verbrauch sinkt bei fortschreitender Substitution von fossil-nuklearen Brennstoffen durch erneuerbare Energien, selbst wenn die gleiche Menge an Strom zur Nutzung bereitgestellt wird.

(statistischer Effekt, resultiert aus Anwendung des Wirkungsgradprinzip)

• Bevölkerungswachstum

• steigender Wohlstand

• im Endeffekt gespeicherte Sonnenenergie

  • Vor Millionen von Jahren v.a. durch abgestorbene Pflanzen gebildet

  • Unter großer Hitze bzw. hohem Druck und unter Luftabschluss wurde aus der Biomasse Stein- und Braunkohle, Torf, Erdöl und Erdgas geformt

• Hauptbestandteil der fossilen Energieträger ist Kohlenstoff (C), der bei der Oxidation mit Sauerstoff (Verbrennung) unter Wärmefreisetzung zu CO2 reagiert.

• Enstehung von großen Mengen

  • CO2

  • SO2

  • NO2

  • Asche, Schlacke

• Zusätzlich entsteht (Fein-)Staub, die Abgase enthalten zusätzlich Schwermetalle, HCl und HF

SO2

• wirkt auf Schleimhäute der Atemwege und Augen. Es führt zum Zusammenbruch des Selbstreinigungs-Mechanismus des Atemsystems, akute und chronische Atemwegserkrankungen sind die Folge

• Der in der Atmosphäre aus SO2 gebildete saure Regen hat negative Auswirkungen auf Ökosysteme, indem er zur Versauerung der Böden und Gewässer beiträgt

• Wird in modernen Kraftwerken durch Rauchgasentschwefelung entfernt -> Abfallprodukt: Gibbs

NO2

• aggressivere NO2 und sein Oxidationsprodukt Salpetersäure dringt bis in die tieferen Lungenregionen ein, was zur Erhöhung des Atmungswiderstandes bis hin zu Atemnot und bis zu Lungenentzündungen führen kann

• Der in der Atmosphäre aus NOx gebildete saure Regen hat negative Auswirkungen auf Ökosysteme, indem er zur Versauerung der Böden und Gewässer beiträgt

• Stickoxide können durch geeignete Maßnahmen bei der Feuerung bzw. durch Abgasnachbehandlung reduziert werden -> Feuerungstemperatur (Fett, Mager)

CO2

• Treibhausgas -> absorbiert Energie der Solarstrahlung im Infrarotbereich und wandelt diese in Wärme um

• Daraus folgt höhere Temperatur der Atmosphäre -> höherer Anteil an Wasserdampf (ebenfalls Treibhausgas), welcher den Effekt weiter verstärkt

• Anstieg des Meeresspiegels

• Veränderung von Niederschlagsmenge und Vertreilung

• Zunahme extremer Wetterphänomene (Dürren und Überschwemmungen, Stürme,…)

  • Veränderung der Lebensbedingungen für Millionen von Menschen

  • Umweltbedingte Migration wird stark zunehmen

• Weniger Süßwasserquellen

• Zunahme von Sturm und Flutkatastrophen

• Rückgang der Nahrungsmittelproduktion

• Nutzung der Energie, die bei Kernspaltung frei wird

  • Mögliche Brennstoffe sind Uran und Thorium

  • Prinzipiell CO2-Neutral (abgesehen von Erzabbau und Anreicherung)

• verbrauchte Brennelemente enthalten weiterhin radioaktives Material (u.a. 239Pu und 235U), das mehrere 100 bis mehrere 1000 Jahre sicher gelagert werden muss

• Im Falle eines Unglücks kann es zu einer weiträumigen Verstrahlung von großen Landstrichen kommen (wie in Tschernobyl oder Fukushima)

• Seit den 1950er Jahren wird an Brutreaktoren geforscht (sog. Generation IV), in denen der nicht nutzbare Anteil des Urans (238U, ca. 99% des Urans) ebenfalls nutzbar gemacht wird

  • Ca. 60 – 300-fach bessere Brennstoffausnutzung

  • Erlaubt die Nutzung des bisherigen Nuklearabfalls

  • Deutlich reduzierte Halbwertszeiten der Zerfallsprodukte (Lagerzeiten ~ 300 Jahre)

Reichweite Uran:

• Statische Reichweite von Uran: ca. 70 – 145 Jahre

• Derzeit liegt der Anteil der Kernenergie am Primärenergieverbrauch bei ca. 4%

• Annahme: 30% des PE-Bedarfs aus Kernenergie für merkliche CO2 Reduktion

  • Statische Reichweite mit Gen3/3+: >10 – 20 Jahre

• Statische Reichweite mit Gen4-Reaktoren theoretisch um Faktor 60 – 300 höher

• Außerdem können Gen4-Reaktoren auch Thorium nutzen

• Zusätzlich geringerer Anfall von radioaktivem Müll mit erheblich kürzerer Halbwertszeit

• ABER: in Brutreaktoren entsteht Plutonium -> Proliferationsgefahr

• Statische Reichweite: Zeitspanne, in der bei aktuellem Verbrauch die bekannten und wirtschaftlich förderbaren Vorkommen (= Reserven) eines nicht erneuerbaren Rohstoffs noch reichen werde

• Dynamische Reichweite: Einbeziehung der (geschätzten) Entwicklung des Verbrauchs

• Ressourcen: Alle nachgewiesenen und vermuteten nutzbaren Vorkommen, auch wenn Sie heute noch nicht wirtschaftlich gewinnbar sind

• Reserven: derjenige Teil der Ressourcen, der derzeit technisch und wirtschaftlich abbaubar ist

Wirtschaftlichkeit durch:

• Bessere/ günstigere Methoden

• Höhere Rohstoffpreise

Risiken:

• Hohe Unsicherheit

• Exploration und Förderung in ökologisch hoch sensiblen Gebieten wie z.B. Arktis

Treibhausgasneutralität bis 2050

Zielvorgabe zur Steigerung der installierten Leistung nicht erreicht -> unter Plan

• bis 2045 Klimaneutralität

• bis 2035 Strom aus erneuerbaren Energien

  • Stand 2023: 550 TWh Strom verbraucht (~52% aus EE)

    • allein 26,8 aus WEA, und 11,9 aus PV

  • Ziel 2030 erwartete 740 TWh (80% gedeckt aus EE)

• 2% des Landes soll mit WEA bedeckt sein

• PV für breite Bevölkerung zugänglich (Föderungen)

• AKW 2024 vom Netz

10,6 EJ PE-Energiebedarf

• ~68% Raumwärme

• ~15% Warmwasser

• im Endenergiemix der Haushalte hat:

  • die Braunkohle und die Steinkohle komplett abgenommen

  • Heizöl abgenommen

  • Gas leicht zugenommen und ist nahezu kostant

  • EE zugenommen

• 46,2% Strom

• 17,4% Wärme

• 6,8% Verkehr

• Anstieg der Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien führt zu Einbrüchen durch Umwelteinflüsse

  • Dunkelflaute

-> Speicher und flexibel regelbare konventionelle Kraftwerke nötig

• Residuallast (lat. Residuum „Rest“)

• bezeichnet die nachgefragte elektrische Leistung abzüglich der Einspeisung von erneuerbaren Erzeugern (Windkraft- oder Photovoltaikanlagen)

• muss durch konventionelle Kraftwerke ausgeglichen werden

• 4 Große Netzbetreiber

• Verschiedene Spannungsnetze für Einspeisung durch Kraftwerke und Verbraucher

• Prognostizierte Schwankung (Tag/ Nacht,…) pro Woche

  • Einkauf von Strommengen an Strombörse

  • Jeweils nächstgünstiges Kraftwerk geht ans Netz

• Nicht-Prognostizierte Schwankung (Wetter, Systemausfall)

  • Ausgleich über Regelenergie, die seperat gehandelt wird -> daher erheblich teurer

  • Zunächst nur Verpflichtung zur Lieferung zusätzlicher elektrischer Energie, die bei Bedarf dann abgerufen wird

  • 4 Regelzonen in DEU, die durch Übertragungsnetzbetreiber betrieben werden

  • Es gibt positive und negative Regelenergie (Regelung der Netzfrequenz)

3 Arten von Regelleistung

• Primärregelleistung -> muss innerhalb von 30sek bereitgestellt werden, für max. 30min

  • Zumeist aus Großkraftwerken

• Sekundärregelleistung -> Bereitstellung innerhalb von 5min

  • z.B. Wasserkraftwerke

• Minutenreserve -> muss innerhalb von 15min abrufbar sein, zur Entlastung von Primär- und Sekundärregelleistung (meist aus Gas bzw. GuD Kraftwerken)

  
  

Dienen als kurzfristige aktivierbare Reserve im Stromnetz der Sicherstellung der Netzfrequenzstabilität. Kann die normale Frequenz von 50 Hz nicht in einem der vier Bundesdeutschen Übertragungsnetze aufgrund von Lastschwankungen gehalten werden, springten sie ein

• Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie passen räumlich teilweise nicht zusammen

  • z.B. Erzeugung von Windstrom in Norddeutschland, Verbrauch jedoch hauptsächlich in Süddeutschland

  • Kann zu einer Überlastung der Übertragungsleitungen führen

• Redispatch – Aktivierung zusätzlicher Kraftwerke in Regionen mit hohem Verbrauch, Abregelung der Anlagen mit hoher Erzeugung

• Bewertung durch Wirkungsgrade bzw. Nutzungsgrade

• Beurteilung der Nachhaltigkeit

  • Von der Gewinnung der Primärenergie über deren Wandlung bis zur Entsorgung

  • Betrachtung der Umweltverträglichkeit

  • Bezieht alle Prozesse und Stoffströme ein

• Gibt das Verhältnis der vorhandenen Energie vor (Index i) und nach (Index j) einem Prozessschritt an

• Im Gegensatz zum Wirkungsgrad wird nicht ein Betriebspunkt betrachtet sondern über einen längeren Zeitraum gemittelt (meist 1 Jahr)

  • Berücksichtigung von Teillastbetrieb und Bereitschaft

Nutzungsgrad:

Gesamtnutzungsgrad:

Ganzheitliche Betrachtung

• Energieeffizienz

  • Verhältnis von Dienstleistungs-, Waren- oder Energieertrag (Output) zur zugeführten Energie (Input)

• Ökobilanz

• Erntefaktor

  • beschreibt das Verhältnis der im Verlaufe der Lebensdauer eines Kraftwerks insgesamt erzeugten Energie zur eingesetzten Energie – einschließlich der zur Herstellung, Entsorgung und anderen Zwecken aufgewendeten Energie

• Externe Kosten

  • Kosten die durch System in Gesellschaft entstehen und getragen werden müssen (z.B. globale Erwärmung)

• analysiert den potentiellen ökonomischen, ökologischen, technischen und sozialen Einfluss von Produkten, Verfahren und Dienstleistungen über den Lebensweg („Cradle-to-Grave“)

• mehrdimensionale Betrachtungsweise

• Einbeziehung aller vor- und nachgelagerten Prozesse zur Bereitstellung von Rohstoffen, Halbzeugen, etc.

• Stellt sicher, dass alle wesentlichen Faktoren innerhalb einer nachhaltigen Entscheidungsfindung betrachtet werden

• Gibt die Gesamtheit des primärenergetisch bewerteten Aufwandes an, der im Zusammenhang mit der Herstellung, Nutzung und Beseitigung eines ökonomischen Gutes (Produkt oder Dienstleistung) entsteht

• Gesamt KEA: Summe der Kumulierten Energieaufwendungen für die Herstellung (KEAH), die Nutzung (KEAN) und die Entsorgung (KEAE) des ökonomischen Gutes

• PE Aufwand für Bau, Betrieb und Entsorgung = Substituierte fossile Energie

  • lässt eine Abschätzung der minimal notwendigen Lebensdauer zu

  • Ernstefaktor mindestens eins

Wirkungsgradmethode:

• international angewandte Methode

• angenommene Wirkungsgrade für PE-Umwandlung:

  • Einsatzmengen der in Feuerungsanlagen verbrannten (fossile) Energieträger mit Heizwert multipliziert

  • Für EE (Strom aus Wind, Wasserkraft oder Photovoltaik) 100 %

  • Für die Geothermie von 10 % und für die Kernenergie von 33 %

• Bedeutung für erneuerbare Energieträger: Berechnung der PE direkt aus der Endenergie

  • Wirkungsgrad von 100% für EE

  • 1kWh Strom aus EE entspricht einem PE-Äquivalent von 1 kWh

  • statistische Effekt überzeichnet den tatsächlichen Verbrauchsrückgang/ dies hat in Zeiten der Energiewende methodenbedingte Verzerrungen bei der Trendbetrachtung zur Folge

Substitutionsmethode:

• alternative Bewertungsmethode

• Strom aus EE, der Strom in konventionellen Kraftwerken ersetzt, substituiert auch deren Brennstoff

• Menge des ersetzten Brennstoffs wird mittels Substitutionsfaktors berechnet

• Entspricht dem Verbrauch an fossilen Brennstoffen zur Stromerzeugung aus diesen Brennstoffen: eta ~ 35%

• Verhältnis der Netto-Energieerzeugung während der Lebensdauer und dem KEA

• Entscheidende Komponente für den Erntefaktor von EE Anlagen ist die Lebensdauer (je länger Strom geliefert wird, desto höher der Erntefaktor)

-> Für fossile Anlagen wird der notwendige Brennstoff in den KEA mit einbezogen, daraus folgt immer ein Erntefaktor E_f<<1

• Stoff- und Energieströme des gesamten Produktsystems, also aller beteiligten Prozesse, werden erfasst und analysiert (Sachbilanz)

  • Emissionen in Luft, Wasser und Boden

  • der Natur entnommene Ressourcen

• Die potenziellen Umwelteffekte wie Treibhauseffekt, Sommersmog, Versauerung, Überdüngung etc. werden anschließend im Rahmen der „Wirkungsabschätzung“ ausgewertet

Erstellung der Ökobilanz:

• Zerlegung des Systems in überschaubare Teilsysteme

  • Prozesse mit Eingangs- und Ausgangsgrößen

    • Elementarflüsse: Stoff- und Energieströme (Input: Strom, Wasser, Luft, …,) (Output: Abgas, Staub, …,)

    • Produktflüsse (Input: Rohmaterial) (Output: Produkt)

Windkraftanlagen:

• Entsorgung der Rotorblätter aus Glasfaser und Kunststoffen, einschließlich Beschichtungen

PV:

• Sehr hoher Energiebedarf bei der Herstellung

• Flächenverbrauch

• Wasserverbrauch

Biomasse:

• Biogas aus Massentierhaltung

• Monokulturen (Mais) mit entsprechendem Pestizideinsatz

• Teller oder Tank

Elektromobilität:

• CO2 Emissionen bei der Herstellung

• Interne Kosten: Fallen beim Produzenten an, werden an Verbraucher weitergegeben (z.B. Arbeitskosten, Kapitalkosten, Brennstoffkosten,…)

• Externe Kosten: gehen nicht in den Produktpreis ein/ werden stattdessen von der Allgemeinheit getragen (Kosten sind nicht im Marktpreis enthalten weil sie nicht vom Verursacher getragen werden -> schwierige Bewertung)

Vermeidungskostenansatz:

• Aufwand zur Vermeidung der externen Kosten (z.B. durch CO2 Abscheidung)

Schadenskostenansatz:

• Schätzung des verursachten Schadens

  • Bei regenerativen Energien: durch Landschaftsverbrauch, Lärm, Auslaufen von Gülle, Dammbruch,…

  • Bei konventionellen Kraftwerken: durch Gesundheitsschäden, Beschädigung von Gebäuden und Materialien, Beeinträchtigung des Ökosystems, Beitrag zum Klimawandel

Bewertung:

• Externe Kosten durch extreme Ereignisse wie Dürren und Überschwemmungen, Stürme, oder sogar singuläre Ereignisse wie ein Zusammenbruch der thermohalinen Zirkulation (z.B. Golfstrom) sind kaum zu erfassen

• Wie bewertet man Menschenleben ?

  • Bewertung des höheren Sterberisikos über die Zahlungsbereitschaft der Gesellschaft für die Verringerung des Risikos

    • Value of statistical life

    • Value of life year cost

Instrumente zum Ausgleich:

• Steuern und Abgaben

• Förderung von Energieeffizienzmaßnahmen und alternativen Energien

• Verkauf von Verschmutzungsrechten

• Theoretisches P.: theoretisch nutzbares Energieangebot, wird allein durch die zwingend gegebenen physikalischen Nutzungsgrenzen bestimmt

• Technisches P.: der Teil des theor. P., der unter Berücksichtigung der geg. technischen Restriktionen nutzbar ist. Außerdem Einbeziehung von strukturellen und gesetzlichen Einschränkungen

• Wirtschaftliches P.: zeit- und ortsabhängiger Anteil des techn. P., der unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Kriterien erschlossen werden kann

• Nachhaltiges P.: nachhaltig aus tech. P. nutzbar

Beispiel: Biomasse

• Theoretisches P: Gesamte Landwirtschaftliche Nutzfläche

• Technisches P: Abzüge durch Flächennutzung für Futtermittel und Lebensmittel/ Naturschutzgebiete

• Wirtschaftliches P: Abzühe durch schwer zu bewirtschaftende Flächen (Hanglage, etc.) und zu geringe Erträge aufgrund des Bodenzustands

• Nachhaltiges P: Abzüge durch Übernutzung des Bodens, Pestizideinsatz wegen Monokulturen, Naturschäden (Artenvielfalt)