Elektrische Energieversorgung 2: Energie- und Elektrizitätswirtschaft, Kraftwerktechnik, alternative Stromerzeugung, Dynamik, Regelung und Stabilität, Betriebsplanung und -führung

904 Pages·2008·40.18 MB·German

by  Valentin Crastan Dr. (auth.)

Elektrische Energieversorgung 2
Valentin Crastan
Elektrische
Energieversorgung 2
Energie- und Elektrizitätswirtschaft,
Kraftwerktechnik,
alternative Stromerzeugung,
Dynamik, Regelung und Stabilität,
Betriebsplanung und -führung
2., bearbeitete Auflage
123
Dr.ValentinCrastan
ch.desBlanchards18
2533Evilard
Schweiz
[email protected]
ISBN978-3-540-70877-3 e-ISBN978-3-540-70882-7
DOI10.1007/978-3-540-70882-7
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987654321
springer.com
Vorwort
In der nun vorliegenden 2. Auflage des 2004 erschienenen zweiten Bandes ist Kapi-
tel 1 deutlich ausgebaut worden, um den Veränderungen im Bereich der Energiewirt-
schaft und insbesondere den durch den Klimawandel aufgeworfenen Fragestellungen
Rechnung zu tragen.
Außerdem wurde im Rahmen der Ausführungen zur Liberalisierung der Elektrizi-
tätswirtschaft dem Aspekt Risikomanagcmcnt ein größercs Gewicht beigemessen,
wofür ich T. Putzi der Bernischen Kraftwerke AG und Prof. M. Höckel, HTI Biel, zu
Dank verpflichtet bin. Ebenso danke ich Dr. J. Kreusel, ABB, für einige Aktuali-
sierungen zum Thema.
Die Struktur des Bandes ist im Wesentlichen die gleiche geblieben. Ungenauig-
keiten und Fehler wurden ausgemerzt sowie Anpassungen und Aktualisierungen dort
vorgenommen, wo dies notwendig war.
Danken möchte ich ferner Prof. A. Shah, Universität Neuchfitel, für den anregen-
den Gedankenaustausch zum Thema Photovoltaik, Prof. M. Q. Tran, ETH Lausanne,
für die Durchsicht und einige Anregungen zu Kapitel 9 (Kernfusion) und Dr. Ulf
Bosse1 für Bemerkungen zum Thema Brennstoffzellen.
Schließlich sei den Ko-Autoren Dr. R. Apel und 0. Vollmeier, Siemens AG,
gedankt für die Mühe, die Sie sich genommen haben, ihre Kapitel zum Thema Netz-
leittechnik anzupassen und optimal zu koordinieren.
Dem Springer-Verlag danke ich für die gute und effiziente Zusammenarbeit.
Biel, im Juni 2008 V. Crastan
Vorwort zur 1. Auflage
Der im Jahr 2000 erschienene Band 1 des nun vorliegenden zweibändigen Werkes „Elektrische
Energieversorgung, behandelt die elektrotechnischen Grundlagen, die Modellierung der
Elemente des Drehstromnetzes. das stationäre und quasistationäre Verhalten symmetrischer
Netze und von Netzen mit Unsymmetrien sowie die Grundlagen der Netzelement-Bemessung,
der Schaltvorgänge und der Schutztechnik.
In Band 2 werden diese vor allem die Energieübertragung und -verteilung betreffenden
Ausfuhrungcn durch die energie- und insbesondere dic clcktrizitätswirtschaftlichcn Aspekte
ergän~tw, ozu auch die Kraftwerktechnik und alternative Arten der Stromerzeugung gehören.
Breiten Raum finden ferner die Fragen der Dynamik und Stabilität des Energieversorgungs-
V1 Vorwort
netzes und die mit der Planung und Betriebsführung zusammenhängenden Probleme. Obwohl
gut 60% des Buches von mir stammen und dieses somit Monographie-Charakter hat, sind
wesentliche Beiträge von den auf Seite XXV aufgefuhrten Ko-Autoren geleistet worden, denen
ich meinen herzlichsten Dank ausspreche.
Der aus fünf Teilen und einem Anhang bestehende Band 2 gliedert sich wie folgt:
Teil I widmet sich den energiewirtschafilichen Grundfragen unter Einbezug öhologischer
Aspekte sowie den Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung. Einen breiten Raum nehmen
dann die Fragen der Marktöffnung ein, die durch den Beitrag von Dr. J. Kreusel zur
Funktionsweise liberalisierter Strommärkte wesentlich vertieft und mit den Ausführungen von
Prof. M. Höckel zu den Themen Risikomanagement und Strompreisgestaltung abgerundet
werden.
Teil 11 behandelt die konventionelle auf Wasserkraft sowie auf fossile und nukleare
Brennstoffen basierende Kraftwerktechnik einschl. Modellierung und Dynamik. Die
Ausführungen zu den für die Zukunft wichtigen Kombikraftwerken sind durch einen Beitrag
von M. Kleinen ergänzt. Ein Abschnitt über die ökologisch wichtige Wärmepumpe rundet den
Aspekt Energieumwandlung ab.
Teil 111 betrifft die alternativen Methoden der Stromproduktion, ihre Technik und
Aussichten. Besonderq erwähnt seien die Windkrali, die Photovoltaik, die Kernfusion und die
Brennstoffzelle.
Teil IV setzt sich mit den Fragen der Regelung und Stabilität des Energieversorgungsnetzes
auseinander. Die 2.T. bereits in Band 1 behandelten Modellierungsprobleme werden ergänzt
und vertieft und die heute vorhandenen Werkzeuge zur Simulation komplexer Netze im Beitrag
von Dr. M. Pöller beschrieben. Ausserdcm wcrdcn dic Fragen dcr Nctzrcgclung und dic
Probleme der Polradwinkel- und der Spannungsstabilität eingehend behandelt. Eine Analyse
der Polradwinhel- stabilität in ausgedehnten Netzen (UCTE-Netz) und der Ursachen
entsprechender Polradwinkelpendelungen findet sich im Beitrag von Prof. Dr. H. Weber.
reil V erörtert zuerst das Betriebsoptimierungsproblem Tür das vertikal integrierte
Energieversorgungssystem und geht dann auf die durch die Marktöffnung und den Wettbewerb
sich aufdrängenden Änderungen ein. Der Fall der ßetriebsoptimierung bei ausgehandeltem
Netzzugang wird iin Beitrag von Dr. J. Kreusel vertieft. Eine wesentliche Innovation im
Bereich der Steuerung und Optimierung des Energieversorgungsnetzes stellen die FACTS dar,
deren Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten in dem von Dr. D. Westermann verfassten Kap.
15 eingehend behandelt werden. Da gerade wegen der Marktöfhung auch die Fragen der Leit-
und Informationstechnik an Bedeutung zunehmen, befassen sich zwei Beiträge von Dr. R.
Apel (Kap. 16) und 0. Vollmeicr (Kap. 17) aus verschiedenen Blickwinkeln mit diesem
Fragenkomplex.
Im Anhang sind in erster Linie physikalisch-mathematische Grundlagen, die für das
vertiefte Verständnis einiger Kapitel notwendig sind, wie thermodynamische und
kernphysikalische Grundlagen oder Grundbegriffe der Dynamik, Regelungstechnik und
Optimierungsrechnung, gegeben. Die Lösungen der Aufgaben und einige Tabellen und
Graphiken finden sich ebenfalls im Anhang.
Für die Durchsicht des Abschnitts Kernfusion und einige nützliche Hinweise bin ich Dr.
Kurt Appert, ETHI,, zu Dank vcrpflichtet, ebenso danke ich Dr. Ulf Bossel für die Durchsicht
des Abschnitts Brennstoffzellen. Den Ko-Autoren möchte ich nochmals für ihre wesentlichen
Beiträge dankcn. Dem Springer-Verlag sei für die stets angenehme und insbesondcre Frau G.
Maas für Ihre engagierte Zusammenarbeit gedankt.
Biel. im April 2003 V. Crastan
Inhaltsverzeichnis
Teil l Energiewirtschaft. Elektrizitätswirtschaft
I Energiewirtschaft und Klimawandel
1.1 Grundbegriffe. geschichtlicher Rückblick .......................... 3
1.1.1 Energiesektor ........................................... 3
1.1.2 Nutzprozesse .......................................... 4
1.1.3 Geschichtlicher Rückblick ................................. 5
1.1.4 Perspektiven und Probleme ................................ 6
1.2 Verfugbarkeit der Primärenergie ................................. 7
1.2.1 Nicht erneuerbare Energien ................................ 8
1.2.1.1 Zukünftige Nachfrage ............................ 8
1.2.1.2 Reserven und Ressourcen .......................... 8
1.2.1.3 Ethische Aspekte und Umweltschutz ................ 10
1.2.2 Erneuerbare Energien ................................... 10
1.2.2.1 Gezeitenenergie ................................ 10
1.2.2.2 Geothermische Energie .......................... 10
1.2.2.3 Solarenergie ................................... 11
1.2.3 Potential und Nutzung der wichtigsten Solarenergiearten ........ 12
1.2.3.1 Wärmepumpe .................................. 12
1.2.3.2 Wasserkraft ................................... 12
1.2.3.3 Wind- und Meereskraft .......................... 13
1.2.3.4 Biomasse ..................................... 13
1.2.3.5 Solarstrahlung ................................. 14
1.2.4 Ökologische problerne .................................. 16
1.2.4.1 Vorwiegend lokale Wirkungen .................... 17
1.2.4.2 Verstärkung des Treibhauseffekts .................. 17
1.2.4.3 Nachhaltige Entwicklung ......................... 18
1.3 Energiebedarf, allgemeine Grundlagen ........................... 19
...........................................
1.3.1 Allgemeines 19
1.3.2 Entwicklung und Aufteilung der Energienachfrage ............. 19
1.3.3 Faktoren, die den Energiebedarf beeinflussen ................. 23
1.3.4 Endenergie und Verluste des Energiesektors .................. 25
1.3.5 CO,- Emissionen und Indikatoren .......................... 26
1.3.6 Erwünschtes Szenario tUr die Schweiz 2030 .................. 27
Vl ll lnhaltsverzeichnis
1.4 Energieverbrauch in Europa .................................... 29
1.4.1 Endenergieverbrauch pro Kopf ............................ 29
1.4.2 Energieintensität und CO,- Emissionen ...................... 29
1.4.3 Endenergie und Verluste des Energiesektors in der EU-1 5 ....... 31
1.5 Weltweiter Energieverbrauch ...................................3 2
1 S.1 Energieverbrauch in der Vergangenheit ..................... 32
1S .2 Energieverbrauch, Bevölkerung und BIP in 2004 .............. 33
1 S.3 Primär- und Endenergie und ihre Verteilung 2004 ............. 36
1.5.3.1 Gesamtheit der OECD-Länder ..................... 36
1S .3.2 Nicht-OECD-Länder ............................ 38
1S .4 Charakteristische Indikatoren ............................. 41
1.6 Zukünftige Entwicklung des Weltenergiebedarfs .................... 42
1.6.1 Entwicklung der Weltbevölkerung ......................... 42
1.6.2 Zunahme des BIP (KKP) und Energienachfrage (IEA-Szenarien) . 44
1.7 CO,- Emissionen und Klimaschutz ............................... 45
1.7.1 Weltweite Entwicklung der CO,-Emissionen, IEA-Szenarien ..... 45
1.7.2 Weltweites Energie-Indikatoren für 2030, gemäß IEA-Szenario . . 46
1.7.3 Klimaschutz, mittel- und langfristige Massnahmen ............. 48
1.7.3.1 Spezifischer Energieverbrauch und CO,- Intensität ..... 48
1.7.3.2 Länder mit CO,- lastiger Elektrizitätsproduktion ....... 49
1.7.3. 3 Emtefaktor und graue Energie ..................... 50
1.7.3.4 Länder mit nahezu CO,- freier Elektrizitätsproduktion ... 5 1
1.7.3.5 Transportbereich ............................... 51
1.7.3.6 Wärmebereich ................................. 52
2 Wirtschaftlichkeitsberechnungen ........................... 53
2.1 Investitionsrechnung. Diskontierungsverfahren ..................... 54
2.1.1 Kapitalwertmethode .................................... 54
2.1.2 Annuitätsmethode ...................................... 56
2.2 Kosten der Energie ........................................... 58
2.2.1 Kosten der elektrischen Energie ........................... 58
2.2.2 Spezifische Energiekosten an den Kraftwerksklemmen ......... 59
2.2.3 Spezifische Jahreskosten der Kraftwerke .................... 61
2.2.4 Kosten der elektrischen Energie am Verbraucher .............. 61
3 Elektrizitätswirtschaft. Liberalisierung ....................... 63
3.1 Verbrauch elektrischer Energie ................................. 63
3.1.1 Struktur des Energieverbrauchs ............................ 64
3.1.2 Schwankungen des Energiebedarfs ......................... 64
3.2 Deckung des Elektrizitätsbedarfs ................................ 67
3.2.1 Kraftwerkarten .........................................6 7
Inhaltsverzeichnis 1X
3.2.2 Kraftwerkeinsatz ....................................... 68
3.2.2.1 Jahreszeitlicher Einsatz der Kraftwerke .............. 68
3.2.2.2 Tageszeitlicher Einsatz der Kraftwerke .............. 68
3.2.3 Wasserspeicherung ..................................... 70
3.2.4 Energieaustausch ....................................... 71
3.3 Wasserkraftwerke ............................................ 72
3.4 Thermische Kraftwerke ....................................... 74
3.5 Wettbewerb im Elektrizitätssektor ............................... 78
3.5.1 Einführung ............................................ 78
3.5.2 Grundpfeiler des Wettbewerbs und Probleme ................. 78
3.5.2.1 Konkurrenz zwischen Produzenten ................. 79
3.5.2.2 Freie Wahl des Energielieferanten .................. 79
3.5.2.3 Natürliches Monopol für Übertragung und Verteilung . . 79
3.5.2.4 Übergangsprobleme ............................. 79
3.5.3 Reorganisationsmodelle .................................. 81
3.5.3.1 Alleinabnehmer-Modell (single buyer) ............... 81
3.5.3.2 Wettbewerb auf der Großhandelsstufe ............... 81
3.5.3.3 Wettbewerb auf Kleinhandelsstufe .................. 84
3.5.4 Privatisierung, Regulierung der Monopole ................... 84
3.5.5 Konsequenzen der Marktöffnung .......................... 85
3.6 Strompreisgestaltung (Prof . Dipl . Ing . M . Höckel) .................. 86
3.6.1 Verteilung der Selbstkosten .............................. 86
3.6.1.1 Modelle für die Zuordnung der Leistungskosten ........ 88
3.6.1.2 Verteilung der Kosten auf verschiedene Spannungsebenen 92
3.6.2 Stromtarife ........................................... 95
3.6.2.1 Anforderungen ................................. 95
3.6.2.2 Tarifniveau .................................... 96
3.6.2.3 Tarifstrukturen ................................. 97
3.6.2.4 Beispielrechnung eines Tarifsystems ................ 98
3.7 Funktionsweise liberalisierter Elektrizitätsmärkte
(Dr . -lng., tlon..Prof. J . Kreusel) .............................. 104
3.7.1 Motivation für Liberalisierung und Privatisierung ............ 104
3.7.2 Der Aufbau wettbewerblich organisierter Elektrizitätsmärkte .... 108
3.7.2.1 Aufgaben und Rollen im liberalisierten Markt ....... 109
3.7.2.2 Netzzugangsmodelle ........................... 112
3.7.3 Dienstleistungsmarkt ................................... 114
3.7.3.1 Systembetreiber ............................... 115
3.7.3.2 Netzbetreiber und Zählerdienstleister .............. 118
3.7.4 Wettbewerbsmarkt ..................................... 124
3.7.4.1 GroBhandel .................................. 125
3.7.4.2 Börsenhandel ................................. 128
3.7.4.3 Energiedienstleister ............................ 131
3.7.4.4 Bilanzkreisverantwortliche ...................... 138
X Inhaltsverzeichnis
3.7.5 Besonderheiten internationaler Realisierungen liberalisierter
Elektrizitätsmärkte ..................................... 142
3.7.5.1 Vereinigte Staaten von Amerika .................. 143
3.7.5.2 Großbritannien ................................ 144
3.7.5.3 Skandinavien ................................ 145
3.7.5.4 Kontinentaleuropa ............................. 146
3.7.5.5 Zusammenfassung internationaler Beispiele ......... 146
3.7.6 Erfahrungen in liberalisierten Märkten ..................... 146
3.7.6.1 Auswirkungen der Liberalisierung auf Preise
und Kundenverhalten ........................... 149
3.7.6.2 Übergangseffekte .............................. 154
3.8 Risikomanagement in der Elektrizitätswirtschaft (Dipl . Ing . Th . Putzi) . . 157
3.8.1 Anforderungen an die Unternehmensführung ............... 157
3.8.2 Enterprise Risk Management (Theorie) .................... 158
3.8.2.1 Nutzen von ERM .............................. 159
3.8.2.2 Risikopolitik .................................. 160
3 .8.2.3 Risikomanagement-Prozess ...................... 172
3.8.2.4 Weitere mögliche Komponenten eines ERM ......... 188
3.8.3 Enterprise Risk Management (Praxis)
(Prof. Dipl . Ing . M . Höckel) ............................ 197
3.8.3.1 Risiken in der Elektrizitätswirtschaft ............... 197
3.8.3.2 Quantifizierung der Risiken ...................... 202
3.8.3.3 Instrumente und Produkte des Stromhandels ......... 204
3.8.3.4 Beurteilung von Vertragsoptionen ................. 210
Teil II Kraftwerktechnik. Energieumwandlung
4 Wasserkraftwerke ........................................ 221
4.1 Hydrologische Planungsgrundlagen ............................. 221
4.2 Laufkraftwerke .............................................2 23
4.2.1 Wasserbewirtschaftung ................................ 224
4.2.2 Ausführung ..........................................2 24
4.2.3 Auslegung .......................................... 226
4.3 Speicherkraftwerke .......................................... 226
4.3.1 Tages- und Wochenspeicherwerke ........................ 226
4.3.2 Jahresspeicherwerke (Saisonspeicherwerke) ................. 228
4.3.3 Pumpspeicherung .....................................2 32
4.4 Wasserturbinen ............................................. 233
4.4.1 Pelton-Turbine ........................................ 234
4.4.1.1 Strahldurchmesser und Wassermenge .............. 236
4.4.1.2 Optimale Umfangsgeschwindigkeit ................ 237
4.4.1.3 Durchmesser, spezifische Drehzahl ................ 237