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Die Veränderung des Strompreises durch den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien

Am Beispiel von Photovoltaik und Windkraft

Studienarbeit 2013 61 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Erneuerbare Energien
2.1 Photovoltaik
2.2 Windkraft

3. Förderung der erneuerbaren Energien
3.1 Einspeisevorrang
3.2 Einspeisevergütung

4. Funktionsweise des Strommarkts
4.1 Marktteilnehmer
4.1.1 Bundesnetzagentur
4.1.2 Erzeuger
4.1.3 Übertragungsnetzbetreiber
4.1.4 Verteilnetzbetreiber
4.1.5 Stromhändler
4.1.6 Energielieferant

5. Funktionsweise der Stromwirtschaft
5.1 Zusammensetzung des Strompreises
5.1.1 Erzeugung und Vertrieb
5.1.2 Netznutzungsgebühr
5.1.3 Konzessionsabgaben
5.1.4 Stromsteuer
5.1.5 Erneuerbare-Energien-Gesetz-Umlage
5.1.6 Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz-Umlage
5.1.7 Stromnetzentgeltverordnungsumlage
5.2 Stromhandel

6. Netzausbau
6.1 Übertragungsnetz
6.2 Verfahren des Netzausbaus
6.2.1 Geplante Leitungstrassen

7. Speicherung elektrischer Energie
7.1 Kurzfristige Speicherung
7.1.1 Elektrochemische Speicher
7.1.2 Schwungrad
7.2 Mittel- bis Langfristige Speicherung
7.2.1 Pumpspeicherkraftwerk
7.3 Ausblick
7.3.1 Brennstoffzelle
7.3.2 Druckluft

8. Fazit

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

- Abbildung 1 Das Sonnenlicht beim Gang durch die Atmosphäre

- Abbildung 2 Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle

- Abbildung 3 Prinzipieller Aufbau eines Solarmoduls

- Abbildung 4 Temperaturabhängigkeit der elektrischen Werte von kristallinen Solarzellen und Solarmodule

- Abbildung 5 Aufbau der Gondel eines Horizontalachsen-Schnellläufers

- Abbildung 6 Energieflussdiagramm (Windenergie)

- Abbildung 7 Übersicht der zubauabhängigen prozentualen Degressionsschritte

- Abbildung 8 Gebiete der Übertragungsnetzbetreiber

- Abbildung 9 Zusammensetzung des Strompreis

- Abbildung 10 Zeitlicher Ablauf der Strommärkte im deutschen Handelsmodell

- Abbildung 11 Bedarfsdeckung mit Portfoliomanagement

- Abbildung 12 Spannungsebenen der Stromversorgung

- Abbildung 13 Stand der vordringlichen Stromtrassen

- Abbildung 14 Prinzipielle Funktionsweise eines Akkumulators

- Abbildung 15 Anlagenaufbau eines Pumpspeicherkraftwerks

- Abbildung 16 Funktion einer Brennstoffzelle

Tabellenverzeichnis

- Tabelle 1 Leistung einer 1KW Photovoltaikzelle

- Tabelle 2 Photovoltaik Einspeisevergütung 2013

- Tabelle 3 Zusammensetzung des Strompreis

1. Einleitung

Der Einfluss der erneuerbaren Energien beziehungsweise Energien aus regenerativen Quellen steigt stetig, da fossile Brennstoffe nur ein begrenztes Vorkommen haben und immer teurer werden. Auch die Umweltverschmutzung durch die Emissionen der konventionellen Kraftwerke spielt hierbei eine Rolle. Elektrische Energie aus regenerativen Quellen müssen somit ausgebaut werden, um unabhängiger von fossilen Brennstoffen agieren zu können (welche meist importiert werden). Dies lässt den Ausbau erneuerbarer Energien stetig an Bedeutung gewinnen. Die Energiewende ist aber nicht alleine durch den Ausbau erneuerbarer Energien zu bewältigen. Dieser Ausbau erfordert gleichermaßen einen Ausbau des Übertragungs- und Verteilnetzes der elektrischen Energie. Des Weiteren muss auch sichergestellt werden, dass die Energie auch genutzt werden kann.

Die Bereitstellung der elektrischen Energie muss sich nach dem Verbraucher richten und somit auch Speichermöglichkeiten zur Verfügung stellen. Dadurch kann Energie, welche mehr produziert als abgenommen worden ist, noch zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.

Um elektrische Energie nachhaltiger produzieren zu können, müssen die in Deutschland zur Verfügung stehenden Energiequellen genutzt werden. Hierbei gibt es viele Ansätze zur nachhaltigen Energieproduktion, welche aber meist noch sehr unrentabel sind. Die drei nachhaltig nutzbaren und rentablen Energiequellen hierzulande, sind die Wasserkraft, die Windkraft und die Sonnenenergie. Während das Potential der Wasserkraft in Deutschland bereits weitestgehend ausgeschöpft ist, besteht bei Windkraft und Sonnenenergie noch großes Potential.

In der aktuellen Debatte um die Energiewende und den Ausbau von regenerativen Energiequellen wird speziell der Ausbau von Photovoltaik und Windkraftanlagen diskutiert.

Diese Anlagen werden aber auch genannt, wenn über den steigenden Strompreis diskutiert wird, denn der Ausbau erneuerbarer Energien und der damit verbundene schrittweise Ausstieg aus der konventionellen Energieherstellung benötigt große Investitionen, welche sich auf den Strompreis auswirken können.

Im Folgenden sollen zunächst die erneuerbaren Energien Photovoltaik und Windkraft vorgestellt werden, bevor auf deren Fördermöglichkeiten eingegangen wird. Um besser verstehen zu können, wie Energie gehandelt wird, werden anschließend die Funktionsweise des Strommarkts sowie der Stromwirtschaft erläutert. Da der Netzausbau für den Ausbau erneuerbarer Energien eine grundlegende Rolle spielt, wird auf diesen hierbei Bezug genommen.

Bevor schließlich ein Fazit gezogen wird, in welchem die besprochenen Sachverhalte diskutiert und auf ihre Stichhaltigkeit geprüft werden, soll eine Darstellung von der Speicherung elektrischer Energie erfolgen, da gerade in dieser für zukünftige Entwicklung große Potentiale stecken.

2. Erneuerbare Energien

2.1 Photovoltaik

„Die Sonne ist für unsere Erde mehr als eine Lichtquelle. Sie ist die Voraussetzung für […] alles Leben auf unserem Planeten. […] Kontinuierliche Fusionsprozesse von Wasserstoffatomen und Helium halten die Photospähre Sonne auf einer Temperatur um 5.700°C. […] Die Erde empfängt nur einen Bruchteil der Energie der Sonnenstrahlung und dennoch stellt diese Strahlungsenergie die Grundlage allen Lebens auf unserem Planeten dar.“[1]

Die Sonne hat einen Abstand von zur Erde. Durch die Absorption der Atmosphäre bleibt von der Sonnenenergie nur noch eine mittlere Bestrahlung von . Diese Sonnenstrahlung wird als Solarkonstante bezeichnet.[2] Mit Hilfe dieser Solarkonstanten ergibt sich ein maximaler Wert an Energie, welcher bei einem 100 prozentigen Wirkungsgrad genutzt werden kann. Dies jedoch gilt nur für direkte Strahlung. Wenn das Sonnenlicht auf Wolken trifft, wird dieses teilweise absorbiert und reflektiert, auf der Erde kommt es aber nur noch als diffuse Sonnenstrahlung an, wie in Abbildung 1 ersichtlich wird. Hierdurch kommt weitaus weniger Energie auf der Erde an; weiter sind diese Sonnenstrahlen auch nicht mehr gerichtet.

Je klarer der Himmel ist, desto mehr Sonnenstrahlen kommen gerichtet und direkt auf der Erde an und können somit auch zur Gewinnung von Elektrizität genutzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Das Sonnenlicht beim Gang durch die Atmosphäre[3]

„Die insgesamt auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie ist gewaltig. […] Es ist deshalb eine faszinierende und sehr sinnvolle Aufgabe, diesen gewaltigen Energiestrom anzuzapfen und technisch nutzbar zu machen.“[4]

Die Photovoltaik-Technik wandelt die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um. Photovoltaikzellen sind meist aus Silizium gefertigt. Silizium ist ein Halbleitermaterial. Ein Siliziumatom besitzt vier Valenzelektronen (Elektronen auf der äußersten Schicht). So würden Siliziumatome eine stabile Verbindung miteinander eingehen (acht Valenzelektronen und somit eine äußere Elektronenschale). Um diesen Effekt zu verhindern, werden beispielsweise Boratome eingesetzt, welche nur drei Valenzelektronen besitzen. Somit entstehen Elektronenlöcher. Werden Phosphoratome eingesetzt, welche fünf Valenzelektronen besitzen, stehen freie Elektronen zur Verfügung.[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle[6]

Im Aufbau der Solarzelle befinden sich zwei Siliziumschichten. Eine N- und eine P-dotierte Schicht. Um einen späteren Stromfluss zu ermöglichen, befinden sich sowohl auf der Frontseite wie auf der Rückseite Kontakte.

Die obere Siliziumschicht, die N-dotierte Schicht, hat überschüssige Elektronen. Die untere Schicht, die P-dotierte Schicht, hat Elektronenlöcher.

An der Kontaktfläche zwischen den Schichten, der Grenzschicht, finden nun negativgeladene Elektronen aus der N-Schicht positivgeladene Löcher der P-Schicht und verbinden sich mit diesen. Treffen nun Sonnenstrahlen auf die Schichten, verursachen diese Sonnenstrahlen Elektronenlochpaare in der Grenzschicht. Die Löcher werden somit in die P-dotierte Schicht und die Elektronen in die N-dotierte Schicht gedrückt.

Hierdurch entsteht eine elektrische Spannung, da sich mehr Elektronen in der N-Schicht als in der P-Schicht befinden. Die Grenzschicht verhindert den direkten Ausgleich der Elektronen. Werden die beiden Schichten mit einem Draht verbunden, kann sich hierdurch der Elektronenüberschuss der N-Schicht zur P-Schicht abbauen. Dieser Elektronenfluss ist elektrische Energie (Gleichstrom).[7]

Werden mehrere solcher Photovoltaik-Zellen zusammengeschaltet, entsteht hierdurch ein Photovoltaikpanel. Dieses wird mit einen Rahmen und Glas vor Witterungseinflüssen geschützt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Prinzipieller Aufbau eines Solarmoduls[8]

Werden mehrere solcher Panels zusammengeschaltet, kann mit Hilfe eines Gleichrichters aus dem produzierten Gleichstrom Wechselstrom erzeugt werden, welcher auch durch Generatoren in Kraftwerken erzeugt wird. Dieser Wechselstrom könnte nun im eigenen Haushalt verbraucht oder in das öffentliche Netz eigespeist werden.

Je stärker die Sonne scheint, desto mehr elektrische Energie kann durch Photovoltaikpanels erzeugt werden.

Die Erzeugung hängt aber auch stark von der Temperatur ab. Die Herstellerangaben der maximalen Leistungsabgabe beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 25° C.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung 4: Temperaturabhängigkeit der elektrischen Werte von kristallinen Solarzellen und Solarmodule[9]

Hat eine Photovoltaikzelle eine Nennleistung von 1000W, kann sie bei einer geringeren Temperatur eine höhere Leistung abgeben. Ebenso gibt sie bei höheren Umgebungstemperaturen auch weniger elektrische Energie ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Leistung einer 1KW Photovoltaikzelle[10]

Dies bedeutet, dass solche Anlagen, wenn sie nicht gekühlt werden, im Sommer nicht sehr effektiv arbeiten. Bei Umgebungstemperaturen von 30 °C können die Panels durch die direkte Sonneneinstrahlung leicht Temperaturen von über 75 °C annehmen.

2.2 Windkraft

Durch die Sonnenenergie entstehen viele weitere Energieformen, welche zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden können.

„Da das Sonnenlicht nicht gleichmäßig auf die Erde trifft, sondern an unterschiedlichen Orten der Erde in einem unterschiedlichem Winkel und somit mit unterschiedlicher Intensität, gibt es auch eine unterschiedliche Temperaturverteilung auf der Erde (…), was die Temperaturdifferenzen auf der Erde erklärt.“[11]

Hieraus folgt ein Druckunterschied, welcher sich auszugleichen versucht. Die warme Luft in den höheren Schichten am Äquator bewegt sich also in Richtung der Pole und die kältere Luft in den niedrigeren Schichten an den Polen bewegt sich in Richtung des Äquators. Es entsteht ein Kreislauf, bei dem die Luft in ständiger Bewegung ist.[12]

Der hieraus entstehende Wind kann mittels Windkraftanlagen ebenfalls von kinetischer Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Auch der Kreislauf des Wassers, welcher beispielsweise in Form von Staudämmen elektrisch genutzt werden kann, wird von der Sonne angetrieben.

„Windenergie ist die kinetische Energie bewegter Luft (aus dem Griechischen: kinesis = Bewegung). Bei der Umwandlung in elektrische Energie durch eine Windenergieanlage muss die Energie des Windes über die Rotorblätter zunächst in mechanische Rotationsenergie gewandelt werden, die dann über einen Generator elektrischen Strom liefert.“[13]

Um die Kosten für Bau, Betrieb und Wartung so gering wie möglich zu halten, werden mehrere Windkraftanlagen zu einem sogenannten Windpark zusammengefasst. Dies erleichtert die Anbindung ans Netz. Windkraftanlagen speisen meist ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz ein.

Die in Deutschland gebauten Windkraftanlagen haben meist eine Nabenhöhe von 60-130 Meter und einen Flügeldurchmesser von 70-120 Metern. Die durchschnittliche Leistung liegt bei 1,3 MW.[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Aufbau der Gondel eines Horizontalachsen-Schnellläufers[15]

Die Windkraftanlage kann je nach Windrichtung und Intensität eingestellt und ausgerichtet werden. Dies geschieht vollautomatisch. Die Anlage wird in den Wind gedreht und die Rotorblätter werden in den für die Windgeschwindigkeit perfekten Winkel eingestellt.

Um bei zu hohen Windgeschwindigkeiten keinen Schaden anzurichten, kann die Windkraftanlage abgebremst werden. Die Drehbewegung, welche durch den Wind am Rotor verursacht wird, wird direkt über das Getriebe an den Generator weitergegeben. Dieser wandelt die kinetische Energie in Elektrische um.

Hierbei entstehen jedoch auch einige Verluste bei der Windenergie. Wird nur die Windkraftanlage betrachtet, hat diese nur einige Reibungs- und Wärmeverluste und kommt somit auf Wirkungsgrade von über 95%.[16]

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Abbildung 6: Energieflussdiagramm (Windenergie)[17]

„Eine einzige 1,5 Megawatt-Anlage produziert je nach Standort zweiein­halb bis fünf Millionen Kilowattstunden Strom im Jahr.“[18]

Dennoch sind nicht immer alle für den Ausbau von Windkraftanlagen. Im Besonderen vor der eigenen Haustür. Die Gegner solcher Anlagen argumentieren mit der sogenannten optischen Umweltverschmutzung, Geräuschentwicklung und dem Schattenwurf. Auch die negativen Auswirkungen auf die Avifauna werden stark diskutiert. Ein höherer Vogelschlag an Anlagen, welche im Zuggebiet der Vögel stehen, wurde jedoch nicht beobachtet. Die breite Masse der Deutschen ist für einen weiteren Ausbau.[19]

3. Förderung der erneuerbaren Energien

3.1 Einspeisevorrang

Anlagen, welche unter das Erneuerbare-Energien-Gesetz fallen, unterliegen einer Abnahmeverpflichtung. Diese bevorzugt die elektrische Energie, welche beispielsweise von Photovoltaik und Windkraftanlagen produziert wird, gegenüber elektrischer Energie aus konventionellen Kraftwerken wie Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerken. „Netzbetreiber sind vorbehaltlich des § 11 verpflichtet, den gesamten angebotenen Strom aus Erneuerbaren Energien und aus Grubengas unverzüglich vorrangig abzunehmen […].“[20]

Weiter hat auch die elektrische Energie aus Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen denselben Einspeisevorrang.

Dies führt dazu, dass Produzenten ihre konventionellen Kraftwerke viel stärker regeln und gegebenenfalls auch abstellen müssen.

3.2 Einspeisevergütung

Da die vielen verschiedenen Formen der Gewinnung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen unterschiedlich gefördert werden, wird hier die Förderung von Photovoltaik-Dachanlagen genauer betrachtet. Diese Anlagen wurden in den vergangenen Jahren sehr stark ausgebaut.

Die Höhe der Vergütung liegt hier nicht am Preis, welchen der Strom an der Börse erzielen würde, sondern ist von diesem völlig entkoppelt.

„Für Dachanlagen gibt es vier Vergütungsklassen: Anlagen bis 10 kW installierter Leistung, bis 40 kW, bis 1.000 kW und über 1.000 kW. Freiflächenanlagen erhalten eine einheitliche Vergütung. Anlagen größer als 10 MW erhalten keine Vergütung mehr. Um eine missbräuchliche Aufsplittung in mehrere 10-MW-Anlagen zu vermeiden, werden Anlagen als eine Anlage gewertet, wenn sie innerhalb von 24 Monaten im Umkreis von 2 km im Gebiet derselben Gemeinde in Betrieb gehen.“[21]

Die Höhe der Vergütung solcher Anlagen ist mittels einer zubauabhängigen Steuerung (atmender Deckel) geregelt.

Die Degressionsschritte der Vergütungshöhe werden in jedem Quartal neu berechnet und angepasst. Je früher also eine Anlage in Betrieb genommen wird, desto höher ist deren Vergütung über die gesamte Betriebszeit. Es zählt hierbei ausschließlich der Tag der Inbetriebnahme.

Die Grundlage der Berechnung ab dem 1. Februar 2013 stellt der Zubau vom 01. Juli 2012 bis 31. Dezember 2012 dar, welcher auf zwölf Monate hochgerechnet wird.

Die Grundlage der Berechnung ab dem 01. Mai 2013 stellt wiederum der Zubau vom 01. Juli 2012 bis zum 31. März 2013 dar. Auch diese Werte werden auf 12 Monate hochgerechnet.

Erst ab der Vergütungsberechnung für den 01. August können zwölf volle Monate zugrunde gelegt werden. Hierzu werden die zwölf zurückliegenden Monate verwendet.[22]

[...]


[1] Homepage der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.: http://www.dgs.de/145.0.html o.V. (25.12.2012)

[2] Vgl. Quaschning, Volker, (Regenerative Energiesysteme, 2011), Seite 53

[3] Quaschning, Volker, (Regenerative Energiesysteme, 2011), Seite 61

[4] Häberlin, Heinrich: Regenerative Energiequellen (Skriptum: Photovoltaik, 2010), Seite 27

[5] Vgl. Homepage der Universität Paderborn: http://sensorik.uni-paderborn.de/solarfluggeraet/solarzellen.html o.V. (12.02.2013)

[6] Quaschning, Volker, (Regenerative Energiesysteme, 2011), Seite 179

[7] Vgl. Haug, Ingo: Regenerative Energiequellen (Skriptum: Solarthermie, Photovoltaik, Seite 48ff) 2012

[8] Quaschning, Volker, (Regenerative Energiesysteme, 2011), Seite 180

[9] Hanus, Bo, (Solar-Dachanlagen, 2009), Seite 17

[10] Vgl. Hanus, Bo, (Solar-Dachanlagen, 2009), Seite 17

[11] Homepage zu Windkraftanlagen und Windenergie: http://www.windkraftanlagen-windenergie.de/2-wie-entsteht-wind.php o. V. (02.01.2013)

[12] Vgl. Ebd.

[13] Homepage des Bundesverbandes WindEnergie e.V.: http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/energiewandlung o.V. (10.12.2912)

[14] Vgl. Ebd.

[15] Homepage für Physik-Unterrichtsmittel: http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/umwelt_technik/10wind/konverter_aufbau.gif o.V. (01.01.2013)

[16] Vgl. Homepage des Bundesverbandes WindEnergie e.V.: http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/energiewandlung o.V. (10.12.2012)

[17] Vgl. Homepage des Bundesverbandes WindEnergie e.V.: http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/energiewandlung o.V. (10.12.2012)

[18] O.V.: Fakten zur Windenergie (Bundesverband WindEnergie e.V.) 2012

[19] Vgl. Homepage zur Verbraucherinformation zum Thema Windenergie: http://www.wind-ist-kraft.de/windkraft-pro-und-kontra/ o.V. (12.02.2013)

[20] Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teil2 – Anschluss, Abnahme, Übertragung und Verteilung: Abschnitt 1 – Allgemeine Vorschriften, §8 Abs.1 vom 01.01.2012

[21] Novelle zum Erneuerbare-Energien-Gesetz 2012

[22] Vgl. Ebd.

Details

Seiten
61
Jahr
2013
ISBN (eBook)
9783656489153
ISBN (Buch)
9783656490241
Dateigröße
2.6 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v232369
Institution / Hochschule
Duale Hochschule Baden-Württemberg Mannheim, früher: Berufsakademie Mannheim – Technik
Note
2,0
Schlagworte
Strompreis Ausbau erneuerbarer Energien Funktion des Strommarkts Stromwirtschaft

Autor

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