3 Ansatz und Rahmenbedingungen
3.4 Einschränkungen
Ein wichtiger Punkt ist die Tatsache, dass zwischen den verschiedenen erneuerbaren Energieträgern sehr grosse Unterschiede hinsichtlich Wissensstand und Marktreife bestehen. So ist beispielsweise die Bestimmung des heimischen Windenergiepotenzials relativ problemlos möglich, da zu diesem Thema veröffentlichte Studien verfügbar sind. Auf der anderen Seite sind die Potenziale für Geothermie und den Import von Wellenkraft sehr spekulativ. Auch der Import von Windstrom stellt ein kontroverses Thema dar. Als Konsequenz davon können die Unsicherheiten in Einzelfällen sehr hoch sein und die Bestimmung einiger Potenziale ist teilweise von subjektiver Abschätzung abhängig. Es wurde versucht, diese Abschätzungen transparent zu machen. Die damit verbundenen Unsicherheiten wurden Fall für Fall qualitativ beschrieben.
Aufgrund der grossen Bandbreite von Optionen zur Biomassenutzung und beschränkter Ressourcen konnte der Bereich Biomasse nicht in sehr umfassender Weise behandelt werden. Der Schwerpunkt in diesem Teil lag in der Identifizierung und Präsentation der technologischen Möglichkeiten und Trends bei der Stromerzeugung aus Biomasse.
In dieser Arbeit wurden theoretische und technische Potenziale verschiedener Optionen zur Stromerzeugung untersucht. Dies beinhaltet jedoch keine Modellierungen, welche zur Entwicklung von ökonomischen Potenzialen unter bestimmten Rahmenbedingungen und unter expliziter Berücksichtigung von Massnahmen, welche die Marktdurchdringung der Varianten von Interesse erleichtern könnten, führen würden. Die im Rahmen dieser Arbeit erreichten Resultate könnten jedoch für solche Entwicklungen und Anwendungen genutzt werden.
3.5 Literaturverzeichnis
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4 Kleinwasserkraftwerke
4.1 Einleitung
Die Stromerzeugung in Kleinwasserkraftwerken hat in der Schweiz eine lange Tradition. So wies bereits im Jahr 1914 das Wasserrechtsregister etwa 7’000 Kleinwasserkraftwerke bis 10 MW Leistung aus, wovon mehr als 90% Kleinstanlagen mit einer Leistung von weniger als 300 kW wie Wasserräder oder Kleinturbinen waren.a Diese dienten damals vor allem zur dezentralen Stromerzeugung für Industrie- und Gewerbebetriebe. Mit dem Aufkommen von billigen und flexiblen Verbrennungsmotoren, dem flächendeckenden Ausbau des Stromnetzes und der Verfügbarkeit von billiger Elektrizität aus Grosskraftwerken wurde jedoch der Betrieb vieler Kleinwasserkraftwerke eingestellt. 1985 waren noch ca. 1000 Kleinwasserkraftwerke in Betrieb, davon ca. 700 mit einer Leistung bis 300 kW. Zusätzlich gab es etwa 400 Anlagen mit rein mechanischer Kraftverwendung.
Diese negative Entwicklung kehrte sich im Laufe der 1990er-Jahre mit der Aufnahme des Energie-artikels in die Bundesverfassung, dem darauf folgenden Erlass des Energienutzungsbeschluss (ENB) und dem darauf gestützten Aktionsprogramm „Energie 2000“ zur Förderung erneuerbarer Energien um. Heute soll die Stromerzeugung in Kleinwasserkraftwerken einen Beitrag zur Realisierung der Ziele des Nachfolgeprogramms von „Energie 2000“, dem Programm „EnergieSchweiz“ leisten, wo unter anderem eine Reduktion des Verbrauchs an fossilen Energieträgern und der CO2-Emissionen sowie zumindest eine Beibehaltung des aktuellen Anteils der Wasserkraft am Endenergieverbrauch vorgesehen sind.
Die folgenden Abschätzungen des Potenzials der Stromerzeugung in Kleinwasserkraftwerken sowie deren Kosten und Umweltauswirkungen sollen einen Beitrag zur Überarbeitung der Schweizer Energieperspektiven durch das Bundesamt für Energie bieten.
4.1.1 Definition Leistung
Generell herrscht hinsichtlich der Definition, welche Anlagen unter Kleinwasserkraftwerke fallen, eine gewisse Inkonsistenz. Die am weitesten verbreitete und in der Schweiz gültige Einteilung, welcher auch hier gefolgt wird, zieht bei einer Leistung von 10 MW die Grenze zu Grosswasserkraftwerken.
Mit Kleinwasserkraftwerk werden somit alle jene Anlagen bezeichnet, die eine Leistung von 10 MW oder weniger aufweisen (Von Moss & Leutwiler 1997). Anlagen mit einer Leistung von weniger als 300 kW werden häufig als Kleinstwasserkraftwerke bezeichnet, jene mit weniger als 50 kW als Pico-Kraftwerke (Leutwiler 1997).b Im Gegensatz dazu werden in Deutschland Anlagen mit einer Leistung unter 5 MW als Kleinwasserkraftwerke bezeichnet (Thönnissen 2002). Andere Abgrenzungen werden noch bei der Vermarktung von Ökostrom getroffen, so beinhaltet beispielsweise die als „Naturstrom Azur“ vermarktete Elektrizität des Schweizer Stromunternehmens Axpo Strom aus Kleinwasserkraftwerken mit einer Leistung von weniger als 1000 kW.c
täglich rund fünf Mio. m llen, in denen die Klärwerke der Reinigung des Abwassers von Orten in Höhenlagen dienen, kann der Höhenunterschied, welcher ein nutzbares Wasserkraftpotenzial bietet, zur Stromerzeugung genutzt werden, egal ob die Wasserreinigung auf der Höhe der Gemeine oder in einem tiefer gelegenen Klärwerk geschieht (Chenal et al. 1995).
Hochdruck-Kleinwasserkraftwerke
Als Dotier- oder Wehrkraftwerke werden kleine Anlagen bezeichnet, welche durch die Nutzung des Restwassers auf der Restwasserstrecke bzw. an Wehren von grösseren Kraftwerken Strom erzeugen.
Meist wird für diesen Zweck die Restwasserdotierung erhöht, was auch ökologische Vorteile nach sich zieht.
Umfassende Daten zur Stromproduktion in Kleinwasserkraftwerken <10 MW in Europa sind in (Lorenzoni et al. 2001) angegeben. In dieser Studie werden für 13 Mitglieder der damaligen EU (Ausnahme Luxemburg und die Niederlande) sowie für die Schweiz, Island, Norwegen, Estland, Lettland, Litauen, Montenegro, Polen, die Slowakei, Slowenien, Tschechien, Ungarn und die Türkei u.a. die aktuelle Situation der Kleinwasserkraftwerke, deren Potenzial zur Stromerzeugung, ökonomische Aspekte und Rahmenbedingungen für die weitere Entwicklung untersucht. In diesen 26 Staaten werden etwa 17’400 Kleinwasserkraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 12.5 GW betrieben, deren jährliche Stromproduktion etwa 50 TWh beträgt, was einem Anteil an der gesamten Stromproduktion dieser Länder von ca. 1.7% und einem Anteil an der Stromproduktion in Wasserkraftwerken von 9.7% entspricht. Die durchschnittliche Leistung der Kleinwasserkraftwerke beträgt in Westeuropa 0.7 MW, in Osteuropa 0.3 MW.
3 Abwasser aufbereitet werden. In Fä
Trinkwasserkraftwerke
Unter Trinkwasserkraftwerken sind jene Stromerzeugungsanlagen zu verstehen, wenn die Energie aus Wasser stammt, welches zu Trinkwasserzwecken gefasst, aufbereitet und abgeleitet wird. Dabei spielt es keine Rolle, an welcher Stelle im Netz einer Trinkwasserversorgung die Stromerzeugungsanlage steht (P. Burger et al. 1997).
Bachgespiesene Kleinwasserkraftwerke (Niederdruckkraftwerke)
Als Bachgespiesene Kleinwasserkraftwerke können jene Anlagen verstanden werden, welche zur Elektrizitätserzeugung direkt die Energie des in einem Bach oder einem künstlichen Kanal fliessenden Wassers nutzt. Das genutzte Gefälle ist hier meist gering und bewegt sich im Bereich einiger Meter.
Unter Hochdruck-Kleinwasserkraftwerken können jene Anlagen eingeordnet werden, bei denen zur Stromerzeugung Wasser in einem Druckrohr über eine relativ grosse Höhendifferenz zur Turbine geleitet wird.
Dotierkraftwerke
4.1.2 Globale und Europäische Stromversorgung und Trends
Auch für Indien und Kanada werden Angaben gemacht: Die installierte Leistung in Indien beträgt derzeit 1327 MW mit einer Stromproduktion von etwa 5 TWh/a, wobei die Grenze zu Grosswasser-kraftwerken bei 25 MW gezogen wird. Das Ausbaupotenzial wird mit 10’000-15’000 MW angegeben, wovon nach dem Ziel der Regierung bis ins Jahr 2012 etwa 3200 MW realisiert werden sollen. In Kanada beträgt die momentane Leistung der Kleinwasserkraftwerke 1500 MW bei einer jährlichen Stromproduktion von ca. 6.5 TWh, was rund 2.5% der gesamten Stromerzeugung in Wasserkraft-werken entspricht. Das realisierbare Potenzial wird mit einer Leistung von 9000 MW und einer Stromproduktion von 40 TWh/a angegeben, wovon allerdings derzeit nur 15% wirtschaftlich betrieben werden könnten.
Für die untersuchten europäischen Länder wird ein technisches Ausbaupotenzial der Stromerzeugung ohne Berücksichtigung von ökologischen und ökonomischen Einschränkungen von etwa
65’000 GWh/a angegeben, wovon max. 11’000 GWh/a durch Renovierung und Ausbau bestehender Anlagen erreicht werden können. Unter Berücksichtigung von ökonomischen und ökologischen Hindernissen reduziert sich das Ausbaupotenzial auf knapp 35’000 GWh/a, darunter knapp 6000 GWh/a durch Renovierung und Ausbau.
In (IEA 2003) wird die derzeitige Stromproduktion mit Kleinwasserkraftwerken weltweit mit 117 TWh/a bei einer installierten Gesamtleistung von 32 GW angegeben. Das technische Potenzial wird mit einer installierten Leistung von 150 GW bis 200 GW beziffert, wobei davon ausgegangen wird, dass die Stromproduktion pro kW installierter Leistung 3500 kWh/a bis 6000 kWh/a beträgt. Für das Jahr 2010 wird eine Kapazität von 45 GW prognostiziert, für das Jahr 2020 zwischen 62 GW und 84.5 GW.
4
Installierte Leistung [GW]
Tab. .1 gibt einen Überblick über die vorhandenen Daten zur weltweiten Stromproduktion in Kleinwasserkraftwerken.
Tab. 4.1 Stromproduktion in Kleinwasserkraftwerken weltweit.
Gebiet Anzahl Anlagen
<10 MW
Jährliche Strom-produktion [GWh/a]
Ausbaupotenzial
Welt k.A. 32 117’000 150-200 GWa
Europa 17’400 12.5 50’000 65'000 GWh/ab
35'000 GWh/ac
Indiend k.A. 1.33 5’000 10-15 GW
Kanada k.A. 1.5 6’500 9 GW bzw.
40'000 GWh/ae a Technisches Potenzial.
b Technisches Ausbaupotenzial ohne Berücksichtigung von ökologischen und ökonomischen Einschränkungen.
c Ausbaupotenzial ohne Berücksichtigung unter ökologischen und ökonomischen Einschränkungen.
d Statistik erfasst Anlagen <25 MW.
e Wirtschaftlicher Betrieb nur bei 15% der Anlagen möglich.
4.1.3 Schweizer Stromversorgung und Trends
In der offiziellen Schweizer Elektrizitätsstatistik (BFE 2003c) wird die Stromerzeugung in Klein-wasserkraftwerken nicht getrennt von grossen Wasserkraftwerken ausgewiesen. In (Kaufmann 2003b) werden Kleinwasserkraftwerke mit einer Leistung von weniger als 300 kW als eigene Kategorie erwähnt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese „statistisch nur ungenügend erfasst sind und deshalb nicht separat ausgewiesen werden können“.
Aktuelle Zahlen wurden von der BFE-Programmleitung Kleinwasserkraftwerke zur Verfügung gestellt.a Demnach werden momentan insgesamt 1033 Anlagen mit einer installierten Leistung von 761 MW und einer Produktionserwartung von 3422 GWh/a betrieben, was einem Anteil von 11.5% an
Tab. 4.2 Stromproduktion in Schweizer Kleinwasserkraftwerken (Juni 2004).
Leistungsklasse Anzahl Installierte Leistung Mittlere Produktionserwartung
MW GWh/a
700 42 300
301 kW bis 1 MW 165 93 481
1 MW bis 10 MW 168 626 2641
Bis 300 kW
Im Vergleich zum Jahr 1997 ist vor allem im unteren Leistungsbereich eine Zunahme festzustellen.a Die mittlere jährliche Produktionserwartung betrug demnach damals für etwa 700 Kleinstwasser-kraftwerke bis 300 kW 220 GWh bei einer installierten Leistung von ca. 50 MW, für 150 Anlagen im Bereich von 301 kW bis 1 MW mit einer Gesamtleistung von 83 MW 433 GWh und für 159 Anlagen im Bereich von 1 MW bis 10 MW bei einer Gesamtleistung von 622 MW 2667 GWh/a.
Die Stromproduktion in mehr als 100 Trinkwasserkraftwerke beträgt heute rund 65 GWh/a.b Keine ganz aktuellen Zahlen sind für die Abwasserkraftwerke verfügbar. (Chenal et al. 1995) sowie (Leutwiler 1997) erwähnen den Betrieb von vier Abwasserkraftwerken, deren Stromproduktion mit etwa 5 GWh/a angegeben wird.