Die Stromerzeugung erfolgt durch Kraftwerke unterschiedlicher Technologien. Laut Bundesnetzagentur und Bundeskar-tellamt (2020) wurden im Jahr 2018 592 TWh Strom erzeugt (Nettostromerzeugung). Zuletzt konnte ein leichter Rückgang beobachtet werden, der auf einen geringeren Bruttostromverbrauch zurückzuführen ist. Die Erzeugung aus EE leistete dabei mit 211 TWh den größten Beitrag. Es folgt die Erzeugung aus Braun- und Steinkohlekraftwerken, Kernenergie und Erdgas. Die Stromerzeugung aus Abfall, Pumpspeicherkraftwerken, Mineralölprodukten und sonstigen nicht erneuerbaren Energieträgern trägt nur einen kleinen Anteil zur Stromerzeugung bei (Abbildung 2.1).
Abbildung 2.1: Entwicklung der Nettostromerzeugung in Deutschland in TWh (eigene Darstellung basierend auf Bundesnetzagentur und Bundeskar-tellamt (2020)).
Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen (Braun- und Steinkohle, Erdgas, Mineralölprodukte, Abfall) oder Biomasse be-trieben werden sowie Kernkraftwerke zählen zu den thermischen Kraftwerken. In diesen Kraftwerken wird mittels Ver-brennung zunächst Wärmeenergie erzeugt, die später meist über eine Gas- oder Dampfturbine oder der Kombination aus beiden in Elektrizität umgewandelt wird. Pumpspeicherkraftwerke nutzen die Lageenergie bzw. potentielle Energie von Wasser, die durch zwei unterschiedliche Höhenlagen entsteht. Zur Stromerzeugung wird über ein Fallrohr Wasser aus einem höher liegenden Staubecken über einen Generator im unteren Bereich des Kraftwerks in ein niedrigeres becken geleitet. Im Motorbetrieb können die Generatoren auch zum Pumpen des Wassers aus dem niedrigeren Speicher-becken in das höhere eingesetzt werden.
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2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018*
TWh
Zu den erneuerbaren Energieträgern zählen vor allem Windenergie an Land und auf See (Offshore), Solarenergie, Biomasse und Laufwasserkraftwerke1. Die meisten Windkraftanlagen sind mit horizontaler Achse und drei Rotoren ausgestattet. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit steigt die kinetische Energie und treibt die Rotoren an. Ein in der Gondel befindlicher Generator wandelt die kinetische Energie in Strom um. PV-Anlagen sind die dominierende Technologie zur Nutzung von Solarenergie. Sie sind oftmals auf Dächern oder Freiflächen installiert und nutzen die auftreffende Strahlungsenergie der Sonne. Wenn Licht auf die Halbleiter der Photovoltaikanalagen trifft, wird über den photoelektrischen Effekt Strom er-zeugt, welcher über Gleich- und Wechselrichter ins Stromnetz gespeist wird. In Laufwasserkraftwerken wird die potentielle Energie (oder Lageenergie) von Flusswasser genutzt. Das Wasser wird dabei über Turbinen geleitet, welche zunächst die potentielle in mechanische Energie umwandeln. Diese wird dann von einem Generator zur Verstromung genutzt. Meist werden Wehranlagen zum Aufstauen des Wassers und zur Vergrößerung der Fallhöhe eingesetzt.
Die Stromerzeugung aus EE-Anlagen – mit der Ausnahme von Biomasse – ist dargebotsabhängig. Zu jedem Zeitpunkt bestimmen Sonnenstrahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, sowie verfügbare Wassermenge die mögliche Erzeu-gungsleistung. Der Großteil der installierten Leistung aller EE-Anlagen entfällt auf Wind- und PV-Anlagen (Bundesnetz-agentur und Bundeskartellamt 2020). Die erzeugte Windleistung ist u. a. abhängig von der Windgeschwindigkeit, die in Küstengebieten oftmals höher ist als im Landesinneren, und in Richtung Norden und Süden der Erde höher als am Äquator.
Mit zunehmender Höhe nimmt der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Windrichtung ab, sodass in einer Höhe von 100 – 175 m die Windrichtung relativ konstant ist. Die Stromerzeugung aus Windraftanlagen ist im Winter aufgrund hö-herer Windgeschwindigkeiten üblicherweise etwas höher als im Sommer. Tägliche Erzeugungsmuster lassen sich hingegen kaum erkennen. (Kaltschmitt et al. 2020, Abbildung 2.2, Abbildung 2.4) Trotz Prognosen der Stromerzeugung basierend auf Echtzeitmessungen können stochastische, kurzfristige Leistungsänderungen mit teils starkem Leistungsgradienten auf-treten. Stochastische Abweichungen des Lastgangs von der Prognose müssen bspw. über eine Reserve schnell regelbarer thermischer Kraftwerke aufgefangen werden. (Schwab 2020)
Abbildung 2.2: Modellierte Winderzeugung in Schleswig-Holstein für das Jahr 2015 (eigene Darstellung basierend auf Schermeyer (2018a)).
Die PV-Erzeugung ist abhängig vom Strahlungsangebot, welches in Deutschland im Süden aufgrund der Nähe zum Äqua-tor sowie geringer Wolkenbildung am höchsten ist. In Richtung Norden nimmt die Strahlung ab und die Wolkenbildung nimmt zu, mit Ausnahme der Inseln der Nord- und Ostsee. Mit zunehmender Direktstrahlung und Sonnenscheindauer steigt daher auch die Leistungserzeugung einer PV-Anlage. Die zeitlichen Schwankungen des Lastgangs sind zum Teil determi-nistisch und durch Tageslänge, Sonnenstand, Verschattungseffekte bspw. durch Gebäude sowie Uhrzeit des Tages be-stimmt (Abbildung 2.3, Abbildung 2.4). Stochastische Effekte der Solarstrahlung hängen insbesondere von der meteorolo-gischen Situation wie der Wolkenbildung ab. (Kaltschmitt et al. 2020) Dies kann bei der Betrachtung einzelner PV-Anlagen zu hohen Leistungsgradienten der Stromerzeugung im Sekundenbereich führen (Ried et al. 2015). Die stochastischen Ef-fekte aufgrund der Dargebotsabhängigkeit resultieren in volatilen Lastgängen der Wind- und PV-Anlagen und können eine Herausforderung für das Elektrizitätssystem darstellen (vgl. Kapitel 1).
1 Geothermie leistet in Deutschland keinen nennenswerten Beitrag zur Nettostromerzeugung.
Abbildung 2.3: Modellierte PV-Erzeugung in Schleswig-Holstein für das Jahr 2015 (eigene Darstellung basierend auf Schermeyer (2018a)).
Abbildung 2.4: Tagesabhängige Fluktuation von Wind- und PV-Erzeugung in Schleswig-Holstein im Verlauf einer Sommerwoche bei einer zeitli-chen Auflösung von einer Stunde (modelliert, eigene Darstellung basierend auf Schermeyer (2018a)).
Der kontinuierliche Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland hat dazu geführt, dass die installierte Leistung von rund 17 GW im Jahr 2003 auf 114 GW im Jahr 2018 gestiegen ist (Abbildung 2.5). Den Großteil macht dabei mit 46 % Wind-energie an Land aus, gefolgt von SolarWind-energie mit 40 % (Bundesnetzagentur und Bundeskartellamt 2020). Die Stromer-zeugung in Deutschland wird damit zunehmend regenerativer. Im Jahr 2019 betrug die StromerStromer-zeugung aus erneuerbaren Energieträgern 244 TWh. Der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch betrug im Jahr 2019 42 % (BMUB 2018). Damit wurde das Ziel des Koalitionsvertrags der 18. Legislaturperiode der Deutschen Bundesregierung (Koalitionsvertrag 2013), im Jahr 2025 einen EE-Anteil von 40 – 45 % zu erreichen, bereits deutlich früher erfüllt. Das aktuelle Ziel der Bundesregierung für den aus EE erzeugten Strom am Bruttostromverbrauch im Jahr 2030 wurde auf 65 % festgelegt (Koalitionsvertrag 2018). Bis zum Jahr 2050 sollen es mindestens 80 % sein, was fast einer Verdopplung gegenüber dem Jahr 2019 entspricht (EEG 2014). Die neuen Ziele der EU-Kommission zur Reduktion der THG-Emissionen um 55 % bis zum Jahr 2030 (Europäische Kommission 2020) könnten sich zukünftig in einer Erhö-hung der Ziele auf Bundesebene widerspiegeln.
Abbildung 2.5: Entwicklung der installierten Leistung erneuerbarer Energien mit Zahlungsanspruch nach dem EEG (eigene Darstellung basierend auf Bundesnetzagentur und Bundeskartellamt (2020)).