mini|Braunkohlekraftwerk mini|Windkraft und Photovoltaik mini|Stromerzeugung in Deutschland seit 1900 Als Stromerzeugung bezeichnet man im weiteren Sinne jede Form der Bereitstellung nutzbarer elektrischer Energie aus nichtelektrischer Energie durch Energiewandlung. Sehr häufig bezieht man sich dabei im engeren Sinne primär auf die Erzeugung elektrischer Energie durch Kraftwerke für die Einspeisung in öffentliche Stromnetze.
Die verbreitetste Technologie zur Stromerzeugung sind elektrische Generatoren, die durch Wasserkraft, Windkraft oder thermische Energie angetrieben werden. Darüber hinaus spielt Photovoltaik eine zunehmende Rolle.
Aufgrund der hohen Bedeutung elektrischer Energie für die Wirtschaft und die Bevölkerung sowie der Auswirkungen der Stromerzeugung auf die Umwelt ist die Stromerzeugung seit vielen Jahrzehnten ein bedeutendes Thema politischer und gesellschaftlicher Debatten.
Allgemeines Physikalische Perspektive Die Wandlung anderer Energieformen in elektrische Energie ist mit Verlusten verbunden. Das Verhältnis von eingebrachter Energie und elektrischer Nutzenergie wird als Wirkungsgrad des Kraftwerks bezeichnet.
Aus physikalischer Perspektive ist der elektrische Strom die pro Zeitspanne fließende elektrische Ladung. Die Energie berechnet sich als Stromstärke multipliziert mit der elektrischen Spannung und der Zeitdauer.
Der Stromzähler erfasst am Zählerpunkt die elektrische Stromstärke sowie die anliegende Wechselspannung, multipliziert deren Augenblickswerte vorzeichengerecht, um die Wirkleistung zu bestimmen, und ermittelt daraus durch zeitliche Integration die genutzte Wirkenergie. Diese wird bisweilen auch Wirkverbrauch genannt. In der Energiewirtschaft spricht man von Stromverbrauch. Bei Phasenverschiebung von Leistung und Stromstärke entstehen Zeiträume, in denen die Vorzeichen von Stromstärke und Spannung unterschiedlich und die Leistung somit negativ ist. Man zerlegt die Leistung dann in Wirkleistung (immer positiv) und Blindleistung. Der Blindleistungsanteil oszilliert um Null und führt somit nicht zu einer Energieübertragung. In Verbrauchsanlagen enthaltene Kondensatoren und Spulen können Blindleistung erzeugen. Dies führt zu Netzverlusten. Daher wird Blindstrom bei Industriekunden gelegentlich dennoch mit geringen Preisen abgerechnet.
Die elektrische Energie wird zumeist über ein Stromnetz zu den angeschlossenen Geräten geleitet. Der Stromtransport ist mit Verlusten verbunden, die physikalisch einer Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme entsprechen.
Geschichte
Der Siegeszug der elektrischen Energieversorgung begann nach 1882Martin Roscheisen: In: rmartinr.com, abgerufen am 22. März 2012. durch die Konstruktion von Kraftwerken mit elektrischen Generatoren. Zunächst waren es voneinander unabhängige Insellösungen. Spätestens 1890 erkannte man jedoch die Vorteile von wechselstrombetriebenen Stromnetzen, weil diese nicht mehr so stark von der Betriebssicherheit einzelner Kraftwerke abhingen (siehe Stromkrieg). In Deutschland bildeten sich zwei fast unabhängige Stromnetze: Das öffentliche Netz mit 50 Hz und das Bahnstromnetz mit Hz für die Eisenbahn.
Einige Kraftwerke wurden mit getrennten Generatoren ausgestattet und konnten Strom für beide Systeme erzeugen.
In Deutschland wurde 1998 die Energieversorgung mit dem Energiewirtschaftsgesetz neu reguliert mit dem Ziel, Wettbewerb in Teile der Wertschöpfungskette zu tragen (siehe Liberalisierung der Energiewirtschaft). Seither ist der Wechsel des Stromlieferanten möglich und der Stromvertrieb ist mit über 1000 Stromlieferanten sehr kompetitiv. Bereits zuvor wurde auch die Förderung erneuerbarer Energien vorangetrieben, seit dem Jahr 2000 mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz. Der Anteil der Stromerzeugung mit Anspruch auf Erlöse nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz betrug 2019 42 % und stieg im Jahr 2020 auf 47 %.
Da die erneuerbare Erzeugung trotz ihres hohen Anteils an der Nettostromerzeugung im geltenden Marktdesign keinen Anreiz zu wettbewerblichem Verhalten hat, bleiben sie bei Untersuchungen des Kartellamts zu Marktkonzentration und Marktmacht unberücksichtigt. Wettbewerb entsteht in der derzeitigen Marktorganisation nur unter den konventionellen Erzeugern bei der Deckung der Restlast nach Abzug der Einspeisung erneuerbarer Energien (siehe Marktdesign der Energiewirtschaft).
Energiewirtschaftliche Perspektive Unter Bruttostromerzeugung versteht man die insgesamt erzeugte elektrische Energie, z. B. eines Kraftwerkes oder eines Gebietes. Bei letzterem werden alle Stromerzeugungsquellen berücksichtigt (also z. B. Wind, Wasser, Sonne, Kohle, Öl).
Zieht man von der Bruttostromerzeugung den Eigenbedarf der Kraftwerke ab, erhält man die Nettostromerzeugung. Beispielsweise liegt der Eigenbedarf von Kohlekraftwerken bei etwa 10 % und der von Kernkraftwerken um die 5 % der von ihnen selbst erzeugten elektrischen Energie, wobei der Eigenenergiebedarf von Kernkraftwerken auch nach der Beendigung der Stromerzeugung („Abschaltung“) für mehrere Jahre bestehen bleibt, da der Reaktor weiter gekühlt und abgesichert werden muss.
Die Summe aus Netto-Stromerzeugung und Stromimporten ergibt das Stromaufkommen. Abzüglich der Stromexporte und des Pumpstromverbrauchs für Pumpspeicherkraftwerke erhält man den Bruttostromverbrauch. Werden hiervon schließlich noch die im Stromnetz anfallenden Übertragungsverluste (Leitungsverluste, Verluste im Umspannwerk etc.) abgezogen erhält man den Nettostromverbrauch (Endenergieverbrauch).
Technische Grundlagen Die Erzeugung des Stroms findet in Kraftwerken statt. Sehr oft wird in Kraftwerken zur Erzeugung der elektrischen Energie eine rotierende elektrische Maschine eingesetzt, ein sog. elektrischer Generator (vgl. Fahrraddynamo). In Wärmekraftwerken kommen meistens Drehstrom-Synchrongeneratoren zum Einsatz. Auch in Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken finden Drehstrom-Synchrongeneratoren Anwendung. Dort werden aber ebenfalls Drehstrom-Asynchrongeneratoren eingesetzt.
Hauptvorteil der elektrischen Energie ist die Möglichkeit, einen ganzen Erdteil wie Europa mit einem Verbundnetz zu überziehen, in dem der elektrische Strom mit geringen Verlusten verteilt werden kann (s. a. elektrischer Energietransport) und sich durch die Vielzahl der verbundenen Kraftwerke die Redundanz und somit die Versorgungssicherheit erhöht.
Hauptnachteil des elektrischen Stromes ist die Tatsache, dass er sich nicht unmittelbar speichern lässt. Nur durch verlustreiche Umwandlung in andere Energieformen, beispielsweise mittels Pumpspeicherkraftwerken, lässt sich vermeiden, dass die erzeugte elektrische Energie in jedem Augenblick exakt mit der verbrauchten Menge übereinstimmen muss. In einem System mit hohem Anteil an (fluktuierenden) erneuerbaren Energien sind deutlich mehr Speicherkraftwerke erforderlich.
Die erzeugte elektrische Energie eines Wasserkraftwerks, einer Windkraftanlage oder eines Kernkraftwerks wird derzeit größtenteils direkt über die Übertragungsnetze in industrialisierte Gebiete transportiert und verbraucht. Je nach dem Verhältnis von Angebot und Nachfrage entstehen somit ein sehr unterschiedlicher Strompreis und gegebenenfalls auch negative Strompreise. Zur Lösung dieser Probleme wird eine Wasserstoffwirtschaft diskutiert, die bisher jedoch nur als Konzept vorliegt und nicht wirtschaftlich darstellbar ist.
Bedeutung mini|hochkant=1.3|Energieverbrauch in Deutschland 2020 nach Energieträger
Elektrische Energie ist ein vielseitig verwendbarer Energieträger, der sich mit besonders geringen Verlusten in andere Energieformen umwandeln lässt. Sie ist Voraussetzung für jede moderne Industrie und kann in der Regel nicht einfach durch andere Energieträger ersetzt werden.
Ein Stromausfall bringt jede Volkswirtschaft zum Erliegen und muss deshalb weitestgehend begrenzt bleiben. Eine hohe Versorgungssicherheit ist deshalb eine wichtige Bedingung für moderne Gesellschaften. Die durchschnittliche Unterbrechungsdauer der Elektroenergieversorgung je Stromverbraucher hat in Deutschland in den letzten Jahren abgenommen und lag im Jahr 2019 bei 12,2 Minuten.
Im Jahr 2019 betrug der Endenergieverbrauch in Deutschland 9.050 Petajoule. Der Anteil des Stromverbrauchs war mit 1.806 Petajoule knapp 20 %. Dazu kamen 388 Petajoule Fernwärme, die in der Regel als Beiprodukt der Stromerzeugung entsteht. Die höchsten Anteile am Endenergieverbrauch haben Kraftstoffe für den Verkehr, Gas, das für Heizwärme und viele Industrieprozesse benötigt wird und an dritter Stelle Strom.
Die konventionelle Erzeugung ohne Anspruch auf Erlöse nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ist immer noch stark konzentriert. Im Jahr 2019 erzeugten die fünf größten Stromerzeuger RWE, E.ON, Vattenfall, LEAG und EnBW etwa 212 Terawattstunden Strom und hielten damit einem Anteil von 70,1 Prozent an der gesamten konventionellen Nettostromerzeugung in Deutschland.
Arten der elektrischen Energieerzeugung
Erzeugungsanlagen unterscheiden sich in ihrer Verfügbarkeit, Flexibilität, den verbrauchten Brennstoffen, ihrem CO2-Ausstoß und ihrer Kostenstruktur. Um die Nachfrage zu jedem Zeitpunkt wirtschaftlich und ökologisch optimal zu erzeugen, werden verschiedene Typen von Erzeugungsanlagen kombiniert. Dazu gehören auch Pumpspeicher und gegebenenfalls andere Speichertechnologien.
Fluktuierende und disponible Erzeugung
Disponible Erzeugungsanlagen (englisch dispatchable, deutsch auch grundlastfähig) sind Elektroenergieerzeugungsanlagen, deren Einsatz in Abhängigkeit von Bedarf oder Strompreisen vorgegeben werden kann. Dies ist typischerweise für die konventionelle Erzeugung in Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken der Fall, ebenso bei verschiedenen erneuerbaren Energien wie z. B. im Falle von Biomasse- und Geothermiekraftwerken. Dagegen ist die Energieproduktion sogenannter fluktuierender Erzeugung, wie etwa typisch vorkommend bei Windkraft- und Solaranlagen, dargebotsabhängig. Das heißt, die Quantität an erzeugter Elektroenergie richtet sich nach den jeweiligen Wind- und Sonneneinstrahlungsverhältnissen. Einige Erzeugungsarten nehmen hier eine Mittelstellung ein. Dazu gehören:
wärmegeführte KWK-Anlagen, die ebenfalls bedarfsgerecht produzieren können, deren Fahrplan aber in der Regel vom Wärmebedarf eines Fernwärmenetzes bestimmt ist, Müllverbrennungsanlagen, die oftmals prozessabhängig produzieren, Laufwasserkraftwerke.
Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke
Disponible Erzeugungsanlagen werden je nach ihrer Flexibilität in Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke aufgeteilt. Hier geht es einerseits darum, um wie viel Prozent der Nennleistung das Kraftwerk seine Leistung reduzieren kann, ohne ganz abzufahren, wie schnell es nach dem Abfahren wieder hochfahren kann und wie schnell das Kraftwerk seine Leistung erhöhen oder senken kann und wie steil die Gradienten des abzufahrenden Fahrplans somit sein dürfen. Ob ein Kraftwerk in Grundlast oder Mittellast fährt, hängt nicht nur von technischen Grenzen, sondern auch von wirtschaftlichen Gegebenheiten ab. Das An- und Abfahren erzeugt Kosten, die umso eher eingebracht werden, je größer die Marktpreisunterschiede ausfallen.
Dezentrale elektrische Energieerzeugung Eine Stromerzeugung in der Nähe des Verbrauchers, etwa innerhalb oder in der Nähe von Wohngebieten und Industrieanlagen, bezeichnet man als dezentrale Stromerzeugung. Wird Strom über ein räumlich begrenztes Stromnetz verteilt, das nicht mit dem Verbundnetz gekoppelt ist, spricht man von einem Inselnetz. Einen Verbraucher, der unabhängig ist von Energieimporten, nennt man energieautark.
Bei mobilen Geräten oder kleinen stationären Anlagen kommen typischerweise Batterien oder Akkumulatoren als Energiespeicher zum Einsatz (s. a. Antriebsbatterie, Batteriespeicher). Mitte 2024 sind z. B. laut Marktstammdatenregister etwa 8 GWh bei Privatleuten installiert, was sich auch ausgleichend auf die Bezugsprofile der entsprechenden Haushalte/Wohngebiete auswirkt.
Unterscheidung nach Energieträgern