Als Stromerzeugung wird im allgemeinen Sprachgebrauch physikalisch ungenau die technische Gewinnung elektrischer Energie bezeichnet. Diese Energie wird in einem Stromnetz zum Verbraucher transportiert.
Physikalisch ist der elektrische Strom die pro Zeiteinheit fließende elektrische Ladung. Die Energie berechnet sich als Strom multipliziert mit der elektrische Spannung und der Zeit. Allgemein wird der Begriff Strom abweichend von der physikalischen Definition im Sinne von elektrischer Energie fälschlicherweise mit der gebräuchlichen Einheit Kilowattstunden benutzt ("Stromverbrauch" statt Energieverbrauch).
Da die physikalische Gesamtenergie nach dem Energieerhaltungssatz konstant bleibt, ist der Begriff Stromerzeugung eigentlich unzutreffend. Es handelt sich um eine Umwandlung verschiedener Energieformen, meist die Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie durch einen Generator. Die elektrische Energie wird dann zumeist über ein Stromnetz zu den angeschlossenen Geräten geleitet, um deren Strombedarf zu decken. Der Großteil der Stromerzeugung geschieht im industriellen Maßstab in Kraftwerken.
Unter Bruttostromerzeugung versteht man dabei die insgesamt erzeugte Strommenge. Zieht man davon 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.
Elektrische Energie ist der am vielseitigsten verwendbare Energieträger, der sich zudem mit besonders geringen Verlusten in andere Energieformen umwandeln lässt. Sie ist Voraussetzung für jede moderne Industrie und kann nicht durch andere Energieträger ersetzt werden, ohne hohe Verluste in Kauf zu nehmen. Ein Stromausfall bringt erfahrungsgemäß jede Volkswirtschaft zum Erliegen und muss deshalb weitestgehend begrenzt bleiben.
Eine hohe Bedeutung bei der Bereitstellung von Elektroenergie kommt den rotierenden elektrischen Maschinen zu. In Wärmekraftwerken kommen ausschließlich Drehstrom-Synchrongeneratoren zum Einsatz. Auch in Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken finden Drehstrom-Synchrongeneratoren Anwendung. Dort werden aber ebenfalls Drehstrom-Asynchrongeneratoren eingesetzt.
Hauptvorteil ist die Möglichkeit, einen ganzen Erdteil wie Europa mit einem Verbundnetz zu überziehen, in dem der elektrische Strom mit geringen Verlusten verteilt werden kann und sich durch die Vielzahl der verbundenen Kraftwerke die Redundanz und somit die Versorgungssicherheit erhöht.
Hauptnachteil des elektrischen Stromes ist die Tatsache, dass sich – volkswirtschaftlich gesehen – nur verschwindend geringe Energiemengen unmittelbar speichern lassen. Nur durch aufwändige 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.
Elektrische Energie ist weitestgehend die alleinige Übertragungsart, um die Energie eines Wasserkraftwerks, einer Windkraftanlage oder eines Kernkraftwerks in industrialisierte Gebiete zu transportieren. Als Alternative dazu gibt es die Wasserstoffwirtschaft, die bisher jedoch nur als Konzept formuliert wurde.
Der Siegeszug der elektrischen Energieversorgung begann nach 1882[1] durch die Konstruktion von Kraftwerken mit elektrischen Generatoren. Zunächst waren es voneinander unabhängige Insellösungen. Sehr schnell erkannte man die Vorteile von Wechselstrom-betriebenen Stromnetzen, weil diese nicht mehr so stark von der Betriebssicherheit einzelner Kraftwerke abhingen. In Deutschland bildeten sich zwei fast unabhängige Stromnetze:
Einige Kraftwerke wurden mit getrennten Generatoren ausgestattet und konnten Strom für beide Systeme erzeugen.
Heute ist die Stromerzeugung in Deutschland privatisiert, es gibt zwar über 800 einzelne Stromanbieter, jedoch werden etwa 80% der Stromerzeugung von den vier großen Energieversorgungsunternehmen RWE, E.ON, EnBW und Vattenfall realisiert, die damit ein homogenes Oligopol bilden.
Die folgende Tabelle stellt die Bruttostromerzeugung nach Energieträgern im Jahr 2008 verschiedener Länder gegenüber.
| Deutschland Schwerpunkt: Kohle | Frankreich[3] Schwerpunkt: Kernenergie | Norwegen Schwerpunkt: Wasserkraft | China Schwerpunkt: Kohle | |||||
| Energieträger | Strommenge in TWh | Anteil in % | Strommenge in TWh | Anteil in % | Strommenge in TWh | Anteil in % | Strommenge in TWh | Anteil in % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kohle | 278,5 | 43,6 % | 19,8 | 3,4 % | 2,2 | 1,5 % | 2785,74 | 78 % |
| Kernenergie | 148,8 | 23,3 % | 440,3 | 72,7 % | k.a. | k.a. | 82,14 | 2,3 % |
| Erdgas | 83,0 | 13,0 % | ||||||
| Windkraft | 40,2 | 6,3 % | k.a. | k.a. | k.a. | k.a. | 13,0 | 0,36 % |
| Mineralölprodukte | 10,5 | 1,6 % | ||||||
| Wasserkraft | 19,6 | 3,1 % | 63,4 | 11 % | 140,5 | 98,5 % | 628,58 | 17,6 % |
| übrige Energieträger | 58,1 | 9,1 % | 50,9 | 8,9 % | k.a. | k.a. | 62,14 | 1,74 % |
| Summe | 639,1 | 100,0 % | 574,4 | 96 % | 142,7 | 100 % | 3571,46 | 100 % |
| CO2-Ausstoß in g/kWh[4] | 604 | 61 | 0,1 | ≈1000 | ||||
(k.a.: keine Angabe)
In den beiden folgenden Tabellen ist die Bruttostromerzeugung nach Energieträgern für die Jahre 2009 bis 2011 in Deutschland aufgeführt.
| Energieträger | 2009 | 2010 | 2011 |
|---|---|---|---|
| Braunkohle | 145,6 | 145,9 | 153,0 |
| Kernenergie | 134,9 | 140,5 | 108,0 |
| Steinkohle | 107,9 | 117,0 | 114,5 |
| Erdgas | 78,8 | 86,8 | 84,0 |
| Mineralölprodukte | 9,6 | 8,4 | 7,0 |
| Wasserkraft | 19,1 | 21,0 | 19,5 |
| Windkraft | 38,6 | 37,8 | 46,5 |
| Biomasse | 25,5 | 27,6 | 32,0 |
| Photovoltaik | 6,6 | 11,7 | 19,0 |
| Geothermie | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| Hausmüll[Anm. 1] | 4,4 | 4,8 | 5,0 |
| Übrige Energieträger | 21,5 | 26,7 | 26,0 |
| Summe | 592,4 | 628,1 | 612,0 |
| regenerativer Anteil | 94,1 | 102,8 | 122,0 |
| Energieträger | 2009 | 2010 | 2011 |
|---|---|---|---|
| Braunkohle | 24,6% | 23,2% | 24,9% |
| Kernenergie | 22,8% | 22,4% | 17,6% |
| Steinkohle | 18,2% | 18,6% | 18,6% |
| Erdgas | 13,3% | 13,8% | 13,7% |
| Mineralölprodukte | 1,6% | 1,3% | 1,1% |
| Wasserkraft | 3,2% | 3,3% | 3,2% |
| Windkraft | 6,5% | 6,0% | 7,6% |
| Biomasse | 4,3% | 4,4% | 5,2% |
| Photovoltaik | 1,1% | 1,9% | 3,1% |
| Geothermie | 0,0% | 0,0% | 0,0% |
| Hausmüll | 0,7% | 0,8% | 0,8% |
| Übrige Energieträger | 3,6% | 4,3% | 4,2% |
| Summe | 100,0% | 100,0% | 100,0% |
| regenerativer Anteil | 15,9% | 16,4% | 20,0% |
Der Strommix der einzelnen Versorgungsunternehmen weicht von diesen Durchschnittswerten stark ab.
Die Strompreise hängen von der Bezugsmenge ab. Industrie-Strompreise für sehr große Mengen sind wohl das beste Maß für die Erzeugerkosten. Sie betrugen 2007 bei einer Mindestabnahme von 70.000 MWh 6,6 ct/kWh, dazu müssen noch 4,5 ct/kWh Steuern und Abgaben addiert werden[6]. Gesamtpreis 11,1 ct/kWh.
Ein Haushalt mittlerer Größe in Deutschland verbraucht jährlich etwa 3500 kWh und bezahlt dafür im Jahr 2008 12,98 ct/kWh an den Stromlieferanten. Dazu kommen 8,67 ct/kWh Abgaben und Steuern.[7] Gesamtpreis 21,65 ct/kWh.
| Brennstoff- kosten 2007[8] in ct/kWh | Gestehungskosten[9] ab Kraftwerk in ct/kWh | darin enthaltene externe Kosten[6]wegen Klima- und Gesundheitsschäden in ct/kWh | EmissionKohlendioxid in g/kWh | EmissionSchwefeldioxid in mg/kWh | EmissionStickoxide in mg/kWh | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kohlekraftwerk | 0,38 Braunkohle 0,92 Steinkohle | 2,40 Braunkohle 3,35 Steinkohle | 2,4 | 900 | 750 | 800 |
| Wasserkraftwerk | 0 | 4,30 | 0,1 | 10 | 20 | 40 |
| Kernkraftwerk | 0,25 | 2,65 | 0,1 | 66 [10] | 30 | 30 |
| Erdgas GUD | 2,63 | 4,90 | 1,1 | 410 | 80 | 390 |
| Windkraftanlage | 0 | 2,9- 4,6 | 0,2 | 10 | 50 | 40 |
| Photovoltaik | 0 | 7,5-20[11] | 0,17[12] | 27 - 59[12] | 108[12] | 0.0716[12] |
| Holz HKW | ca. 8…10 | 10[6] | 0,95 | 40 | 150 | 1130 |
| Biogas BHKW | ca. 5…8 (Mix Maissilage / Gülle) | 13 bis 21[6] | ? | ? | ? | ? |
Die in obiger Tabelle angegebenen Preise sind teilweise allerdings nur dürftig belegt und es fehlen deren Berechnungsgrundlagen. So hat beispielsweise ein altes Kraftwerk, welches seine Kapitalkosten bereits amortisiert hat, wesentlich tiefere Stromerzeugungskosten als ein neues Kraftwerk. Zudem sind die Erzeugungskosten auch abhängig davon ob externe Kosten wie Rückbau- und Entsorgungskosten einberechnet werden.
| Kraftwerkstyp | Entgelt in ct/kWh |
|---|---|
| Photovoltaik | 21,11 – 28,74 |
| Geothermie | 10,40 – 15,84 |
| Windkraft an Land | 4,97 – 9,11 |
| Windkraft off-shore | 3,5 – 13 |
| Wasserkraft | 3,47 – 12,67 |
| Bioenenergie | 7,71 – 11,55 |
| Deponiegas, Klärgas, Grubengas | 4,10 – 8,87 |
Auch muss berücksichtigt werden, dass die Brennstoffkosten nicht stabil sind und dass die Kapital- und Unterhaltskosten innerhalb eines Kraftwerkstyps variieren.
Bei Biogas BHKWs und Holz Heizkraftwerken sind außerdem die Brennstoff-Kosten zu 100 % auf die erzeugte elektrische Energie umgelegt, wohingegen in der Realität die Abwärme dieser Kraftwerke i.d.R. über Nahwärmesysteme mitgenutzt wird. Unter Berücksichtigung eines Leistungsverhältnis (elektrisch:thermisch) von 50:50 (bei Biogas BHKW) bzw. 20:80 (bei Holz HKW) reduzieren sich die Brennstoffkosten auf 2,5–4 ct/kWhelektr. (Biogas BHKW) bzw. 1,6–2 ct/kWhelektr. (Holz HKW). Eine ähnliche Kalkulation kann natürlich auch bei BHKWs mit anderen Brennstoffen (z. B. Gas oder Öl) angesetzt werden.
Bei Wind und Photovoltaik sind nicht die tatsächlichen Erzeugungskosten angegeben, sondern die Maximaleinspeisevergütungen. Diese gesetzlich garantierten Vergütungen werden von Jahr zu Jahr, teilweise auch unterjährig, reduziert.
| Staat | Cent/kWh |
|---|---|
| Belgien | 21,36 |
| Bulgarien | 8,26 |
| Tschechische Rep. | 14,95 |
| Dänemark | 29,08 |
| Deutschland | 25,28 |
| Estland | 9,73 |
| Irland | 19,01 |
| Griechenland | 12,50 |
| Spanien | 19,47 |
| Frankreich | 13,84 |
| Italien | 20,13 |
| Zypern | 20,50 |
| Lettland | 11,68 |
| Litauen | 12,14 |
| Luxemburg | 16,78 |
| Ungarn | 16,81 |
| Malta | 17,00 |
| Niederlande | 17,43 |
| Österreich | 19,86 |
| Polen | 14,71 |
| Portugal | 16,54 |
| Rumänien | 10,82 |
| Slowenien | 14,41 |
| Slowakei | 16,82 |
| Finnland | 15,40 |
| Schweden | 20,92 |
| Großbritannien | 14,33 |
| Norwegen | 21,33 |
In Europa ist es seit langem üblich, dass elektrische Energie wie jede andere Ware gehandelt wird. Folgen des grenzüberschreitenden Stromhandels zeigten sich an einem Zwischenfall am 28. September 2003: Eine Hochspannungsleitung in den Alpen wurde unterbrochen, was einen Stromausfall in ganz Norditalien zur Folge hatte. Im Regelfall laufen die Verbindungen aber problemlos und dienen auch dazu, die Stromversorgung während der regelmäßigen Abschaltung von Kraftwerken zu Wartungszwecken unterbrechungsfrei zu gewährleisten.
Die Strompreise in Europa unterscheiden sich erheblich. Spitzenreiter ist Dänemark, gefolgt von Deutschland.
Grundsätzlich liefert das nächstgelegene Kraftwerk den Großteil der verbrauchten Energie. Bildlich kann man sich das wie eine bergige Landschaft vorstellen: Die Kraftwerke „drücken“ die Bergspitzen nach oben, die Verbraucher (Städte, Industrieanlagen) ziehen nach unten. Energie fließt – genauso wie darüber geschüttetes Wasser – den steilsten Weg bergab und verschwindet dort. In der Physik nennt man das Gradient eines Skalarfeldes. Es wurde noch nie beobachtet, dass Wasser abwechselnd bergauf- und bergab fließt, um in ein ganz bestimmtes Tal zu gelangen. Der Energiefluss verhält sich genauso.
In Zusammenhang mit Ökostrom taucht immer wieder die Frage auf, wie es manche Stromanbieter erreichen, elektrischen Strom von einem ganz bestimmten, oft weit entfernten Kraftwerk zu beziehen. Strombezug aus einem weit entfernten Kraftwerk ist physikalisch nicht möglich, außer man koppelt sich vom öffentlichen Stromnetz ab und legt eine separate Leitung zum gewünschten Kraftwerk. Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Strommarkt eine bilanzielle Trennung zulässt, d.h. ein Verbraucher entnimmt dem Verbundnetz die gleiche Menge Energie, die er bei einem Stromerzeuger eingekauft hat, und die dieser ins Netz einspeist. Physikalisch kommt die elektrische Energie überwiegend aus den nächstgelegenen Kraftwerken, das Tauschgeschäft "Geld gegen Ware" erfolgt vereinfacht über den „Stromsee“ eines Verbundnetzes mit dem ausgewählten Stromanbieter.
In den Fällen Kassel und Wolfhagen bei Kassel[15] wäre das das Kernkraftwerk Grohnde, lokales Müllheizkraftwerk[16], lokale Fernwärmekraftwerke[17], lokale Blockheizkraftwerke[18] und lokale Photovoltaik-Anlagen. Abhängig von der Leitungsführung könnten auch die weiter entfernten Anlagen Kraftwerk Werdohl-Elverlingsen und Kraftwerk Staudinger Großkrotzenburg geringe Anteile mitliefern. Nur bei Spitzenbedarf schaltet sich das Pumpspeicherkraftwerk Waldeck dazu. Die Wahrscheinlichkeit, dass die elektrische Energie aber physikalisch von schwedischen oder österreichischen Wasserkraftwerken kommt ist gering[19].
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, spricht man von einem Inselnetz.
Wird Strom nicht über ein Stromnetz verteilt, sondern lokal erzeugt und verbraucht, so spricht man von einer Insellösung. Beispiele dafür sind Stromgeneratoren, Solarzellen und Brennstoffzellen, aber auch Lichtmaschine und Fahrraddynamo beim Auto und Fahrrad. Bei mobilen Geräten kommen typischerweise Batterien oder Akkumulatoren als Energiespeicher zum Einsatz. Auch Brennstoffzellen ermöglichen eine mobile Stromversorgung durch Wandlung chemisch gebundener Energie.
| Primär- energie- quelle | Todesfälle durch Unfälle (Öffentlichkeit) | Todesfälle durch Unfälle (Beschäftigte) | Todesfälle durch Luft- verschmutzung | Schwere Erkrankungen durch Luft- verschmutzung | Leichte Erkrankungen durch Luft- verschmutzung |
|---|---|---|---|---|---|
| Braunkohle | 0,02 | 0,10 | 32,6 | 298 | 17.676 |
| Steinkohle | 0,02 | 0,10 | 24,5 | 225 | 13.288 |
| Erdgas | 0,02 | 0,001 | 2,8 | 30 | 703 |
| Erdöl | 0,03 | 18,4 | 161 | 9.551 | |
| Biomasse | 4,63 | 43 | 2.276 | ||
| Kernenergie | 0,003 | 0,019 | 0,052 | 0,22 |
Unterschiedliche Formen der Stromerzeugung haben deutlich unterschiedliche Effekte auf die Gesundheit. Diese können durch Unfälle und durch Luftverschmutzung im Normalbetrieb auftreten. Laut Tabelle ist die Zahl der Todesfälle in der Öffentlichkeit durch Unfälle aufgrund von Luftverschmutzung und Unfälle in der Europäischen Union bei der Kernenergie deutlich niedriger als bei Braun- oder Steinkohle. Die meisten Erkrankungen durch Luftverschmutzung pro erzeugter Terawattstunde werden in der Europäischen Union durch Braun- und Steinkohle verursacht, gefolgt von Erdöl und Biomasse.
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