Dienstag, 11. Januar 2011

energieverschwendung durch freileitungen

sie sind nicht schön, werden gar verantwortlich gemacht für erkrankungen und sind anfälliger für wettereinflüsse als erdkabel: die rede ist von hochspannungsfreileitungen.

man mag argumentieren, dass wir in unserem alltag nun einmal auf die verfügbartkeit elektrischer energie angewiesen sind, diese irgendwie zu uns kommen muss und deshalb stromleitungen unentbehrlich sind. das stimmt. ferner mag man ergänzen, dass gerade diejenigen, welche einerseits für die einführung regenerativer energieformen plädieren, auf der anderen seite kosequenterweise nicht gegen hochspannungsstromtrassen sein können, welche den in küstenregionen gewonnenen strom in das bunderepublikanische binnenland leiten sollen. (*) auch das steht außer frage. jedoch fehlt bei dieser argumentation etwas wesentliches - wie so oft bei auf populismus basierenden (politischen) überlegungen/ äußerungen. die frage ist nicht ob, sondern wie - es geht nicht gegen stromtrassen im allgemeinen, sondern gegen freileitungstrassen im speziellen und konkret pro erdkabelgebundene systeme.

wenden wir uns dem titel des artikels zu: "energieverschwendung durch freileitungen". wie ist das gemeint? im grunde ist es ganz einfach. freileitungen haben einen wesentlichen nachteil: sie weisen systembedingt relativ hohe energieverluste auf. eine freileitung hat einen etwa 4-fach schlechteren wirkungsgrad als ein vergleichbares erdkabel. "hm, na und?" mag der laie denken (auch ich zähle mich dazu, obgleich ich vor über 20 jahren e-technik anstudiert und mich in die materie eingearbeitet habe - ich bin ein informierter laie; und eben darum geht es mir: information)

ein 4-fach schlechterer wirkungsgrad, also. das ist sicher eine vergleichsweise schlecht nachvollziehbare aussage, welche ich in der folge näher beleuchten und erklären werde. hier sei aber vorab folgendes behauptet:

eine 100 km lange 110-kv-hochspannungsfreileitung moderner bauart (260 megavoltampere, mva) generiert aufgrund ihrer elektrischen verluste einen co2-ausstoß von bis zu 600 tonnen am tag und einen volkswirtschaftlichen schaden i.h.v. bis zu 58 millionen euro/ jahr
(**).

da eine kabeltrasse einen 4 mal besseren wirkungsgrad aufweist, ist der co2-ausstoß hier um den faktor 4 geringer, also 150 tonnen co2/100km und tag. gleiches gilt für den volkswirtschaftlichen schaden.

wie komme ich zu diesem unglaublichen ergebnis? ein rechenfehler? vielleicht, aber sehen sie selbst:

an dieser stelle möchte ich nochmals darauf hinweisen, dass ich kein fachmann bin und nicht über eigene messungen/ zahlen verfügen kann, sondern auf die anderer angewiesen bin. zuvorderst ist hier herr prof. heinrich brakelmann von der universität duisburg-essen zu nennen.

prof. brakelmann ist ein ausgewiesener spezialist auf dem gebiet der energietechnik und hat bereits zahlreiche studien zum thema verfasst.2 dieser studien liegen mir vor. diesen entnehme ich primär die meinen rechnungen zu grunde liegenden technischen angaben. außerdem geht es mir hier darum, die größenordnungen aufzuzeigen, mit denen man es zu tun hat, wenn man sich mit dem transport elektrischer energie und insbesondere mit den dabei entsehenden energieverlusten auseinandersetzt.

ferner sei erwähnt, dass meinen betrachtungen die verluste einer 110-kv-trasse zu grunde liegen; je höher die spannung (220 kv und 380 kv im deutschen netz) und der strom, desto höher die absoluten verluste. (***)

verluste freileitung versus erdkabel

gegeben ist eine ca. 27 km lange 110 kV (260 MVA) stromtrasse, welche als freileitung und alternativ als erdkabel ausgeführt ist. die trasse dient als verstärkung des vorhandenen netzes und soll primär durch windkraft erzeugten strom transportieren.

eine typische moderne 110-kv-freileitung (260 MVA = megavoltampere, das entspricht 260.000.000 watt elektrischer leistung) weist einen "längsbezogenen stromwärmeverlust" von 390 watt/m auf! ein adäquates erdkabel dagegen nur 100 watt/m. (siehe quelle 1)

das bedeutet, dass ein solches freileitungssystem einen 3,9 mal schlechteren wirkungsgrad hat oder, im umkehrschluss, annähernd 4 mal so viel strom verschwendet, wie ein kabelsystem. umgerechnet auf die 27-km-trasse bedeutet dies einen energieverlust wie folgt:

110-kv-freileitung (260 MVA) 10,530 MW (ca. 4 % der thermischen grenzleistung, theoretische volllast)
110-kv-erdkabel (280 MVA) 2,700 MW (ca. 1 % der thermischen grenzleistung, theoretische volllast)
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einsparpotential: 7,830 MW

es muss bei dieser berechnung u.u. berücksichtigt werden, wie hoch die verluste ggf. in zusätzlich benötigter peripherie (z.b. schrägregel-transformator) sind - darüber kann ich derzeit keine fundierte aussage machen, vermute aber, dass diese i.d.r. vernachlässigbar sind.

das durch die verlegung eines erdkabels erzielbare einsparpotential auf der gegebenenn 27-km-trasse beträgt also 7,83 MW, das entspricht der nennleistung 5 moderner 1,5-MW-windkraftanlagen und bildlich: einer 27 km langen lichterkette bestehend aus 78.300 100-watt-glühlampen - alle 35 cm eine.

volkswirtschaftlicher schaden

um den volkswirtschaftlichen schaden präzise zu errechnen, bedarf es sicher noch weiterer parameter, ich begrenze mich in folgender rechnung auf die kosten, welche dem endverbraucher entstehen, wenn anstatt des kabels eine freileitung errichtet wird. dazu betrachte ich die elektrische arbeit in kilowattstunden (kWh).

der strompreis beträgt in deutschland derzeit etwa 23 cent pro kWh, das ist übrigens der zweithöchste in europa, nur die dänen liegen mit 25,5 cent etwas darüber. das bedeutet, dass dem endverbraucher dadurch theoretisch folgende mehrkosten entstehen:

7,83 MW * 0,23 €/kWh = 1.800,90 €/h

es entstehen also kosten für den endverbraucher i.h.v. ca. 1.800 € pro stunde, bzw. 43.200 € pro tag und 15.768.000 €/ jahr. gerechnet auf eine standzeit von 25 jahren sind das 294,2 millionen € einsparpotential. beachten sie, dass dies ein theoretischer wert ist, der von einer dauerhaften volllast ausgeht, also einer betrachtung unter realen bedingungen nicht standhalten würde. er zeigt aber die größenverhältnisse auf, um die es hier geht. für die stromnetzbetreiber sieht das natürlich anders aus, da hat eine kwh einen ganz anderen monetären wert.

ganz interessant in diesem kontext ist die rechnung auf dieser seite: http://www.netzausbau-niedersachsen.de/freileitungen/alte-freileitungen/index.html. der dort angegebene verlust einer alten 380-kV-leitung wird mit max. 153.000 €/jahr und km beziffert. das ist zwar nicht direkt mit der hier betracheten 110-kv-leitung vergleichbar, belegt aber, dass die größenverhältnisse meiner rechnung stimmen. (hier wurde nicht der endverbraucherpreis sondern die erzeugerpresie i.h.v. 3,5 cent/kwh zu grunde gelegt, wie ich auf nachfrage bestätigt bekam.)

umweltbelastung

unabhängig von den oben errechneten kosten, bedeutet diese form der energieverschwendung natürlich auch eine zusätzliche belastung der umwelt (stichwort co2/ klimaerwärmung). nun könnte man argumentieren, dass im vorliegendem fall die energie ja aus regenerativeren ressourcen (windkraft) erzeuggt wird, eine "verschwendung" ergo klimaverträglich sei. da die fehlende energie aber anderswo erzeugt/ das erzeugungspotential vorgehalten werden muss, zeigt sich, dass dieses argument so viel wert ist wie jenes: "bei mir kommt der strom aus der steckdose." hier also der versuch einer "klimarechnung":

bei der verbrennung fossiler energieträger (kohle, erdöl, gas) entsteht kohlendioxyd (co2). co2 ist eines der sogenannten treibhausgase und wird für die klimaerwärmung wesentlich mit verantwortlich gemacht. in deutschland entstehen durch die nutzung fossiler energieträger zur gewinnung von elektrizität durchschnittlich 0,64 kg co2/kwh (siehe quelle 2). übertragen auf das einsparpotential von 7,83 MW ergibt dies für die geplante freileitungstrasse:

7,83 MW * 0,64 kg co2/kwh => 5.011,2 kg co2/h

das bedeutet, dass je stunde bei volllast auf der gesamten länge von 27 km ein energieäquivalent aufgebracht werden muss, welches 5 tonnen co2 freisetzt! erstaunlich! aber auch dies ist wieder ein theoretischer wert, welcher ggf. einer verifizierung bedürfte. interessant wäre eine hochrechnung auf das gesamte deutsche hochspannungsnetz und die sich daraus ergebenen einsparpotentiale...

um das noch anschaulicher zu machen, berechne ich den steinkohlebedarf für die "erzeugung" von 5 tonnen co2, respektive die erzeugung von 7,83 MWh elektrischer arbeit.

steinkohle hat einen heizwert von ca. 8 kWh/kg (siehe quelle 3). für die erzeugung von 7,83 MWh benötigt man demnach theoretisch:

7.830 kWh : 8 kWh/kg = 978,75 kg => ca. 1 to

bei modernen kohlekraftwerken kann man von einem wirkungsgrad von ca. 40 % ausgehen. daraus ergibt sich:

1 to : 40 % = 2,5 to

um auf einer 27 km langen trasse den höheren verlust einer 110-kv-freileitung (260 mva) gegenüber einem adäquaten erdkabel auszugleichen, müssen stündlich 2,5 tonnen steinkohle verstromt werden, das sind 60 tonnen täglich und 21.900 tonnen im jahr.

konklusion

wie bereits eingangs erwähnt, geht es mir nicht um eine unanfechtbare und konkrete verlustrechnung für den transport elektrischer energie. vielmehr will ich die größenverhältnisse aufzeigen und das augenmerk primär auf die komponenten energieverschwendung und umweltschutz, namentlich co2-emission lenken. gerade letztere sollte auch für die politik von interesse sein, und das nicht nur im ökologischen sondern auch im ökonomischen kontext.

unerwähnt bleiben darf auch nicht, dass es im vorliegenden fall primär um den transport von windstrom geht, der tatsächlich weitestgehend klimaneutral ist (man berücksichtige jedoch bei erstellung einer co2-bilanz bau, transport, aufbau und entsorgung der wka und peripherie). die verschwendung von elektrischer energie bedingt durch den einsatz von freileitungen schlägt sich demnach nicht direkt in einer entsprechenden co2-emission nieder. die verluste sind trotzdem evident und bedeuten einen volkswirtschaftlichen schaden, auf welcher grundlage bzw. mit welchem fokus man diesen auch betrachten und quantifizieren mag. und ich muss eingestehen, dass obige rechnung zum volkswirtschaftlichen schaden zugegebenermaßen naiv und wahrscheinlich dilletantisch ist, da ich von der materie einerseits zu wenig verstehe und es andererseits nicht unterlassen konnte, mich eines spritzers populismus' zu bedienen, welchen ich an anderer stelle tadelte. ich hoffe jedoch, dass sie wenigstens als grundlage für denkanstöße dienen kann, und vielleicht andere, auf dem gebiet der ökonomie mehr bewanderte, diese aufnehmen werden.

eine betrachtung durch die brille der energiekonzerne sei zum schluss noch ergänzt: eon, enbw, rwe und vattenfall sind die vier großen energieerzeuger und netzbetreiber. als solche sind sie verpflichtet, angemessene kapazitäten im leitungsnetz vorzuhalten und ggf. zu vergrößern. u.a. bedingt durch die zunahme regenerativer energieformen, insbesondere der windkraft, ist eine erweiterung des stromnetzes unausweichlich. das ist für die energieriesen in mehrfacher hinsicht ärgerlich: es bedeutet (subventionierte) konkurrenz am strommarkt sowie kosten durch den ausbau der stromnetze zwecks einspeisung des stromes der konkurrenz. einsparungen während des betriebes durch die verwendung verlustärmerer erdkabeltechnik ist für die vier in doppelter hinsicht von nachteil: es generiert hohe erstellungskosten und verringert den bedarf an strom, also dem gut, mit dem die vier ihre gewinne machen; das ist natürlich schlecht in puncto share holder value. eines ist jedoch sicher, egal was kommt, freileitung oder erdkabel, zahlen wird es am ende der verbraucher: sie!

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quellenangabe

(1) prof. heinrich brakelmann "Netzverstärkungs-Trassen zur Übertragung von Windenergie: Freileitung oder Kabel?" s. 48 ff
(2) umweltbundesamt
(3) wikipedia [ http://de.wikipedia.org/wiki/Heizwert ]

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(*) jüngst hat die cdu im rahmen einer kampagne gegen die "grünen dagegensager" eine website erstellen lassen, in der projekte aufgezählt sind, gegen deren umsetzung die partei die grünen/ bündnis 90 sei. dort sind auch geplante freileitungstrassen durch nrw aufgeführt.

(**) auf basis des derzeitigen strompreises für endverbraucher in deutschland, siehe rechnung.

(***) die relativen verluste sind bei anlagen, die mit höheren spannungen betrieben werden geringer; eben dies ist der grund, warum strom mit hohen spannungen transportiert wird.

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