Das Elektrische Verbundnetz

Das elektrische Verbundnetz

Das elektrische Verbundnetz verbindet durch Leitungen die Kraftwerke mit den Verbrauchern, und ermöglicht den Stromaustausch zwischen Nachbarländern.

Elektrizitätsverteilung

Abb: Spannung und Frequenz nach Ländern

 

In Deutschland (sowie in ganz Europa) wird das Netz mit einer Frequenz von 50 Hz betrieben. Bei privaten Endverbrauchern liegt die Spannung einphasig bei 220 V. In anderen Ländern ist eine andere Spannung und Frequenz möglich. In Nordamerika gibt es z.B. das elektrische System mit 110 V und einer Frequenz von 60 Hz. In Japan ist die Spannung gleich 110 V, aber in Nordjapan ist die Netzfrequenz 50 Hz und in Südjapan 60 Hz! In Brasilien beträgt die Frequenz 60 Hz, aber die Spannung (110 oder 220 V) ist von der Region abhängig!

Diese Spannungen (110 oder 220 V) sind die Verbraucherspannungen. Um die Verluste zu minimieren und massiven Stromtransport zu ermöglichen sind die Übertragungsspannungen viel höher.

Abb: ICTE Verbundsnetz

Stromverbrauch in Deutschland

Jahresverbrauch

Der Stromverbrauch in Deutschland wächst jedes Jahr seit 1945 wegen einer immer größeren Ausrüstung der Haushalte und Unternehmen mit elektrischen Geräten. Das Wachstum ist heute ziemlich konstant und liegt bei ca. einem Prozent pro Jahr. 2005 wurden mehr als 530 Terawattstunden (TWh= 10^9 kWh) verbraucht.

Die Windstromproduktion lag im gleichen Jahr bei 26,5 TWh, das entspricht mehr als 5% des Stromverbrauchs.

Monatsverbrauch

Beim Monatsverbrauch können wir Schwankungen im deutschen Stromverbrauch bemerken: Die Jahreszeiten sind deutlich zu sehen. Im Winter (von November bis März) ist der Stromverbrauch stärker als im Sommer (von Mai bis September). Auf Grund von mehr Beleuchtungsbedarf und Heizgeräten (Kochgeräte, Warmwasserboiler, elektrische Heizung, usw.) ist der Stromverbrauch im Winter ungefähr 15% höher als im Sommer. In Frankreich wo sehr viele Hauser elektrisch geheizt werden ist dieser Unterschied größer (in Winter ist der Verbrauch 30% stärker als im Sommer). In Spanien gibt es zwei Hochverbrauchszeiten (eine in Winter und eine andere im Sommer), weil im Sommer viele Häuser mit Klimaanlagen gekühlt werden.

Tagesverbrauch

Der Verbrauch variiert stark:

• innerhalb der Woche: Im Laufe der Woche ist der Verbrauch immer stärker als am Wochenende, weil Industriebetriebe, Verwaltungsbüros, Schulen, usw. nur wochentags geöffnet sind. Dieser Unterschied ist im Winter größer.
• innerhalb eines Tages: Nachts ist der Stromverbrauch viel niedriger als am Tag, weil viele Elektrogeräte ausgeschaltet, und Unternehmen geschlossen sind. Der Minimalverbrauch findet sich in der Woche um ca. drei Uhr. Am Wochenende ist dieser Minimalverbrauch etwas später. Der maximale Verbrauch ist um ca. 19 Uhr in der Woche (weil viele Leute schon zu Hause sind, aber die Unternehmen noch nicht geschlossen haben) und gegen 12 Uhr am Wochenende. Der Stromverbrauch wächst beispielsweise um 30% zwischen 5 und 7 Uhr am Mittwoch! Diese Schwankungen sind im Sommer größer als im Winter und können dann mehr als 65% erreichen.

Windschwankungen

Schwankungen der Windenergie

Der Wind ist in der Zeit nie konstant und Schwankungen sind in allen Zeiträumen zu bemerken.

Abb: Jahresschwankungen der Windenergie - Wind power meteorology

 

Die oben dargestellte Grafik zeigt die mittlere 5-Jahres-Windenergie zwischen 1875 und 1985 in Hesselø, Dänemark. Deutlich ist zu sehen, dass lange Wind-Perioden von 10 bis 20 Jahren, mit klassischen Abweichungen von plus und minus 20% verbunden sind. Solche Perioden sind in viele Regionen festzustellen. In Deutschland sind wir seit Ende der 90er Jahre in einer Periode mit wenig Wind.

Abb: Mittlerer monatlicher Ausnutzungsgrad der Windkraftanlagen in Deutschland - ISET, Windenergie Report Deutschland 2005

 

In Deutschland weht der Wind stärker und öfter im Winter als im Sommer deswegen produzieren die deutschen Windkraftanlagen mittlerweile zwei Mal mehr Energie im Februar als im Juni.

Tagesschwankungen

Der Wind weht am Tag stärker und öfter als in der Nacht und die Windstillstandszeit sind nachts häufiger als tagsüber. Dies passt gut zum elektrischen Bedarf, der auch am Tag größer als nachts ist.

Variation der Produktion der Windenergie

Die oben dargestellte Abbildung zeigt die Einspeisung (in Prozent der Nennleistung) in einem Zeitraum von 10 Tagen bei einer Einzelanlage (Oben), eines Windparks (Mitte) und bei allen Windkraftanlagen Deutschlands(vom 21.12.04 bis zum 31.12.04).

Deutlich ist zu erkennen, dass die Verteilung auf eine größere Fläche, sowie die große Anlagenzahl eine Vergleichmäßigung der Einspeisung ermöglicht. Die Einspeisung einer einzigen Windkraftanlage ist sehr variabel, aber alle Anlagen in Deutschland sind unvergleichbar weniger variabel (niedrige Einspeiseschwankungen in allen Zeiträumen, Abschwächung der Spitzenwerte und langsameres Ansteigen und Absinken der Leistung).

Dieses Phänomen ermöglicht eine niedrigere Belastung des Netzes sowie eine gute Vorhersage der Einspeisung durch Windstrom.

Abb: Beispiel für den Zeitverlauf der normierten Leistung einer Windkraftanlage, einer Windpark-Gruppe und aller deutschen Windenergieanlagen (21.-31.12.2004) - ISET, Windenergie Report Deutschland 2005

Windleistungsvorhersage

Um die Windenergie ins Netz gut integrieren zu können muss man versuchen, die Höhe der eingespeisten Windleistung vorherzusagen. Wenn der Wind nicht weht, muss der Strom durch andere Stromquellen (wie Wasserkraft) erzeugt werden. Mit guter Prognose kann der Netzbetreiber die Stromerzeugung an den vorhergesagten Stromverbrauch anpassen.

Abb: 24h-Prognose einer Windkraftanlage und reale Einspeisung - ISET, Windleistungsprognose

 

Die obere dargestellte Grafik zeigt die 24-Stunden-Prognose und die reale Einspeisung. Die Prognose der Stromeinspeisung ist durch meteorologische Programme gut vorhersagbar. Je kürzer die Prognosezeit, desto genauer die Voraussagen.