Kapazitätsfaktoren als Indikatoren für Kraftwerke

Was ist eigentlich der Kapazitätsfaktor?

Der Kapazitätsfaktor gibt an, zu welchem Anteil ein System produktiv ist. Wenn Sie eine Produktionsmaschine haben, etwa eine Maschine zur Flaschenherstellung, gibt der Kapazitätsfaktor an wie viele Flaschen real z.B. in einem Jahr hergestellt wurden, geteilt durch die Anzahl der theoretisch möglich herzustellenden Flaschen, wenn die Maschine das ganze Jahr – 8760 Stunden – durchläuft.

Das gleiche gibt es auch für Energie-„Erzeuger“, z.B. Kraftwerke. Es ist offensichtlich, dass Photovoltaikanlagen auf der Erde nur maximal die Hälfte laufen können – die andere Hälfte ist Nacht, und da ist es dunkel. Und selbst am Tag hat man so seine Widrigkeiten: Schlechter Einfallswinkel und immer wieder das lästige Wetter mit Wolken, Nebel und Schnee.

Haben Kernkraftwerke einen viel höheren Kapazitätsfaktor? Ja, aber der ist auch nicht „eins“ oder 100%. Denn dieses Systeme benötigen Wartungsphasen für den Brennelemente-Wechsel und auch für Sicherheitsüberprüfungen sowie allfällig auftretenden Reparatur- und Wartungsarbeiten.

Die folgenden Bilder, zeigen die Kapazitätsfaktoren ausgewählter Kraftwerke in Deutschland für die letzte Dekade und das zusätzlich nach Monaten aufgelöst. In der ersten Serie finden Sie die Bilder für Biomasse, Photovoltaik und die beiden Windkraft-Typen Off-Shore, also vor der Küste und On-Shore, also auf dem Land.

Nun zu den Diagrammen

Unter den Bildern befinden sich kurze Beschreibungen. Diese bitte ich als Zusatzinformation zu betrachten, ggf. mit meinen Hypothesen der Charakteristik der Entwicklung versehen. Wie üblich ist es mir wichtig, Daten & Informationen aufzubereiten und darzustellen, die ein Nachdenken über die Zusammenhänge befördern und damit – hoffentlich – zu besserem Verständnis und besseren Entscheidungen führen.

Die Bilder haben zur Orientierung einen Titel, der alle Informationen erhält. Dabei sind die ersten vier Bilder alle mit der gleichen Farbskala versehen, also von 0 … 100%, so dass die Kapazitätsfaktoren zwischen den einzelnen Kraftwerksarten vergleichbar sind:

Biomasse/100%: Hier kann man gut erkennen, dass die Biomasse-Kraftwerke relativ gut und gleichmäßig ausgelastet sind, dass sie aber im Laufe der Jahre abgenommen hat, der Kapazitätsfaktor ist also gesunken.
Eine Hypothese ist die, dass man die Leistungskapazität ausgebaut hat, um Regelkapazitäten aufzustocken, also mehr Gigawatt bei Bedarf liefern zu können – die Energiekapazität, also wie viele Gigawattstunden im Jahr geliefert werden können, ist durch die Zufuhr an landwirtschaftlich produzierter Biomasse beschränkt.
PV/100%: Hier zeigt sich ganz klar die jahreszeitliche Variation der PV-Gewinne, während die installierte Leistung, also das Potential einer Anlage, gleich bleibt. Weiterhin ist erkennbar, dass PV prinzipbedingt in Deutschland bzw. überhaupt auf der Erdoberfläche keine sehr hohen Kapazitätsfaktoren erbringen kann.
Wind Offshore/100%: Hier wird erkennbar, dass Offshore-Wind tatsächlich hohe Kapazitätsfaktoren ermöglicht, wenn auch der Sommer unterrepräsentiert ist. Dafür hat die PV dort hohe Erträge, was aber besser in den relativen Plots erkennbar ist (s.u.)
Wind Onshore/100%: Die Kapazitätsfaktoren an Land sind bei der Windenergie deutlich geringer, was mit der hohen Oberflächenrauhigkeit der Landoberfläche zusammenhängt: Diese reduziert die Windgeschwindigkeiten in den typischen Höhen der Rotoren von 100-300 Meter.

Die zweite Serie zeigt eine Farbskala, die auf den maximalen Kapazitätsfaktor eines Monats im Beobachtungszeitraum 2015 … 2024 normiert ist. Das heißt, die Farbe Blau gibt die höchste Monatsauslastung an, die Farbe Magenta die niedrigste. Grün ist dann ein mittlerer Bereich um die 50%, der immerhin schon einmal „ganz gut“ ist.

Biomasse/individuelle Skala: Hier wird die Entwicklung über die Jahre viel deutlicher erkennbar: Die Leistungskapazität (also die Maximalleistung aller Biogasanlagen) ist nennenswert gesteigert worden , während die Energiekapazität (also die Menge der pro Jahr herstellbaren Biomasse) durch die limitierte Größe der landwirtschaftlichen Nutzflächen/Produktivität etwa gleich geblieben ist.
PV/individuelle Skala: In der individuellen Skala werden die monatlichen Schwankungen des Kapazitätsfaktors, aber auch die jährlichen Entwicklungen sehr viel stärker ausgeprägt sichtbar: Winter – Sommer sowie Witterungsbedingungen zwischen den Jahren. Auffallend ist die Abnahme der Kapazitätsfaktoren besonders im Sommer. Hypothese: Aufgrund der geringen PV-Modulpreise wird es immer attraktiver, auch schlechter ausgerichtete Dächer mit geringeren Jahresenergiemengen pro installierter Leistung zu bestücken. Die Kapazitätsfaktoren sinken, dafür kann aber bei Ost-West-ausgerichteten Modulen sowie vertikal platzierten Modulen eine bessere Angleichung zwischen PV-Stromerzeugung und Leistungsbedarf erreicht werden.
Wind Offshore/individuelle Skala: Gerade im Vergleich mit der Windgewinnung auf dem Land (On-Shore) fällt auf, dass die Kapazitätsfaktoren wesentlich weniger stark variieren, was den Aufwand an Stromleitungskapazitäten/Speichern/Backup-Kraftwerken – je nachdem, wie man das Problem der Variabilität der Windenergie auffängt – deutlich reduziert! Dies gilt besonders für die jahreszeitlichen Variationen, so dass auch im Sommer die dunklen PV-Strom-armen Nächte etwas besser versorgt werden können.
Wind Onshore/individuelle Skala: Dieses Bild zeigt deutlich die ausgeprägten Variationen der Windenergie Onshore, bei der auch aufgrund der hohen installierten Leistung von inzwischen ca. 70 Gigawatt (2024) hohe Variationen im Stromnetz auftauchen, wenn man diese auf die typischen 40 … 55 … 80 Gigawatt Leistungsbedarf bezieht. Die außenstehenden Werte bezeichnen typ. Minimal- und Maximalwerte, die fett kursiv gedruckte 55 weist auf den Jahresmittelwerte (2023) hin.

1 Kilowatt PV installiert – 8760 Kilowattstunden pro Jahr? / Video-Hinweis

Leider nein. Es sei denn, die Sonne scheint bei wolkenlosem Himmel das ganze Jahr praktisch von oben auf ein Modul mit dieser Peak-Leistung. Peak heißt Gipfel oder Spitze und bezeichnet die Leistung eines Solarmoduls unter optimalen Bedingungen!

Aber die meisten, die sich schon einmal draußen aufgehalten haben oder durch ihre Fenster nach draußen geschaut haben, wissen, dass diese optimalen Bedingungen auf der Erde nirgends zu finden sind.

Hier kommt der Kapazitätsfaktor (Auslastungsgrad) ins Spiel: Er gibt an, wie viel von dieser Peak-Leistung wirklich genutzt werden können. Bei PV ist das in Deutschland ein Wert von ca. 0,1 oder 10%. Aus einem Kilowatt Peak-Leistung der PV-Anlage kommen etwa 900 Kilowattstunden an Jahresenergieertrag heraus:
1 Kilowatt * 8760 Stunden * 0,1 = 876 Kilowatt * Stunden

Das ist fast mein Jahres-Haushaltsstrombedarf … wenn da nicht so was wie Winter, Nacht und Wolken wäre, die einem die Stromlieferung verhgeln 🙂

Große Kraftwerke und Kraftwerksparks mit GW-Leistungen in TWh-Energiemengen pro Jahr umrechnen, ist das schwierig? Nein, in dem aktuellen Video zu diesem Thema wird es erklärt und die Rechnungen durch Faustformeln vereinfacht!
Youtube-Video 2023-118 öffnet in neuem Fenster:
Von der Peakleistung/Nennleistung zur Jahresenergiemenge
Von der Jahresenergiemenge und installierten Peak-/Nennleistung zum Kapazitätsfaktor
Von der Jahresenergiemenge zum mittleren Leistungsbedarf

Gebäudeenergiegesetz – meine Variante!

Was macht man, wenn einem ein Gesetz nicht gefällt? Trotzdem befolgen, nicht befolgen oder man schreibt einfach seine eigene Variante. Und wirft sie in den Ring.

Grundidee ist ein einfaches Gesetz mit möglichst wenigen Detailregeln aber auf 20 Jahre klaren Spielregeln über die Energieabgabe und einen vollständigen Fluss dieser Abgabe hälftig an die Bürger bzw. hälftig an Forschungseinrichtungen, auch der Industrie.

Das ganze passt auf drei Seiten und dient schlichtweg als Anregung zum Denken im Vergleich zu den 150-200 Seiten des aktuell in der Sommerpause ruhenden offiziellen Gesetzesentwurfs der aktuellen Bundesregierung.

Einen Vorteil hat es definitiv: Man ist schneller mit dem Lesen fertig!

PDF-Dokument: Bürgervorschlag für ein kompaktes Gebäudeenergiegesetz / M. Bockhorst

Hier ansehen oder herunterladen (siehe Button weiter unten).

Energiekrise im Denken!

Die teilweise hausgemachte Energiekrise findet nicht nur in den Produktionsstätten, den Leitungen und in unseren Haushalten statt, sondern auch in unseren Köpfen!

Warum? WIr denken bei Energie immer direkt an die problematischen Nebenwirkungen, ja es ist noch viel schlimmer: Wir denken nur noch an den Klimawandel, die Erderhitzung, die Klimakatastrophe. Zumindest suggeriert die mediale Darstellung von Energiethemen, dass wir ausschließlich auf diesen Pfad gebracht werden sollen.

Was dabei vergessen wird, ist, dass Energie grundsätzlich ist. Energie ist aus der Sicht der Physik heraus etwas, was wir als Menschen nüchtern beschreiben können.

Betrachten wir Energie aus der Perspektive der Physiker, der Soziologen und der Ökonomen, ist Energie das, was unser Leben erst ermöglicht, unser Sozialleben in hohem Maße unterstützt und die Wirtschaft am laufen hält. Wirtschaft erscheint uns oft als eine vom „normalen“ Leben abgekoppelte Profitmaschine. Aber Wirtschaft ist viel mehr oder besser, kann viel mehr sein.

Industriekonzerne, mittelständische Unternehmen sowie kleine Gewerbe vom Einzelhandel bis zu den Handwerksbetrieben stellen Dinge her und bieten Leistungen an, die unser Leben einerseits erst ermöglichen, etwas durch Nahrungsmittelproduktion. Sie stellen aber auch Häuser her und bieten Energie an, um die Häuser zunächst herstellen zu können, sie aber auch auf angenehme Temperaturen zu bringen.

„Die Wirtschaft“ stellt zudem Dinge her, die unser Leben verbessern, wie etwa viele Medikamente, gute Möbel, Kommunikationssysteme und so weiter. Davon kann einiges als „Luxus“ angesehen werden, aber diese Dinge können uns auch weiterbringen. So kann ein Smartphone zum Spielen als Luxus angesehen werden, es kann aber auch als Werkzeug dienen, um Lehrfilme zu erstellen, die dann im Internet für alle verfügbar gemacht werden.

Wir sollten den gesunden Menschenverstand wieder einsetzen, vielleicht auch erst wieder suchen und uns daran erfreuen: Nur so kann das breite Bild der so reichhaltig aber nicht aufdringlich wirkenden Energie in unseren Köpfen, aber auch in unserer Gesellschaft wieder zurechtgerückt werden. Mit all seinen Problemen, aber eben auch den positiven Seiten.

Energie ist ein Werkzeug. Wir können es gebrauchen oder missbrauchen!

Kommentar: Selbstgemachte Energiekrise im Denken und Handeln?

Sonntag, 15.1.2023, die Gasspeicher sind voll, die Lage ist dennoch angespannt. Bald wird es wieder kälter, die Weihnachtsferienzeit ist so richtig zu Ende und die Betriebe wieder voll angelaufen.

In Baden-Württemberg ist für 17:00-19:00 Uhr eine Strommangellage angekündigt. Man soll Akkus vorher aufladen und Energiebedarf von größeren Verbrauchern vorverlegen. Powerbank aufladen oder was? Duschen vor dem Sport? Die Pommes um 16:30 für das Abendessen schon mal frittieren?
Das beste ist die Begründung: Wegen mangelnder Stromtrassen kann kein Strom aus dem Norden Deutschlands herbeitransportiert werden, deswegen wird der Strom knapp. Er muss dann teuer aus der Schweiz gekauft werden. Ja was denn jetzt? Wie war es denn bei der Dunkelflaute Ende November bis Mitte Dezember 2022 – da gab es gar keinen Windstrom im Norden, kaum Kernstrom aus Frankreich und tiefe Temperaturen mit erhöhtem Gasverbrauch. Das haben wir doch auch überlegt.

Die Deutsche Umwelthilfe e.V. will gegen die LNG-Terminals klagen, wenn man ihrem Einspruch gegen den Betrieb nicht nachkommt. Es soll in Wilhelmshaven kein Chlor verwendet werden – bei dieser FSRU, der schwimmenden Regasifizierungs- und Speichereinrichtung, ist aber die Nutzung von Chlor betriebstechnisch nötig, damit die Wärmetauscher keinen Bewuchs ansetzen. Ohne Chlor kein Terminalbetrieb.
Wir können am Ende froh sein, dass wir dieses Beifüttern von Gas haben, damit es eben nicht zu einer dramatischen Gasknappheit kommt, die zu sozialen Verwerfungen mit massiven Folgen, die ich mir gar nicht ausmalen möchte!
Wenn man keine Kernenergie will und vielleicht auch Feinstaub dort bekämpfen, wo die schlimmste Quelle ist, muss man derzeit auf Erdgas setzen. Ach ja, es ist nicht das Auto, es sind die schlecht betriebenen Öfen, die mit schlechten Brennstoffen gefüttert werden!

Gleichzeitig liest man, dass im Norden Deutschlands nach Gas gebohrt werden soll. Ohne Fracking. Von einem kanadischen Unternehmen, welches die Erlaubnis hat, aber bislang kein Interesse mehr hatte. Bei den Preisen ist das wohl wieder interessant, vor Ort will man auch, aber die ersten sind dagegen.

Apropos dagegen: Auch der Kampf in einem winzigen Dorf gegen Braunkohle, die immerhin die Abhängigkeit von importiertem Autokratengas und importierter Autokratenkohle vermindert, wird geführt. Gegen die Institutionen, die man dann anrufen wird, wenn gegen die Installation von Windrädern inmitten naturnaher Wälder von Demonstranten verhindert werden soll.

Konsistente Energiepolitik sieht anders aus – das, was hier jetzt passiert, ist gegen jede Logik, gegen jede Vernunft, ja sogar gegen den einfachsten gesunden Menschenverstand. Aber warum geschieht das?

Die Speicherfrage – genauer beleuchtet

Schon seit ca. 25 Jahren kenne ich die Aussage, dass wir dann, wenn wir Photovoltaik und Wind als einzige Energien haben, etwa für 2 Wochen Strom speichern müssen. Strom, der 2 Wochen ganz Deutschland am laufen halten könnte.

(Links auf die beiden VIdeos auf YouTube, die in neuem Fenster öffnen (reine URL-Verweise))

Teil 1/2: 100% Photovoltaik mit Speicher zur Vollversorgung?!
Teil 2/2: Vergleich verschiedener Energielandschaften für 100% nichtfossilen/nichtnuklearen Strom mit Speicher zur 100%-Vollversorgung

Es gibt natürlich immer wieder welche, die behaupten, dass das nicht stimme, weil es ja keine zwei Wochen ohne Sonne und Wind gibt. Das stimmt auch, aber es gibt längere Phasen, in denen unterdurchschnittlich Sonne und Wind verfügbar sind! Das summiert sich dann zu einem Speicherbedarf von ca. 2 Wochen x 65 GW = 168 Stunden * 65 GW ~/= 20000 GWh oder 20 TWh.

Da diese Zahl irgendwie immer wieder auftauchte und man dafür angegriffen wird, sie zu verwenden, habe ich mit Realdaten des Strombedarfs aus 2019 herausgefunden, dass diese Zahl tatsächlich stimmt. Im Rahmen der gemachten Annahmen, eines ca. 3-fachen PV- und Windenergieausbaus sowie gleicher zeitlicher Verbrauchsstruktur und gleichem Gesamtbedarf.

Damit man sieht, wie PV und Wind jeweils für sich arbeiten und inwieweit ein synergetischer Effekt auftreten könnte, werden die drei Optionen in Teil 2 diskutiert. Ergänzt durch eine Visualisierung, wieviel Müllverwertung, Wasserkraft und Biomasse zusätzlich bringen (leider sehr wenig, da sie im Grundlastbetrieb gefahren werden).

Teil 1 erklärt die Vorgehensweise für die Photovoltaik – also 100% PV + Speicher – sehr ausführlich, so dass interessierte Zuschauerinnen und Zuschauer in Teil 2 gut vorbereitet die verschiedenen Szenarien besser betrachten können.

Neue energieinfo-Filme im Oktober 2022

Streckbetrieb – Funktionsweise und Energiemengen (ERDGASNOT-Serie) (Weiterbetrieb Kernkraft)
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Mitte Oktober 2022 wurde per Kanzlerbeschluss entschieden, dass die letzten drei Kernkraftwerke in Deutschland statt bis 31.12.2022 bis zum 15.4.2023 weiterbetrieben werden sollen – davon werden erhebliche Anteile im sogenannten Streckbetrieb absolviert. Bei dem Streckbetrieb werden die weitgehend ausgenutzten Brennelemente noch weiter „ausgequetscht“, um noch Wärmeenergie herauszuholen, allerdings bei stets verringerter Kraftwerksleistung durch geringere Spaltungsrate und sich verschlechternden Wirkungsgrad.

Resiliente Energieversorgung – Was ist das? – 1: Beispiel Inselversorgung / Energiekrise vermeiden
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Die aktuelle Energiekrise mit der Gefahr von Blackouts macht das Nachdenken über Energieversorgungssysteme notwendig: Resilienz bedeutet Standhaftigkeit, Zähigkeit eines Systems (auch einer Person) gegen Änderungen von Außen. Energiesicherheit ist für hochindustrialisierte Staaten, wozu man Deutschland zählen darf, von essentieller Bedeutung – sie sind von resilienten Energieversorgungssystemen abhängig.

Energiekrise voraus? – Zu Energieknappheit und Preisentwicklung
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Ein Omen? … eigentlich war es nur ein spontaner Mikrofontest, den ich während eines Waldspaziergangs gemacht habe. Mit einem mehr oder weniger sinnvollen Text, frei dargestellt, was mir durch den Kopf ging.
Auflösung des Aufnahmedatums im Video!



Neue energieinfo-Filme im September 2022

Kernenergie: Stuttgarter Erklärung/Petition 136760 – QUORUM 50000 übererfüllt! Nun in 2. Prüfung!
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Die Mitzeichnungsphase dieser Petition ist nun abgeschlossen und sie war erfolgreich: D.h., die Petitenten, also die Einreicher dieser Petition, müssen in einem Bundestagsausschuss öffentlich angehört werden.
Ziel ist es, das Verbot, mit Kernenergie produzierten elektrischen Strom verkaufen zu dürfen, aufzuheben. Dies soll der Energieversorgungssicherheit dienen, die im Stromsektor mit Photovoltaik und Wind ohne existierende Speichermöglichkeiten nicht erzielt werden kann.

ERDGASNOT: Rettung durch Heizlüfter und Co.?
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Alleine auf der Basis der in 2022 bis zum August verkauften 600 000 Heizlüfter wird vor einem Blackout gewarnt. Die nach eigener Einschätzung ca. 20 000 000 +X Heizlüfter und Radiatoren, die bereits gekauft wurden, sind eine viel größere Gefahr.
In diesem Beitrag wird beleuchtet, inwieweit Heizlüfter uns „retten“ könnten, falls die Erdgasversorgung ausfallen sollte.

NEUE VIDEOS zum Thema ERDGASNOT

Was rettet uns aus der Knappheit von Erdgas? In diesen Videos gehe ich der Frage nach, inwieweit die Versorgung mit LNG, FSRUs (Schwimmende LNG-Terminals) und Speichern)) funktionieren kann!

Das folgende Video behandelt das Thema „Energiebedarf beim Duschen“ – unter anderem wird eine Formel vorgestellt, mit der man den Energiebedarf abschätzen kann.
Am Ende wird auch vorgerechnet, wie viel Erdgas das Sparen um 50% beim Duschen in Bezug auf den gesamten Erdgasbedarf bringt!

NEUES VIDEO: Schwimmende LNG-Terminals / FSRUs

FSRUs sind Floating Storage and Regasification Units, die die Aufnahme von flüssigem Erdgas (LNG) ermöglichen. Dann kann dieses an Bord gespeicherte LNG in den gasförmigen Zustand überführt werden (Regasification).

Erdgas wird schließlich meist als Gas energetisch oder stofflich genutzt. Nachfolgend wird das Erdgas bei geringem Druck üblicherweise komprimiert, um es dann – immer noch in Gasform – über das Hochdruck-Pipeline-Netz zu verteilen.

Das ganze funktioniert natürlich auch mit stationären LNG-Terminals an Land, aber: FSRUs haben, weil sie mobil sind, unter anderem den großen Vorteil, dass sie mobil dort eingesetzt werden können, wo sie benötigt werden … vorausgesetzt, man kann eine dieser FSRU „ergattern“.

Das folgende Video (17min) stellt einerseits die Funktion einer FSRU vor, versucht aber auch, die – insbesondere aus der deutschen Perspektive – notwendige Gasmenge und Infrastruktur in den weltweiten Vergleich zu stellen.