Table Of ContentJü rgen Ne ubarth
Martin Kaltschmitt (Hrsg.)
Erneuerbare Energien
in Österreich
Systemtechnik, Potenziale,
Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte
Springer-Verlag Wien GmbH
Dipl.-Ing. Jürgen Neubarth
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER)
Universität Stuttgart, Bundesrepublik Deutschland
Gedruckt mit Förderung des Bundesministeriums
für Bildung, Wissenschaft und Kultur in Wien
und des Verbandes der Elektrizitätsuntemehmen Österreichs (VEÖ)
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© 2000 Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Wien New York 2000
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 2000
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren
Umschlag-Fotos: Dipl.-Ing. Heinrich Wilk, Energie AG Oberösterreich, und
TIWA G, Tiroler Wasserkraftwerke Aktiengesellschaft
Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier - TCF
SPIN: 10786860
Mit 204 Abbildungen
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich
ISBN 978-3-7091-3757-4 ISBN 978-3-7091-3756-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-3756-7
Vorwort
Der materielle Wohlstand unserer westlichen Industriegesellschaften in seiner jetzigen
Form konnte sich nur auf der Basis der scheinbar unbeschränkt zur Verfügung stehen
den fossilen Energieressourcen entwickeln. Zwischenzeitlich werden jedoch die mit
der Bereitstellung und Nutzung von Öl, Gas und Kohle verbundenen Umweltauswir
kungen zunehmend sichtbarer und lassen so die Suche nach umwelt- und klimaver
träglicheren Alternativen immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Neben einem möglichst effizienten Energieeinsatz wird dabei vor allem die Nut
zung regenerativer (erneuerbarer) Energien als eine Möglichkeit angesehen, zum
Aufbau einer zukünftig nachhaltigeren Energieversorgung beizutragen. Dies wird
i. Allg. außer mit den geringen Umwelteffekten mit einer ganzen Reihe weiterer posi
tiver Effekte - wie etwa die Unabhängigkeit von Energieimporten oder die Erhöhung
der inländischen Wertschöpfung - begründet. Im EU-Weißbuch "Energie für die Zu
kunft: Erneuerbare Energie" wird deshalb auch eine Verdoppelung des Anteils erneu
erbarer Energien am gesamten europäischen Primärenergieverbrauch von heute 6 auf
12 % bis zum Jahr 2010 gefordert. Dabei werden in Österreich aber heute schon -im
Vergleich zu vielen anderen Staaten der EU - erneuerbare Energien sehr weitgehend
genutzt. Trotzdem sollen auch hier zukünftig die regenerativen Energien - und dabei
insbesondere die sog. neuen Erneuerbaren - deutlich mehr zur Deckung der Energie
nachfrage beitragen. Dies manifestiert sich beispielsweise im Elektrizitätswirtschafts
und -organisations gesetz (EIWOG), das Betreiber von Elektrizitätsverteilernetzen
verpflichtet, ab Oktober 2007 mindestens 4 % ihrer Stromabgabe an den Endverbrau
cher durch Strom aus fester und flüssiger Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas,
geothermischer Energie, Wind- und Sonnenenergie sowie mindestens 8 % ihrer
Stromabgabe an den Endverbraucher durch Kleinwa~serkraft (d. h. bis 10 MW Anla
genleistung) zu decken.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, weIche Möglichkeiten zur Nutzung
regenerativer Energien unter weIchen Randbedingungen weIche Potenziale aufweisen
und mit weIchen Energiegestehungskosten sowie weIchen Umwelteffekten diese ver
bunden sind. Das Ziel dieses Buches ist es deshalb, diese Informationen zur Analyse
und Bewertung des regenerativen Energieangebots in Österreich zusammenzustellen,
um so die notwendigen Grundlagen und Bewertungskriterien für zukünftige Entschei
dungen über dessen weitergehende Nutzung bereitzustellen. Dies gilt vor allem des
halb, weil hier erstmals alle sinnvollerweise in Österreich nutzbaren Möglichkeiten
regenerativer Energien auf einer einheitlichen Grundlage bzw. auf der Basis der glei
chen methodischen Vorgehensweise anhand der wesentlichen energiewirtschaftlichen
Kriterien (d. h. Potenziale, Kosten, Umwelteffekte) analysiert werden. Durch diese
einheitliche Vorgehensweise können sich zwar bei bestimmten regenerativen Energien
Abweichungen zum bisher in Österreich üblichen Vorgehen bei der Ermittlung ener-
VI Vorwort
giewirtschaftlicher Kenngrößen ergeben bzw. können bestimmte Zahlenangaben (z. B.
die Energiegestehungskosten) durchaus von anderen publizierten Angaben abweichen.
Die gewählte Vorgehensweise hat jedoch den großen Vorteil, dass die einzelnen Opti
onen zur Nutzung regenerativer Energien problemlos untereinander und mit den je
weils substituierbaren Optionen zur Nutzung fossiler Energieträger vergleichbar sind
und damit eine einfache Bewertung in energiewirtschaftlichen Gesamtzusammenhang
ermöglicht wird.
Allen Autoren, die durch ihr großes Fachwissen und ihren persönlichen Einsatz
zum Gelingen des vorliegenden Buches beigetragen haben, möchten wir sehr herzlich
danken. Unser besonderer Dank gilt auch den im Projektbeirat involvierten Fachleu
ten, die die Erarbeitung dieses Buches kritisch begleitet und konstruktiv unterstützt
haben, sowie der Energieforschungsgemeinschaft (EFG) des Verbandes der Elektrizi
tätsunternehmen Österreichs (VEÖ), deren finanzielle Unterstützung die Realisierung
dieses Buches erst möglich gemacht hat. Insbesondere möchten wir auch ganz beson
ders Herrn Prof. Paul Viktor Gilli, TU Graz, sehr herzlich für die wertvollen und
hilfreichen Anmerkungen und Anregungen sowie die konstruktiven Diskussionen
danken. Auch möchten wir Herrn Dipl.-Ing. Stephan Oblasser, TIW AG, und Herrn
Dr. Tomas Müller, VEÖ, sehr herzlich für die angenehme und konstruktive Zusam
menarbeit danken. Weiters sei den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Abteilung
"Neue Energietechnologien und Technikanalyse" (NET) des Instituts für Energiewirt
schaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart sowie den
zahlreichen kontaktierten Institutionen in Österreich fUr die vielfältige Unterstützung
bei der Erarbeitung dieses B uches g~dankt.
Wien und Stuttgart im September 2000
Jürgen Neubarth und Martin Kaltschmitt
Liste der Autoren
O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Günther Brauner
Technische Universität Wien, Institut für Elektrische Anlagen
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Gerhard Faninger
Interuniversitäres Institut für Interdisziplinäre Forschung und Fortbildung (ift) der
Universitäten Klagenfurt, Wien, Innsbruck und Graz
Univ.-Doz. Dr. Johann Goldbrunner
Geoteam - Technisches Büro für Hydrologie, Geothermie und Umwelt Ges.m.b.H.,
Gleisdorf
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Hotbauer
Technische Universität Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofft echnik
und Umwelttechnik
PD Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwen
dung
Dipl.-Ing. Dr.techn. Karin Mairitsch
Technische Universität Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofft echnik
und Umwelttechnik
Dipl.-Ing. Jürgen Neubarth
Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwen
dung
AO.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Wolfgang Streicher
Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik
Dipl.-Ing. Heinrich WiIk
Energie AG Oberästerreich, Linz
Projektbeirat
Ing. Günter Bramböck
EVN AG, Maria Enzersdorf
Dipl.-Ing. Artur Emsenhuber
Energie AG Oberösterreich, Linz
Em.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Paul Viktor Gilli
Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik
Dr. Tomas Müller
Verband der Elektrizitätswerke Österreichs (VEÖ), Wien
Dipl.-Ing. Stephan Oblasser
Tiroler Wasserkraftwerke AG, Innsbruck
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gerhard Schiller
Verbund, Wien
Dipl.-Ing. Heinrich Wilk
Energie AG Oberösterreich, Linz
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung und Au tbau .................................................................. 1
JüRGEN NEUBARTH, MARTIN KALTSCHMfIT
1.1 Energiequellen und -ströme ............................................................................ 1
1.1.1 Energiebegriffe .................................................................................... 1
1.1.2 Energiequellen ..................................................................................... 4
Sonne (4); Erdwärme (6); Planetengravitation und -bewegung (7)
1.1.3 Bilanz der Energieströme .................................................................... 8
1.1.4 Erneuerbare Energiequellen. .............................................................. 10
1.2 Energiesystem Österreich .............................................................................. 11
1.2.1 Primärenergieverbrauch ..................................................................... 12
1.2.2 End- und Nutzenergieverbrauch ........................................................ 13
Endenergieverbrauch (13); Nutzenergieverbrauch (14)
1.2.2.1 Verbrauch an elektrischer Energie .................................... 14
1.2.2.2 Verbrauch an Energie zur Wärmebereitstellung ............... 16
Raumwärme und Warmwasser (17); Prozess-
wärme (17)
1.2.3 Umwelteffekte der Energiebereitstellung .......................................... 19
Elektrische Energie (19); Raum- und Prozesswärme sowie
Warmwasser (20)
1.3 Aufbau und Vorgehen ................................................................................... 21
1.3.1 Grundlagen des regenerativen Angebots ........................................... 21
1.3.2 Systemtechnische Beschreibung ........................................................ 21
1.3.3 Potenziale und Nutzung ..................................................................... 22
1.3.4 Ökologische Analyse ......................................................................... 24
Methodische Vorgehensweise (24); Definition von Versor-
gungsaufgaben (27)
1.3.5 Ökonomische Analyse ....................................................................... 29
1.4 Konventionelle Vergleichs systeme ............................................................... 31
1.4.1 Stromerzeugungsmix Österreich ........................................................ 31
1.4.2 Bereitstellung elektrischer Energie .................................................... 33
1.4.2.1 Systemtechnische Beschreibung ....................................... 34
Dampfkraftwerk (34); Gasturbinenkraftwerk
(34); Gas-und Dampfturbinenkraftwerk (34)
XII Inhaltsverzeichnis
1.4.2.2 Ökologische Analyse ........................................................ 35
Definition von Referenztechniken (35); Bilanz-
ergebnisse (35); Weitere Umwelteffekte (36)
1.4.2.3 Ökonomische Analyse ...................................................... 37
Investitionskosten (37); Betriebskosten (38);
Stromgestehungskosten (38)
1.4.3 Wärmebereitstellung .......................................................................... 39
1.4.3.1 Systemtechnische Beschreibung ....................................... 39
Heizkessel und Brenner (40); Brennstoffversor-
gungl-Iagerung (41); Warmwasserbereitung (41)
1.4.3.2 Ökologische Analyse ........................................................ 41
Definition von Referenztechniken (42); Bilanz
ergebnisse (42); Weitere Umwelteffekte (44)
1.4.3.3 Ökonomische Analyse ...................................................... 45
Investitionskosten (46); Betriebskosten (46);
Wärmegestehungskosten (47)
1.4.4 Bereitstellung von Kraftstoffen .......................................................... 48
1.4.4.1 Ökologische Analyse ........................................................ 48
1.4.4.2 Ökonomische Analyse ...................................................... 49
2 Stromerzeugung aus Wasserkraft ................................................ 51
JÜRGEN NEUBARTH, MARTIN KALTSCHMITT
2.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots ........................................... 51
2.1.1 Grundlagen des Wasserangebots ....................................................... 51
Niederschlag (52); Vom Niederschlag zum Abfluss (52)
2.1.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik ............................... 53
Niederschlagsverteilung (53); Flusssysteme (55); Abfluss-
verhalten (55)
2.2 Systemtechnische Beschreibung ................................................................... 57
2.2.1 Grundlagen der Energiewandlung ..................................................... 57
2.2.2 Systemelemente von Wasserkraftanlagen .......................................... 57
Staubauwerk (58); Speicher (58); Einlaufbauwerk (58);
Triebwasser-lDruckrohrleitung (59); Turbine (59); Auslauf
(61); Wellenkupplung und Getriebe (61); Generator (62);
Regelung (62); Netzanbindung (63)
2.2.3 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche ..................................... 63
Anlagenkonzepte (63); Anwendungsbereiche (64)
2.2.4 Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie ................. 65
Energiewandlungskette und Verluste (65); Leistungskenn-
linie (67)
Inhaltsverzeichnis XIII
2.3 Energiewirtschaftliche Analyse ..................................................................... 68
2.3.1 Potenziale und Nutzung ..................................................................... 68
Theoretisches Potenzial (69); Technisches Angebotspotenzial
(69); Technisches Nachfragepotenzial (69); Nutzung (71)
2.3.2 Ökologische Analyse ......................................................................... 72
Definition von Referenztechniken (72); Bilanzergebnisse
(74); Weitere Umwelteffekte (77)
2.3.3 Ökonomische Analyse ....................................................................... 79
Investitionskosten (79); Betriebskosten (80); Stromge-
stehungskosten (80)
3 Solarthermische Wärmenutzung .................................................. 83
JÜRGEN NEUBARTH, WOLFGANG STREICHER, MARTIN KALTSCHMITI
3.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots ........................................... 83
3.1.1 Grundlagen des solaren Strahlungsangebots ...................................... 83
Optische Fenster (83); Strahlungsschwächung (83); Strah-
lungsarten (84)
3.1.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik ............................... 84
Räumliche Strahlungsverteilung (84); Zeitliche Abhängig-
keit (85)
3.2 Systemtechnische Beschreibung ................................................................... 87
3.2.1 Grundlagen der Energiewandlung ..................................................... 87
3.2.2 Systemelemente solarthermischer Anlagen ........................................ 87
Prinzipieller Kollektorautbau (88); Kollektorbauarten (89);
Kollektorverschaltung (91); Montage (92); Speicher (92);
Wärmeträgermedium (94); Leistungen (95); Wärmeübertrager
(95); Pumpen (95); Mess-und Regeleinrichtungen (95)
3.2.3 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche ..................................... 96
Solare Freibadbeheizung (97); Brauchwassererwärmung (97);
Raumwärmeunterstützung (99); Nahwärmesysteme (101);
Sonstige Anwendungen (102)
3.2.4 Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie ............... 102
Energiewandlungskeue und Verluste (102); Kennlinien (105)
3.3 Energiewirtschaftliche Analyse ................................................................... 106
3.3.1 Potenziale und Nutzung ................................................................... 106
Theoretisches Potenzial (107); Technisches Angebotspotenzial
(107); Technisches Nachfragepotenzial (108); Nutzung (109)
3.3.2 Ökologische Analyse ....................................................................... 110
Definition von Referenztechniken (110); Bilanzen der solar-
thermischen Wärmenutzung (112); Bilanzen des Versor-
gungssystems (115); Weitere Umwelteffekte (119)
3.3.3 Ökonomische Analyse ..................................................................... 119
Investitionskosten (119); Betriebskosten (121); Wärmege-
stehungskosten (122)
