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Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger

<p>Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger</p><p>Die Energiewende ändert die Zusammensetzung des deutschen Kraftwerksparks. Die Anzahl an Kraftwerken zur Nutzung erneuerbarer Energien nimmt deutlich zu. Kraftwerke mit hohen Treibhausgas-Emissionen werden vom Netz genommen. Gleichzeitig muss eine sichere regionale und zeitliche Verfügbarkeit der Stromerzeugung zur Deckung der Stromnachfrage gewährleistet sein.</p><p>Kraftwerkstandorte in Deutschland</p><p>Die Bereitstellung von Strom aus konventionellen Energieträgern verteilt sich unterschiedlich über die gesamte Bundesrepublik. Das ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠ stellt verschiedene Karten mit Informationen zu Kraftwerken in Deutschland zur Verfügung.</p><p>Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland, Stand Januar 2025.<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland, Stand Januar 2025<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Karte Kraftwerke und Windleistung in Deutschland, Stand Dezember 2024<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Karte Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland, Stand Dezember 2024<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Installierte Kraftwerksleistung in Deutschland 2024 (Stand: Januar 2025)<br>Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.<p>Kraftwerke auf Basis konventioneller Energieträger</p><p>Der deutsche Kraftwerkspark beruhte vor der Energiewende vor allem auf konventionellen Erzeugungsanlagen auf Grundlage eines breiten, regional diversifizierten, überwiegend fossilen Energieträgermixes (Stein- und Braunkohlen, Kernenergie, Erdgas, Mineralölprodukte, Wasserkraft etc.). Die gesamte in Deutschland installierte Brutto-Leistung konventioneller Kraftwerke ist basierend auf Daten des Umweltbundesamtes in der Abbildung „Installierte elektrische Leistung von konventionellen Kraftwerken ab 10 Megawatt nach Energieträgern“ dargestellt. Die aktuelle regionale Verteilung der Kraftwerkskapazitäten ist in der Abbildung „Kraftwerksleistung aus konventionellen Energieträgern ab 10 Megawatt nach Bundesländern“ dargestellt.</p><p></p><p>In den letzten Jahrzehnten hat sich die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien sehr dynamisch entwickelt. Gleichzeitig wurden mit dem im Jahr 2023 erfolgten gesetzlichen Ausstieg Deutschlands aus der Nutzung der Kernenergie und dem fortschreitenden Ausstieg aus der Braun- und Steinkohle konkrete Zeitpläne zur Reduktion konventioneller Kraftwerkskapazitäten festgelegt (siehe Tab. „Braunkohlen-Kraftwerke in Deutschland gemäß Kohleausstiegsgesetz“ im letzten Abschnitt). Unabhängig davon übt der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=CO2#alphabar">CO2</a>⁠-Preis einen wesentlichen Einfluss auf die Rentabilität und insofern den Einsatz fossiler Kraftwerke aus.</p><p>Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien</p><p>Im Jahr 2024 erreichte der Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland einen neuen Höchststand: In diesem Jahr wurden über 20 Gigawatt (GW) an erneuerbarer Kraftwerkskapazität zugebaut. Dieser Zubau liegt damit nochmals höher als die vorherige Ausbaurekord aus dem Jahr 2023. Insgesamt stieg damit die Erzeugungskapazität erneuerbarer Kraftwerke auf 188,8 GW. (siehe Abb. „Installierte Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“)</p><p>Getragen wurde der Erneuerbaren-Zubau in den vergangenen Jahren vor allem von einem starken Ausbau derPhotovoltaik(PV). Seit Anfang 2020 wurden mehr als 50 GW PV-Leistung zugebaut, damit hat sich die installierte Leistung in den letzten fünf Jahren verdoppelt. Mit einem Zubau von über 16,7 GW wurde im Jahr 2024 darüber hinaus ein neuer Zubaurekord erreicht. Nach den Ausbaustarken Jahren 2011 und 2012 war der Photovoltaikausbau zunächst stark eingebrochen, seit etwa 10 Jahren wächst der Zubau aber kontinuierlich mit einer deutlichen Beschleunigung innerhalb der letzten fünf Jahre. Um das im EEG 2023 formulierte PV-Ausbauziel von 215 GW im Jahr 2030 zu erreichen, wurde ein Ausbaupfad festgelegt. Das Zwischenziel von 89 GW zum Ende des Jahres 2024 wurde deutlich übertroffen. In den Folgejahren bis 2030 bleibt allerdings ein weiterer Zubau von jährlich fast 20 GW zur Zielerreichung notwendig.</p><p>Auch wenn das Ausbautempo beiWindenergiezuletzt wieder zulegt hat, sind die aktuelle zugebauten Anlagenleistungen weit von den hohen Zubauraten früherer Jahre entfernt. Im Jahr 2024 wurden 3,4 GW neue Windenergie-Leistung zugebaut (2023: 3,3 GW; 2021: 2,4 GW). In den Jahren 2014 bis 2017 waren es im Schnitt allerdings 5,5 GW. Insgesamt lag die am Ende des Jahres 2023 installierte Anlagenleistung von Windenergieanlagen an Land und auf See bei 72,8 GW. Um die im EEG 2023 festgelegte Ausbauziele von 115 GW (an Land) und 30 GW (auf See) im Jahr 2030 zu erreichen, ist jeweils eine deutliche Beschleunigung des Ausbautempos notwendig.</p><p>Durch die Abhängigkeit vom natürlichen Energiedargebot unterscheidet sich die Stromerzeugung der erneuerbaren Erzeugungsanlagen teilweise beträchtlich. So kann eine Windenergieanlage die vielfache Menge Strom erzeugen wie eine PV-Anlage gleicher Leistung. Ein einfacher Vergleich der installierten Leistungen lässt deshalb noch keinen Schluss über die jeweils erzeugten Strommengen zu. Neben Photovoltaik- und Windenergieanlagen mit stark witterungsabhängiger Stromerzeugung liefern Wasserkraftwerke langfristig konstant planbaren erneuerbaren Strom, sowie Biomassekraftwerke flexibel steuerbare Strommengen. Beide Energieträger haben in Deutschland aber nur ein begrenztes weiteres Ausbaupotential.</p><p>Weitere Informationen und Daten zu erneuerbaren Energien finden Sie auf der<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen">Themenseite „Erneuerbare Energien in Zahlen“</a>.</p><p>Wirkungsgrade fossiler Kraftwerke</p><p>Im ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Brutto-Wirkungsgrad#alphabar">Brutto-Wirkungsgrad</a>⁠ ist im Vergleich zum Netto-Wirkungsgrad der Eigenverbrauch der Kraftwerke enthalten. Insgesamt verbesserte sich der durchschnittliche Brutto-Wirkungsgrad des eingesetzten deutschen Kraftwerksparks seit 1990 um einige Prozentpunkte (siehe Abb. „Durchschnittlicher Brutto-Wirkungsgrad des fossilen Kraftwerksparks“). Diese Entwicklung spiegelt nicht zuletzt die kontinuierliche Modernisierung des Kraftwerksparks und die damit verbundene Außerbetriebnahme alter Kraftwerke wider.</p><p>Der Brennstoffausnutzungsgrad von Kraftwerken kann durch eine gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) gesteigert werden. Dies kann bei Großkraftwerken zur Wärmebereitstellung in Industrie und Fernwärme, aber auch bei dezentralen kleinen Kraftwerken wie Blockheizkraftwerken lokal erfolgen. Dabei müssen neue Kraftwerke allerdings auch den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen, dies kann beispielsweise über die Kombination mit einem thermischen Speicher erfolgen.</p><p>Obwohl bei konventionellen Kraftwerken in den letzten Jahren technisch eine Steigerung der Wirkungsgrade erreicht werden konnte, werden die dadurch erzielbaren Brennstoffeinsparungen nicht ausreichen, um die erforderliche Treibhausgasreduktion im Kraftwerkssektor für die Einhaltung der Klimaschutzziele zu erreichen. Dafür ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung notwendig.</p><p>Kohlendioxid-Emissionen</p><p>Folgende Aussagen können zum Kohlendioxid-Ausstoß von Großkraftwerken für die Stromerzeugung getroffen werden:</p><p>Weitere Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks</p><p>Um die Klimaschutzziele zu erreichen, ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Kraftwerkskapazitäten notwendig.</p><p>Um den Herausforderungen der Energiewende begegnen zu können, wird es außerdem einen zunehmenden Fokus auf Flexibilisierungsmaßnahmen geben. Dabei handelt es sich um einen Ausbau von Speichern (etwa Wasserkraft, elektro-chemische Speicher, thermische Speicher) sowie um den Ausbau der Strominfrastruktur (Netzausbau, Außenhandelskapazitäten) und Anreize zur Flexibilisierung des Stromverbrauchs.</p>

Standorte von Onshore-Windenergieanlagen in Deutschland – abgeleitet aus Fernerkundungsdaten (Datensatz)

Der rasche Ausbau der erneuerbaren Energiequellen stellt eine große Herausforderung dar, wenn es darum geht, die Energieentwicklung mit konkurrierenden Interessen in Einklang zu bringen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit präziser raumbezogener Daten, um eine effektive Bilanzierung, Steuerung oder Bewertung der Einhaltung gesetzlicher Vorgaben zu ermöglichen. In Deutschland stellt das vom Bundesnetzagentur betriebene Marktstammdatenregister (MaStR) eine weit verbreitete Datenquelle für standort- und anlagenspezifische Informationen dar. Der vorliegende Datensatz baut auf dem Marktstammdatenregister auf und verbessert dessen räumliche Genauigkeit für Onshore-Windkraftanlagen durch die Nutzung hochauflösender Fernerkundungsdaten und Deep Learning gestützter Objekterkennung. Der Datensatz besteht aus Punktgeometrien von Windenergieanlagen an Land in Deutschland. Die Windkraftanlagen wurden mithilfe des Objekterkennungsalgorithmus YOLO auf hochauflösenden Satellitenbild-Zeitreihen von PlanetScope detektiert. Die Inferenz erfolgte auf monatlichen PlanetScope-Basiskarten (Global Monthly Basemaps) für die Monate April bis Oktober der Jahre 2018 bis 2024, mit insgesamt 45 deutschlandweiten Inferenzdurchläufen. Das Trainingsdatenset basiert auf den von Manske & Schmiedt (2023) am UFZ semi-manuell korrigierten Standortdaten des Marktstammdatenregisters für die Jahre 2021, 2022 und 2023. Dabei wurden Windkraftanlagen standortgleichmäßig ausgewählt, um eine geografisch ausgewogene Trainingsstichprobe zu gewährleisten. Zusätzlich wurden Negativbeispiele in das Trainingsset aufgenommen. Diese wurden sowohl zufällig aus ganz Deutschland ausgewählt (mit Ausschlusszonen um Windkraftstandorte) als auch gezielt aus Objektklassen, die häufig zu Fehlklassifizierungen führen (z. B. Strommasten, Mobilfunktürme), basierend auf Daten aus OpenStreetMap. Der Datensatz wurde in mehreren Iterationen verfeinert: Schlechte anfängliche Labels, die nicht zuverlässig über mehrere Zeitpunkte hinweg vom trainierten Modell erneut erkannt wurden, wurden gefiltert. Zusätzlich wurden Szenen ergänzt, bei denen das Modell Schwierigkeiten hatte. Die monatlichen Detektionen von Windkraftanlagen über Deutschland hinweg wurden zeitlich aggregiert. Hierzu wurden alle Detektionen zusammengeführt, die innerhalb eines bestimmten Puffers über die Zeit hinweg wiederholt erkannt wurden. Die Zeitreihe der Erkennungszeitpunkte wurde als Attribut an die aggregierten Punkte angefügt. Um Detektionsrauschen zu filtern, kann der Datensatz nach einer Mindestanzahl von Erkennungen pro Punkt gefiltert werden. In zukünftigen Arbeiten planen wir, den Datensatz um aktuelle Monate zu erweitern, die Nachbearbeitung zur Eliminierung von Fehlklassifikationen zu verbessern sowie für jede Erkennung eine Verlinkung zur jeweiligen ID im Marktstammdatenregister bereitzustellen.

Entwicklung eines Rotorblattes aus Stahl für Onshore Windenergieanlagen

Das Projekt SteelBlade beschäftigt sich mit der Entwicklung und Konstruktion eines Onshore Rotorblattes für Windenergieanlagen (WEA), das für den Einsatz des Werkstoffs Stahl optimiert wird. Leichtbau- und Optimierungsmethoden aus der Luft- und Raumfahrt sollen dabei den effizienten Einsatz des Werkstoffes sichern, sodass die Rotorblattkonstruktion in einem für das System Windenergieanlage verträglichen Bereich liegen wird. Durch eine gleichzeitige Akustik-Optimierung der Struktur kann die Umweltbelastung durch Schallemissionen für Mensch und Tier kontrolliert und eventuell sogar weiter gesenkt werden. Der Fokus bei der Entwicklung des Stahlrotorblattes liegt auf der Konstruktion der inneren Struktur sowie der Auslegung einer Blattaußenhülle, die auf Basis aerodynamischer Gesichtspunkte entwickelt wurde. Die Konstruktion des Stahlrotorblattes erfolgt durch den konsequenten Transfer innovativer Leichtbautechniken aus der Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbau in den Windenergieanlagenbau mit dem Ziel, dass das Gesamtgewicht des Stahlblattes auf dem Niveau des GFK-Blattes liegt. Im Rahmen des Projektes werden zunächst die technische, wirtschaftliche und nachhaltige Machbarkeit konkret nachgewiesen. Dabei werden insbesondere auch Transport-, Standardisierungs- und Nachhaltigkeitspotentiale berücksichtigt. Bei der Auslegung wird neben den strukturellen und dynamischen Eigenschaften des Rotorblattes ebenfalls das strukturdynamische Verhalten der gesamten WEA über den vollen Betriebsbereich ermittelt. Die Gesamtanlagensimulation wird basierend auf einer flexiblen Mehrkörpersimulation (MKS) im Zeitbereich durchgeführt und ermöglicht eine genaue Auflösung der dynamischen, nichtlinearen Lasten im Antriebsstrang, deren Kenntnis für die Lebensdauervorhersage sowie der Ermittlung der Belastungen der einzelnen Komponenten der WEA erforderlich ist. Im Rahmen dieses Projektes wird das dynamische Verhalten der gesamten WEA sowie der Schallemission untersucht.

Entwicklung eines Rotorblattes aus Stahl für Onshore Windenergieanlagen, Teilvorhaben: Konstruktion und techno-ökonomische Bewertung

Das Projekt SteelBlade beschäftigt sich mit der Entwicklung und Konstruktion eines Onshore Rotorblattes für Windenergieanlagen (WEA), das für den Einsatz des Werkstoffs Stahl optimiert wird. Leichtbau- und Optimierungsmethoden aus der Luft- und Raumfahrt sollen dabei den effizienten Einsatz des Werkstoffes sichern, sodass die Rotorblattkonstruktion in einem für das System Windenergieanlage verträglichen Bereich liegen wird. Durch eine gleichzeitige Akustik-Optimierung der Struktur kann die Umweltbelastung durch Schallemissionen für Mensch und Tier kontrolliert und eventuell sogar weiter gesenkt werden. Der Fokus bei der Entwicklung des Stahlrotorblattes liegt auf der Konstruktion der inneren Struktur sowie der Auslegung einer Blattaußenhülle, die auf Basis aerodynamischer Gesichtspunkte entwickelt wurde. Die Konstruktion des Stahlrotorblattes erfolgt durch den konsequenten Transfer innovativer Leichtbautechniken aus der Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbau in den Windenergieanlagenbau mit dem Ziel, dass das Gesamtgewicht des Stahlblattes auf dem Niveau des GFK-Blattes liegt. Im Rahmen des Projektes werden zunächst die technische, wirtschaftliche und nachhaltige Machbarkeit konkret nachgewiesen. Dabei werden insbesondere auch Transport-, Standardisierungs- und Nachhaltigkeitspotentiale berücksichtigt. Bei der Auslegung wird neben den strukturellen und dynamischen Eigenschaften des Rotorblattes ebenfalls das strukturdynamische Verhalten der gesamten WEA über den vollen Betriebsbereich ermittelt. Die Gesamtanlagensimulation wird basierend auf einer flexiblen Mehrkörpersimulation (MKS) im Zeitbereich durchgeführt und ermöglicht eine genaue Auflösung der dynamischen, nichtlinearen Lasten im Antriebsstrang, deren Kenntnis für die Lebensdauervorhersage sowie der Ermittlung der Belastungen der einzelnen Komponenten der WEA erforderlich ist. Im Rahmen dieses Projektes wird das dynamische Verhalten der gesamten WEA sowie der Schallemission untersucht.

HoBi - Hochfeste Bolzenverbindungen für Rotorblätter von Windenergieanlagen, Teilvorhaben: Kosten-Nutzen-optimierte Entwicklung von Fertigungsprozessen für hochfeste Bolzenverbindungen für Rotorblätter

Methoden zur Simulation von wirbelerregten Turmschwingungen und zur standortspezifischen Auslegung von hohen Windenergieanlagentürmen, Teilvorhaben: KI-Modelle für Turmschwingungen und Standortanalyse

Windinnovationspark Sehnde/Hannover - WISH

WISH - Vorranggebiet für Windenergieanlagen in dem: - Prototypenanlagen verschiedener Windenergieanlagenhersteller errichtet, vermessen und getestet werden können - Komponenten, Technologien und Konzepte aus dem Bereich der Erneuerbaren Energie erprobt werden können - Forschungsvorhaben im Bereich Technik, Natur- und Artenschutz durchgeführt werden können - konventionelle Windenergieanlagen errichtet werden, bei denen innovative Beteiligungskonzepte Anwendung finden sollen

Entwicklung von Verfahren zur Analyse und Modellierung der Nutzung von Windenergieflächen unter Berücksichtigung von Restriktionen, Teilvorhaben: Analyse der Restriktionen bei Bau und Betrieb von Windenergieanlagen an Land

Validierte Dynamic Inflow Modelle für inhomogene Einströmung von großen Offshore Windturbinen-Rotoren

Das Projekt DIMOR zielt auf die Verbesserung und Validierung aerodynamischer Modelle für die Auslegung großer Rotoren von Off- und Onshore-Windturbinen, um die Energiegestehungskosten weiter zu senken. Die verbesserte Genauigkeit aerodynamischer Modelle wird die Entwicklungsrisiken sehr großer Windenergieanlagen senken. Die binationale Zusammenarbeit zwischen den Niederlanden und Deutschland unter dem Schirm der SET Wind-Initiative besteht aus zwei komplementären, national geförderten Teilprojekten. In aeroelastischen Simulationen basierend auf der industriell angewandten Blattelementimpulstheorie haben sich erhebliche Unsicherheiten in der Modellierung und eine Überschätzung von Ermüdungslasten aufgrund der stark inhomogenen und dynamischen Einströmung gezeigt. Bei ForWind - Universität Oldenburg sollen avancierte Windkanaluntersuchungen mit einem aktiven Gitter zur Erzeugung realitätsnaher Windfelder mit Scherung, Turbulenz und Böen, einer regelbaren, instrumentierten Modellwindturbine sowie umfangreicher Strömungsmesstechnik durchgeführt werden. Hiermit kann die Lücke zwischen klassischen Windkanalexperimenten in homogener Anströmung und Freifelduntersuchungen gefüllt werden. Aeroelastische Simulationen mit Free Vortex Wake Modellen bei TNO, Niederlande sollen den Datensatz erweitern. Hiermit sollen verbesserte Ingenieurmodelle und deren Implementierung zur genaueren Abbildung des Dynamic Inflow-Effekts in realitätsnaher inhomogener Anströmung erforscht und validiert werden. Die durch den Industriepartner Suzlon Energy Ltd. in Deutschland bzw. den Niederlanden durchgeführte Freifeldexperimente bzw. weitere Simulationsstudien sollen zur Validierung und Bewertung anhand realer Anlagen genutzt werden. Der Einfluss der Verbesserungen auf die Regelung und Lasten soll untersucht werden. Die verbesserten aerodynamischen Modellierungen, die in industrielle Entwurfssoftware implementiert werden können, sollen der gesamten Windenergiebranche zur Verfügung stehen.

Negative Vorprüfung für das Vorbescheids-Verfahren zur Errichtung und Betrieb von 6 WEA in Bergheim

Die Firma RWE Wind Onshore & PV Deutschland GmbH, Lister Straße 10 in 30163 Hannover hat nach § 9 Absatz 1a des BImSchG die Errichtung und den Betrieb von sechs Windenergieanlagen (WEA) in der Stadt Bergheim, Gemarkung: Hüchelhoven, Flur: 1, Flurstücke: 1, 2, 27, Flur: 28, Flurstücke: 49, 104 sowie Flur: 29, Flurstück: 12, beantragt.

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