Zahlen/Begriffe - Pro Kulmerauer Allmend

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Wind-Probleme

Wie viel Strom verbraucht die Schweiz?

NZZ 21.4.2018, S.14
Der Stromverbrauch in der Schweiz ist stabil
(sda) · Der Stromverbrauch in der Schweiz ist im vergangenen Jahr stabil geblieben. Dies, obwohl die Wirtschaft gewachsen ist und die Schweiz mehr Einwohner zählt. Nach Abzug der Übertragungs- und Verteilverluste verbrauchte die Schweizer Bevölkerung im Jahr 2017 58,5 Milliarden Kilowattstunden (kWh)* Strom, wie das Bundesamt für Energie (BFE) mitteilte. Das sind 0,4 Prozent oder 244 Millionen kWh mehr als im Jahr 2016. Dabei ist das Bruttoinlandprodukt (BIP) (provisorisch) um 1 Prozent gestiegen und die Bevölkerung um 0,7 Prozent gewachsen. Allerdings haben die Heiztage gegenüber dem Vorjahr um 1,5 Prozent abgenommen.
*) das sind 58,5  TWh/a (Terawattstunden pro Jahr). Diese Zahl wäre in Relation zu setzen zum Beitrag, den laut Energiestrategie 2050 die Windkraft liefern sollte:  1,5 TWh/a im Jahr 2035,  4,3 TWh/a. im Jahr 2050.
Offizielle Details in Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2019 (BFE) (zum Herunterladen)

Wie viel Strom verbraucht ein Haushalt?   12. 10. 2021
Die Windenergie-Promotoren geben jeweils an, wie viele Haushalte mit ihrem geplanten Windpark versorgt werden können.
Der standardmässig angenommene Verbrauch von 4500 kWh pro Jahr und Haushalt ist aber wenig realistisch und eine reine Propagandazahl,die natürlich Eindruck macht.

Was davon zu halten ist zeigt diese Zusammenstellung  -> LINK

Und aus der Sicht des Bundes?  

Die Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom veröffentlicht eine
Wegleitung zur Tarifdeklaration für die Tarife 2022 (Dokument in PDF -> HIER)
Daraus Punkt 6.3.2 (S. 11): Verbrauchsprofile typischer Haushalte:

H1: 1'600 kWh/Jahr: 2-Zimmerwohnung mit Elektroherd, Anschluss 20 Ampère
H2: 2'500 kWh/Jahr: 4-Zimmerwohnung mit Elektroherd, Anschluss 20 Ampèr
H3: 4'500 kWh/Jahr: 4-Zimmerwohnung mit Elektroherd und Elektroboiler, Anschluss 25 Ampère
H4: 4'500 kWh/Jahr: 5-Zimmerwohnung mit Elektroherd und Tumbler (ohne Elektroboiler), Anschluss 25 Ampère
H5: 7'500 kWh/Jahr: 5-Zimmer-Einfamilienhaus mit Elektroherd, Elektroboiler und Tumbler, Anschluss 25 Ampère
H6: 25'000 kWh/Jahr: 5-Zimmer-Einfamilienhaus mit Elektroherd, Elektroboiler, Tumbler und mit elektrischer
Widerstandsheizung, Anschluss 40 Ampère
H7: 13'000 kWh/Jahr: 5-Zimmer-Einfamilienhaus mit Elektroherd, Elektroboiler, Tumbler, Wärmepumpe 5 kW zur Beheizung, Anschluss 25 Ampère
H8: 7'500 kWh/Jahr: Grosse, hoch elektrifizierte Eigentumswohnung, Anschluss 25 Ampère

Interessant:
Die elektrische Ausrüstung der Wohnungen ist nicht identisch:
H1, H2: weder Warmwasser noch Heizung
Erst H7 hat Elektroboiler und Tumbler
Erst ab H6 kommen Heizungen ins Spiel

Tendenz heute:
Elektroboiler werden durch Wärmepumpensysteme ersetzt.
Stromverbrauch der Heizung sollte einbezogen werden:
-> Tendenz zu immer mehr Wärmepumpen, die den Stromverbrauch deutlich erhöhen.
-> Aber auch Heizungen mit Brennstoffen (Öl, Gas, Pellets) brauchen Strom.

Die Zahlen varieren stark. Es ist schwierig, einen Standardverbrauch pro Haushalt /Familie zu beziffern!


Industrielle Windkraftanlagen in der Schweiz
2018  Was leisten die 36* Grossanlagen?
*) 2021:Seit Eröffnung Windpark San Gottardo = 41 Grossanlagen
Vergleich von installierter Leistung und effektiver Produktion (wohlverstanden von "Flatterstrom"):
Auslastung in Prozent der 36 Gross-Windkraftanlagen in der Schweiz
Achtung: Die Tabelle führt sämtliche Windräder auf, auch die kleinen. Grossanlagen (36 resp. neu 41) sind diejenigen mit über 100 kW installierter Leistung. Wir zählen jedoch die Einzelturbine Oberer Grenchenberg nicht dazu. Nabenhöhe bloss 30m.


Zum Verständnis der Zahlen etwas Theorie
Inst.  Leistung?
Ertrag?
Auslastungsgrad?
Volllaststunden?
Leistungskoeffizient?

 Einige technische Begriffe
1. Installierte Leistung oder Nennleistung
Die Leistung, die eine Windturbine maximal erbringen kann, wenn sie mit genügend grosser Windgeschwindigkeit angeströmt wird.

Dazu braucht es mndestens 13 - 14 m/sek. Wind, also 46,8 bis 50.4 km/Std.
Diese Windgeschwindigkeiten gibt es bei uns zwar auch, sie sind aber selten. Wie das Diagramm (Weibullverteilung)  der Messunng von 2016 zeigt, erreicht die Häufigkeit von 14 m/s in der langjährigen Prognose ca. 0,7%!
Am Häufigsten sind mit ca. 17% Windgeschwindigkeiten zwischen 3 und 4 m/s (10,8 - 14,4 km/Std.). In diesem Bereich fällt die Leistung praktisch auf Null. Auch wenn sich die Rotoren drehen, produzieren die Anlagen erst ab ca. 3m/s ein klein bisschen Strom.
Verteilung der Windstärken, langzeitkorrigiert                     Leistungskurve einer "Schwachwind"-Turbine
Weibullkurve (2016 Kulmerauer Höhe)                              (ausgelegt für 7 m/s mittlere Windgeschwindigkeit)
                         Bild vergrössern                                                                                  Bild vergrössern
Die Weibull-Verteilung (links) zeigt den prozentualen Anteil der verschiedenen Windstärken.
Sie weist auch die mittlere Windgeschwindigkeit aus (hier 4,5 m/s).
Diese allein ist aber nicht ausschlaggebend für den Ertrag.

Warum?
Wie die Grafik zeigt, kommen im Jahreslauf durchaus auch viel höhere Windgeschwindigkeiten vor.
Grosse Windgschwindigkeiten weisen aber einen weitaus höheren Energiegehalt auf als geringe.
Die Leistung steigt mit der 3. Potenz der Zunahme der Windgeschwindigkeit.
Doppelte Windgeschwindigkeit bringt also nicht doppelten Ertrag, sondern
2 x 2 x 2 = 8-fachen Ertrag! (ungefähr, da noch andere Faktoren mitspielen.)
Damit liegen die leistungsgewichtete Durchschnittsgeschwindigkeit und der Ertrag höher;
der tatsächliche Ertrag lässt sich nicht einfach aus der durchschnittlichen Windstärke ableiten.
Er hängt auch von Höhe und Anteil der verschiedenen Windstärken ab.

Technisch-mathematisch genaue Erläuterungen zur Weibull-Kurve und diesen Fragen
auf einer interessanten Webseite von
DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION  (Deutsch)

2. Ertrag (effektive Stromproduktion) und Auslastungsgrad
(Kapazitätsfsaktor)

Leistung an sich bringt nichts, solange sie nicht genutzt wird.
Ein starkes Auto bringt nichts, solange es in der Garage steht. Erst wenn man es fährt, kommt die Leistung zur Geltung.
Genauso bei den Windturbinen: Wenn der Wind nicht (oder zu schwach)  bläst, liefern sie keinen Strom.
Ein Jahr hat 8760 Stunden. Beispiel Windturbine mit 3 MW installierter Leistung: Würde sie dauernd von einem Wind  mit der optimalen Mindeststärke von ca. 14 m/s angeströmt, könnte sie pro Jahr 8760 x 3 MW = 26 280 MWh Strom produzieren.
Der Ertrag ist in Wirklichkeit viel geringer: In unserem Beispiel* reicht das jährliche Windaufkommen nur für einen Ertrag von  4 271 MWh, das sind 16% vom theoretischen Maximum von 26280 MWh.

Auslastungsgrad:  Diese 16% sind der Auslastungsgrad; die Turbine ist nur mit 16% ihrer theoretischen Möglichkeit (Kapazität) ausgelastet.
      Man spricht auch von einem Kapazitätsfaktor = 16% oder 0,16
*) Berechnung nach Prognose KiKu2, Schnitt aller 4 Turbinen, Eintretenswahrscheinlichkeit P 75
     (= Wahrscheinlichkeit für das Überschreiten des Ertrags 75%, Risiko für Unterschreiten 25%)

Verschiedene Auslastungsgrade (Werte für 2017):
  Anlagen wie sie bei uns geplant waren ca. 16 %   -> Mittelland
Mont Crosin (16 Turbinen)                          22.7%* ->Jura
Griess (Region Nufenenpass, 4 Turbinen)   9.5%* ->Alpen

Ausnahme:  3 Anlagen im unteren Rhonetal (VS), wo im Taleinschnitt Berg- und Talwinde kanalisiert werden und dementsprechend grössere Konstanz und Stärke erreichen: Die Werte erreichen dort um 26 bis 29%.*

Beurteilung: Die Erträge sind - je nach Standort - mässig bis gering, zudem fällt der Strom unregelmässig an (Flatterstrom). Zum Vergleich:
Offshore Windparks Deutschland  38.78%
(2017) Windparks im Meer bringen ca. das Doppelte von WP an Land)**
Flusskraftwerk Hagneck    52,6 % (2016)
Flusskraftwerk Gösgen     67,4% (2016)  
(Alle Zahlen können jährlich leicht varieren)                                                 
**) Angaben zu Deutschland: https://www.wind-energie.de/themen/statistiken
Auslastung in Prozent der 37 Gross-Windkraftanlagen in der Schweiz
3. Volllaststunden
Die Anzahl Stunden, die eine Windturbine mit voller Leistung (inst. Leistung) laufen müsste, um den gesamten Jahresertrag zu erbringen.

Das ist eine theoretische Grösse, denn die Leistung der Windturbine ist ja im Jahreslauf abhängig vom wechselnden Windaufkommen, einmal höher, dann wieder geringer und bei Windstille oder ganz schwachem Wind Null.

Beispiel Windkraftwerk Haldenstein  (Auslastung vergleichbar mit dem, was für die Projekte KiKu zu erwarten war)
3 Megawatt-Turbine am Fusse des Calanda, nördlich Chur

Könnte sie 1 Jahr (8760 Std) mit voller Leistung laufen, ergäbe das einen Ertrag von 3 x 8760 = 26280 MWh.

Die tatsächliche Jahresproduktion (Ertrag) beträgt (2017) nur 4137,628 MWh.

Mit konstanter voller Leistung hätte die Anlage diesen Ertrag bereits nach
4137,628 : 3 = 1379 Stunden (gerundet) erreicht. Das heisst, der Jahresertrag entspricht 1379 Volllaststunden.

Das sind 15,7% der Jahresstundenzahl von 8760, was dem Auslastungsgrad entspricht.
Das Verhältnis der Volllaststunden (1379) zur Anzahl Jahresstunden (8760) zeigt also ebenfalls den Auslastungsgrad.
(Die Volllaststunden bedeuten aber nicht, dass die Turbine nur 1379 Stunden im Jahr läuft.)

4. Leistungskoeffizient
Das DIagramm der Leistungskurve (siehe oben, Abschnitt 1: Installierte Leistung) zeigt auch den Leistungskoeffizienten (schwarze Kurve).
Das ist das Verhältnis der gewonnenen Leistung zur Leistung, die im Wind enthalten ist.
Die beiden Kurven kreuzen sich bei etwa 10m/s Wind. Dort werden etwas über 30% der im Wind enthaltenen Energie auf die Turbine übertragen.

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