Konventionelle Kraftwerke und erneuerbare Energien

Der wachsende Anteil erneuerbarer Energien im Stromversorgungssystem steigert die Anforderungen an eine flexible bedarfsorientierte Strombereitstellung. Für eine sichere Elektrizitätsversorgung müssen Stromangebot und -nachfrage stets ausgeglichen sein. Diese Anforderungen verändern die Struktur des Kraftwerksparks, der vor allem Grundlaststrom aus konventionellen Energieträgern bereitstellt.

Inhaltsverzeichnis

 

Kraftwerkstandorte in Deutschland

Die Bereitstellung von Strom aus konventionellen Energieträgern verteilt sich unterschiedlich über die gesamte Bundesrepublik (siehe Abb. „Kraftwerksleistung aus konventionellen Energieträgern ab 1 Megawatt in den deutschen Bundesländern“). Das UBA stellt verschiedene Karten mit Informationen zu Kraftwerken in Deutschland zur Verfügung.

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Kraftwerke auf Basis konventioneller Energieträger

Der deutsche Kraftwerkspark beruhte vor der Energiewende vor allem auf konventionellen Erzeugungsanlagen auf Grundlage eines breiten, überwiegend fossilen Energieträgermixes (Stein- und Braunkohlen, Kernenergie, Erdgas, Mineralölprodukte, Wasserkraft etc.). In den letzten Jahren hat sich die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien vor dem Hintergrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sehr dynamisch entwickelt. Daraus ergeben sich neue Anforderungen hinsichtlich der Flexibilität konventioneller Erzeugungsanlagen, für die nicht jede Kraftwerkstechnik gleichermaßen geeignet ist.

  • Die Leistung von Braunkohlenkraftwerken als typische Grundlastkraftwerke lässt sich nur schlecht kurzfristig regeln. Sie produzieren Strom in direkter Nähe zu den Braunkohlenvorkommen im Rheinischen, Helmstedter und Lausitzer Revier sowie im Mitteldeutschen Raum.
  • Steinkohlenkraftwerke produzieren Strom in den Steinkohle-Bergbaurevieren Ruhr- und Saarrevier, in den Küstenregionen und entlang der Binnenwasserstraßen, da hier kostengünstige Transportmöglichkeiten für Importsteinkohle vorhanden sind. Sie werden überwiegend als Mittellastkraftwerke eingesetzt. Bei kurzfristiger Netzabkopplung erreichen sie innerhalb weniger Stunden wieder die volle Leistung.
  • Gas-Kraftwerke sowie Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) sind zum Teil extrem kurzfristig regelbar und in der gesamten Bundesrepublik vertreten.
  • Heizöl-Kraftwerke erzeugen fast ausschließlich Spitzenlaststrom zum Ausgleich kurzfristiger Stromnachfrageschwankungen.
  • Kernkraftwerke produzieren Grundlaststrom und sind nur geringfügig kurzfristig regelbar. Sie liegen an Flussläufen, weil sie einen hohen Bedarf an Kühlwasser aufweisen. Deutschland hat 2011 den schrittweisen Ausstieg aus der Kernenergie bis spätestens 2022 beschlossen.
 

Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien

Die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien erfolgt dezentraler und ist oft an die Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen gekoppelt. Neben Photovoltaik oder Windkraftwerken gibt es jedoch eine Reihe von „erneuerbaren Kraftwerken“ welche entweder konstant Strom liefern können (beispielsweise Wasserkraftwerke) oder flexibel eingesetzt werden können (Biomassekraftwerke).

Photovoltaik- und Windenergie-Kraftwerke können bei optimaler Witterung große Strommengen zur Verfügung stellen – so wurden bereits an mehreren Tagen über 70 % des Stromverbrauchs allein durch erneuerbare Energien gedeckt. Diese großen Strommengen stellen eine besondere Herausforderung an das Stromnetz, sind aber bei immer besser werdenden Vorhersage- und Regelmöglichkeiten keine Gefahr für die Versorgungssicherheit.

 

Installierte Leistung und geplanter Zubau der deutschen Kraftwerke

Die Nennleistung eines Kraftwerks ist die Bruttoleistung ohne Abzug des Eigenverbrauchs. Gemäß Daten des Umweltbundesamtes haben die im deutschen Strommarkt bestehenden Erzeugungsanlagen, inklusive der Erneuerbaren, derzeit eine Nennleistung von etwa 200 Gigawatt mit wachsender Tendenz durch den Ausbau der erneuerbaren Energien. Die Bruttoleistung der ausschließlich konventionellen Kraftwerke ab 1 Megawatt weist die Abbildung „Installierte elektrische Leistung von konventionellen Kraftwerken ab 1 Megawatt nach Energieträgern“ aus.

Trotz des steigenden Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung werden zukünftig weiterhin neue Kraftwerke auf Basis konventioneller Energieträger benötigt. Einen Überblick über geplante Kraftwerksprojekte mit einer hohen Realisierungswahrscheinlichkeit gibt die Tabelle „Genehmigte oder im Genehmigungsverfahren befindliche Kraftwerke in Deutschland“.

Die Entwicklung der Erzeugungsleistung erneuerbarer Energieträger wird in der Abbildung „Entwicklung der installierten Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“ dargestellt. Der Ausbau der erneuerbaren Energien verdrängt zunehmend fossile Kraftwerkskapazität.

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Wirkungsgrad fossiler Kraftwerke

Der Brutto-Wirkungsgrad bezieht sich auf die Stromerzeugung eines Kraftwerkes. Er wird bei Abnahme eines Kraftwerks im Bestpunkt gemessen und als durchschnittlicher Wirkungsgrad innerhalb eines Jahres errechnet. Beim Netto-Wirkungsgrad hingegen ist im Vergleich zum Brutto-Wirkungsgrad der Eigenverbrauch der Kraftwerke schon abgezogen.

Insgesamt verbesserte sich der durchschnittliche Brutto-Wirkungsgrad im deutschen Kraftwerkspark im Zeitraum seit 1990 um einige Prozentpunkte (siehe Abb. „Entwicklung des durchschnittlichen Brutto-Wirkungsgrades fossiler Kraftwerke“). Diese Entwicklung spiegelt die kontinuierliche Modernisierung des Kraftwerkparks wider.

  • Bei Steinkohlenkraftwerken veränderte sich der durchschnittliche Wirkungsgrad seit 1990 über lange Zeit nur wenig. In den letzten Jahren stieg er deutlich durch die Inbetriebnahme neuer moderner Kraftwerke an. In den kommenden Jahren wird ein weiterer Anstieg durch die Stilllegung älterer Kraftwerke erwartet, wobei dieser Entwicklung die vorrangige Einspeisung erneuerbarer Energien und somit mehr Teillastzeiten, entgegenwirkt.
  • Bei den Braunkohlenkraftwerken wurde durch den Austausch alter durch neue Kraftwerkstechnik, besonders in den neuen Bundesländern, der Wirkungsgrad um einige Prozentpunkte gesteigert.
  • Mit Erdgas befeuerte Kraftwerke konnten den durchschnittlichen Wirkungsgrad am deutlichsten erhöhen, er verbesserte sich seit 1990 um etwa 20 Prozentpunkte. Hier macht sich bemerkbar, dass die seit 1995 zunehmend errichteten Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) einen elektrischen Nettowirkungsgrad von bis zu 60 % erreichen.

Hinsichtlich des Wirkungsgrades konnten in der Vergangenheit beträchtliche Steigerungen bei fossilen Kraftwerken erreicht werden. Durch thermodynamische und werkstofftechnische Grenzen sind die künftigen Potentiale jedoch begrenzt. Es wird dennoch geschätzt, dass neue Braun- und Steinkohlenkraftwerke in Kürze einen Netto-Wirkungsgrad von 48 bzw. 50 Prozent (%) erreichen werden (siehe Abb. „Wirkungsgrade und spezifische Kohlendioxid-Emissionen verschiedener Kraftwerkstypen“). Die Netto-Wirkungsgrade von Erdgas-Gas- und Dampfturbinenkraftwerk-(GuD-) Anlagen sind deutlich höher und erreichen heute bereits etwa 60 %.

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Kohlendioxid-Emissionen

Folgende Aussagen können zum Kohlendioxid-Ausstoß von Großkraftwerken getroffen werden:

  • Braunkohle: Die spezifischen Kohlendioxid-Emissionen von Braunkohlenkraftwerken lägen auch bei der zukünftig zu erwartenden Technik mit über 800 Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) höher als die der meisten anderen Kraftwerkstypen.
  • Steinkohle: Die Kohlendioxid-Emissionen von neuen Steinkohlenkraftwerken betragen derzeit etwa 735 g/kWh (Stand der Technik) und könnten zukünftig auf bis zu 680 g/kWh gesenkt werden.
  • Erdgas: Erdgas-GuD-Anlagen haben mit derzeit etwa 350 g/kWh bereits heute die geringsten spezifischen Emissionen fossiler Kraftwerke. Für die Zukunft wird eine weitere Abnahme auf 335 g/kWh erwartet. Für den niedrigen Kohlendioxid-Emissionsfaktor ist neben dem hohen Wirkungsgrad auch der Brennstoff verantwortlich: Bei der Verbrennung von Erdgas entsteht pro erzeugter Energieeinheit weniger Kohlendioxid als bei der Verbrennung von Kohle.
 

Brennstoffausnutzungsgrad und künftige Verbesserungen

Neue Kraftwerke sollen insbesondere den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen und über einen möglichst hohen Brennstoffausnutzungsgrad verfügen Der Brennstoffausnutzungsgrad gibt an, welcher Anteil der Brennstoffenergie in bestimmte Zielenergien, z.B. Strom und Wärme (auch Kälte, Druckluft, etc.) gewandelt wird. Er berücksichtigt auch An- und Abfahrzustände sowie Teillastzeiten eines Kraftwerks und kann als Indikator für die Effizienz von, mit verschiedenen Brennstoffen befeuerten, Kraftwerken verwendet werden.

Für die Verbesserung des Brennstoffausnutzungsgrades sollte daher so häufig wie möglich Kraft-Wärme-Kopplung vorgesehen werden. Auch durch andere Verbrennungstechniken kann der Brennstoffausnutzungsgrad weiter gesteigert werden (zum Beispiel Kohlevergasung, Kohlevortrocknung) oder durch den Einsatz besserer Werkstoffe.

Obwohl bei Kohlekraftwerken in den nächsten 15 Jahren technisch eine Steigerung der Wirkungsgrade um weitere Prozentpunkte realistisch ist, 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.