Kraftwerke

Für eine sichere Elektrizitätsversorgung müssen Stromangebot und -nachfrage jederzeit ausgeglichen sein. Der wachsende Anteil erneuerbarer Energien im Stromversorgungssystem stellt neue Anforderungen an die Flexibilität des Kraftwerkparks. Die verschiedenen Kraftwerkstechnologien unterscheiden sich vor allem in ihrer Klimarelevanz deutlich.

Kraftwerkspark wird neu ausgerichtet

Der deutsche Kraftwerkspark beruhte bislang vor allem auf konventionellen Erzeugungsanlagen auf Grundlage eines breiten, ausgewogenen Energieträgermixes (Stein- und Braunkohlen, Kernenergie, Erdgas, Mineralölprodukte, Wasserkraft etc.). In den letzten Jahren hat sich der Zubau von Erzeugungskapazitäten aus erneuerbaren Energien auf Grundlage des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sehr dynamisch entwickelt.

Laut Kraftwerksliste der Bundesnetzagentur (BNetzA) haben von den derzeit im deutschen Strommarkt bestehenden Erzeugungsanlagen mit einer Netto-Nennleistung von rund 184 Gigawatt die erneuerbaren Energien inzwischen einen Anteil von rund 44 Prozent (%) (2013). Mit der Kraftwerksliste der BNetzA wird der Stromerzeugungsmarkt in Deutschland vollständig abgebildet.

Kraftwerke auf Basis fossiler Energieträger

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung werden in unserem Elektrizitätsversorgungssystem auch weiterhin konventionelle, thermische Kraftwerke insbesondere zur Absicherung der Jahreshöchstlast und zur Gewährleistung der Systemstabilität in den nächsten Jahrzehnten benötigt. Auf der Basis der technischen und regulatorischen Vorgaben erfolgt die Bereitstellung von Systemdienstleistungen (unter anderen Frequenz- und Spannungshaltung, Redispatch) bisher zudem nahezu ausschließlich durch konventionelle Kraftwerke.

Mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien sind weitere Maßnahmen notwendig, um deren Systemintegration voranzutreiben und Ineffizienzen im System zu vermeiden. In diesem Prozess werden die Anforderungen an zusätzliche Flexibilität konventioneller Erzeugungsanlagen steigen:

  • 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, vor allem aus der Russischen Föderation und Kolumbien, vorhanden sind.
  • Gas-Kraftwerke sowie Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) gewinnen immer mehr an Bedeutung. Die Anlagen sind zum Teil extrem kurzfristig regelbar und in der gesamten Bundesrepublik vertreten.
  • Heizöl-Kraftwerke erzeugen fast ausschließlich Spitzenlaststrom zum Ausgleich kurzfristiger Stromnachfrageschwankungen.

Kernkraftwerke

Kernkraftwerke produzieren Grundlaststrom und sind nur geringfügig kurzfristig regelbar. Sie liegen an Flussläufen, weil sie einen hohen Bedarf an Kühlwasser aufweisen.

Seit die Kernkraftwerke in Lubmin und Rheinsberg stillgelegt wurden, wird in den neuen Bundesländern kein Strom aus Kernenergie erzeugt. Die verbleibenden Kernkraftwerke konzentrieren sich auf die alten Bundesländer ohne Nordrhein-Westfalen. Die Kernkraftwerke Stade an der Unterelbe und Obrigheim gingen gemäß des Gesetzes zur geordneten Beendigung der Kernenergienutzung zur gewerblichen Erzeugung von Elektrizität vom 27. April 2002 im November 2003 beziehungsweise Mai 2005 vom Netz.

Mit dem im Jahr 2011 beschlossenen Ausstieg aus der Kernkraft wurde den Kernkraftwerksblöcken Biblis A+B, Brunsbüttel, Isar 1, Krümmel, Neckarwestheim, Philippsburg 1 und Unterweser die Betriebsgenehmigungen entzogen. Diese Blöcke wurden im gleichen Jahr vom Netz genommen. Als nächstes soll im Jahr 2015 das KKW Grafenrheinfeld außer Betrieb gehen. In den Jahren 2017 bis 2022 folgen die Blöcke Gundremmingen B (2017), Philippsburg 2 (2019), Brokdorf, Grohnde, Gundremmingen C (2021) sowie schließlich Emsland, Isar 2 und Neckarwestheim 2 (2022).

Erneuerbare Energien

Laufwasser-Kraftwerke produzieren im Grundlastbereich, einige Anlagen sind jedoch kurzfristig regelbar. Sie konzentrieren sich entlang der Flussläufe in Baden-Württemberg und Bayern. Demgegenüber nutzen Pumpspeicherkraftwerke Wasser als Energiespeicher.

Windenergie-Kraftwerke, die sich überwiegend in der Nordhälfte Deutschlands und dort besonders in den küstennahen Regionen befinden, sind weiträumig verteilt. Ihre Stromproduktion hängt von den Wetterverhältnissen ab; wenn Wind weht, sind sie jedoch sehr kurzfristig regelbar. Derzeit haben 15 Windparks eine Bruttoleistung von über 100 MW an einer zentralen Einspeisestelle erreicht; zum Vergleich: die Leistung eines durchschnittlichen fossilen Großkraftwerkes liegt bei etwa 700 bis 800 MW.

Kraftwerkstandorte in Deutschland

Das UBA stellt verschiedene Karten zur Verfügung, denen Informationen zu Kraftwerken in Deutschland entnommen werden können:

  • Die Karte zeigt Kraftwerke ab 100 MW und Verbundnetze in Deutschland. Die meisten Kraftwerke gibt es in Nordrhein-Westphalen.
    Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland

    Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland, Stand April 2016

    Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

    Quelle: Umweltbundesamt Kraftwerkskarte als PDF
  • Die Karte zeigt Kraftwerke ab 100 MW und Windleistung in Deutschland. In Niedersachsen ist die höchste Windleistung installiert: 8.603 MW. Nordsee Offshore: 3.202 MW. Ostsee Offshore: 339 MW
    Kraftwerke und Windleistung in Deutschland

    Karte Kraftwerke und Windleistung in Deutschland, Stand 31. Dezember 2015

    Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

    Quelle: Umweltbundesamt Kraftwerkskarte mit Windleistung als PDF
  • Die Karte zeigt, wieviel Megawatt Photovoltaikleistung in den einzelnen deutschen Bundesländern installiert sind. Außerdem sind die weiteren Kraftwerke ab 100 Megawatt eingezeichnet. Bayern hat mit über 11.000 Megawatt die größte Photovoltaikleistung.
    Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland

    Karte Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland, Stand 31. Dezember 2015

    Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

    Quelle: Umweltbundesamt Kraftwerkskarte mit Photovoltaikleistung als PDF
  • Die Karte zeigt den Strommix in Deutschland insgesamt und in den einzelnen Bundesländern im Jahr 2014. In Deutschland: Braunkohle 23,9%, Erneuerbare Energien 26%, Steinkohle 18,1%, Kernenergie 15,2%, Erdgas 11,9%, Sonstige 3,9%, Pumpspeicherwasser 1,0%
    Strommix in Deutschland

    Nettostromerzeugung im Jahr 2014 in Deutschland

    Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

    Quelle: Umweltbundesamt Strommix-Karte als PDF
  • Die Karte zeigt die installierte Kraftwerksleistung der einzelnen deutschen Bundesländer und von Deutschland insgesamt. Insgesamt sind es 201.640 MW. Bei den Bundesländern steht Nordrhein-Westphalen an der Spitze: 46.665 MW. Schlusslicht Hamburg: 1.506 MW
    Kraftwerksleistung in Deutschland
    Quelle: Umweltbundesamt Karte Kraftwerksleistung als PDF
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Kraftwerkswirkungsgrade und Kohlendioxid-Emissionen

In der Vergangenheit konnten beträchtliche Wirkungsgradsteigerungen bei fossilen Kraftwerken erreicht werden. Durch thermodynamische und werkstofftechnische Grenzen sind die künftigen Potentiale jedoch begrenzt. Es wird dennoch geschätzt, dass neue Stein- und Braunkohlenkraftwerke in Kürze einen Netto-Wirkungsgrad von 50 Prozent (%) erreichen werden (siehe Abb. „Wirkungsgrade und spezifische Kohlendioxid-Emissionen verschiedener Kraftwerkstypen“). Die Wirkungsgrade von Erdgas-Gas- und Dampfturbinenkraftwerk-(GuD-)Anlagen sind deutlich höher und erreichen heute bereits etwa 60 %.
 
Welche weiteren Verbesserungen erzielt werden können, ist aus heutiger Sicht nicht sicher zu beurteilen, jedoch können folgende Aussagen zum CO2-Ausstoß getroffen werden:

  • Braunkohle: Die spezifischen CO2-Emissionen von Braunkohlenkraftwerken liegen auch bei der zukünftig zu erwartenden Technik mit über 800 Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) höher als die der meisten anderen Kraftwerkstypen.
  • Steinkohle: Die CO2-Emissionen von neuen Steinkohlenkraftwerken betragen zwischen 735 g/kWh (Stand der Technik) und 680 g/kWh (Zukunft).
  • Erdgas: Erdgas-GuD-Anlagen haben mit derzeit etwa 350 g/kWh – und zukünftig 335 g/kWh – die geringsten spezifischen Emissionen fossiler Kraftwerke. Für diesen niedrigen CO2-Emissionsfaktor ist neben dem hohen Wirkungsgrad auch der Brennstoff verantwortlich: Bei der Verbrennung von Erdgas entsteht pro erzeugter Energieeinheit weniger CO2 als bei der Verbrennung von Kohle. 
Zwei Grafiken zeigen Wirkungsgrad und Kohlendioxid-Emissionen von Kraftwerken. Verglichen werden alte, aktuelle und künftige Kraftwerke. Die Gaskraftwerke liegen bezüglich Wirkungsgrad und Emissionen vor Stein- und Braunkohlekraftwerken.
Wirkungsgrade und spezifische Kohlendioxid-Emissionen verschiedener Kraftwerkstypen
Quelle: Umweltbundesamt Diagramm als PDF

Künftige Verbesserungen

Neue Kraftwerke sollen insbesondere den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen und über einen möglichst hohen Brennstoffausnutzungsgrad verfügen. Für letzteres ist die Kraft-Wärme-Kopplung wo immer möglich vorzusehen. Durch andere Verbrennungstechniken können die Wirkungsgrade weiter gesteigert werden (zum Beispiel Kohlevergasung, Kohlevortrocknung oder der Einsatz besserer Werkstoffe).

Auch wenn 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 schneller Übergang zur erneuerbaren Stromerzeugung notwendig.

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