EW-I-3 Temperaturbedingte Stromminderproduktion thermischer Kraftwerke

Kühlwassertürme an einem Fluß mit Niedrigwasser.zum Vergrößern anklicken
In heißen und trockenen Sommern wird die Entnahme bzw. Einleitung von Kühlwasser schwierig.
Quelle: Siegfried Kremer Phillipsburg

Monitoringbericht 2015 zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel

Inhaltsverzeichnis

 

EW-I-3: Umgebungstemperaturbedingte Stromminderproduktion thermischer Kraftwerke

Hitze und Trockenheit können die Stromproduktion thermischer Kraftwerke einschränken, indem sie deren Wirkungsgrade verschlechtern oder Probleme bei der Kühlwasserentnahme bzw. der Einleitung von Kühlwasser in die Gewässer verursachen. In den heißen Sommern 2003 und 2006 kam es dadurch zu markanten Einbußen, ein signifikanter Trend ist bislang nicht zu verzeichnen.

Ein Balkendiagramm zeigt die Umgebungstemperaturbedingte Stromminderproduktion thermischer Kraftwerke in einer Zeitreihe von 2001 bis 2012 in GWh. Die roten Blken bilden die Stromminderproduktion ab, die Höhe der Balken schankt zwischen unter 100 GWh für 2002 und 2.500 GWh für 2003. Höhere Werte sind abgebildet für 2006 mit1750 GWh und 2009 mit 1100 GWh.  Ein grünes Symbol zeigt, dass kein Trend beobachtet werden kann.
EW-I-3 Grafik
Quelle: Umweltbundesamt
 

Hitze beeinflusst Stromproduktion konventioneller Kraftwerke

Trotz des in den vergangenen Jahren stark wachsenden Beitrags der erneuerbaren Energien zur Stromversorgung spielen thermische Kraftwerke nach wie vor eine wichtige Rolle im deutschen Energieversorgungssystem. Thermische Kraftwerke sind aufgrund ihres Funktionsprinzips auf die Abfuhr von Prozesswärme durch Kühlung angewiesen, die im wasserreichen Deutschland in aller Regel Wasser als Kühlmedium verwendet.

Vereinfacht dargestellt wird in thermischen Kraftwerken der Energiegehalt eines Brennstoffs, z. B. Gas, Kohle oder Uran, zunächst durch Verbrennung bzw. Kernspaltung in thermische Energie umgewandelt, meist in Form von Wasserdampf. Der heiße Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an, deren mechanische Energie in einem Generator in elektrische Energie d. h. Strom umgewandelt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes, der die Turbine antreibt, hängt dabei wesentlich vom Druckunterschied, d. h. von der Temperaturdifferenz zwischen heißem Ende und kaltem Ende des Wasser-Dampfkreislaufs ab. Das kalte Ende bildet ein Kondensator, in dem der Dampf durch Kondensation wieder verflüssigt und das Wasser dem Wasser-Dampfkreislauf erneut zugeführt wird. Das Kühlsystem dient an dieser Stelle dazu, dem Wasser-Dampfkreislauf die überschüssige Wärme zu entziehen und über das Kühlwasser abzuführen. Im Falle von Frischwasserkühlsystemen wird das aus einem Fluss entnommene Wasser dabei entweder direkt (Durchlaufkühlung) oder nach Abkühlung in einem Kühlturm (Ablaufkühlung) wieder ins Gewässer eingeleitet. Kreislaufkühlsysteme sind von einer Wasserzufuhr aus Gewässern weitgehend unabhängig.

Lässt sich die Prozesswärme z. B. wegen Hitze und Trockenheit nicht in ausreichendem Maße abführen, kann der Wirkungsgrad der Kühlsysteme und damit auch der Kraftwerke abnehmen. Vor allem aber können bei niedrigen Wasserständen und erhöhten Gewässertemperaturen wasserrechtliche Auflagen greifen. Um die Gewässerökologie vor den negativen Folgen hoher Wassertemperaturen zu schützen, bestimmen wasserrechtliche Genehmigungen für einzelne Anlagen, wie viel Frischwasser für Kühlzwecke aus Gewässern entnommen und in welcher Menge und mit welcher Temperatur erwärmtes Kühlwasser wieder in Gewässer eingeleitet werden kann. Für die Betreiber kann sich daraus bei Hitze und Trockenheit die Notwendigkeit ergeben, die Stromproduktion in den betroffenen Kraftwerken zu drosseln bzw. ganz einzustellen.

Im vergangenen Jahrzehnt haben die heißen Sommer in den Jahren 2003 und 2006 vor Augen geführt, welche Folgen Hitze und Trockenheit für die Stromerzeugung haben können. Europaweit waren während der sommerlichen Hitzeperiode im Jahr 2003 über 30 Kernkraftanlagen gezwungen, ihre Stromproduktion zurückzufahren. In Deutschland betraf dies z. B. Kraftwerke an Isar und Rhein. Im Jahr 2006 kam es zu kühlwassertemperaturbedingten Einschränkungen der Stromproduktion in thermischen Kraftwerken an den Ufern von Weser und Elbe. In diesen Jahren mussten die zuständigen Wasserbehörden teilweise Ausnahmegenehmigungen erteilen, um die Versorgungssicherheit mit Strom zu gewährleisten.

Die Zeitreihe zur Stromminderproduktion stellt dar, wie viel Strom aufgrund von temperaturbedingten äußeren Einflüssen in thermischen Kraftwerken nicht produziert werden konnte. Ihr liegen Angaben zu knapp zwei Dritteln der in Deutschland installierten Leistung thermischer Kraftwerke zugrunde. Die größten Einschränkungen waren bislang im heißen Sommer 2003 zu verzeichnen. In diesem Jahr summierte sich die Stromminderproduktion auf insgesamt 2,5 Terawattstunden. Das entspricht in etwa 0,5 % der potenziell möglichen Jahresstromproduktion der berücksichtigten thermischen Kraftwerke bzw. der Strommenge, die benötigt wird, um Deutschland eineinhalb Tage mit Strom zu versorgen.

Durch die eingeleitete Energiewende und den beschlossenen Atomausstieg hat die Bedeutung thermischer Kraftwerke für das Energiesystem in den vergangenen Jahren abgenommen und wird in den kommenden Jahren wohl weiter zurückgehen. Angesichts der zunehmenden Einspeisung von erneuerbaren Energien insbesondere in der heißen Jahreszeit sind sommerliche Engpässe in der Elektrizitätsversorgung insgesamt eher nicht zu erwarten. Dessen ungeachtet kann es möglicherweise in einzelnen Regionen, in denen thermische Kraftwerke noch eine überdurchschnittlich wichtige Rolle spielen, zu sommerlichen Einschränkungen der Stromerzeugung kommen, die Maßnahmen zur Sicherung der regionalen Elektrizitätsversorgung notwendig machen.

 

Schnittstellen

EW-­R-­4: Wassereffizienz thermischer Kraftwerke

 

Ziele

Erhöhung der Versorgungssicherheit insbesondere bei Extremereignissen durch sich ergänzende dezentrale und diversifizierte Erzeugungsstrukturen, die erneuerbare Energien einschließen (DAS, Kap. 3.2.9)

Ermittlung und Bewertung von möglichen Versorgungsrisiken und Eruierung von Maßnahmen zu ihrer Reduzierung (DAS, Kap. 3.2.9)