EW-R-4 Wassereffizienz thermischer Kraftwerke

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Wassereffiziente Kühlsysteme sind unabhängiger von Frischwasser und unempfindlicher bei Trockenheit
Quelle: Kurt Michel / pixelio.de

Monitoringbericht 2015 zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel

Inhaltsverzeichnis

 

EW-R-4: Wassereffizienz thermischer Kraftwerke

Der Einsatz von Frischwasser zu Kühlzwecken ging durch Effizienzsteigerungen und Maßnahmen wie Mehrfach­ bzw. Kreislaufnutzungen signifikant zurück und lag 2010 um etwa ein Drittel niedriger als 1991. Im selben Zeitraum nahm die damit in thermischen Kraftwerken erzeugte elektrische Arbeit zu, sodass die Wassereffizienz bis 2007 deutlich anstieg. Bis zum Jahr 2010 sank die Wassereffizienz dagegen wieder.

Drei Kurven stellen Zeitreihen von 1991 bis 2010 auf einer für 1991 auf 100 indexierten Skala dar. Sie beschreiben die Stromerzeugung thermischer Kraftwerke, die Wassermenge zur einmaligen Nutzung sowie die Wassereffizienz.
EW-R-4 Grafik
Quelle: Umweltbundesamt
 

Wärmekraftwerke – immer unabhängiger von kühlem Frischwasser

In heißen und trockenen Sommern kann die Versorgung mit Frischwasser für Kühlzwecke ein Flaschenhals für die Stromerzeugung in Wärmekraftwerken sein. Diese Kraftwerke produzieren rund drei Viertel des Stroms in Deutschland und dominieren bislang die Erzeugungsstrukturen. Große Teile des Kraftwerkparks sind dabei von der Verfügbarkeit von Kühlwasser abhängig, weshalb die Energiewirtschaft auch bei weitem der größte Wassernutzer hierzulande ist: Annähernd zwei Drittel des zur Nutzung entnommenen Grund­ und Oberflächenwassers werden in Deutschland zu Kühlzwecken in Wärmekraftwerken eingesetzt, mehr als 90 % hiervon in Durchlaufkühlsystemen. Dies ist wirtschaftlich die effizienteste und daher auch die häufigste Art der Kraftwerkskühlung in Deutschland, gleichzeitig aber auch die wasserintensivste. Das Kühlwasser wird einem Wasserkörper entnommen und einmalig zur Kühlung des Dampfkreislaufs im Kraftwerk genutzt. Anschließend wird das erwärmte Wasser dem Wasserkörper wieder zugeführt. Abhängig vom Standort können dabei Kühltürme zum Einsatz kommen, um die Temperatur des Kühlabwassers zu verringern und eine unerwünschte bzw. unzulässige Erwärmung der Flüsse, in die das Wasser eingeleitet wird, zu vermeiden.

Um Mangelsituationen vorzubeugen, kann der Kühlwasserbedarf für thermische Kraftwerke u. a. mithilfe technischer Maßnahmen verringert werden. Ein wesentlicher Ansatzpunkt hierfür ist die Art der Kühlwassernutzung. So können Kreislaufkühlsysteme den Wasserbedarf von thermischen Kraftwerken deutlich reduzieren und sie von Frischwasser weitgehend unabhängig machen. Die Kühlung kann dabei in einem offenen System (Nasskühlung) oder geschlossenen System (Trockenkühlung) erfolgen. Bei offenen Systemen ist eine Wasserentnahme aus Gewässern nur für den Ausgleich des Verdunstungsverlusts notwendig und beträgt im Vergleich zur Durchlaufkühlung nur etwa 2 bis 3,5 %. Bei der Trockenkühlung wird die Wärme über einen Wärmetauscher durch Konvektion an die Luft abgegeben. Ein Verdunstungsverlust findet nicht statt, d. h. der Wasserbedarf wird auf ein Minimum reduziert. Die beiden Systeme können auch in sogenannten Hybridanlagen kombiniert werden.

Neben dem zunehmenden Einsatz wassersparender Technologien spielt die technische Optimierung der Wärmekraftwerke eine wichtige Rolle für die Wassereffizienz. In den vergangenen Jahrzehnten konnten die Wirkungsgrade von Kraftwerken mit fossilen Energieträgern beträchtlich gesteigert werden. Als Folge dieser Entwicklungen nahm die Wassereffizienz bis 2007 kontinuierlich zu. Die seither leicht rückläufige Tendenz kann mit den eingeleiteten Änderungen der Erzeugungsstrukturen und dem Wirkungsgradverlust zusammenhängen, den die Nutzung von Kreislaufkühlsystemen mit sich bringt. Letzterer ist technisch durch den höheren Eigenverbrauch für den Betrieb von Pumpen sowie bei der Trockenkühlung durch die thermodynamische Kühlwirkung bedingt und beträgt bei der Nasskühlung etwa 2 bis 3 %, bei der Trockenkühlung etwa 10 %. Seit 2007 tragen Kernkraftwerke und Steinkohlekraftwerke einen geringeren Anteil zur Stromerzeugung bei. Möglicherweise wurden dabei Spielräume ausgeschöpft, die Produktion auf Kraftwerke mit einem besonders hohen Wirkungsgrad, aber einer geringeren Wassereffizienz zu konzentrieren.

Insgesamt wird der Kühlwasserbedarf thermischer Kraftwerke im Zuge der Energiewende künftig eine abnehmende Rolle spielen, wobei die derzeitigen Entwicklungstendenzen noch uneinheitlich sind. Welche Bedeutung zukünftig einer wassersparenden Kühlwassernutzung zukommt, ist derzeit noch nicht vollständig absehbar.

 

Schnittstellen

EW-I-3: Umgebungstemperaturbedingte Stromminderproduktion thermischer Kraftwerke

WW-R-1: Wassernutzungsindex

WW-I-4: Niedrigwasser

 

Ziele

Erwägen von technischen Methoden und Verbesserungen zum effizienteren Kühlung von Kraftwerken nach dem Prinzip der Verhältnismäßigkeit (DAS, Kap. 3.2.3)

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