Großfeuerungsanlagen

Bei den Großfeuerungsanlagen handelt es sich um große industrielle Anlagen zur Energieumwandlung durch Verbrennung fossiler und biogener Energieträger.

Großfeuerungsanlagen in Deutschland

In Deutschland gibt es circa 600 Großfeuerungsanlagen. Ein großer Teil davon befindet sich in den Kraftwerken der öffentlichen Versorgung und der Industrie. Daneben gibt es Großfeuerungsanlagen zur Wärmeversorgung von Industrie, Gewerbe und Haushalten. Der enorme Bedarf an Strom und Wärme in Deutschland erfordert den Einsatz großer Mengen fossiler und biogener Energieträger.

Aufgabe des UBA ist es, Strategien und Maßnahmen zur Senkung der damit verbundenen Umwelt- und Klimabelastungen auszuarbeiten und diese im Zuge der fachlichen Beratung an die Politik heranzutragen. Sie umfassen thematisch die Emissionen in die Luft und Maßnahmen zu deren Minderung, den Wasserverbrauch und die Abwasserreinigung, die in den Großfeuerungsanlagen anfallenden Abfälle und Nebenprodukte sowie umweltverträgliche Verfahren zu deren Verwertung. In allen genannten Bereichen betrachtet das UBA auch den sparsamen Energie- und Brennstoffeinsatz.

Der Begriff der Großfeuerungsanlagen umfasst alle Feuerungsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von 50 Megawatt oder mehr, in denen Brennstoffe fossiler Herkunft – vor allem Braun- und Steinkohle sowie Erdgas – oder Brennstoffe biogener Herkunft wie Holz eingesetzt werden.

Die Großfeuerungsanlagen dienen überwiegend der Stromerzeugung in Wärmekraftwerken. Dort übertragen sie die Brennstoffenergie auf einen Gasturbinenprozess oder auf einen Dampfkraftprozess zum Antrieb von Turbinen: Diese wandeln das Gas oder den Dampf in elektrische Energie um. Erfolgt die Auslegung des Gasturbinen- oder Dampfkraftprozesses so, dass die Anlage neben Strom auch nutzbare Wärme bereitstellen kann, spricht man von einer Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Daneben gibt es Großfeuerungsanlagen zur reinen Wärmebereitstellung. Dies können Heizwerke zur Bereitstellung von Dampf, Heißwasser oder Warmwasser sein, aber auch Anlagen zur Wärmeübertragung an andere Stoffe, wie zum Beispiel Thermalöl oder Unterfeuerungen in Raffinerien.

Die hohe Umweltrelevanz der Großfeuerungsanlagen resultiert aus den mit ihrem Betrieb verbundenen gewaltigen Stoff- und Energieströmen. So haben die deutschen Steinkohle-, Braunkohle- und Erdgaskraftwerke im Jahre 2012 346 Terawattstunden elektrische Energie (brutto) bereitgestellt. Das sind 56 Prozent der gesamten Bruttostromerzeugung (Vergleichszahlen für 1990: 348 Terawattstunden, 63,3%). Der hierfür notwendige Brennstoffeinsatz in den Kraftwerken betrug 40,1 Millionen Tonnen Steinkohle (in Tonnen Steinkohleeinheiten), 166 Millionen Tonnen Braunkohle und 135 Milliarden Kilowattstunden Erdgas. Entsprechend dem Aschegehalt der festen Brennstoffe fallen bei ihrem Einsatz in Großfeuerungsanlagen große Mengen Flug- und Kesselasche, Schmelzkammergranulat und weitere Rückstände an (in Steinkohle-Großfeuerungsanlagen insgesamt ca. 6,1 Mio. t, in Braunkohle-GFA ca. 10,6 Mio. t, Angaben jeweils für 2008).

Wärmekraftwerke sind überdies die größten Wasserverbraucher. Alle zusammen – also einschließlich der Kernkraftwerke – benötigten im Jahre 2005 circa 22,5 Milliarden Kubikmeter Wasser. Auf die fossil-gefeuerten Kraftwerke entfallen schätzungsweise 60 Prozent davon. Hinzu kommen weitere Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, wie etwa Einsatzstoffe für die Abgasreinigung. Darunter fallen alleine jährlich circa vier Millionen Tonnen Kalkstein für die Rauchgasentschwefelungseinrichtungen der Stein- und Braunkohlekraftwerke. Die Menge des von diesen Anlagen erzeugten Gipses belief sich im Jahre 2008 auf 6,9 Millionen Tonnen.

Umweltauswirkungen von Großfeuerungsanlagen

Hierzu gehören insbesondere die Emissionen in die Luft, darunter klimawirksame, versauernde und eutrophierende Luftschadstoffe, wie Kohlendioxid (CO2), Schwefel- und Stickstoffoxide (SO2 und NOx) sowie Staub inklusive Feinstaub und Schwermetalle. Maßnahmen zur Minderung von Emissionen haben seit den 1980er-Jahren maßgeblich zur Verbesserung der Luftqualität in Deutschland beigetragen.

So konnten die Großfeuerungsanlagen ihre Staub- und SO2-Emissionen um circa 90 Prozent und ihre NOx-Emissionen um circa 70 Prozent mindern. Dennoch haben diese Anlagen auch heute noch einen maßgeblichen Anteil an den nationalen Gesamtemissionen. So trugen sie im Jahre 2011 zu über 48 Prozent zu den SO2-Emissionen bei (NOx 20%, Gesamtstaub 3,4%). Hohe Bedeutung haben auch die CO2-Emissionen: Sie stammen zu über 46 Prozent aus Großfeuerungsanlagen.

Der hohe Kühlwasserbedarf von Wärmekraftwerken kann die Gewässer insbesondere thermisch belasten. Die Einhaltung von vorgeschriebenen Obergrenzen der Aufheizung kann im Extremfall ein Herunterfahren des Kraftwerks erzwingen. So ist es zum Beispiel im heißen Sommer 2003 mehrfach geschehen. Abwässer aus den Wasseraufbereitungsanlagen, den Kühlkreisläufen und den Abgasreinigungseinrichtungen sind vor der Einleitung in die Gewässer zu reinigen.

Die in einer Großfeuerungsanlage anfallenden Rückstände werden rechtlich entweder als Nebenprodukt oder als Abfall zur Verwertung oder als Abfall zur Beseitigung eingestuft. Abfälle sollen in erster Linie umweltverträglich verwertet werden. Rückstände aus dem Sprühabsorptionsverfahren können zum Beispiel bei Einhaltung vorgeschriebener Anforderungen als Dünger in der Land- und Forstwirtschaft eingesetzt werden. Flugaschen aus Braunkohlekraftwerken werden häufig als Abfall zur Verwertung eingesetzt zur Verfüllung in Tagebauen.

Gips aus der nassen Kalksteinwäsche („REA-Gips”) fällt in vielen Anlagen in hochreiner Form an – häufig reiner als Naturgips – und kann daher in vielen Fällen als Nebenprodukt des der Erzeugung von elektrischer Energie angesehen werden. Der Gips wird in der gipsverarbeitenden Industrie unter anderem zur Herstellung von Gipskartonplatten verwendet. Ebenso kann Steinkohlenflugasche häufig als Nebenprodukt eingestuft werden.

Großfeuerungsanlagen und „Nachhaltige Produktion”

Das UBA wirkt an der kontinuierlichen Fortentwicklung des Standes der Technik in Großfeuerungsanlagen mit. Es trägt damit zur Emissionsbegrenzung und zum sparsamen Brennstoff- und Ressourceneinsatz bei. Errichtung und Betrieb von Großfeuerungsanlagen können auf diese Weise langfristig und zunehmend den Kriterien einer nachhaltigen Produktion – hier der Bereitstellung von Strom und Wärme – entsprechen. Der Einsatz von fossilen Brennstoffen erfüllt das Nachhaltigkeitskriterium allerdings nicht (kein geschlossener Kreislauf, Verbrauch von endlichen, nicht nachwachsenden Ressourcen).

Rechtliche Grundlagen für die Errichtung und den Betrieb von Großfeuerungsanlagen

Europarechtliche Einordnung

  • Großfeuerungsanlagen fallen in den Geltungsbereich der Richtlinie 2010/751/EU über Industrieemissionen (IE-Richtlinie). Diese regelt die Genehmigung von Industrieanlagen. Kernstück ist das Konzept der Besten Verfügbaren Technik (BVT). Für Großfeuerungsanlagen gelten die Sondervorschriften des Kapitel III der Richtlinie in Verbindung mit den emissionsbegrenzenden Mindest-Anforderungen des Anhangs V. Dieser regelt die Begrenzung der Emissionen der Luftschadstoffe SO2, NOx, CO und Staub.
  • Im Rahmen des Informationsaustausches nach Artikel 17 (2) der Vorgänger-Richtlinie 2008/1/EG ist das englischsprachige BVT-Merkblatt für Großfeuerungsanlagen entstanden (Juli 2006). Das UBA hat die Arbeiten an dem Merkblatt durch ein Ende 2002 abgeschlossenes Forschungsvorhaben zum Stand der Technik bei ausgewählten Großfeuerungsanlagen in Deutschland unterstützt und eine Teilübersetzung des Merkblattes in die deutsche Sprache veranlasst.
  • Seit 2011 läuft auf EU-Ebene die Revision des Merkblattes. Sie wird voraussichtlich in 2014 abgeschlossen sein. Ihre wesentlichen Ergebnisse – die sogenannten BVT-Schlussfolgerungen – werden kraft ihrer in der IE-Richtlinie verankerten höheren Verbindlichkeit eine Anpassung der geltenden nationalen Vorschriften erfordern. Das UBA unterstützt auch die Revision mit einem Forschungsvorhaben zum Stand der Technik bei ausgewählten Großfeuerungsanlagen; dieses wird in 2013 abgeschlossen werden, und der Abschlußbericht wird auf die BVT-Seite eingestellt werden.
  • Zu weiteren für Großfeuerungsanlagen relevanten EU-rechtlichen Regelungen gehören unter anderem die  Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG sowie die Richtlinie 2008/105/EG zu Umweltqualitätsnormen im Bereich der Wasserpolitik. Auf ihrer Grundlage sind die Verschmutzung durch besonders umweltschädliche Stoffe – sogenannte prioritär gefährliche Stoffe – schrittweise zu reduzieren und ihre Einleitung in die Gewässer zu beenden oder schrittweise einzustellen. So stellt die weitergehende Minderung der Quecksilberemissionen aktuell eine große Herausforderung dar.
  • Im Hinblick auf in Großfeuerungsanlagen anfallende Abfälle sind die Richtlinien 2008/98/EG und 2006/12/EG relevant. Soweit die Rückstände aus einer Feuerung oder ihrer Abgasreinigung wie zum Beispiel Steinkohlenflugasche oder REA-Gips seitens der Behörde nicht als Abfall eingestuft werden, fallen diese in der Regel unter die REACH-Verordnung und sind als Stoffe im Sinne dieser Vorschrift registrierungspflichtig.

Rechtliche Regelungen auf nationaler Ebene

Großfeuerungsanlagen sind nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) genehmigungsbedürftig. Emissionsbegrenzende und weitere Anforderungen sind in der Verordnung über Großfeuerungs- und Gasturbinenanlagen – 13. BImSchV – fixiert, die im Mai 2013 novelliert worden ist. Soweit Großfeuerungsanlagen neben Regelbrennstoffen Abfälle mitverbrennen, fallen sie unter die Verordnung über die Verbrennung und Mitverbrennung von Abfällen – 17. BImSchV – die ebenfalls im Mai 2013 novelliert worden ist.
Abwasserrechtliche Anforderungen fußen auf dem Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts und sind konkretisiert in der Abwasserverordnung. Ihr Anhang 31 regelt die Wasseraufbereitung, Kühlsysteme und Dampferzeugung; Anhang 47 die Wäsche von Rauchgasen aus Feuerungsanlagen. Die abfallrechtlichen Anforderungen an GFA basieren auf dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrWG).

Innovationen: Abscheidung von CO2

Bisher haben Großfeuerungsanlagen ihre CO2-Emissionen lediglich spezifisch senken können. So benötigt ein neues Stein- oder Braunkohlekraftwerk infolge seines höheren thermischen Wirkungsgrades für die Erzeugung von einer Kilowattstunde elektrischer Energie etwa 25 Prozent weniger Energie als eine vergleichbare Altanlage. Die spezifische CO2-Emission sinkt entsprechend. Dennoch bleiben die Großfeuerungsanlagen auch nach Abschluss der derzeit stattfindenden Kraftwerkserneuerung die Anlagengruppe mit den größten CO2-Emissionen.

Eine dem Rückgang der SO2-Emissionen vergleichbare Entwicklung beim CO2 ist nach derzeitigem Kenntnisstand nur durch den weitgehenden Verzicht auf den Einsatz fossiler Brennstoffe oder durch eine CO2-Abscheidung an der Anlage möglich. Das abgeschiedene CO2 könnte entweder zu geeigneten Speichern transportiert und dort gespeichert werden („Carbon Capture and Storage”, CCS) oder aber einer anderweitigen Nutzung oder Verwertung zugeführt werden.  Beide Optionen sind nicht kurzfristig verfügbar, sondern erfordern erheblichen Forschungs- und Erprobungsbedarf und hohe Investitionen.

Für CCS-Kraftwerke werden seit mehreren Jahren Techniken und Verfahren zur CO2-Abscheidung entwickelt und erprobt. Eine erste Pilotanlage mit einer Feuerungswärmeleistung von 30 Megawatt wurde im Jahre 2008 in Betrieb genommen und hat die in sie gesteckten Erwartungen klar erfüllt. Aufgrund der mangelnden Akzeptanz der CCS-Technologie wurden zwischenzeitlich jedoch Pläne für eine großtechnische Erprobung zurückgestellt oder aufgegeben. Es ist daher nicht mehr damit zu rechnen, dass CCS-Kraftwerke ab 2020 in Deutschland kommerziell verfügbar sein werden. Die mangelnde gesellschaftliche Akzeptanz beruht vor allem auf der geplanten Speicherung in einer dauerhaften Ablagerungsstätte. Daneben wird der deutlich höhere Eigenenergiebedarf der Kraftwerke bemängelt. Er verursacht nach gegenwärtigem Stand einen Verlust des elektrischen Wirkungsgrades von knapp zehn Prozent-Punkten bei Neuanlagen, die von Anfang an auf CCS hin ausgelegt werden. Im Falle der Nachrüstung von bestehenden Anlagen mit CCS ist mit einem etwas höheren Wirkungsgradverlust zu rechnen.

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 Großfeuerungsanlagen  Energie  Verbrennung  Emissionen  BVT  Energiegewinnung