Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger

Die Energiewende ändert die Zusammensetzung des deutschen Kraftwerksparks. Die Anzahl an Kraftwerken zur Nutzung erneuerbarer Energien nimmt zu. Kraftwerke mit hohen Treibhausgas-Emissionen werden vom Netz genommen. Gleichzeitig muss eine sichere regionale und zeitliche Verfügbarkeit der Stromerzeugung zur Deckung der Stromnachfrage gewährleistet sein.

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 10 Megawatt nach 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, regional diversifizierten, überwiegend fossilen Energieträgermixes (Stein- und Braunkohlen, Kernenergie, Erdgas, Mineralölprodukte, Wasserkraft etc.). Die gesamte in Deutschland installierte Brutto-Leistung konventioneller Kraftwerke ist basierend auf Daten des Umweltbundesamtes in der Abbildung „Installierte elektrische Leistung von konventionellen Kraftwerken ab 10 Megawatt nach Energieträgern“ dargestellt. Die aktuelle regionale Verteilung der Kraftwerkskapazitäten ist in der Abbildung „Kraftwerksleistung aus konventionellen Energieträgern ab 10 Megawatt nach Bundesländern“ dargestellt. In den letzten Jahren hat sich die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien vor dem Hintergrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sehr dynamisch entwickelt. Gleichzeitig wurden mit dem Ausstieg aus der Kernenergie und dem Ausstieg aus der Braunkohle konkrete Zeitpläne zur Reduktion konventioneller Kraftwerkskapazitäten festgelegt (siehe Tab. „Braunkohlenkraftwerke in Deutschland gemäß Kohleausstiegsgesetz“ und Abb. „Entwicklung der Stromerzeugungskapazitäten aus Braunkohlen entsprechend dem Kohleausstiegsgesetz“). Daraus ergeben sich neue Anforderungen hinsichtlich der Flexibilität konventioneller Erzeugungsanlagen, für die nicht jede Kraftwerkstechnik gleichermaßen geeignet ist.

  • Kernkraftwerke: Deutschland hat 2011 den schrittweisen Ausstieg aus der Kernenergie bis spätestens 2022 beschlossen. Kernkraftwerke produzieren Grundlaststrom und sind nur geringfügig kurzfristig regelbar. Sie liegen an Flussläufen, weil sie einen hohen Bedarf an Kühlwasser aufweisen.
  • Braunkohlenkraftwerke: Mit Einsetzen der „Kommission für Wachstum, Strukturwandel und Beschäftigung“ wurde der Prozess zum Ausstieg aus der Kohlestromerzeugung in Deutschland gestartet. Im Januar 2020 wurde im Rahmen des Kohleausstiegsgesetzes ein Ausstiegspfad für die Braunkohlestromerzeugung zwischen Bund, Ländern und beteiligten Unternehmen erarbeitet, welcher umfangreiche Entschädigungsregelungen für die Unternehmen und Förderung für die betroffenen Regionen enthält. 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: Im Rahmen des Kohleausstiegs wird auch der Ausstieg aus der Steinkohle angestrebt. 2019 wurde bereits aus ökonomischen Gründen der Abbau von Steinkohle in Deutschland eingestellt. Im Gegensatz zur Braunkohle soll der Ausstieg aus der Steinkohle durch einen Auktionsmechanismus geregelt werden, der die Entschädigungszahlungen bestimmt. Ein Zeitplan für die Auktionen und den Ausstieg liegt aktuell noch nicht vor. Steinkohlenkraftwerke produzieren Strom in den ehemaligen 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.
  • Gaskraftwerke: Die Strom- und Wärmeerzeugung mit Gaskraftwerken erzeugt niedrigere Treibhausgasemissionen als durch Kohlenkraftwerke und ermöglichen durch ihre hohe Regelbarkeit und hohe räumliche Verfügbarkeit eine Ergänzung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Daher werden Gaskraftwerke als Brückentechnologie gesehen und zum Teil auch weiter ausgebaut. Dennoch muss zum Erreichen der Klimaziele langfristig die gesamte Stromerzeugung dekarbonisiert werden.

Weitere Daten und Fakten zu Braun- und Steinkohlenkraftwerken finden sie hier.

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Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien

Die installierte Leistung erneuerbarer Energien hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Den stärksten Leistungszubau tragen hierbei die Windenergie an Land und See sowie die Photovoltaik bei (siehe Abb. „Entwicklung der installierten Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“). Da die Energieträger dargebotsabhängig sind, unterscheiden sich die bei gleicher Leistung erzeugten Strommengen deutlich. Die Verteilung der erneuerbaren Energien in Deutschland ist dabei nicht gleichmäßig, vor allem bei Windenergieanlagen kommt es zu einer deutlichen Konzentration auf die nördlichen und östlichen Bundesländer. Neben Photovoltaik- oder Windkraftwerken gibt es noch weitere erneuerbaren Kraftwerke, welche entweder konstant Strom liefern können (beispielsweise Wasserkraftwerke) oder flexibel eingesetzt werden können (z. B. Biomassekraftwerke). Ein weiterer Zubau an erneuerbaren Kraftwerkskapazitäten ist unerlässlich, um die Ziele der Energiewende erreichen zu können.

Weitere Informationen und Daten zu erneuerbaren Energien finden Sie auf der Themenseite „Erneuerbare Energien in Zahlen“.

Das Diagramm zeigt die Entwicklung der installierten Leistung der erneuerbaren Energien für 1990, 1995 und ab 2000 als gestapelte Säulen. Die Leistung der Wasserkraft bleibt nahezu konstant, Windenergie und Photovoltaik sind ab 2000 stark gewachsen.
Entwicklung der installierten Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
Quelle: Umweltbundesamt auf Basis AGEE-Stat Diagramm als PDF
 

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 des fossilen Kraftwerksparks“). Diese Entwicklung spiegelt die kontinuierliche Modernisierung des Kraftwerkparks und die damit verbundene Außerbetriebnahme alter Kraftwerke wider. Vor allem bei Gaskraftwerken kann durch den Trend zu effizienten Gas- und Dampfkraftwerken (GuD) eine sehr positive Effizienzentwicklung verzeichnet werden, wobei die Betriebsstunden auf Grund der höheren Grenzkosten gegenüber Kohlenkraftwerken zwischenzeitlich teils deutlich zurückgegangen sind.

Der Brennstoffausnutzungsgrad von Kraftwerken kann durch eine gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) gesteigert werden. Dies kann bei Großkraftwerken zur Wärmebereitstellung in Industrie und Fernwärme, aber auch bei dezentralen kleinen Kraftwerken wie Blockheizkraftwerken lokal erfolgen. Dabei müssen neue Kraftwerke allerdings auch den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen, dies kann beispielsweise über die Kombination mit einem thermischen Speicher erfolgen.

Obwohl bei konventionellen Kraftwerken in den letzten Jahren technisch eine Steigerung der Wirkungsgrade erreicht werden konnte, 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.

Das Liniendiagramm zeigt 4 Linien der Entwicklung seit 1990 des Brutto-Wirkungsgrades von Kraftwerken für Stein- und Braunkohle, Erdgas und den Durchschnitt daraus. Die Linie für Erdgas ist am steilsten und verläuft deutlich höher als bei Kohlen.
Entwicklung des durchschnittlichen Brutto-Wirkungsgrades fossiler Kraftwerke
Quelle: Umweltbundesamt auf Basis Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen Diagramm als PDF
 

Kohlendioxid-Emissionen

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

  • Braunkohlen: Die spezifischen Kohlendioxid-Emissionen von Braunkohlenkraftwerken variieren je nach Herkunft des Energieträgers aus einem bestimmten Braunkohlerevier und der Beschaffenheit der mitverbrannten Sekundärbrennstoffen (siehe Tab. „Emissionsfaktoren eingesetzter Energieträger zur Stromerzeugung“). Mit mindestens 97.920 Kilogramm Kohlendioxid pro Terajoule (kg CO2/TJ) ist der Emissionsfaktor von Braunkohlen höher als der, der meisten anderen Kraftwerkstypen.
  • Steinkohlen: Der Kohlendioxid-Emissionsfaktor von Steinkohlenkraftwerken beträgt derzeit 93.369 kg CO2/TJ.
  • Erdgas: Erdgas-GuD-Anlagen haben mit derzeit 55.827 kg CO2/TJ den geringsten spezifischen Emissionsfaktor fossiler Kraftwerke. Für den niedrigen Kohlendioxid-Emissionsfaktor ist neben dem hohen Wirkungsgrad auch der Brennstoff selbst verantwortlich: Bei der Verbrennung von Erdgas entsteht pro erzeugter Energieeinheit weniger Kohlendioxid als bei der Verbrennung von Kohle.
Die Tabelle zeigt Emissionsfaktoren eingesetzter Energieträger zur Stromerzeugung in Kilogramm Kohlendioxid pro Terajoule.
Tab: Emissionsfaktoren eingesetzter Energieträger zur Stromerzeugung
Quelle: Umweltbundesamt Tabelle als PDF zur vergrößerten Darstellung
 

Weitere Entwicklung des deutschen Kraftwerksparks

Um die Klimaschutzziele zu erreichen ist ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Kraftwerkskapazitäten notwendig. Dabei wird es auf Grund der geringeren spezifischen Erzeugungsmengen (Volllaststunden) zu einer deutlichen Zunahme der Gesamtkapazitäten kommen. Trotz des steigenden Anteils erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung werden allerdings weiterhin neue Kraftwerke auf Basis konventioneller Energieträger - vornehmlich Erdgas - projektiert. Dabei wird vor allem auf effiziente GuD-Prozesse gesetzt. Einen Überblick über geplante Kraftwerksprojekte mit einer hohen Realisierungswahrscheinlichkeit gibt die Tabelle „Genehmigte oder im Genehmigungsverfahren befindliche Kraftwerke in Deutschland“. Gleichzeitig wird die Kraftwerkskapazität an Kohle- und Kernkraftwerken kontinuierlich zurückgehen. Um den Herausforderungen der Energiewende begegnen zu können wird es außerdem einen zunehmenden Fokus auf Flexibilisierungsmaßnahmen geben. Dabei handelt es sich um einen Ausbau von Speichern (z. B. Wasserkraft, elektro-chemische Speicher, thermische Speicher) sowie um den Ausbau der Strominfrastruktur (Netzausbau, Außenhandelskapazitäten) und die Nutzung flexibler Stromverbraucher.

Die Tabelle zeigt 23 geplante Kraftwerksprojekte, mit Angabe der geplanten Leistung und Energieträger. Die Projekte haben eine hohe Realisierungswahrscheinlichkeit.
Tab: Genehmigte oder im Genehmigungsverfahren befindliche Kraftwerksprojekte in Deutschland
Quelle: Umweltbundesamt Tabelle als PDF zur vergrößerten Darstellung