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. 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 Braun- und Steinkohle konkrete Zeitpläne zur Reduktion konventioneller Kraftwerkskapazitäten festgelegt (siehe Abb. „Braun- und Steinkohlen: Stromerzeugungskapazitäten entsprechend dem Kohleausstiegsgesetz“ im letzten Abschnitt). 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. Wegen der Energieknappheit in Folge des Ukraine-Kriegs wurde die Laufzeit dreier Kernkraftwerke zur Erhöhung der Versorgungssicherheit bis zum Frühjahr 2023 verlängert. Kernkraftwerke produzieren Grundlaststrom und sind nur geringfügig kurzfristig regelbar. Sie liegen an Flussläufen, weil sie einen hohen Bedarf an Kühlwasser haben.
  • 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 wird der Ausstieg aus der Steinkohle zunächst bis 2023 durch einen Auktionsmechanismus geregelt, der die Entschädigungszahlungen bestimmt. Die erste Ausschreibung begann im Sommer 2020 mit 4.800 Megawatt stillzulegender Leistung. Seither sind in drei weiteren Ausschreibungen bis August 2022 weitere 5.668 Megawatt hinzugekommen. 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 mit Kohlenkraftwerken 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 in der Broschüre „Daten und Fakten zu Braun- und Steinkohle“ des Umweltbundesamtes.

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Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien

Der Zubau der installierten Leistung erneuerbarer Energien hat sich nach Jahren deutlicher Zunahme in den letzten Jahren verlangsamt. Bis zum Jahr 2012 waren zweistellige Zuwachsraten bei der installierten elektrischen Leistung nicht ungewöhnlich: Zwischen 1998 und 2012 wuchs die installierte Leistung im Durchschnitt um 16 % pro Jahr. In den Jahren 2013 bis 2017 betrug der Zuwachs etwa 7 bis 8 %. Seit dem Jahr 2018 lag der Zuwachs jedes Jahr nur noch bei 5 bis 6 Prozent. Auch im Jahr 2021 war der Zuwachs mit 5,7 % niedrig (siehe Abb. „Entwicklung der installierten Leistung zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien“).

In den Jahren 2018 bis 2021 wuchs die installierte Leistung der Photovoltaik mit jährlich fast 10 % besonders stark. Auch die Windenergie auf See wuchs mit 7 % pro Jahr dynamisch, wobei der größte Teil dieses Zubaus 2018 erfolgte und seitdem stagnierte.

Da die Energieträger dargebotsabhängig sind, unterscheiden sich bei gleicher Leistung die erzeugten Strommengen deutlich. So kann eine Windenergieanlage auf See bei gleicher Leistung die Vielfache Menge Strom erzeugen wie eine PV-Anlage.

Die räumliche Verteilung der erneuerbaren Energien in Deutschland ist nicht gleichmäßig, vor allem bei Windenergieanlagen kommt es zu einer deutlichen Konzentration auf die nördlichen und östlichen Bundesländer (siehe die Karten „Kraftwerke und Windleistung in Deutschland“ und „Kraftwerke und Photovoltaikleistung in Deutschland“).

Neben Photovoltaik- und Windkraftwerken mit schwankender Stromeinspeisung gibt es noch weitere erneuerbare Kraftwerke, welche entweder konstant Strom liefern können (beispielsweise Wasserkraftwerke) oder flexibel eingesetzt werden können (beispielsweise 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.
Installierte 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 sogenannten „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. „Durchschnittlicher Brutto-Wirkungsgrad des fossilen Kraftwerksparks“). Diese Entwicklung spiegelt die kontinuierliche Modernisierung des Kraftwerkparks und die damit verbundene Außerbetriebnahme alter Kraftwerke wider.

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.
Durchschnittlicher Brutto-Wirkungsgrad des fossilen Kraftwerkparks
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 kg 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 93.572 kg CO2 / TJ.
  • Erdgas:
  • Erdgas-GuD-Anlagen haben mit derzeit 55.826 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. Hinzu kommen Methan-Emissionen bei der Förderung und dem Transport von Erdgas (siehe dazu die Publikation „Unterschätztes Treibhausgas Methan. Quellen, Wirkungen, Minderungsoptionen“).
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 aufgrund 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 Kraftwerksprojekte in Deutschland“.

Im Lichte der aktuellen Kriegssituation in der Ukraine werden Braun- und Steinkohlekraftwerke kurzfristig wieder stärker zur zum Einsatz kommen (siehe Abb. “Braun- und Steinkohlen: Stromerzeugungskapazitäten entsprechend dem Kohleausstiegsgesetz“). Der Ausstieg aus der Atomkraft soll aber nach aktueller Planung spätestens im Frühjahr 2023 abgeschlossen sein. Auch die Kraftwerkskapazität an Kohlekraftwerken wird gemäß dem Kohleausstiegsgesetz mittelfristig weiter 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.

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