Kraftwerke

Zur sicheren Stromversorgung muss die Last jederzeit gedeckt werden können. Aufgrund der Schwankungen der Last auf der Verbraucherseite und der Schwankungen bei der Einspeisung von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien werden Grund-, Mittel- und Spitzenlast eingesetzt. Moderne fossile Kraftwerke können Netto-Wirkungsgrade von 60 % erreichen. Der Wirkungsgrad und die Brennstoffart haben erheblichen Einfluss auf den spezifischen CO₂ –Emissionsfaktor der Stromerzeugung.

Der folgende Abschnitt beschreibt die gegenwärtige Ausrichtung des deutschen Kraftwerkspark, die vor allem auf konventionellen Energieträgern (Stein- und Braunkohlen, Erdgas, Öl, Kernkraft etc.) beruht. Mit dem beschlossenen Ausstieg aus der Kernkraft und der 2010 eingeleiteten Energiewende wird es zu einer Neuausrichtung des gesamten Kraftwerkspark hin zu einer überwiegend auf erneuerbaren Energiequellen basierenden Energieversorgung kommen. Genauere Informationen hierzu finden sich unter Kapitel Klimaschutzprogramme und –maßnahmen in Deutschland.

Kraftwerke ≥ 100 MW in Betrieb

Ein Kraftwerk ist eine Anlage, die elektrische Energie erzeugt. Die Energiewirtschaft hält für die gesicherte Energieversorgung Kraftwerkskapazitäten bereit, die zu unterschiedlichen Tageszeiten bei Bedarf zugeschaltet werden können.

Der Strombedarf im Tagesverlauf wird mit einer Lastkurve dargestellt. Dabei wird der Minimalbedarf als Grundlast bezeichnet. Im Normalfall steigt die Belastung tagsüber in den Bereich der Mittellast an. Zu Zeiten des größten Stromverbrauchs (in der Regel am Vormittag zwischen 7:00 und 12:00 Uhr und nachmittags zwischen 16:00 und 20:00 Uhr) spricht man von Spitzenlast.

Der Strom aus Spitzenlastkraftwerken wird beispielsweise in Morgenstunden benötigt, wenn eine hohe Energienachfrage in Haushalten, Unternehmen und durch den öffentlichen Nahverkehr entsteht. Die großräumige Verteilung der Kraftwerke ist im Wesentlichen von standortbezogenen Faktoren abhängig.

• Braunkohlen-Kraftwerke als typische Grundlast-Kraftwerke mit geringer kurzfristiger Regelbarkeit in der Leistungsabgabe produzieren Strom in direkter Nähe zu den Braunkohlenvorkommen im Rheinischen, Helmstedter und Lausitzer Revier sowie im Mitteldeutschen Raum. Im Zeitalter der erneuerbaren Energien müssen Braunkohlenkraftwerke flexibler werden.

• Laufwasser-Kraftwerke erzeugen Strom im Grundlastbereich, einige Anlagen sind jedoch bei Nachfrageschwankungen kurzfristig regelbar. Sie konzentrieren sich entlang der Flussläufe in Südwest-Deutschland. Demgegenüber nutzen Pumpspeicherkraftwerke Wasser als Energiespeicher für den Ausgleich von Überangebot und Bedarfsspitzen.
• Kernkraftwerke produzieren Grundlaststrom, sind nur geringfügig kurzfristig regelbar und konzentrieren sich auf die alten Bundesländer ohne Nordrhein-Westfalen. Standortbestimmend ist die Lage an einem großen Flusslauf wegen des hohen Bedarfs an Kühlwasser. Seit Stilllegung der Kernkraftwerke in Lubmin und Rheinsberg wird in den neuen Bundesländern kein Strom aus Kernenergie erzeugt. In den alten Bundesländern gingen die Kernkraftwerke Stade an der Unterelbe und Obrigheim gemäß des Gesetzes zur geordneten Beendigung der Kernenergienutzung zur gewerblichen Erzeugung von Elektrizität vom 27.04.2002 im November 2003 beziehungsweise Mai 2005 vom Netz. Desweiteren wurden mit dem 2011 beschlossenen Ausstieg aus der Kernkraft den Kernkraftwerksblöcken Biblis A+B, Brunsbüttel, Isar 1, Krümmel, Neckarwestheim, Philippsburg 1 und Unterweser die Betriebsgenehmigungen entzogen und diese Blöcke im gleichen Jahr vom Netz genommen.
• Steinkohlen-Kraftwerke, die im Wesentlichen im Mittellastbereich eingesetzt werden und zu den Regelkraftwerken gehören, produzieren Strom in den Steinkohlen-Bergbaurevieren (Ruhr- und Saarrevier), in den Küstenregionen und entlang der Binnenwasserstraßen, da hier kostengünstige Transportmöglichkeiten für die Steinkohle vorhanden sind.
• Gas-Kraftwerke sowie Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD), die im Spitzen- und Mittellastbereich eingesetzt werden, gewinnen immer mehr an Bedeutung. Diese Anlagen sind zum Teil extrem kurzfristig regelbar und in der gesamten Bundesrepublik vertreten.
• Heizöl-Kraftwerke erzeugen fast ausschließlich Spitzenlaststrom zum Ausgleich kurzfristiger Stromnachfrageschwankungen und weisen daher nur äußerst geringe Stromerzeugungsmengen auf.

• Windenergie-Kraftwerke, die sich überwiegend in der Nordhälfte Deutschlands und dort besonders in den Küstenregionen befinden, sind weiträumig verteilt. Da die Stromproduktion von Windenergieanlagen von den Wetterverhältnissen abhängt, speisen sie nicht kontinuierlich Strom in das Netz ein. Wenn Wind weht, sind sie jedoch sehr kurzfristig regelbar. Derzeit haben fünf Windparks eine Bruttoleistung von über 100 MW an einer zentralen Einspeisestelle erreicht.

In der Karte der Kraftwerksstandorte („Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland“) sind Kraftwerke der öffentlichen Stromversorgung und Industriekraftwerke mit einer elektrischen Bruttoleistung ab 100 MW auf der Basis der Datenbank „Kraftwerke in Deutschland“ verzeichnet (die Bruttoleistung eines Kraftwerkes oder Kraftwerksblockes ist die Leistung an der Generatorklemme). Weiterhin sind die Höchstspannungsleitungstrassen in den Spannungsebenen 380 kV und 220 kV eingetragen. Detaildaten zu den Kraftwerken sind auszugsweise der Tabelle „Datenbank: Kraftwerke in Deutschland“ zu entnehmen.

Die Abbildung „Kraftwerke und Windleistung in Deutschland“ vermittelt ein Bild des Zusammenspiels von Windleistung und fossilen Großkraftwerken.

Entwicklung des Kraftwerkswirkungsgrades

In der Vergangenheit ließen sich beträchtliche Wirkungsgradsteigerungen bei fossilen Kraftwerken erreichen. Durch die thermodynamischen und werkstofftechnischen Grenzen sind jedoch die Potentiale für zukünftige Effizienzsteigerungen bei der Stromerzeugung begrenzt. Die Netto-Wirkungsgrade für Steinkohle- und Braunkohlekraftwerke sind (Verhältnis der erzeugten Strommenge an der Hochspannungsseite des Blocktransformators zur eingesetzten Energiemenge) für alte Kraftwerke (Stand vor 1970), für Kraftwerke nach dem heutigen Stand der Technik und der Erwartungswert und für Neubaukraftwerke für die Zeit nach 2015 (Zukunft) annähernd gleich und können in der Zukunft etwa 50 % erreichen (siehe Abb. „Wirkungsgrade und spezifische CO₂-Emissionen verschiedener Kraftwerkstypen“). Die Wirkungsgrade von Erdgas-GuD (Gas- und Dampfturbinenkraftwerk)-Anlagen sind deutlich höher und erreichen heute bereits etwa 60 %. In welchem Maße langfristig weitere Verbesserungen erzielt werden können, ist aus heutiger Sicht nicht sicher zu beurteilen.

Spezifische CO₂-Emissionen verschiedener Kraftwerkstechniken

Die aus den Wirkungsgraden resultierenden spezifischen, also pro Kilowattstunde Strom entstehenden, CO₂-Emissionen sind bei der ungekoppelten Stromerzeugung durch reine Kondensationsstromerzeugungsprozesse (ohne Nutzung der über Kühltürme abgeführten Abwärme) allein abhängig von den Eigenschaften des Brennstoffs und vom elektrischen Wirkungsgrad des Kraftwerks. Die größten Effizienz- und Klimaschutzpotenziale sind mit dem Ersatz alter Kohlekraftwerke durch neue Erdgaskraftwerke erschließbar.

Die spezifischen CO₂-Emissionen von Braunkohlekraftwerken liegen auch bei der zukünftig zu erwartenden Technik mit über 800 Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) höher als die der meisten anderen Kraftwerkstypen (siehe Abb. „Wirkungsgrade und spezifische CO₂-Emissionen verschiedener Kraftwerkstypen“). Die spezifischen CO₂-Emissionen von neuen Steinkohlekraftwerken betragen zwischen 735 g/kWh (Stand der Technik) und 680 g/kWh (Zukunft).

Erdgas-Kraftwerke emittieren pro erzeugter Kilowattstunde Strom erheblich weniger CO₂ als die modernsten Kohlekraftwerke – dies gilt selbst für die älteren, so genannten Kombi-Kraftwerke mit einem deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Erdgas- GuD -Anlagen haben mit derzeit etwa 350 g/kWh – und zukünftig 335 g/kWh – die geringsten spezifischen Emissionen fossiler Kraftwerke. Dieser niedrige CO₂-Emissionsfaktor ist nicht allein das Ergebnis des hohen Wirkungsgrades von Gaskraftwerken, auch die chemische Zusammensetzung des Brennstoffes hat einen sehr großen Einfluss. Denn bei der Verbrennung von Erdgas (im Wesentlichen bestehend aus CH₄) entsteht pro erzeugter Energieeinheit weniger CO₂, als bei der Verbrennung von Kohle, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht.

Bei der ausschließlichen Berücksichtigung der besten verfügbaren Techniken in der zukünftigen Kraftwerksplanung wäre eine weitere Verbesserung möglich. Neue Kraftwerke sollen insbesondere den geänderten Flexibilitätsanforderungen an die Strombereitstellung genügen und über einen möglichst hohen Brennstoffausnutzungsgrad verfügen. Für letzteres ist die Kraft-Wärme-Kopplung wo immer möglich vorzusehen. Durch andere Verbrennungstechniken können die Wirkungsgrade weiter gesteigert werden (zum Beispiel die Vergasung von Kohle, die Kohlevortrocknung oder die Verwendung besserer Werkstoffe, die höhere Frischdampfparameter zulassen). Realistisch erscheint bei Kohlekraftwerken in den nächsten 15 Jahren allerdings nur eine Steigerung der Wirkungsgrade um weitere 8 Prozentpunkte gegenüber der derzeit besten verfügbaren Technik. Dies führt zwar zu einer nennenswerten Brennstoffersparnis gegenüber dem heutigen Stand der Technik. Dies ist jedoch vor dem Hintergrund der erforderlichen Treibhausgasreduktionen für die Erreichung der Klimaschutzziele nicht hinreichend. Ein schneller Übergang zu einer erneuerbaren Stromerzeugung ist dazu notwendig.