Workshop Flexibilität von Bestandskraftwerken - Entwicklungsoptionen für den Kraftwerkspark durch Retrofit (Ergebnispapier)

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1 Workshop Flexibilität von Bestandskraftwerken - Entwicklungsoptionen für den Kraftwerkspark durch Retrofit (Ergebnispapier) Im Rahmen des BMWi-Kraftwerkforums veranstalteten das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) und die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) am 9. Januar 2013 gemeinsam mit Vertretern der Energiewirtschaft, Herstellerunternehmen und Länder den Workshop Flexibilität von Bestandskraftwerken Entwicklungsoptionen für den Kraftwerkspark durch Retrofit. Das vorliegende Papier fasst die Ergebnisse des Workshops zusammen. Die im Rahmen des Workshops gezeigten Präsentationen können unter heruntergeladen werden. Motivation Der Ausbau der erneuerbaren Energien verbunden mit dem Ausstieg aus der Kernenergie macht eine grundlegende Umgestaltung des Stromversorgungssystems erforderlich. Ausreichende Kapazitäten konventioneller Kraftwerke werden auch mit dem weiteren Ausbau erneuerbarer Energien benötigt, um eine sichere Stromversorgung jederzeit zu gewährleisten. Aktuell sind in Deutschland ca. 90 GW gesicherter Erzeugungsleistung konventioneller Kraftwerke notwendig, damit zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast die Stromnachfrage sicher gedeckt werden kann. Zudem erbringen die bestehenden konventionellen Kraftwerke heute und in der absehbaren Zukunft den maßgeblichen Teil der benötigten Systemdienstleistungen und übernehmen damit eine wichtige Rolle für einen sicheren Netzbetrieb. Gleichzeitig erhöhen sich aber auch die Anforderungen an die technische Auslegung und Betriebsweise des Kraftwerkparks. Durch den Anstieg fluktuierender Einspeisung erneuerbarer Energien erhöht sich die Volatilität der residualen Last, und es ist eine höhere Flexibilität in der Betriebsweise der konventionellen Kraftwerke nötig, um die residuale Last zu jedem Zeitpunkt decken zu können. Die sich ändernden Anforderungen an die Technik und die betriebliche Organisation von Kraftwerken sind u. a.: schnelleres und häufigeres An- und Abfahren, höhere Laständerungsgeschwindigkeiten und häufigere Lastwechsel, Absenkung der Mindestlast, Überbrückung längerer Stillstandzeiten. Eine zunehmende Flexibilisierung des konventionellen Kraftwerksparks kann durch den Neubau hochflexibler Kraftwerke oder aber durch Retrofit-Maßnahmen von Bestandskraftwerken erreicht werden. Ziel des Workshops war es, 1. die derzeitige Flexibilität des bestehenden konventionellen Kraftwerksparks in Deutschland einzuschätzen, 2. das Potenzial zur Entwicklung der bestehenden Kraftwerke im Hinblick auf Leistungssteigerung, Nutzungsdauerverlängerung und Erhöhung der Flexibilität durch Retrofit-Maßnahmen zu erörtern, und 3. Voraussetzungen und Herausforderungen für die Nutzbarmachung des Optimierungspotenzials zu diskutieren. Seite 1 von 7

2 1 Flexibilität des bestehenden konventionellen Kraftwerksparks Der bestehende konventionelle Kraftwerkspark in Deutschland setzt sich aus Kraftwerken (Steinkohle-, Braunkohle-, Erdgas-, Kernkraft-, sonst.) mit einer installierten Leistung von ca. 98 GW 1 zusammen. Die Kraftwerke unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Flexibilität entsprechend Typ, Alter, Auslegung und Größe. Der heutige Kraftwerkspark kann bilanziell 2 die Residuallast zu jedem Zeitpunkt im Jahr decken. Sowohl aus Betreibersicht als auch aus Herstellersicht weist er aktuell eine ausreichende Flexibilität auf, um auf die Schwankungen der dargebotsabhängigen Einspeisung der erneuerbaren Energien und der Stromnachfrage reagieren zu können. Unterstützend wirkt der europäische Stromhandel. Nach Aussagen der Marktteilnehmer haben viele Kraftwerksbetreiber in der Vergangenheit bereits umfangreiche Retrofit-Maßnahmen durchgeführt vor allem zur Leistungs- und Effizienzsteigerung ihrer Anlagen, jedoch auch zunehmend zur besseren Systemdienstleistungsfähigkeit. Damit seien die low hanging fruits in diesem Bereich weitgehend geerntet, und mögliche weitere Maßnahmen seien deutlich aufwendiger und teurer. Die größte Flexibilität im bestehenden Kraftwerkspark weisen Pumpspeicherwerke auf (6,4 GW 1 ), die für einen wirtschaftlichen Betrieb u. a. auf deutliche Preisspreizungen auf dem Strommarkt angewiesen sind, und bei der gegenwärtigen Entwicklung des Strommarkts (d. h. abnehmender Preisspreizungen) Gefahr laufen, aus dem Markt gedrängt zu werden. Besonders flexibel lassen sich Gaskraftwerke (19,4 GW 1 ), vor allem Gasturbinen, betreiben. Aufgrund hoher Grenzkosten werden sie bei zunehmender Einspeisung erneuerbarer Energien zuerst aus dem Markt gedrängt und kommen aktuell nur noch zu wenigen Stunden im Jahr zum Einsatz. Die Wirtschaftlichkeit von Gaskraftwerken stellt sich zum heutigen Zeitpunkt daher besonders ungünstig dar. Auch die aufgrund günstigerer Grenzkosten deutlich häufiger zum Einsatz kommenden Steinkohlekraftwerke (20,6 GW 1 ) sowie die bisher als Grundlastkraftwerke weitestgehend konstant betriebenen Braunkohle- und Kernkraftwerke (19,1 GW und 12,1 GW 1 ), lassen sich zu einem gewissen Grad flexibel betreiben, um auf die sich ändernden Anforderungen am Strommarkt zu reagieren. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen werden heute typischerweise wärmegeführt betrieben, d. h. die Stromerzeugung erfolgt weitestgehend unflexibel in Abhängigkeit von der benötigten Wärmemenge. Eine Möglichkeit, die Flexibilität im Stromversorgungssystem zu erhöhen, ist die Kombination von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Wärmespeichern. Damit kann die Bereitstellung von Wärme zu einem gewissen Grad zeitlich von der Stromproduktion entkoppelt werden, so dass die Anlagen flexibler betrieben werden können. 1 Kraftwerksliste der BNetzA, Dezember Mit der Stilllegung von acht Kernkraftwerken im Frühjahr 2011 hat sich aber ein regionales Defizit an Kraftwerkskapazitäten für die Stromversorgung in Süddeutschland ergeben. Die Verzögerungen beim Ausbau der EnLAG-Trassen, und dabei insbesondere die noch fehlende Nord-Süd-Verbindung durch den Thüringer Wald, erschweren dabei die Situation noch zusätzlich. Seite 2 von 7

3 2 Potenzial zur Entwicklung der bestehenden Kraftwerke durch Retrofit-Maßnahmen Technische Möglichkeiten zum Retrofit Grundsätzlich lassen sich Retrofit-Maßnahmen hinsichtlich der Intensität des Eingriffs nach Optimierungsmaßnahmen und Umbaumaßnahmen untergliedern. Unter Optimierungsmaßnahmen sind Maßnahmen ohne wesentliche Veränderungen der Anlagenkonfigurationen zu verstehen. Sie können relativ kurzfristig durchgeführt werden und sind mit einem geringeren Investitionsvolumen und -risiko verbunden. Sie werden häufig dann ergriffen, wenn bereits eine Vorschädigung vorliegt und sowieso Reparaturmaßnahmen anfallen. Umbaumaßnahmen bezeichnen weit reichende Veränderung der Anlagenkonfiguration des konventionellen Kraftwerks. Zu ihnen zählen unter anderem die Nachrüstung von Vorschaltgasturbinen, Brenner- und Kesseltausch oder Optimierungen der Rauchgasentschwefelungsanlagen, des Feuerungsprozesses und der Kühlsysteme. Umbaumaßnahmen sind deutlich aufwändiger umzusetzen, erfordern höhere Investitionen und sind ggf. mit höheren genehmigungsrechtlichen Risiken verbunden. Die Berichte der Marktteilnehmer haben gezeigt, dass das Spektrum möglicher Retrofit-Maßnahmen groß ist: Steigerung von Leistung und Wirkungsgrad Steigerung der Leistung (z. B. Einsatz Vorschaltgasturbine) Erhöhung des Wirkungsgrads u. a. im Teillastbetrieb (z. B. 3D-Beschaufelung) Reduzierung/optimierte Steuerung des Eigenbedarfs Flexibilität Absenkung der Mindestleistung (z. B. Stützfeuerung mit Trockenbraunkohle, Ein-Mühlen-Betrieb) Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeiten und der Lastwechseltoleranz (z. B. Modernisierung der Leittechnik, modellbasierter Betrieb) Verkürzung der An-/Abfahrzeiten und Mindeststillstanddauer Verlängerung der Nutzungsdauer Verlängerung der technischen Nutzungsdauer: (z. B. Revision der Turbinenanlage) Verlängerung der wirtschaftlichen Nutzungsdauer durch Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, (z. B. Erweiterung der Brennstoffbandbreite) Weiteres Verringerung der Emissionen (z. B. Nachrüstung NOx-armer Brenner) Qualifizierung/Optimierung für Regelleistungsbereitstellung Tabelle 1: Zielsetzungen im Hinblick auf die Durchführung von Retrofit-Maßnahmen Seite 3 von 7

4 Retrofit-Maßnahmen an Bestandskraftwerken können auf direkte und indirekte Weise die gesicherte Leistung des gesamten konventionellen Kraftwerksparks beeinflussen, u. a. durch: die Erhöhung der Leistung von Kraftwerken, die Verlängerung der Lebensdauer, die Schaffung der Voraussetzungen für eine flexiblere Fahrweise, und damit verbunden die Erhöhung der möglichen Einsatzzeiten und der Verfügbarkeit der Kraftwerke, ggf. die Verhinderung einer Außerbetriebnahme durch die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Potenzial für Retrofit-Maßnahmen im bestehenden Kraftwerkspark Anhaltswerte für das technische Optimierungspotential der heutigen Kraftwerke der öffentlichen Versorgung können z. B. der VDE-Studie Erneuerbare Energie braucht flexible Kraftwerke Szenarien bis 2020 (April 2012) entnommen werden. Es wurde auch in den Fachvorträgen zum Ausdruck gebracht, dass für unterschiedliche Kraftwerkstypen (Steinkohle, Braunkohle, GuD und Gasturbine) grundsätzlich noch merkliche technische Spielräume zur Absenkung der Mindestleistung, Verkürzung der Anfahrzeit und Steigerung der Lastgradienten bestehen. Eine Flexibilisierung der Betriebsweise durch Retrofit-Maßnahmen ist bei vielen Bestandskraftwerken allein durch technische Optimierungen möglich. Gerade ältere Kraftwerke (Anlagenalter > Jahre) wurden in der Vergangenheit mit großzügigen Sicherheitsbeaufschlagungen und auf einen konstanteren Betrieb hin ausgelegt. Hier lassen sich deutliche Potenziale für eine Flexibilisierung heben (falls noch nicht geschehen), zum Teil mit vergleichsweise geringinvestiven Maßnahmen wie z. B. den Einsatz moderner Mess- und Steuerungstechnik. Um häufiges An- und Abfahren zu reduzieren, kommt Maßnahmen für eine Absenkung der Mindesterzeugungsleistung von Kraftwerken eine hohe Bedeutung zu. Zeiten mit geringer residualer Last und niedrigen Strompreisen können dann durchfahren werden, um Kosten und Verschleiß für das Ab- und Wiederanfahren zu vermeiden. Die Laständerungsgeschwindigkeit des Kraftwerksparks ist heute und tendenziell auch mittelfristig ausreichend, um steile Flanken der residualen Last abfahren zu können. Entscheidend für das Gesamtsystem ist dabei nicht so sehr die Laständerungsgeschwindigkeit der einzelnen Anlage, sondern die mittlere Laständerungsgeschwindigkeit des gesamten Kraftwerksparks ( gesamter Hub ). In diesem Bereich besteht daher kein unmittelbarer Handlungsbedarf. Allerdings wird mit dem zunehmenden Ausbau der erneuerbaren Energien die planbar einsetzbare Kapazität konventioneller Kraftwerke im Verhältnis zur gesamten installierten Erzeugungsleistung zurück gehen. Damit werden die Anforderungen an den verbleibenden konventionellen Kraftwerkspark sukzessive zunehmen. Projekte aus der Vergangenheit zeigen, dass durch Retrofit-Maßnahmen auch eine Leistungssteigerung bei konventionellen Kraftwerken grundsätzlich möglich ist und somit die gesicherte Leistung von Bestandskraftwerken im Einzelfall erhöht werden kann. Gerade Kraftwerke der älteren Generation können unter Einsatz moderner Leittechnik näher an den technischen Grenzen gefahren werden, um so u. a. die Erzeugungsleistung zu steigern. Beispiele zeigen, dass bei entsprechender Ausgangssituation durch Retrofit-Maßnahmen eine Erhöhung der Kraftwerksleistung um ca Prozent erfolgen kann. Durch größere Umbauten, wie den Zubau von Vorschaltgasturbinen oder Brenner-/Kesseltausch, sind im Einzelfall auch Erhöhungen der Kraftwerksleistung um bis zu 20 % möglich. Zu beachten ist, dass sich die Kraftwerke hinsichtlich Typ, Alter, Größe und ggf. bereits Seite 4 von 7

5 durchgeführter Maßnahmen unterscheiden. Es ist daher jeweils eine individuelle Bewertung des Potenzials zur Leistungssteigerung erforderlich. 3 Herausforderungen und Voraussetzungen für die Nutzbarmachung des Optimierungspotenzials Technische Herausforderungen Einer flexibleren Fahrweise von konventionellen Kraftwerken sind technische und betriebliche Grenzen gesetzt. Eine flexiblere Fahrweise konventioneller Kraftwerke kann die Nichtverfügbarkeit dieser Kraftwerke erhöhen und hat zudem einen erhöhten Anlagenverschleiß und somit eine Verkürzung der möglichen Betriebsstunden bezogen auf die Gesamtlebensdauer des Kraftwerks zur Folge. Es wurde von den Vortragenden anschaulich dargestellt, wie durch häufiges An- und Abfahren und vermehrte Lastwechsel über ein größeres Leistungsband verschiedene Bauteile höher beansprucht werden; so treten durch schnelle Laständerungen Spannungen in dickwandigen Bauteilen aufgrund von Temperaturdifferenzen auf, häufige Temperaturwechsel führen zu vorzeitiger Materialermüdung. Da konventionelle Kraftwerke bislang insbesondere auf einen optimierten Wirkungsgrad bei Volllast ausgelegt wurden, ist ein flexiblerer Betrieb in Teillast im Allgemeinen mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und damit einer Erhöhung des spezifischen CO 2 -Ausstoßes und der Wirtschaftlichkeit der Anlage verbunden. Auch treten zusätzliche Kosten für das häufigere An- und Abfahren oder z. B. bei Stützfeuerung durch höherwertige Brennstoffe bei niedrigen Erzeugungsleistungen auf. Darüber hinaus ziehen häufigere Startvorgänge einer Anlage und ein Teillastbetrieb im Allgemeinen eine Erhöhung der Emissionen nach sich. Im Hinblick auf die notwendige flexible Fahrweise sollte bei der Auslegung neuer konventioneller Kraftwerke geprüft werden, den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb zu verbessern, und ggf. auch den optimalen Betriebspunkt in den Teillastbereich zu legen. Organisation der flexiblen Fahrweise von Kraftwerken Mit der Flexibilisierung des konventionellen Kraftwerksparks sind jedoch nicht nur technische Fragen verbunden. Die neuen Anforderungen, die insbesondere aus der Integration der erneuerbaren Energien in das deutsche Stromversorgungssystem resultieren, werfen ebenfalls organisatorische Fragen für den flexiblen Betrieb von Kraftwerken mit wenig Volllaststunden auf: Vorhaltung / flexible Einsatzplanung des Personals für Instandhaltung und Kraftwerksbetrieb, Reduzierter Einsatz von Kraftwerken zu Zeiten niedriger Last (z. B. an Wochenenden und Feiertagen, Sommerstillstand von Kraftwerken), Konservierung von Anlagen bei längerem Stillstand, Flexible Planung von Revisionen und Instandhaltung, Vertragsgestaltung / Flexibilisierung Brennstoffbezug. Seite 5 von 7

6 Wirtschaftlichkeit von Retrofit-Maßnahmen Bereits in der Vergangenheit wurden Retrofit-Maßnahmen an konventionellen Bestandskraftwerken durchgeführt, um deren Flexibilität zu erhöhen oder deren Lebensdauer zu verlängern. Eine Erhöhung der Flexibilität kann die Wettbewerbsfähigkeit von Kraftwerken im Markt und damit die Wirtschaftlichkeit verbessern. Die technischen Möglichkeiten für eine flexible Fahrweise von Kraftwerken werden dabei aber u. a. auch durch die Auflagen für Emissionsgrenzwerte limitiert. Wegen der infolge der Entwicklung des Strommarkts abnehmenden Wirtschaftlichkeit bestehender Anlagen und der Unsicherheit über die zukünftige Entwicklung der Rahmenbedingungen für den Betrieb von Kraftwerken sehen Betreiber derzeit ein hohes Risiko auch für Investitionen in Retrofit-Maßnahmen. Aktuell erfolgen daher tendenziell nur geringinvestive Maßnahmen, die sich innerhalb eines Zeitraums von ca. 12 bis 18 Monaten amortisieren. 4 Ausblick Der bestehende konventionelle Kraftwerkspark in Deutschland ist heute grundsätzlich ausreichend flexibel für die Deckung der residualen Last. Langfristig sollte eine weitere Absenkung der Mindestlast des konventionellen Kraftwerksparks angestrebt werden, um durch das Zusammenspiel von konventioneller und erneuerbarer Erzeugung eine stabile Stromerzeugung jederzeit zu gewährleisten. Durch Retrofit-Maßnahmen können Bestandskraftwerke für die zukünftig durch den Ausbau erneuerbarer Energien steigenden Anforderungen an Flexibilität weiterentwickelt, in der Leistung und der Nutzungsdauer gesteigert werden. Um größere Sprünge in der Weiterentwicklung des Kraftwerksparks zu erreichen, die über das Potenzial von Retrofit-Maßnahmen hinausgehen, sind Investitionen in neue Generationen hochflexibler, energieeffizienter Kraftwerke nötig. Die Erlöse der zum Einsatz kommenden konventionellen Kraftwerke reduzieren sich momentan aufgrund der geringen Großhandelspreise, gleichzeitig gehen die Volllaststunden bzw. Marktanteile der konventionellen Kraftwerke zurück. Kraftwerksbetreiber geben an, dass viele fossil befeuerte Kraftwerke bereits heute und weitere mittelfristig nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können. Es werden daher immer seltener Investitionen in Retrofit-Maßnahmen bestehender Kraftwerke als auch kaum in neue Kraftwerke getätigt und vorzeitige Außerbetriebnahmen angekündigt. Nach Aussagen der Marktteilnehmer rechnen sich daher zur Zeit Investitionen in eine höhere Flexibilität nicht. Hinzu kommt, dass viele Kraftwerke bereits Retrofit-Maßnahmen durchgeführt haben. Bei der weiteren Diskussion zu einem künftigen Strommarktdesign sollte daher eine zentrale Frage die Sicherung und Weiterentwicklung der Bestandskraftwerke sein. Es ist darüber hinaus zu prüfen, inwieweit der zukünftige Bedarf an Flexibilität in ausreichendem Maße und rechtzeitig über die bestehenden Märkte (insb. Spotmarkt, Regelenergiemarkt) und die Wettbewerbssituation der dort agierenden Kraftwerke angereizt wird. Momentan gibt es keine verlässlichen Abschätzungen, welches genaue Potenzial an Leistungssteigerung, Nutzungsdauerverlängerung oder Flexibilitätserhöhung durch Retrofit-Maßnahmen bestehender Kraftwerke in Deutschland insgesamt existiert. Die Spezifik jedes einzelnen Kraftwerkes würde dazu eine aufwendige, individuelle Bewertung erfordern. Anwesende Experten brachten Zweifel zum Ausdruck, ob im Rahmen einer entsprechenden etwaigen Studie zuverlässige Aussagen gewonnen werden könnten. Unabhängig von der genauen Höhe des Retrofit- Potentials sollte die effiziente Optimierung des bestehenden Kraftwerksparks weiterhin ein Schwerpunkt von Seite 6 von 7

7 Forschung und Entwicklung sein. Insbesondere sollte zentrales Ziel sein, die Wirkungsgrade bei einer flexibleren Fahrweise weiter zu verbessern und Emissionen zu reduzieren, beispielsweise durch innovative Konzepte wie den Einsatz von Wärmespeichern oder Solarthermie. Im Rahmen von Forschung und Entwicklung sollten neben weiteren technischen Verbesserungen aber auch Lösungen für die organisatorischen Fragestellungen, die mit einer immer flexibleren Fahrweise des Kraftwerkspark einhergehen, entwickelt werden. Seite 7 von 7