Ersatz von Strom aus Kernenergie und aus Importsteinkohle

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1 Optionen auf ein gestuftes Ausbauprogramm für GuD- und KWK-Anlagen auf (Erd)Gasbasis Dipl.-Ing. Reinhold Altensen Prof. Dr.-Ing. Fritz Richarts Mannheim, 09. April 2011 UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 1

2 Durch den Ausstieg aus der Kernenergie ergibt sich die Notwendigkeit für Ersatzlösungen bei der Stromerzeugung in Deutschland. Chance für wesentliche Verbesserungen: Entschärfung der Risiken (Wegfall der Kernenergie) Verbesserung der Effizienz mittels GuD-Anlagen und insbes. mittels KWK Verringerung der Importabhängigkeit (Kernbrennstoffe sind 100 % Importe!) Nachhaltige Begrenzung bzw. Verringerung der CO2-Emissionen durch gestuften Ersatz von Importsteinkohle Nachhaltige Verbesserung der Versorgungssicherheit durch Dezentralisierung der Stromerzeugung Entlastung der großräumigen elektrischen Verbundnetze durch Aufbau einer verbrauchernahen Stromerzeugungsinfrastruktur Keine Notwendigkeit für einen sofortigen massiven Ausbau der Stromnetze Keine Verringerung der Bruttostromerzeugung Keine Gefährdung der wirtschaftlichen Entwicklung UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 2

3 Die hier entwickelten drei Szenarien werden auf der Basis der energiewirtschaftlichen Daten des Jahres 2007 dargestellt. Szenarium A: Der aus Kernenergie gewonnene Strom wird zu 30 % durch Strom aus GuD-Anlagen und zu 70 % durch Strom aus KWK-Anlagen ersetzt. Der GuD-Anlagenwirkungsgrad beträgt 55%. Der Stromerzeugungswirkungsgrad der in KWK-Anlagen zusätzlich eingesetzten Primärenergie beträgt i. M. >80 %. Die dabei zusätzlich freigesetzte CO2-Menge wird auf der Basis von Erdgas als Primärenergieträger festgestellt. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 3

4 Szenarium B: Ersatz von Kernenergiestrom wie A, jedoch zusätzlich Kompensation der erdgasbedingten CO2-Emissionen durch Ersatz einer entsprechenden Stromgewinnung auf Basis von Importsteinkohle durch GuD- und KWK-Anlagen. Szenarium C: Ersatz von Kernenergiestrom gem. A, Ersatz des gesamten Stroms aus Importsteinkohle, Feststellung der CO2-Bilanz durch Ermittlung der Zusatzemission aus zusätzlich verfeuertem Erdgas und der Minderung auf Grund des Wegfalls von 100% Importkohlestrom. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 4

5 Die Bruttostromerzeugung in Deutschland betrug 636,5 Mrd. kwh. in Davon entfielen ca. 140 Mrd. kwh auf die Kernenergie und ca. 110 auf Importsteinkohle. In den hier skizzierten Szenarien wird auf den Anteil des Atomstroms von ca. 22 % vollständig verzichtet. Bei dem aus Steinkohle erzeugten Strom wird der Importanteil (ca. 17 % der 2007er Bruttostromerzeugung) stufenweise reduziert. In den Szenarien A bis C wird der gesamte Atomstrom und der Importkohlestrom (in einem gestuften Programm) durch Strom aus gasgefeuerten GuD- und KWK-Anlagen ersetzt, unter Beibehaltung der übrigen Anteile. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 5

6 . Im Jahre 2007 wurde die Stromerzeugung von Stein- und Braunkohle mit einem Gesamtanteil von ca. 48% dominiert. Zusammen mit der Kernenergie ergab sich ein Anteil von ca. 70%. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 6

7 In Szenarium A wird lediglich der Kernenergie basierte Strom durch GuD-Anlagen (30%) und KWK- Anlagen (70%) ersetzt. Der GuD- und KWK-Anteil an der Bruttostromerzeugung beträgt dann 22 %. Steinkohle und Braunkohle dominieren immer noch mit einem gegenüber dem Jahre 2007 unveränderten Anteil von 48 % in der Stromerzeugung. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 7

8 Im Szenarium B wird der Importkohlestrom teilweise durch GuD- und KWK-Strom ersetzt. Dadurch verschiebt sich die Stromerzeugung weiter in Richtung GuD- und KWK-Anlagen (Anteil 31%). In der Stromerzeugung überwiegen jedoch immer noch Steinkohle und Braunkohle mit einem Anteil von 8% (Importsteinkohle) plus 6% (heimische Steinkohle) plus 25% (Braunkohle) = 39 %. Trotzdem ergibt sich mit dieser Lösung eine Gesamtstromversorgung ohne Kernenergie und ohne zusätzliche CO2- Emissionen. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 8

9 Im Szenarium C wird der Importkohlestrom vollständig durch GuD- und KWK-Strom ersetzt. Dadurch verschiebt sich die Stromerzeugung weiter in Richtung GuD- und KWK-Anlagen (Anteil 39 %). Der Kohlestrom wird auf einen Anteil von 31 % reduziert. Dadurch kann eine nachhaltige Verringerung der CO2-Emissionen trotz Verzicht auf Kernenergienutzung erzielt werden. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 9

10 Bei den betrachteten Veränderungen ergeben sich Auswirkungen auf die CO2-Bilanz. So erhöht sich im Szenarium A die CO2-Emission um ca. 40 Mio. t/a, bedingt durch den erhöhten Erdgaseinsatz. Die Zunahme der CO2-Emissionen in Szenarium A ist der Preis für den vollständigen Ausstieg aus der Kernenergienutzung. Dies ist jedoch kein unabänderliches Schicksal. In Szenarium B wird diese Erhöhung durch anteiligen Ersatz von Importkohlestrom mittels hocheffizienter Stromerzeugung in GUD- und KWK-Anlagen vollständig kompensiert. Hierfür ist lediglich eine Minderung der Steinkohleimporte auf ca. 47 % des Wertes aus dem Jahre 2007 erforderlich. Im Szenarium C wird der komplette Strom aus Importsteinkohle durch GuD- und KWK-Strom ersetzt. Dadurch wird ungeachtet des vollständigen Wegfalls der Kernenergie per Saldo eine absolute Minderung der CO2-Emissionen um 35 Mio. t/a erreicht. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 10

11 unverändert! Ersatz von Strom aus Kernenergie Mit verstärktem Einsatz von GuD- und KWK-Anlagen in der Stromerzeugung erhöht sich die Effizienz der gesamten Stromerzeugung. Damit wird eine nachhaltige Verringerung des Primärenergiebedarfs erreicht. Gegenüber dem Zustand von 2007 reduziert sich der elektrizitätswirtschaftlich bedingte Primärenergieverbrauch von Mrd. kwh auf (Szenarium A), (Szenarium B) bzw (Szenarium C) Mrd. kwh. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 11

12 Selbst bei einer moderaten Umstellung auf GuD- und KWK-Stromerzeugung gemäß Szenarium A ergibt sich bereits eine Erhöhung der Effizienz um 1/5 von 35 auf 42 %. Mit Ersatz von Kohlekraftwerken (Szenarien B und C) wird die Effizienz der Stromerzeugung weiter in erheblichem Masse verbessert (auf 44 bzw. 47%). Hier zeigt sich, dass mit der Verbesserung der Effizienz in der Energieversorgung ein wesentlicher Beitrag zur Lösung zukünftiger Versorgungsaufgaben erbracht wird. In der Stromversorgung ist derzeit wegen der überwiegend praktizierten verlustreichen Kondensationsstromerzeugung ein großes Potenzial zur Verbesserung vorhanden, das im Zuge der Umsetzung der hier skizzierten Szenarien wirkungsvoll zur Entfaltung gebracht werden kann. Die Kraft-Wärme-Kopplung stellt dabei ein wirksames und daher unverzichtbares Element bei der Erhöhung der Effizienz in der Stromerzeugung dar. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 12

13 Seit jeher wird der Importabhängigkeit von Energieträgern eine besondere Bedeutung beigemessen. Insbesondere im Hinblick auf eine sichere Stromversorgung wurde stets Wert auf einen angemessenen Anteil der heimisch verfügbaren Energiequellen gelegt. Aus der nebenstehenden Betrachtung geht hervor, dass mit Verzicht auf die Kernenergie (sie ist zu 100 % auf Importe angewiesen) eine deutliche Minderung der Importquote bei der Stromerzeugung erreicht wird, ungeachtet der erhöhten Erdgasimporte, die (zunächst) für den Betrieb der GuD- und KWK-Anlagen erforderlich sind. Im Szenarium C wird die Importabhängigkeit (von 63% im Jahre 2007) auf 51% reduziert. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 13

14 In den Szenarien A bis C ist vorgesehen, einen größeren Teil des Wärmemarkts mit Wärme aus KWK-Anlagen zu versorgen. Im Jahre 2007 betrug der Endenergiebedarf des gesamten Wärmemarkt Mrd. kwh. Es liegt nahe, die KWK-Wärme vorrangig in bisher mit Erdgas versorgten Anlagen einzusetzen. Die nebenstehende Grafik zeigt die Struktur des Wärmemarktes im Jahre 2007, differenziert nach Raum- und Prozesswärme und nach Energieträgern. Mit Erdgas versorgte Anlagen wiesen einen Gesamtverbrauch von = 598 Mrd. kwh Endenergie auf. Zusammen mit den mit Heizöl versorgten Anlagen ergibt sich ein Wert von 809 Mrd. kwh. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 14

15 Die Wärme der Heizanlagen, die mittels KWK versorgt werden, ist für die Szenarien A bis C in nebenstehendem Diagramm dargestellt. Die Daten enthalten nicht nur die Wärme der KWK-Aggregate, sondern auch die in jeder KWK-Anlage von Spitzen- und Reservekesseln erzeugte Wärme, die unverzichtbarer Bestandteil in jeder Kraft-Wärme-Kopplung ist. Diese von der KWK erfasste Wärme wird zu dem Wärmebedarf ins Verhältnis gesetzt. Bezieht man nur die Gaswärme als Zielmarkt in diese Betrachtung ein, dann wird im Maximalfall (Szenarium C) 50 % davon auf KWK-Betrieb umgestellt. Nimmt man die mit Heizöl versorgten Anlagen hinzu, dann sind nur 37 % dieser Anlagen auf KWK umzustellen. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Wärmemarkt ein großes Potenzial für die KWK darstellt, das auch mit dem hier skizzierten Szenarium keineswegs ausgeschöpft ist. Der Wärmemarkt bietet über die hier dargestellten Lösungen hinaus noch weitere Ansätze zu Verbesserungen. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 15

16 Die KWK-Anlagen haben inzwischen eine hohe technische Reife erreicht. Das Spektrum der verschiedenen Systeme reicht von der Mikro -KWK im 1 bis 50 kw Leistungsbereich über kleinere und mittlere Aggregate meist auf Basis von Gas-Otto-Motoren mit Leistungen von 50 kw bis 5 MW bis zu Großanlagen mit Einheitsleistungen von 5 bis 50 MW in Form von Gasturbinen-Heizkraftwerken für vorzugsweise industrielle Anwendungen. GuD-Anlagen werden zur Zeit in einem Leistungsbereich von 100 bis 400 MW betrieben. In dieser Betrachtung werden drei repräsentative Systeme stellvertretend für das gesamte technische Spektrum den Energiebilanzen und den nachfolgenden Kostenschätzungen zu Grunde gelegt: Mikro-KWK, el. Leistung 5,5 kw Gasmotor BHKW, el. Leistung 1,2 MW GuD-Anlagen, el. Leistung 200 MW Die Energiebilanzen werden mit folgenden Vollbenutzungsstunden durchgeführt: KWK h/a GuD-Anlagen h/a Die installierten Leistungen wurden aus den Jahresstromerzeugungsdaten und den vorstehenden Vollaststunden ermittelt. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 16

17 Im kleinen Leistungsbereich ergibt diese Untersuchung eine sehr große Zahl von Einheiten. Für das Szenarium C wurde eine Gesamtzahl von 1,2 Mio. Mikro-KWK-Anlagen ermittelt. Ungleich niedriger fällt die Anzahl der GM-BHKW-Anlagen aus ( Einheiten). Im Szenarium C werden 53 GuD-Anlagen zugebaut. UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 17

18 Die Gesamtinvestitionen wurden mit folgenden spezifischen Kostensätzen ermittelt: Mikro-KWK: EUR/kW GM-BHKW: EUR/kW GuD-Kraftwerke: 400 EUR/kW UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 18

19 Weitere Optionen für die zukünftige Stromversorgung in Fortführung bzw. durch Modifikation der hier skizzierten Szenarien: Intensivierung der Einführung von Biogas in den Gasmarkt, Ersatz für Importerdgas Entlastung des Wärmemarktes durch Solarthermie und durch Biomasse in der Raumwärmeversorgung, Freisetzung von Erdgas für die hocheffiziente Stromerzeugung mittels KWK Einführung von Biokohle auf dem Kohlemarkt, kontinuierlicher Übergang von der fossilen Kohle zur nachhaltigen Biokohle Einführung eines umfassenden Betriebsmanagements zur Optimierung des Zusammenwirkens aller Stromerzeugungsanlagen UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 19

20 Energie Unverzichtbares Element der menschlichen Existenz! Danke für ihre Aufmerksamkeit UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Richarts/Altensen 20