Das Dokument behandelt den Ersatz von Strom aus Kernenergie und importierter Steinkohle durch ein gestuftes Ausbauprogramm für gasbasierte GUD- und KWK-Anlagen in Deutschland. Es werden drei Szenarien vorgestellt, die unterschiedliche Anteile an Gas- und KWK-Strom beschreiben, wobei eine nachhaltige Reduktion der CO2-Emissionen und Effizienzsteigerungen in der Stromerzeugung angestrebt werden. Zudem wird aufgezeigt, dass eine umfassende Umstellung auf diese Technologien keine zeitnahe massive Erweiterung der Stromnetze erfordert und trotz des Ausstiegs aus der Kernenergie die Stromversorgung gesichert bleibt.

1. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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
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2. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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
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3. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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4. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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5. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
Die Bruttostromerzeugung in Deutschland betrug 636,5 Mrd. kWh. in 2007. 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.
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6. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
.
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%.
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8. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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9. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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10. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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11. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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 1.542 Mrd. kWh auf 1.312 (Szenarium A), 1.232 (Szenarium B) bzw. 1.161 (Szenarium C) Mrd. kWh.
unverändert!
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12. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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14. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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 1.292 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 312 + 286 = 598 Mrd. kWh
Endenergie auf.
Zusammen mit den mit Heizöl
versorgten Anlagen ergibt sich
ein Wert von 809 Mrd. kWh.
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15. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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.
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16. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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 5.500 h/a
GuD‐Anlagen 7.000 h/a
Die installierten Leistungen wurden aus den Jahresstromerzeugungsdaten und den vorstehenden Vollaststunden ermittelt.
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17. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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 (22.000 Einheiten). Im
Szenarium C werden 53 GuD‐Anlagen zugebaut.
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18. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
Die Gesamtinvestitionen wurden mit folgenden spezifischen Kostensätzen ermittelt:
Mikro‐KWK: 4.000 EUR/kW
GM‐BHKW: 1.000 EUR/kW
GuD‐Kraftwerke: 400 EUR/kW
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19. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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
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20. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
Energie
Unverzichtbares Element der menschlichen Existenz!
Danke für ihre Aufmerksamkeit
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21. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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22. Ersatz von Strom aus Kernenergie
und aus Importsteinkohle
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