Die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung im zukünftigen Energiesystem

Beitrag in der BWK – Das Energie Fachmagazin, Ausgabe Mai 2019

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) wandeln bis zu 90 % des eingesetzten Brennstoffs in nutzbare Energie um und tragen auf diese Weise zur ressourcenschonenden Energieversorgung bei [1]. KWK-Anlagen stehen jedoch zunehmend in Konkurrenz zu erneuerbaren Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen, die keine Brennstoffe für die Energieproduktion benötigen [2], [3]. Diese Konkurrenzsituation führt zu einem verminderten Ausbau gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung [3]. Mit erneuerbaren Wärmeerzeugern ist die Bereitstellung von Prozesswärme im Hochtemperaturbereich in der Industrie derzeit jedoch kaum möglich. Auch die Elektrifizierung ist bei einigen Prozessen in der Industrie bisher nicht (kosten)effizient durchführbar [4], [5], [6], [7]. Trotz ökonomischer Risiken in Zeiten hoher Erneuerbarer Energieerzeugung überrascht es deshalb nicht, dass energie- und klimapolitische Szenarien die Bedeutung von KWK-Anlagen zumindest als Brückentechnologie zur Dekarbonisierung des Energiesystems hervorheben [8], [2], [9], [3]. Durch den Einsatz synthetischer Brennstoffe ergeben sich zudem neue Perspektiven für KWK-Anlagen [10].

Die Rolle von KWK-Anlagen im zukünftigen Energiesystem wird anhand einer Metastudienanalyse von energie- und klimapolitischen Szenarien herausgearbeitet. Es werden die in Tabelle 1 angeführten Studien analysiert.

In der Analyse energie- und klimapolitischen Szenarien wird deutlich, dass KWK-Anlagen bei der Transformation des Energiesystems mittelfristig eine wichtige Rolle einnehmen. Sowohl in den Trend- als in den Zielszenarien steigt die Nettostromerzeugung bis zum Jahr 2030 an. In LFS-Z80 ist zur Erreichung der Klimaschutzziele sogar eine höhere Nettostromerzeugung aus KWK-Anlagen vorgesehen als im Trendszenario. Auch in Szenarien mit hohem Klimaschutzambitionsniveau stellen KWK-Anlagen somit mittelfristig eine tragende Säule des Energiesystems dar. Selbst ohne die Berücksichtigung von Biomasse-KWK-Anlagen, nehmen KWK-Anlagen weit über das Jahr 2030 in nahezu allen Szenarien eine wichtige Rolle ein [13], [8], [12], [2], [11], [9], [3]. Je nach Klimaschutzambitionsniveau und Szenario werden KWK-Anlagen ab 2030 stark (Zielszenarien) bis weniger stark (Trendszenarien) durch Power-to-Heat verdrängt. Der Anteil der Wärmeerzeugung durch KWK-Anlagen bis 2050 nimmt sowohl in der Industrie, als auch sektorenübergreifend deutlich zu (teilweise über 25 %) [3].

Folgende wichtige Einflussfaktoren zur künftige Bedeutung von KWK-Anlagen konnten bei der Analyse identifiziert werden:

• Die Rolle von KWK-Anlagen hängt stark von der für die Systemstabilität benötigten gesicherten Leistung ab [8]. Können andere Energieerzeuger die Leistungsbereitstellung flexibel gewährleisten, ist von einer abnehmenden Bedeutung von KWK‑Anlagen auszugehen. Nach [3], [9], [2] und [8] wird dieser Flexibilitätsbedarf jedoch zukünftig maßgeblich durch KWK‑Anlagen gedeckt. Basiert das Energiesystem der Zukunft ferner auf dem Einsatz synthetischer Brennstoffe [13], können KWK‑Anlagen weiter genutzt werden.
• In der Industrie spielt die Wärmenachfrage eine entscheidende Rolle. Die notwendige Wärmebereitstellung durch Industrie‑KWK hängt vom temporären Prozesswärmebedarf der jeweiligen Produktionsprozesse ab. Industrie-KWK werden demgemäß häufig wärmegeführt betrieben [14]. Kann die prozessspezifische Wärmebereitstellung zukünftig zu jedem Zeitpunkt durch Power-to-Heat gewährleistet werden, ist von einer abnehmenden Bedeutung von KWK-Anlagen auszugehen.
• Neben dem Flexibilitätsbedarf ist die zukünftige Rolle von KWK-Anlagen im Energiesystem weiterhin stark von der Entwicklung des CO₂-Preises abhängig. Ein moderater CO₂-Preis macht die Verwendung fossil befeuerter KWK-Anlagen ökonomisch attraktiv. Auf diese Weise wird der Einsatz von Kohle und Gas kaum pönalisiert. Die Nutzung fossiler Ressourcen für die Energieproduktion bleibt somit wirtschaftlich.
• Zudem ist die Rolle der KWK-Anlagen stark von der lokalen Konkurrenz durch alternative Wärmeerzeuger abhängig [2]. Kann beispielsweise Niedertemperaturwärme in Fernwärmenetzen zukünftig durch erneuerbare Wärmeerzeuger generiert werden (z. B. Geothermie), werden KWK-Anlagen in diesem Bereich nicht mehr eingesetzt.

Die Analyse der untersuchten energie- und klimapolitischen Szenarien der Studien zeigt, dass in kostenminimierenden Szenarien KWK-Anlagen als Brückentechnologie bis zum Jahr 2050 eingesetzt werden [2], [9], [3]. Selbst in den optimistischsten Szenarien steigt der Stromverbrauch auf lediglich etwa 60 % des gesamten EEV im Energiesystem an [13]. Mit der auf erneuerbaren Energien beruhenden Elektrifizierung werden folglich maximal 60 % des gesamten Energiesystems defossilisiert. KWK‑Technologien könnten dahingehend auch weit über 2050 durch den Einsatz synthetischer Brennstoffe eine wichtige Strom- und Wärmeerzeugungstechnologie sein [15], die mit der Defossilisierung des Energiesystems einhergeht. Da KWK‑Anlagen aufgrund des Ausbaus erneuerbarer Energie- und Wärmeerzeuger jedoch zunehmend unter Konkurrenzdruck stehen, sind innovative Konzepte erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass KWK-Anlagen zukünftig mehr Flexibilität bereitstellen und demgemäß stärker an den Strommarkt gekoppelt werden [16], [17]. Innovative KWK-Systeme könnten durch die flexible Kombination von steuerbarer Leistung (KWK‑Anlage) und erneuerbaren Energiequellen (erneuerbare bzw. elektrische Wärmeerzeuger) zur Integration erneuerbarer Energien beitragen.

[1] Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) . In: https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/kraft-waerme-kopplung-kwk#textpart-6. (Abruf am 2018-02-09); (Archived by WebCite® at http://www.webcitation.org/6x66kRVgl); Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt (UBA), 2018.
[2] Pfluger, Benjamin et al.: Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Karlsruhe: Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI), 2017.
[3] Schlesinger, Michael; Lindenberger, Dietmar; Lutz, Christian: Entwicklung der Energiemärkte – Energiereferenzprognose – Projekt Nr. 57/12 – Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie . Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), 2014.
[4] Veitengruber, Frank et al.: Potenzialanalyse zur Hybridisierung von Prozessen in der Grundstoffindustrie. München: Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, 2019.
[5] Ruhnau, Oliver et al.: Direct or indirect electrification? A review of heat generation and road transport decarbonisation scenarios for Germany 2050. Energy, 2018. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.10.114
[6] Klein, Sebastian et al.: Erneuerbare Gase – ein Systemupdate der Energiewende. Berlin: enervis energy advisors GmbH, 2017.
[7] Fischedick, Manfred: Climate Change 2014 Mitigation of Climate Change – Industry. New York, United Kingdom: Cambridge University, 2014.
[8] Gebert, Philipp et al.: Klimapfade für Deutschland. München: The Boston Consulting Group (BCG), prognos, 2018.
[9] Repenning, Julia; Emele, Lukas; Blanck, Ruth et al.: Klimaschutzszenario 2050 – 2. Endbericht. Berlin: Öko-Institut e.V., 2015
[10] Hübner, Tobias et al.: Die Rolle synthetischer Brennstoffe zur Erreichung der klimapolitischen Ziele – Bedeutung im Jahr 2050. In: BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft) – Das Energie-Fachmagazin 10/2018. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, 2018.
[11] Capros, P. et al.: EU Reference Scenario 2016 – Energy, transport and GHG emissions Trends to 2050. Brüssel: Europäische Kommission, 2016.
[12] Günther, Jens et al.: Den Weg zu einem treibhausgasneutralen Deutschland ressourcenschonend gestalten. Berlin: Umweltbundesamt, 2017.
[13] Kruse, Jürgen et al.: dena-Leitstudie Integrierte Energiewende – Teil B. Köln: ewi Energy Research & Scenarios gGmbH, 2018.
[14] Müller, Kilian: KWK industriell besser nutzen. In: https://www.industr.com/de/kwk-industriell-besser-nutzen-2295636. (Abruf am 2019-03-11); (Archived by WebCite® at http://www.webcitation.org/76n6xPTKA); München: publish-industry Verlag GmbH, 2017.
[15] Hübner, Tobias et al.: Modellgestützte Analyse synthetischer Brennstoffe in der Industrie bei ambitioniertem Klimaschutz. München: Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft (FfE), 2019.
[16] von Roon, Serafin et al.: Relevance and chances for industrial self-generation of electricity for high market shares of renewable energies. München: Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, 2019.
[17] Kraft-Wärme-Kopplung. In: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Energie/moderne-kraftwerkstechnologien.html. (Abruf am 2018-01-08); (Archived by WebCite® at http://www.webcitation.org/6wK1XGZS3); Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), 2018.