Wie beeinflusst die neue Strategie den Kraftwerkspark?

Auch wenn die Energiewende über kurz oder lang einen Rückbau der fossilen Energieträger bedeutet, bleiben konventionelle Kraftwerke noch lange Zeit unerlässlich, um die Versorgung zu sichern. Der vorhandene Kraftwerkspark muss dafür weiterentwickelt werden. Nur so kann er möglichst saubere Energie bei hoher Flexibilität und niedrigen Kosten bereitstellen. Zu diesem Zweck hat die Bundesregierung eine neue Kraftwerksstrategie entwickelt. Diese setzt neue Rahmenbedingungen für den Bau von neuen flexiblen Kraftwerken zur Unterstützung der Energiewende. Der Plan vom 5. Februar 2024 ist ein wichtiger Schritt für die Energiewende in Deutschland und Europa.

Um die Ziele und Veränderungen der Kraftwerksstrategie jedoch einordnen zu können, ist es wichtig, den Status quo des vorhandenen Kraftwerksparks zu kennen. Deshalb beschäftigt sich dieser Blogbeitrag mit verschiedenen historischen und aktuellen Entwicklungen im Bereich der fossilen Kraftwerke. Montel Analytics besitzt für die Analyse der großen europäischen Kraftwerke mit dem eigenen Kraftwerksverzeichnis (KWV) ein sehr nützliches Tool. In dieser Datenbank sind alle thermischen Kraftwerke aufgeführt:

• ab einer Leistung von 20 MW

• in 36 europäischen Ländern

• mit wertvollen Informationen zu den Anlagen wie den Koordinaten, der Leistung, der Effizienz, der Technologie oder den Daten zur Betriebsaufnahme.

Von Kohle und Öl über Kernkraft hin zu Gas als Energieträger

Das europäische Stromversorgungssystem unterliegt einem ständigen Wandel. Die Veränderungen in den bevorzugten Erzeugungstypen zeigen dies am deutlichsten. In Abbildung 1 werden alle Zubauten europäischer Kraftwerke im Kraftwerksverzeichnis ab 1950 nach dem Baujahr und dem Erzeugungstypen aufgeschlüsselt. Drei Trends lassen sich dabei gut erkennen:

Steinkohle auf Platz 1 in 1970

Die ersten großen Kraftwerke wurden hauptsächlich mit Kohle und Öl befeuert. Vor allem Steinkohle machte den Hauptteil der Erzeugungskapazitäten um 1970 aus. Auch Ölkraftwerke, welche heute nur noch eine untergeordnete Rolle spielen, hatten damals einen großen Anteil an der Stromerzeugung.

ab 1980 Kernkraft auf dem Vormarsch

Um 1980 wurde der Einfluss von Kernkraft schließlich immer größer und neue Kraftwerke nutzten zunehmend Kernenergie zur Stromerzeugung. Durch die Nuklearkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 wurde dieser Trend jedoch gestoppt.

Erdgas überholt Kernkraft

Seit dieser Katastrophe wird stark auf Gas als Energieträger gesetzt. Gas besitzt verschiedene Vorteile. Zum einen ist Gas insgesamt deutlich einfacher und billiger über Pipelines zu transportieren als beispielsweise Kohle. Zum anderen entsteht bei der Verbrennung von Gas weniger CO2 als bei den anderen fossilen Energieträgern. Lange Zeit war der Import von Gas aus Russland auch verhältnismäßig günstig. Trotz gestiegener Kosten bleiben Gaskraftwerke auch in Zukunft wichtig und spielen in der Kraftwerksstrategie der Bundesregierung eine zentrale Rolle.

Abbildung 1: jährlicher Zubau von Kraftwerksleistung seit 1950 aufgeschlüsselt nach Kraftwerkstypen (Quelle: Montel Analytics)

Steigende Effizienz bei allen gängigen Technologien

Bei der Betrachtung des konventionellen Kraftwerksparks in Europa spielt nicht nur der Brennstoff eine wichtige Rolle, sondern auch die verwendete Technologie. Im Kraftwerksverzeichnis wird entsprechend zwischen den drei Technologien Dampfturbinen (ST), Gasturbinen (GT) sowie Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken (GuD bzw. englisch CCGT) unterschieden. In Abbildung 1 werden deshalb GT und GuD getrennt aufgeführt.

Lange Zeit war die Dampfturbine die dominierende Technologie. Dies hängt mit den vorherrschenden Kraftwerkstypen Kohle und Kernkraft bis ca. 1990 zusammen. Danach wurden Gas als Brennstoff und somit auch die Gasturbine immer wertvoller. Schnell gewann auch die Kombination aus Gasturbine und Dampfturbine an Relevanz. Bei dieser Kraftwerkstechnologie kann die Effizienz deutlich gesteigert werden, indem die Abwärme der Gasturbine genutzt wird, um eine Dampfturbine zu betreiben. Bei gleichen Kosten für den Brennstoff wird also mehr nutzbare Energie gewonnen. Dies spiegelt sich wiederum in den Stromgestehungskosten nieder, die bei GuD-Kraftwerken entsprechend sogar unter den Kosten von Kohle liegen können. [1]

Die Technologie und die damit verbundene Effizienz sind entscheidende Faktoren für einen wirtschaftlichen Betrieb und um den Kraftwerkspark zu bewerten. Deshalb werden im Kraftwerksverzeichnis zusätzlich zu den Technologien auch die Effizienzwerte der einzelnen Kraftwerke geführt.

Für konventionelle wie erneuerbare Energieträger wichtig: passende geografische Gegebenheiten für die Stromerzeugung

Die Erzeugung von Strom durch fossile Energieträger geht immer einher mit einem zentralisierten System der Stromerzeugung. Dabei gibt es wenige große Kraftwerke, die an meist sinnvoll gewählten Standorten Strom erzeugen und diesen dann über das Stromnetz an die Verbraucher verteilen.

Die verschiedenen Kraftwerksstandorte werden aufgrund unterschiedlichster Faktoren ausgewählt. Abbildung 3 zeigt exemplarisch die Standorte von Stein- und Braunkohlekraftwerken in Mitteleuropa, basierend auf den Informationen aus dem Kraftwerksverzeichnis . Bei der Stromerzeugung aus Kohle sind Transportkosten ein großer Kostenfaktor. Aufgrund der geringen Energiedichte und des deshalb großen zu transportierenden Volumens ist der Transport von Braunkohle sehr teuer. Deshalb werden Braunkohlekraftwerke immer so nah wie möglich an den Braunkohlerevieren betrieben. Dies lässt sich anhand der Verteilung der Braunkohlekraftwerke in Deutschland mit einer Konzentration der Kraftwerksstandorte in NRW und um Leipzig gut erkennen. Auch bei Steinkohle ist eine Nähe zwischen Bergbau und Erzeugungsort von großem Vorteil. Entsprechend gibt es in Polen und Tschechien ebenfalls viele Erzeugungskapazitäten im Bereich der Kohlebergbaureviere.

In Abbildung 2 wird dieses zentralisierte System sehr deutlich. In NRW befinden sich in einem Umkreis von 100 km Kohlekraftwerke mit einer Kapazität von knapp 14 GW. Das entspricht mehr als einem Drittel der gesamten Kapazität von Kohlekraftwerken in Deutschland. Noch extremer ist dieser Aspekt in Tschechien: Dort findet sich mehr als die Hälfte der Kohlekapazität in einem entsprechenden Gebiet.

Ein weiterer wichtiger Standortfaktor sind Flüsse, welche je nach Energieträger unterschiedliche Aufgaben bei der Stromerzeugung haben. Vor allem in Alpennähe ist die Stromerzeugung über Wasserkraftwerke bedeutsam, beispielsweise am Inn oder an der Isar. Da es sich dabei jedoch nicht um thermische Kraftwerke handelt, sind diese nicht im Kraftwerksverzeichnis aufgeführt.

Auch Steinkohlekraftwerke sind häufig an Flüssen zu finden. Dabei werden die Flüsse als kostengünstiger Transportweg genutzt. Eine weitere besonders wichtige Funktion zeigt sich in Frankreich. Das französische Stromerzeugungssystem ist stark von Atomkraft abhängig. Dafür ist eine verlässliche Kühlung der Reaktoren nötig. Diese Kühlfunktion wird in der Regel durch Flusswasser bereitgestellt, und entsprechend sind die Kraftwerke in Frankreich entlang von Flüssen verteilt. [2]

Ein weiterer Aspekt ist die Nähe zu den Verbrauchern. Große Industriebetriebe haben sich deshalb historisch oft in der Nähe von großen fossilen Kraftwerken angesiedelt, wie etwa im Ruhrgebiet. Alle genannten geografischen Besonderheiten lassen sich im Kraftwerksverzeichnis durch Informationen zu den Standorten der über 3.400 Kraftwerke in Europa nachvollziehen.

Auch für die neuen Gaskraftwerke aus der Kraftwerksstrategie ist die Wahl von sinnvollen Standorten wichtig. Dabei geht es hauptsächlich darum, das Stromnetz durch eine geografische Verteilung der Anlagen zu entlasten. Außerdem macht es Sinn, die neuen Kraftwerke so zu platzieren, dass die bestehende Netzinfrastruktur weiterhin verwendet werden kann, beispielsweise auf dem Gelände von ehemaligen Kohle- oder Kernkraftwerken.

Raus aus der Kohle

Das übergeordnete Ziel der Kraftwerksstrategie ist es, eine von fossilen Brennstoffen unabhängige Stromerzeugung zu erreichen und stattdessen Erneuerbare zur Hauptenergiequelle zu machen. Bereits 2023 waren erneuerbare Energiequellen für 60 Prozent des erzeugten Stroms verantwortlich. Dieser Wert soll sich entsprechend in den nächsten Jahren stark erhöhen. Der Rest wurde weiterhin durch den konventionellen Kraftwerkspark erzeugt. [3]

Abbildung 3 zeigt, wie sich der konventionelle Kraftwerkspark in Deutschland und Europa zum Ende des Jahres 2023 nach Energiequellen aufteilt. Dabei werden die Unterschiede zwischen Deutschland und Europa deutlich. In Europa hat die Kernkraft einen Anteil von 20 Prozent an den vorhandenen Kapazitäten.

In Deutschland ist stattdessen Kohle deutlich dominanter als im europäischen Durchschnitt. Der Anteil der Kohlekapazitäten in Deutschland ist beinahe doppelt so hoch wie der Anteil der Kohle in ganz Europa. Mit dem Kraftwerksverzeichnis lässt sich die gesamte Stromerzeugungskapazität aus Kohle auch auf die einzelnen Länder verteilt betrachten. Dabei lässt sich auch mit absoluten Zahlen bestätigen, dass Deutschland in Europa zusammen mit Polen eine Sonderstellung bei den Erzeugungskapazitäten aus Kohle innehat.

In Abbildung 4 sind die Summen der Erzeugungskapazitäten aus Stein- und Braunkohle für jedes Land in GW dargestellt. Polen und Deutschland haben zwar beide signifikante Kapazitäten aus Kohle. Sie  gehen jeweils andere Wege, wie diese Kapazitäten in den nächsten Jahren ersetzt werden sollen: Polen setzt auf den Bau neuer Kernkraftwerke. [4] Deutschland ist stattdessen aus der Kernkraft ausgestiegen und setzt voll auf Erneuerbare.

Warum Gaskraftwerke so wichtig für die Energiewende sind

Ebenfalls wird in den Daten sichtbar, dass der Neubau von konventionellen Erzeugungskapazitäten in den letzten Jahren deutlich geringer ausfiel als in der Vergangenheit. Dies lässt sich anhand des steigenden Ausbaus der erneuerbaren Energien erklären. Aber auch Gaskraftwerke passen gut zu diesem Ausbaupfad: Ein erster Vorteil ist die bessere Regelbarkeit von Gaskraftwerken im Vergleich zu anderen konventionellen Kraftwerken. Damit können schwankende Erzeugungsleistungen von Wind und Sonne gut ausgeglichen werden.

Wichtig für die Erreichung der Klimaziele ist jedoch, dass die Gaskraftwerke auch H2-ready sind. Dies bedeutet, dass die Gaskraftwerke auch mit Wasserstoff betrieben werden können bzw. eine Umrüstung dafür möglich ist. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Gaskraftwerke auch ohne den Ausstoß von CO2 zu betreiben. Auch die Bundesregierung legt in ihrer Kraftwerksstrategie Wert darauf, dass Gaskraftwerke für den zukünftigen Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt sein sollen.

Darüber hinaus spricht auch die Kostenstruktur der verschiedenen konventionellen Kraftwerkstypen dafür, Gaskraftwerke als Back-up-Kraftwerke für die Erneuerbaren zu nutzen. Dabei lohnt sich eine genaue Betrachtung der Capex- und Opexkosten. Insgesamt ist der Strom aus Gasturbinen teuer. Jedoch ergeben sich verschiedene Vorteile im Vergleich mit den weiteren Konventionellen. Der grundsätzlich hohe Preis liegt an den operativen Kosten für den Betrieb der Anlagen, die durch hohe Rohstoffpreise getrieben werden.

Vereinfacht gesagt ist eine Kilowattstunde Energie in Form von Gas deutlich teurer als eine Kilowattstunde Energie in Form von Kohle oder Öl. Daraus resultieren unterschiedliche kurzfristige Grenzkosten der Anlagen. Ein Gaskraftwerk besitzt bei den aktuellen Gas- und CO2-Zertifikatspreisen sowie einer durchschnittlichen Effizienz Grenzkosten von in etwa 83 EUR/MWh. Die Grenzkosten bei Steinkohle liegen im Gegensatz dazu darunter bei etwa 65 EUR/MWh.

Im Gegensatz zu den hohen Opexkosten besitzen Gasturbinen jedoch die geringsten Capexkosten. Die Investitionskosten für Gasturbinen pro kW Leistung entsprechen mit 400 Euro in etwa einem Viertel der Investitionskosten pro kW Leistung eines Steinkohlekraftwerks (1500 EUR/kW). Deshalb ist es bei Kohlekraftwerken wichtig, die Investitionskosten auf eine möglichst große Menge an produziertem Strom zu verteilen. Entsprechend müssen die Volllaststunden von solchen Kraftwerken sehr hoch sein. Gleiches gilt auch für Kernkraftwerke, die noch höhere Capexkosten refinanzieren müssen. [1]

Die Funktion der Back-up-Kraftwerke im Sinne der Kraftwerksstrategie ist es jedoch, nur dann zu produzieren, wenn die Stromproduktion durch Erneuerbare nicht ausreicht. Entsprechend werden die Volllaststunden der Back-up-Kraftwerke relativ gering sein und durch einen weiteren Ausbau der Erneuerbaren sowie des Stromnetzes weiter sinken. Entsprechend ist es besser, in dieser Zeit Kraftwerke mit geringen Capex-Kosten zu betreiben. Die höheren Opexkosten haben durch die geringe Anzahl an Volllaststunden der Anlagen nur geringe Auswirkungen auf die Gesamtkosten. Trotzdem reicht diese geringe Auslastung nicht aus, die entstandenen Capexkosten wieder zu erwirtschaften.

Somit lohnt sich die Investition in Back-up-Kraftwerke über den normalen Strommarkt nicht. Dieses Problem wird häufig Missing-Money-Problem genannt. Die Kraftwerksstrategie sieht deshalb eine Förderung der Baukosten der Anlagen vor. Außerdem ist ein Kapazitätsmechanismus geplant. Die Idee dahinter ist es, die Kraftwerksbetreiber nicht nur für den erzeugten Strom zu vergüten, sondern auch für das Vorhalten von Erzeugungskapazitäten. Das bedeutet, es gibt ein Entgelt pro bereitgehaltener Leistung über einen bestimmten Zeitraum. Diese Vergütung sorgt dafür, dass die Capexkosten auch bei geringer Auslastung refinanziert werden können und Investitionen in Back-up-Kraftwerke auch wirtschaftlich sinnvoll sind. Die Details zum geplanten Kapazitätsmechanismus sind aktuell jedoch noch nicht bekannt.

Damit zeigt sich auch, dass der Bau von Kernkraftwerken, wie teilweise wiedergefordert, nicht zur Energiewende mit einem möglichst hohen Anteil an erneuerbaren Energien passt. Sowohl die Kostenstruktur als auch die Regelbarkeit entsprechen nicht den Anforderungen. Bei einem Betrieb von Atomkraftwerken müssen stattdessen bestehende EE-Kapazitäten abgeregelt werden, was zusätzliche Kosten nach sich zieht.

Fazit

Insgesamt zeigen die Ausführungen, wie wichtig Gaskraftwerke für die Energiewende sind und warum in der Branche eine solche Kraftwerksstrategie lange erwartet wurde. Auch Montel Analytics wird die Veränderungen in Zukunft genau beobachten und das Kraftwerksverzeichnis stetig an neue Entwicklungen anpassen. Damit bietet das Kraftwerksverzeichnis auch in Zukunft interessante Einblicke in den europäischen Strommarkt. Außerdem werden die fossilen Kraftwerke trotz der steigenden Erzeugungskapazitäten aus erneuerbaren Energien weiterhin einen großen Einfluss auf die Strompreise in Europa haben. Entsprechend beinhaltet das Kraftwerksverzeichnis auch weiterhin die Basis für die Modellierung des europäischen Strommarktes.

Co-Autoren: Elena Dahlem, Johannes Nörthemann, Alex Schmitt

Quellen:

[1] https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/DE2021_ISE_Studie_Stromgestehungskosten_Erneuerbare_Energien.pdf

[2] https://correctiv.org/faktencheck/2022/09/29/faktencheck-sind-kernkraftwerke-in-frankreich-wegen-wassermangel-abgeschaltet/

[3] https://energy-charts.info/charts/energy_pie/chart.htm?l=de&c=DE&interval=year&year=2023

[4] https://www.tagesschau.de/ausland/europa/polen-atomenergie-103.html