Status quo der Kraft-Wärme-Kopplung in Deutschland - Sachstandspapier Brennstoffe
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Brennstoffe KWK-Anlage Strom & Wärme hintergrund // november 2020 Status quo der Kraft-Wärme-Kopplung in Deutschland Sachstandspapier
Impressum
Ressortforschungsplan des Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit
Herausgeber:
Umweltbundesamt
Fachgebiet I 2.4, II 4.1, III 2.1, V 1.2, V1.3, V 1.4, V 3.1
Postfach 14 06
06813 Dessau-Roßlau
Tel: +49 340-2103-0
buergerservice@uba.de
Internet: www.umweltbundesamt.de
/umweltbundesamt.de
/umweltbundesamt
/umweltbundesamt
/umweltbundesamt
Autoren:
Sebastian Briem, Rolf Beckers, Ramona Bunkus,
Christian Fabris, Frank Hoffmann, Caren Herbstritt,
Katja Hofmeier, Juri Krack, Anja Nowack, Stefan Rother,
Jens Schuberth, Joscha Steinbrenner, Rainer Sternkopf,
Herwig Unnerstall, Carla Vollmer
Abschlussdatum:
Oktober 2020
Redaktion:
Fachgebiet Energieeffizienz
Caren Herbstritt
Satz und Layout:
le-tex publishing services GmbH
Publikationen als pdf:
www.umweltbundesamt.de/publikationen
Bildquellen:
Titel: Shutterstock/nostal6ie
Stand: November 2020
ISSN 2363-829X
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung
liegt bei den Autorinnen und Autoren.hintergrund // november 2020 Status quo der Kraft-Wärme-Kopplung in Deutschland Sachstandspapier
Inhalt
Inhalt
Abbildungsverzeichnis���������������������������������������������������������������������������������������������������� 6
Tabellenverzeichnis�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 6
Abkürzungsverzeichnis��������������������������������������������������������������������������������������������������� 7
Zusammenfassung���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 8
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 8
1 Einleitung������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 9
2 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem������������������������������������������������������ 11
2.1 Überblick über Techniken und Anwendungsbereiche der KWK������������������������������������������������ 11
2.2 Der Beitrag der KWK in einem sich wandelnden Energiesystem���������������������������������������������� 12
2.3 Status Quo der Energieerzeugung aus KWK��������������������������������������������������������������������� 13
3 Umweltentlastung und andere Umwelteffekte der KWK������������������������������������������������ 18
3.1 Der Klimaschutzbeitrag der KWK���������������������������������������������������������������������������������� 18
3.2 Weitere Umwelteffekte der KWK����������������������������������������������������������������������������������� 23
4 Der politische Rahmen und die Förderung der KWK������������������������������������������������������ 27
4.1 Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz ������������������������������������������������������������������������������������ 27
4.2 Gesetzliche Regelungen der Stromerzeugung mit Bezug zur KWK������������������������������������������� 34
4.3 Förderprogramme zur Effizienzsteigerung mit Bezug zur KWK������������������������������������������������ 36
4.4 Gesetzliche Regelungen der Nachfrageseite mit Bezug zur KWK��������������������������������������������� 37
4.5 Die Rolle der KWK im Europäischen Emissionshandel���������������������������������������������������������� 38
5 Ausblick: Merkmale des Energiesystems in 2050 und die zukünftige Rolle der KWK������� 39
6 Quellenverzeichnis���������������������������������������������������������������������������������������������������� 42
5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Entwicklung der KWK-Nettostromerzeugung nach Energieträgern von 2003–2018
im Vergleich mit den Ausbauzielen..........................................................................................15
Abbildung 2: Entwicklung der KWK-Nettowärmeerzeugung nach Energieträgern von 2003–2018...................16
Abbildung 3: Treibhausgasemissionen für die Versorgung einer Siedlung mit Strom und Wärme....................17
Abbildung 4: Spanne der CO2-Einsparung der KWK Erzeugung......................................................................20
Abbildung 5: CO2-Emissionen des Brennstoffeinsatzes in KWK-Anlagen 2003–2018......................................21
Abbildung 6: Energetische Potenziale der Abfall- und Reststoffe, die dem Energiesystem insgesamt
in 2020 zur Verfügung stehen (in Prozent, bezogen auf 900 PJ Primärenergie)...........................26
Abbildung 7: Anzahl der beim BAFA zugelassenen neuen, modernisierten und
nachgerüsteten KWK-Anlagen nach elektrischer Leistung und Inbetriebnahmejahr...................28
Abbildung 8: Zulassung von Wärme- und Kältenetze nach dem KWKG. Zulassung je Inbetriebnahmejahr........30
Abbildung 9: Anzahl der Wärmespeicher nach Größenklassen und Jahr der Inbetriebnahme...........................31
Abbildung 10: Schematische Darstellung des iKWK-Modell-Systems.............................................................32
Abbildung 11: Entwicklung der Fernwärmeversorgung..................................................................................40
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Quantitative Ziele der Energiewende und Status quo (2017)..........................................................10
Tabelle 2: Typische KWK-Techniken.............................................................................................................12
Tabelle 3: Schwellen der Genehmigungsbedürftigkeit von Feuerungsanlagen nach 4. BImSchV
und Regelungsbereich innerhalb der BImSchV..............................................................................23
Tabelle 4: NOx-Anforderungen für Klein-BHWK bis 50 kWel nach Ökodesign-Richtlinie....................................25
Tabelle 5: Zuschläge nach dem KWKG (2020)...............................................................................................28
Tabelle 6: Ergebnisse der Ausschreibungsrunden für konventionelle KWK-Anlagen........................................33
Tabelle 7: Ergebnisse der Ausschreibungsrunden für iKWK-Anlagen..............................................................35
6
Abkürzungsverzeichnis
BAFA Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle
BauNVO Baunutzungsverodnung
BEG Bundesförderung effiziente Gebäude
BHKW Blockheizkraftwerk
BImSChG Bundes-Immissionsschutzgesetz
BImschV Bundesimmissionsschutzverordnung
CH4 Methan
CO2 Kohlenstoffdioxid
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz
EU-ZuVO Europäische Zuteilungsverordnung
gCO2 Gramm Kohlenstoffdioxid
GEG Gebäudeenergiegesetz
ggü. gegenüber
GuD-Turbine Gas- und Dampf-Turbine
iKWK Innovative Kraft-Wärme-Kopplung
KOM Europäische Kommission
kW Kilowatt
kWel Kilowatt elektrisch
kWh Kilowattstunde
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
KWKG Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz
MW Megawatt
MWel, bzw. th. Megawatt elektrisch, bzw. thermisch
NOx Stickstoffoxide
O2 Sauerstoff
ORC Organic Rankine Cycle
PtG Power-to-Gas
PtH Power-to-Heat
SCR Selektive Katalytische Reduktion
TALärm Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm
TEhG Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz
tCO2 Tonne Kohlenstoffdioxid
THG Treibhausgas
TWh Terawattstunde
vNNE vermiedene Netznutzungsentgelte
ZuG Zuteilungsgesetz
7Summary
Zusammenfassung
Um den globalen Herausforderungen des Klima- wende. Das vorliegende Sachstandspapier nimmt
wandels zu begegnen und die Erderwärmung im diesen Meilenstein und die aktuelle Novellierung
Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter auf deutlich des KWKGs zum Anlass, um einen faktenbasierten
unter 2 °C und möglichst auf 1,5 °C zu begrenzen, hat Sachstand zum Status quo der KWK in Deutschland
die Bundesregierung sich verschiedene Klima- und vorzulegen.
Umweltschutzziele gesetzt. Der Beitrag des Energie-
sektors ist von herausragender Bedeutung, um das Das Thema KWK ist vielschichtig, denn eine ganze
Ziel der Treibhausgasneutralität für Deutschland bis Reihe verschiedener Techniken unterschiedlicher
2050 zu erreichen. Dabei steht der Sektor vor tief- Anlagengrößenklassen, angetrieben von verschie-
greifenden Veränderungen. Mit dem Energiekonzept denen fossilen und erneuerbaren Brennstoffen,
der Bundesregierung werden die Ziele verfolgt, die kommen in den Anwendungsbereichen der öffent-
Treibhausgasemissionen zu senken, die Energiever- lichen Energieversorgung, der Industrie und der
sorgung auf erneuerbare Energien umzustellen und Objektversorgung zum Einsatz. Dabei entwickelt sich
den Primärenergieverbrauch bis 2050 um 50 % zu die Strom- und Wärmeerzeugung aus KWK insgesamt
reduzieren. positiv. Dadurch konnte die KWK einen bedeutenden
Klimaschutzbeitrag leisten. Trotz der Kohlenstoff-
Durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und dioxid- und Primärenergieeinsparung verursacht
Wärme leisten Kraft-Wärme-Kopplungs-Techniken die Verbrennung fossiler Energieträger auch in
(KWK) einen Beitrag zur effizienten Energienutzung KWK-Anlagen weiterhin Treibhausgasemissionen
und damit zur Energiewende. Seit nunmehr 18 Jahren sowie Luftschadstoff- und Geräuschimmissionen. Der
werden darum durch das Kraft-Wärme-Kopplungsge- Ausbau der KWK erfolgte vornehmlich im Rahmen
setz (KWKG) Techniken zur effizienten Erzeugung von des KWKGs, doch beeinflussen auch andere Gesetze
Strom und Wärme gefördert, um durch die gekoppelte und Maßnahmen die Entwicklung der KWK auf der
Erzeugung Brennstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2) Angebots- und der Nachfrageseite. Diese vielfältigen
einzusparen. Die mit der KWK-Förderung verbunde- Aspekte tragen zum heutigen Status quo der KWK
nen Ausbauziele für 2020 wurden erreicht und sind bei, die sich an ein stark wandelndes Energiesystem
ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg der Energie- anpassen muss.
Summary
In order to meet the global challenges of climate Through the simultaneous generation of electricity and
change and to limit global temperature increase to heat, combined heat and power (CHP) technologies
well below 2 °C and ideally to no more than 1.5 °C contribute to the efficient use of energy and thus to
compared to the pre-industrial level, the Federal the energy transition. For 18 years the Combined Heat
Government has set various climate and environ- and Power Act (KWKG) has promoted technologies for
mental goals. The contribution of the energy sector the efficient generation of electricity and heat in order
is of paramount importance in achieving greenhouse to save fuel and carbon dioxide through combined
gas neutrality for Germany by 2050. The energy generation. The CHP expansion goals for 2020 associa-
sector is facing far-reaching changes. The Federal ted with the governmental support have been achieved
Government’s energy concept pursues the goals of and present an important milestone on the pathway
reducing greenhouse gas emissions, switching energy of the energy transition. The present paper takes this
supply to renewable energies and reducing primary milestone and the current amendment of the KWKG as
energy consumption by 50 % by 2050. an opportunity to present a fact-based assessment of
the status quo of CHP in Germany.
81 Einleitung
The issue of cogeneration is multifaceted, because a fuels continues to result in CO2 emissions as well as
range of different technologies for various plant sizes, air pollutants and noise imissions. The expansion of
driven by different fossil and renewable fuels, are cogeneration took place primarily within the frame-
used in public, industrial and decentralised object work of the KWKG, however other laws and policies
energy supply. Overall, electricity and heat genera- also influence the development of cogeneration
tion from cogeneration is developing positively. This both on the supply and demand side. These diverse
enabled CHP to make a significant contribution to aspects contribute to the current status quo of CHP,
climate protection. Despite the carbon dioxide and while CHP has to adapt to a rapidly changing energy
primary energy savings, combustion based on fossil system.
1 Einleitung
Um den globalen Herausforderungen des Klima- Die Erreichung dieses Meilensteins und die aktuelle
wandels zu begegnen und die Erderwärmung im Novelle des KWKGs sind Anlass für das Umwelt-
Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter auf deutlich bundesamt, die positive Entwicklung der KWK nach
unter 2 °C und möglichst auf 1,5 °C zu begrenzen hat, zu zeichnen und mit dem aktuellen Sachstand zu
die Bundesregierung sich verschiedene Klima- und unterlegen, um die Rolle der KWK im Rahmen der
Umweltschutzziele gesetzt. Mit dem Klimaschutz- Energiewende, aber auch der breiteren Diskussion
plan 2050 wurden bis 2030 sektorale Beiträge zur über die Beträge zur den Klimaschutzzielen, einzu-
Treibhausgasminderung definiert, die mit jahres- und ordnen. Denn der Vorteil der KWK ergibt sich aus dem
sektorscharfen Treibhausgasminderungszielen Nachteil der ineffizienteren ungekoppelten Stromer-
im Bundes-Klimaschutzgesetz rechtlich verankert zeugung aus fossilen Energieträgern. Mit zunehmen-
wurden. Dabei ist der Beitrag des Energiesektors dem Anteil erneuerbarer Energien im Energiesystem
von herausragender Bedeutung, um das Ziel der schrumpft dieser Vorteil jedoch. Zudem ändern sich
Treibhausgasneutralität für Deutschland bis 2050 zu in einem durch Fluktuationen geprägten Energie-
erreichen. Im Energiesektor wurden in den vergange- system die Anforderungen an die konventionelle
nen Jahren große Anstrengungen unternommen, um Erzeugung. Hier kann und soll KWK mehr noch als
die Energiewende anzustoßen und umzusetzen. in der Vergangenheit zur Flexibilisierung beitragen,
um die Integration volatiler erneuerbarer Energien
Durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und in das Energiesystems zu steigern. In einem von
Wärme leisten Kraft-Wärme-Kopplungs-Techniken tiefgreifenden Veränderungen geprägten Sektor ist
einen Beitrag zur Energiewende. Dabei ist die die KWK auf der Suche nach ihrer Rolle im künftigen
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in die quantitativen Energiesystem.
Ziele der Energiewende gebettet, die Treibhausgas-
emissionen zu senken, den Anteil der erneuerbaren Mit diesem Sachstandspapier soll eine datenbasierte
Energien zu steigern und den Primärenergiever- Orientierung für diese Suche gegeben werden, in
brauch zu reduzieren (Tabelle 1). dem es die Entwicklungen der vergangenen Jahre
Seit nunmehr 18 Jahren werden daher durch das im Bereich KWK dargestellt. Gleichzeitig wird die
„Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und KWK in die Vielzahl an damit verbundenen Frage-
den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung“ (KWKG) stellungen, auch im Bereich des Umweltschutzes,
Techniken zur effizienten Erzeugung von Strom eingeordnet. Das Sachstandspapier soll dabei der
und Wärme gefördert, um durch die gekoppelte Leserin und dem Leser als allgemeinverständliches
Erzeugung Brennstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2) Nachschlagewerk dienen, das einen Überblick über
einzusparen. Die mit der KWK-Förderung verbun- die relevanten Entwicklungen gibt, die zum Status
denen Ausbauziele für 2020 wurden erreicht und quo der Effizienztechnik KWK geführt haben.
stellen einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg der
Energiewende dar.
91 Einleitung
Tabelle 1
Quantitative Ziele der Energiewende und Status quo (2017)
2017 2020 2030 2040 2050
Treibhausgasemissionen
weitgehend
Treibhausgas treibhausgas-
–27,50 % mind. –40 % mind. –55 % mind. –70 %
emissionen (ggü. 1990) neutral
–80 bis 95 %
Erneuerbare Energien
Anteil am Bruttoend-
15,90 % 18,00 % 30,00 % 45,00 % 60,00 %
energieverbrauch
mind 50 % mind 65 %
Anteil am Bruttostrom- mind. EEG 2017: EEG 2017:
36,00 % mind. 80 %
verbrauch 35 % 40 bis 45 % 55 bis 60 %
bis 2025 bis 2035
Anteil am
13,40 % 14,00 %
Wärmeverbrauch
Effizienz und Verbrauch
Primärenergieverbrauch
–5,50 % –20,00 % –50,00 %
(ggü. 2008)
Endenergieproduktivität 1 % pro Jahr
2,1 % pro Jahr (2008–2050)
(2008–2050) (08–17)
Bruttostromverbrauch
–3,30 % –10,00 % –25,00 %
(ggü. 2008)
Primärenergieverbrauch
Gebäude –18,80 % –80,00 %
(ggü. 2008)
Wärmebedarf Gebäude
–6,90 % –20,00 %
(ggü. 2008)
Endenergieverbrauch
Verkehr 6,50 % –10,00 % –40,00 %
(ggü. 2005)
Quelle: Eigene Darstellung auf Basis von BMWi (2019a) und (2019b)
Das Thema KWK ist vielschichtig, denn eine ganze verursacht die Verbrennung fossiler Energieträger
Reihe verschiedener Techniken unterschiedlicher weiterhin Treibhausgasemissionen sowie Luftschad-
Anlagengrößenklassen, angetrieben von verschiede- stoff- und Geräuschimmissionen (Kapitel 3). Der
nen fossilen und erneuerbaren Brennstoffen werden Ausbau der KWK erfolgte vornehmlich im Rahmen
in den Anwendungsbereichen der öffentlichen des KWKGs, doch beeinflussen andere Gesetze und
Energieversorgung, der Industrie und der Objektver- Maßnahmen die Entwicklung der KWK auf der Ange-
sorgung eingesetzt (Kapitel 2). Dabei entwickelt sich bots- und der Nachfrageseite (Kapitel 4). All diese
die Strom- und Wärmeerzeugung aus KWK insgesamt Aspekte tragen zum heutigen Status quo der KWK
positiv (Kapitel 3). Dadurch konnte die KWK einen bei, die sich zukünftig an ein sich stark wandelndes
bedeutenden Klimaschutzbeitrag leisten. Trotz der Energiesystem anpassen muss (Kapitel 5).
Kohlenstoffdioxid- und Primärenergieeinsparung
102 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
2 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
2.1 Überblick über Techniken und sekundären Dampfkreisläufen (ORC- und Kalina-
Anwendungsbereiche der KWK Technik) werden in der Regel ebenfalls mit geringer
Zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme Anlagenleistung genutzt.
– zunehmend auch Kälte – stehen eine Vielzahl
unterschiedlicher Techniken zur Verfügung: Motoren Tabelle 2 gibt zudem Aufschluss über den Anteil und
(Stirlingmotor und Verbrennungsmotor) sowie Turbi- die elektrische Leistung der zugelassenen und durch
nen (Gasturbine, Dampfturbine und Gas- und Dampf- das KWKG geförderten Anlagen. Verbrennungsmoto-
turbinen-Kraftwerk (GuD), sowie Mikrogasturbinen). ren machen hinsichtlich der Anlagenzahl dabei den
Weiter werden Brennstoffzellen sowie ORC- und Löwenanteil der zugelassenen Anlagen aus (~97 %).
Kalina-Cycle-Verfahren in KWK-Anlagen eingesetzt. Doch ist die damit verbundene elektrische Leistung
mit ~3,200 MWel gegenüber etwa den leistungsstar-
Unter dem Begriff des Blockheizkraftwerks (BHKW) ken GuD-Kraftwerken mit rund 4.100 MWel verhält-
werden häufig Verbrennungsmotoren, Mikrogas- nismäßig klein. Dabei machen GuD-Anlagen nur
turbinen, Stirlingmotoren und Brennstoffzellen 0,43 % der zugelassenen Anlagen aus.
zusammengefasst. BHKW spielen insbesondere in der
dezentralen öffentlichen Versorgung zunehmend eine Je nach Art der Anlage können für KWK-Anlagen
Rolle. alle Brennstoffe mit einem Mindestenergiegehalt
wie Gase, Kohlen, Mineralöle, feste und flüssige
Typische Anlagengrößen für die Objektversorgung Biomasse, Abfälle und Ersatzbrennstoffe verwendet
liegen zwischen 1 kW und 50 kW (LBD, 2015) elek- werden. Zukünftig könnte auch Wasserstoff einge-
trischer Leistung. Im gewerblichen Bereich (etwa setzt werden. Je nach Brennstoff unterscheiden
Hotels, Freizeitbäder, Krankenhäusern) werden typi- sich auch die Kohlendioxid-Emissionen des KWK-
scherweise Anlagengrößen bis 1000 kWel realisiert. Anlagen-Betriebes erheblich.
Im Bereich der Objektversorgung werden vor allem
Verbrennungs- und Stirlingmotoren eingesetzt. Vor Es wird zwischen einer strom- (Betriebsweise auf
wenigen Jahren dominierte noch die Stirlingmotoren den Strompreis ausgerichtet) und wärmegeführten
den KWK-Bereich bis 3 kWel. Inzwischen dominiert in (Betriebsweise auf Wärmebedarf ausgerichtet)
diesem Leistungsbereich die Brennstoffzellenheizung Auslegung der KWK-Anlage unterschieden, je nach-
den KWK-Markt. Brennstoffzellen kommen vorrangig dem welche Betriebsweise priorisiert wird. Bei einer
im Wohngebäudebereich zum Einsatz. gesamtoptimierten Betriebsweise wird die Anlage
so eingesetzt, dass sie sich sowohl am Strompreis
Verbrennungsmotoren, die durch Kaskadierung als auch am Wärmebedarf orientiert. Die Auslegung
mehrerer Motoren-Module höhere Leistung erreichen, hängt vom Lastprofil der Nachfrage ab. Während
werden neben der Objekt- und Industrieversorgung in große Anlagen der öffentlichen Versorgung häufig
der öffentlichen Versorgung eingesetzt. Dampf- und stromgeführt gefahren werden, überwiegt in der
Gasturbinen sowie Gas- und Dampf-Turbinen- Industrie die Wärmeerzeugung, sodass die Anlagen
Kraftwerke (GuD) finden insbesondere in den großen wärmegeführt ausgelegt sind (Prognos et al., 2019).
Anlagenklassen Anwendung (Prognos et al., 2019). Hieraus lassen sich unterschiedliche Geschäftsmo-
Die Energiebedarfe der Industrie werden typischer- delle für den KWK-Betrieb ableiten.
weise durch Anlagen der Größenklassen zwischen
500 kWel – 20 MWel gedeckt. Industrielle KWK- Die Hauptprodukte und Erlösquellen von KWK-
Anlagen mit darüber hinausgehender Leistung findet Anlagen sind der erzeugte Strom und die erzeugte
man vorrangig in der chemischen Industrie und Nutzwärme. Je nach Anwendungsfall und Geschäfts-
der Papierindustrie. In der öffentlichen Versorgung modell werden Strom und Wärme entweder vor Ort
kommen typischerweise Anlagen zwischen 10 MWel direkt oder über Netze selbst genutzt oder die Energie
– 800 MWel zum Einsatz. Anlagen mit geschlossenen wird an Dritte verkauft.
112 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
Tabelle 2
Typische KWK-Techniken
GuD
Verbren- Stirling Brennstoff- Dampf
Gasturbine Turbinen-
nungsmotor motor zelle turbine
Kraftwerk
Objektver-
sorgung, Objektver- Industrie,
Anwendungs Objektver-
Industrie, sorgung, Industrie Industrie öffentliche
bereich sorgung
öffentliche Industrie Versorgung
Versorgung
1 kW bis
10 MW
Elektrische 1 kW bis 0,7 kW bis
pro Modul ab 100 kW ab 500 kW ab 20 MW
Leistung 9 kW 2,8 MW
(mehrere
möglich)
Elektrischer
Wirkungsgrad 25 bis 45 15 bis 25 34 bis 60 10 bis 25 25 bis 38 35 bis 50
(Netto-Nenn) (in %)
Gesamtwirkungs-
bis rund 100 bis rund 95 bis rund 90 bis rund 90 bis rund 85 bis rund 90
grad (in %)
Anteil an
zugelassenen
96,94 0,21 0,06 0,44 0,03 0,43
KWK-Anlagen nach
KWKG* (in %)
el. Leistung der
zugelassenen
3.178,51 0,09 4,38 1.324,71 475,07 4.124,19
KWK-Anlagen nach
KWKG in MW
*Differenz zu 100%: Sonstige Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Prognos et al. (2019) und BAFA (2020a)
Typische Anwendungsfälle sind in der Objektver- 2.2 Der Beitrag der KWK in
sorgung – etwa von Ein- und Mehrfamilienhäusern, einem sich wandelnden Energiesystem
Krankenhäusern, Hotels – die Eigenversorgung mit Der heutige Strommarkt ist gekennzeichnet durch
Strom und Wärme vor Ort, wobei der Strom teilweise einen steigenden Anteil erneuerbarer Energien. Die
in ein Netz der öffentlichen Versorgung eingespeist verstärkte Nutzung von Wind- und Solarenergie hat
wird. Im Bereich der industriellen KWK werden im zur Konsequenz, dass die Erzeugung fluktuiert und
Fall der Eigenversorgung Strom und Wärme vor zeitlich kurzfristigen Schwankungen unterliegt. Die
Ort zu großen Teilen selbst genutzt. Im Falle eines Residuallast – also die Differenz zwischen Strom-
Industrieparks werden Strom und Wärme aber auch nachfrage und fluktuierendem Angebot auf der Basis
über eigene Verteilnetze oder öffentliche Netze an von erneuerbaren Energien – wird durch steuerbare
Dritte geliefert. In der Praxis gibt es insbesondere in Erzeugung aus konventionellen Kraftwerken gedeckt.
der Industrie Einzelfälle, in denen die KWK-Anlagen Dabei korreliert die Residuallast in etwa mit der Höhe
stark abweichend vom typischen Fall ausgelegt oder des Strompreises am Strommarkt.
betrieben werden. Teilweise werden signifikante
Energiemengen industrieller KWK in Strom- und Die Anforderungen an Kraft- und Heizkraftwerke,
Wärmenetze der öffentlichen Versorgung eingespeist die fossile Brennstoffe nutzen, haben sich im
(Prognos et al., 2019). In der öffentlichen Versorgung gegenwärtigen Energiesystem somit geändert. Sie
werden Strom und Wärme in öffentliche Netze müssen in der Lage sein, schnell und flexibel auf
eingespeist und an Dritte geliefert. Angebotsschwankungen zu reagieren. Das bedeutet,
122 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
dass Anlagen stromsystemdienlich gefahren werden Gebäuden nach Raumwärme und Warmwasser. Im
müssen. KWK-Anlagen leisten heute einen Beitrag zur Industriesektor ist das Wärmeverbrauchsprofil dage-
Brennstoff- und CO2-Einsparung dort, wo sie unge- gen gekennzeichnet durch ein Grundlastprofil, mit
koppelte Kohle- oder Gaskraftwerke bei der Deckung dem Prozesswärme bei hohen Temperaturen erzeugt
der Residuallast verdrängen. Maßgebend muss dabei wird. Die Eigenstromversorgung ist bei industriellen
sein, dass mit dem Stromangebot aus gekoppelter Anlagen der Regelfall, die installierte elektrische
Erzeugung keine erneuerbaren Energien aus dem Leistung ist im Vergleich zur Wärmeproduktion eher
Markt gedrängt werden, wie es heute teilweise der klein. Dabei ist die Anzahl der Vollbenutzungsstun-
Fall ist (Prognos et al., 2019). Bei der Deckung der den im Vergleich zur öffentlichen Versorgung hoch
Residuallast ist entscheidend, dass sich das Angebot (Prognos et al., 2019).
an den Strompreissignalen des Marktes orientiert,
also dann Strom erzeugt wird, wenn die Preise hoch 2.3 Status Quo der Energieerzeugung
sind. Treten Netzengpässe auf, können Sitationen aus KWK
entstehen, in denen konventionelle Kraftwerke und Das KWKG hat unter anderem den Ausbau der KWK
KWK-Anlagen trotz des positiven Strompreissignals zum Ziel. Dabei ist die KWK-Nettostromerzeugung der
keinen zusätzlichen Strom produzieren sollten. Die wesentliche Indikator des KWK-Ausbaus. Neben der
Volllaststunden, in denen KWK systemdienlich KWK-Stromerzeugung ist auch die damit korrespon-
Strom erzeugt, sind damit begrenzt und werden auch dierende KWK-Nettowärmeerzeugung eine im Fokus
zukünftig mit einem steigendem Anteil der erneuer- stehende Größe. Auf die Veränderung dieser beiden
baren Energien weiter zurückgehen. Auch sinkt der wesentlichen KWK-Kenngrößen konzentrieren sich
KWK-Vorteil bei der CO2-Einsparung mit steigendem die nachfolgenden Darstellungen.
Anteil erneuerbarer Energien im Stromsystem, sodass
ein Beitrag der KWK vornehmlich in der punktge- 2.3.1 KWK-Stromerzeugung
nauen Deckung der Residuallast liegt. Laut dem KWK-Ausbauziel soll die KWK-
Nettostromerzeugung im Jahr 2020 mindestens
Die Instrumente zur Förderung des strommarkt 110 Terawattstunden und im Jahr 2025 mindestens
orientierten flexiblen Kraftwerksbetriebs im KWKG 120 Terawattstunden betragen (§ 1 KWKG 2016). Im
bieten bereits heute einen Anreiz für eine stromsys- Jahr 2018 liegt die KWK-Nettostromerzeugung mit
temdienliche Fahrweise der Anlagen. Jedoch werden 115 Terawattstunden bereits über dem Zielwert für
zum Einen lediglich 30.000 Vollbenutzungsstunden das Jahr 2020 (siehe Abbildung 1). Das Ausbauziel
der Anlagen gefördert (vgl. Kapitel 4.1), der Anlagen- der KWK wird demnach wahrscheinlich erreicht.
betreiber ist darüber hinaus frei, seinen Strom zu Die KWK-Nettostromerzeugung – gezeigt werden in
vermarkten. Zum Anderen stellen auch KWK-Anlagen Abbildung 1 die Daten unter Berücksichtigung des
Strom und Wärme am Markt bereit, die keine Förde- Eigenwärmebedarfs des Biogasanlagenfermenters1
rung in Anspruch nehmen. Die Geschäftsmodelle der – ist im Zeitraum von 2003 bis 2017 kontinuierlich
Anlagenbetreiber sind damit nicht zwangsweise auf gestiegen. Die Verringerung im Jahr 2018 ggü. 2017
eine systemdienliche Fahrweise ausgelegt, was zu ist im Wesentlichen die Folge einer verbesserten
einer Verdrängung von erneuerbarem Strom führen energiestatistischen Erfassung der KWK-Anlagen ab
kann (s. Infobox). 2018 (Baten et al., 2017).
Die Flexibilisierungsanforderungen an die Wärme Der Zuwachs ist insbesondere auf den verstärkten
seite der KWK sind zum derzeitigen Stand noch Einsatz von Biomasse (33,1 TWh in 2018) sowie auf
gering. Der Anteil an Wärme aus erneuerbaren den Zubau und einer besseren Auslastung der Erdgas-
Energien im Wärmemarkt liegt für das Jahr 2018 KWK-Anlagen (61,3 TWh in 2018) zurückzuführen.
bei 14,2 %, dies entspricht etwa einem Drittel der In KWK-Anlagen wird Biomasse vor allem in Form
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Die
Wärmeseite der KWK ist durch die leitungsgebun-
dene Wärmeversorgung geprägt, rund 80 % der 1 Entsprechend des „engen Bilanzgrenzenansatz“ gemäß des AGFW-Arbeitsblatts
FW 308 gehört der Biogasanlagenfermenter – als örtlich verbundener und
Fernwärme wird in gekoppelten Prozessen erzeugt erweiterter Anlagenteil – nicht zur KWK-Anlage. Dementsprechend erfolgt die
mit der Fermenterwärmebereitstellung korrespondierende Stromerzeugung
(AGFW, 2018). Fernwärmenetze auf kommunaler in KWK und ist somit auch Bestandteil der KWK-Nettostromerzeugung und der
KWK-Wärmeerzeugung. Der Eigenwärmebedarf einer Biogasanlage liegt bei
Ebene bedienen dabei primär die Nachfrage von durchschnittlich 25 % der insgesamt in der Anlage erzeugten Wärmemenge.
132 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
von Biogas eingesetzt, das zu einem dominierenden 2.3.2 KWK-Wärmeerzeugung
Anteil vor Ort genutzt wird. Ein geringerer Anteil wird Bei der KWK-Nettowärmeerzeugung und den einge-
nach einer Aufbereitung zu Biomethan (Erdgasquali- setzten Energieträgern zeigt sich (ebenfalls unter
tät) ins Gasnetz eingespeist und dezentral im Wesent- Berücksichtigung des Eigenwärmebedarfs der Biogas-
lichen in BHKW eingesetzt. Weitere Biomassefrakti- anlagen) mit einem kontinuierlichen Anstieg seit
onen, die in KWK-Anlagen mit nahezu gleichgroßen 2003 ein ähnliches Bild wie im Strombereich. Dabei
Nutzungsanteilen eingesetzt werden, sind biogene stellt sich die Nettowärmeerzeugung nach Energieträ-
Festbrennstoffe und Klärgas. Biomethan, Festbrenn- gern anteilig ähnlich dar. Fossile Gase waren im Jahr
stoffe und Klärgas stellen zusammen ca. 30 % der 2018 der wichtigste Energieträger. Aus ihm wurden
biogenen KWK-Strom- und Wärmeerzeugung. 105,6 TWh KWK-Nettowärme erzeugt. Im selben Jahr
trug Biogas mit 52,5 TWh zur KWK-Wärmeerzeugung
Die auf Steinkohle- und Mineralölen basierende bei. Der Anteil der Stein- und Braunkohle sowie
KWK-Stromerzeugung ist im Zeitverlauf zurückge- der Mineralöle ist über den gesamten betrachteten
gangen (zusammen 13,4 TWh in 2018), der Anteil der Zeitraum rückläufig. Insgesamt wurden aus diesen
Braunkohle an der KWK-Stromerzeugung schwankt Energieträgern noch 57,8 TWh im Jahr 2018 erzeugt
über den Zeitverlauf um 5 TWh (4,7 TWh in 2018). (siehe Abbildung 2).
Systemdienlichkeit
Aufgrund des steigenden Angebots an fluktuierenden Flexibilisierungsoptionen bestehen darüber hinaus
erneuerbaren Energien im Energiesystem besteht in Wärmespeichern und (teilweise) Wärmenetzen. Um
zunehmend die Notwendigkeit, das Energieangebot die Erzeugung an den Bedarf anzupassen, erlauben
aus steuerbaren Energieträgern daran anzupassen. Wärmespeicher eine zeitliche Loslösung der gekop-
Dies erfordert auch das nachfrageangepasste Einspei- pelten Strom- und Wärmeerzeugung von der Wärme-
severhalten der KWK. Als systemdienliche Fahrweise nutzung und tragen dadurch zur systemdienlichen
bezeichnet man die an den verbleibenden Energiebe- Stromerzeugung bei.
darf angepasste Erzeugung von fossilen und biogenen
KWK-Anlagen. Steuerbare Energieträger sollten daher Die Strombörse gilt als Indikator für die allgemeine
nur Strom produzieren, wenn ein Erzeugungsbedarf Angebotsseite, die Höhe der Residuallast sowie für
besteht oder die Sicherung der Netzstabilität durch die die Anforderung an die Flexibilisierung des Systems.
Zurverfügungstellung von Regel- und Blindleistung zu Strompreissignale kommen jedoch nicht immer zum
sichern ist (ÖkoInstitut, 2015). Auf der Wärmeseite ist Tragen. Eine systemdienliche Fahrweise ist insbeson-
die Erzeugung nur dann systemdienlich, wenn ein real dere im Industriesektor oftmals nicht gegeben, da
vorhandener Wärmebedarf gedeckt wird. Da i. d. R. eine KWK-Anlagen hier für die Eigenerzeugung von Strom
Investitionsentscheidung für KWK jedoch nur getroffen und Prozesswärme ausgelegt werden. Bei diesen
wird, wenn eine Wärmenachfrage vorhanden ist, spielt Anlagen bestehen dadurch aktuell wenig betriebliche
die Systemdienlichkeit hier eine geringere Rolle. und finanzielle Anreize strommarktorientiert zu
produzieren. Des Weiteren können kleine KWK-Anlagen
Die Flexibilitätsanforderungen nehmen durch den (< 100 kW) nach § 4 KWKG den Grundlastpreis erhalten
steigenden Anteil an erneuerbaren Energien im Strom- und werden dann strommarktunabhängig betrieben.
system zu. In einem Energiesystem, das überwiegend
durch fluktuierende erneuerbare Energien gekenn- Heizkraftwerke nehmen am Redispatch teil, werden
zeichnet ist, werden flexibel betriebene Anlagen, die dabei allerdings gemäß EEG und KWKG gegenüber
eine gesicherte Leistung erbringen können, immer ungekoppelten Anlagen bevorzugt behandelt und sind
dringender benötigt. Hieraus ergeben sich bereits nur gegenüber erneuerbaren Energien weniger privile-
heute Anforderungen an in Planung und Bau befindliche giert. Ab Oktober 2021 wird diese Reihenfolge anhand
KWK-Anlagen, um eine angepasste Betriebsweise zum von Faktoren in neuen Redispatch 2.0 Verfahren
Erhalt der Systemdienlichkeit zu gewährleisten. formalisiert werden.
142 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
Abbildung 1
Entwicklung der KWK-Nettostromerzeugung nach Energieträgern von 2003–2018 im Vergleich mit den
Ausbauzielen
140
120
100
Terawattstunden (TWh)
80
60
40
20
0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Ziel Ziel
2020 2025
Steinkohlen Mineralöle Biomasse
Braunkohlen Gase Sonstige
Quelle: Eigene Darstellung nach StaBa (2020a), (2020b), ÖkoInstitut, Umweltbundesamt /Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik, Stand 11/2019
Die im Vergleich zur KWK-Nettostromerzeugung aus Braunkohle-KWK-Anlagen ist rückläufig und
prozentual geringere Erhöhung der KWK-Nettowär- stammt zu etwa einem Drittel aus stromgeführten
meerzeugung im Zeitverlauf bis zum Jahr 2017 ist die Heizkraftwerken, zu zwei Dritteln aus wärmegeführ-
Folge der Errichtung zahlreicher GuD-Anlagen in den ten Heizkraftwerken (Prognos et al., 2019).
letzten Jahren, die eine überdurchschnittliche hohe
Stromkennzahl aufweisen. Der Anstieg im Jahr 2018 Für Steinkohle-KWK-Anlagen ergibt sich ein differen-
gegenüber 2017 ist im Wesentlichen Ergebnis der seit ziertes Bild, je nachdem ob Anlagen der öffentlichen
2018 verbesserten Erfassungsmethodik. Versorgung oder der Industrie betrachtet werden.
In der öffentlichen Versorgung wird Wärme aus
2.3.3 KWK-Erzeugung aus Stein- und Braunkohle Steinkohle-KWK-Anlagen fast vollständig in die Fern-
Im Jahr 2018 betrug die statistisch berichtete KWK- wärmeversorgung eingespeist. Die Anlagen werden
Wärmeproduktion aus Steinkohleheizkraftwerken in der Regel wärmegeführt gefahren (ebenda). Die
31,7 TWh. Braunkohleheizkraftwerke produzierten Anlagen sind geographisch relativ gleichmäßig über
rund 15,5 TWh. Steinkohleheizkraftwerke produ- Deutschland verteilt. Etwa die Hälfte der Steinkohle-
zieren überwiegend für die öffentliche Versorgung KWK-Anlagen der öffentlichen Versorgung wurde vor
(26,5 TWh), während auf den industriellen Sektor 1990 errichtet. Dagegen weist das Wärmeverbrauchs
nur 5,2 TWh entfielen. Bei den Braunkohleheizkraft- profil von industriellen Steinkohle-KWK-Anlagen ein
werken wurde 2018 eine Wärmeproduktion von Grundlastprofil auf, wobei die Eigenstromversorgung
7,9 TWh in der öffentlichen Versorgung und 7,5 TWh der Regelfall ist. Hauptstandorte der Steinkohle-KWK-
in der industriellen Kraftwirtschaft statistisch erfasst Anlagen liegen am Rhein, häufig in Nordrhein-West-
(StaBa, 2020b, StaBa, 2020a). Die Wärmeproduktion falen. Der überwiegende Teil der Anlagen wurden
152 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
Abbildung 2
Entwicklung der KWK-Nettowärmeerzeugung nach Energieträgern von 2003–2018
250
200
Terawattstunden (TWh)
150
100
50
0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Steinkohlen Mineralöle Biomasse
Braunkohlen Gase Sonstige
Quelle: Eigene Darstellung nach StaBa (2020a), (2020b), ÖkoInstitut, Umweltbundesamt /Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik, Stand 11/2019
vor 1990 errichtet, woraus sich technischer Erneue- sung liefert also nicht die erforderliche Genauigkeit,
rungsbedarf ergibt. Ein großer Teil der bestehenden um ein umfassendes Bild der Umweltwirkung der
industriellen Steinkohle-KWK-Anlagen wird in den Steinkohle-KWK liefern zu können.
nächsten Jahren durch gasbefeuerte KWK-Anlagen
ersetzt werden. Der Erneuerungsbedarf, sowohl der
industriellen steinkohlebasierten Wärmeproduktion
als auch der öffentlichen Versorgung muss vor dem
Hintergrund des Kohleausstiegs nun neu bewertet
werden. Das Kohleausstiegsgesetz gibt hierfür den
Rahmen vor (vgl. auch Kapitel 4).
Stellt man die statistisch erfasste Steinkohle-KWK-
Wärmeproduktion einer anlagenscharfen Betrach-
tung gegenüber, so ist zu erkennen, dass ein Drittel
der Produktion zur Versorgung von Industrieunter-
nehmen und etwa zwei Drittel in Fernwärmenetze
der öffentlichen Versorgung eingespeist werden. Der
Industrieanteil ist damit etwa doppelt so hoch, wie
in den durch das statistische Bundesamt ermittelten
Daten (Prognos et al., 2019). Die statistische Erfas-
162 Einordnung der KWK in das heutige Energiesystem
KWK und andere Heiztechniken im Vergleich
Die verursachten Treibhausgasemissionen sind ein wich- gegenüber Elektro-Wärmepumpen niedrigere Treibhaus-
tiges Kriterium für die Auswahl der Wärmeversorgung gasemissionen. Die KWK wurde hier mit der Finnischen
von Gebäuden. Im Vergleich mit anderen Heiztechniken Methode (s. Kapitel 3.1.1) bilanziert. Darüber hinaus
ist die Wärmeerzeugung mit KWK für die Versorgung von zeigt sich auch, dass der Anteil der Stromerzeugung
Gebäuden heute oft klimafreundlicher. Das zeigt sich aus erneuerbaren Energien entscheidenden Einfluss auf
am Beispiel der Versorgung einer Siedlung mit Wärme die Treibhausgasbilanz hat: Sinken auf diese Weise die
und Strom (Abbildung 3): Erdgas-KWK verursacht beim Treibhausgasemissionen des Strommixes, schmilzt der
gegenwärtigen Strommix sowohl gegenüber konven- Klima-Vorteil der Erdgas-KWK drastisch und Elektro-
tionellen Heiztechniken wie Gas-Heizkesseln als auch Wärmepumpen werden deutlich attraktiver (UBA, 2013b).
Abbildung 3
Treibhausgasemissionen für die Versorgung einer Siedlung mit Strom und Wärme
Auswirkungen eines steigenden Anteils erneuerbarer Energien bei der Stromerzeugung im Strommix
10000
Unsaniert Neubau (EnEV 2009) Passivhaus
9000
8000
Treibhausgasemissionen [t]
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Gas-Brennwertkessel
Fernwärme
Zentrales Holzheizwerk
Fernwärme
Gas-Brennwertkessel
Luft- und Sole-Wärmepumpen
kalte Nahwärme (Wärmepumpen)
Luft-Wärmepumpen
dezentrale Erdgas-BHKW
Zentrales Erdgas-BHKW
Pelletkessel
Fernwärme
Gas-Brennwertkessel
Luft-Wärmepumpen
dezentrale Erdgas-BHKW
Zentrales Erdgas-BHKW
Zentrales Holzheizwerk
Pelletkessel
Stromdirektheizung
Sole-Wärmepumpen
Zentrales Erdgas-BHKW
Zentrales Holzheizwerk
Pelletkessel/Kaminofen
639 g THG/kWh (2012) 400 g THG/kWh 200 g THG/kWh
Bezug von Strommix durch Endverbraucher. Bei dezentralen BHKW anteilige, bei Quelle: UBA (2013b)
zentralem Nahwärme-BHKW vollständige Netzeinspeisung mit Gutschrift in Höhe
des Strommixes.
173 Umweltentlastung und andere Umwelteffekte der KWK
3 Umweltentlastung und andere Umwelteffekte der KWK
3.1 Der Klimaschutzbeitrag der KWK Andere Allokationsverfahren ermöglichen eine
Als Effizienztechnik trägt die KWK zur Reduzierung Aufteilung ohne Erteilung einer Gutschrift. Eine
der Kohlendioxidemissionen sowie zur Einsparung solche Methode ist die Carnot-Methode. Bei der
von Primärenergieträgern bei. Dies ist ein Grund, Berechnung des Carnot-Wirkungsgrads wird neben
sich mit der Effizienztechnik KWK klima- und der Quantität auch die Qualität der Energie physika-
energiepolitisch auseinander zu setzen und sie lisch berücksichtigt. Damit bildet die exergetische
zu fördern. Gleichzeitig entstehen auch bei der Betrachtung den Gütegrad der Energieumwandlung
gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme aus ab. Kern der Bewertung ist die theoretische Strom-
fossilen Brennstoffen CO2-Emissionen. Um die CO2- erzeugungs- bzw. Arbeitsfähigkeit (Exergie) der
und Primärenergie-Einsparungen durch die KWK im erzeugten Produkte. Über ein thermodynamisches
Vergleich zur ungekoppelten Energieerzeugung zu Prozessmodell (benannt nach Carnot) wird, in
ermitteln, kommen unterschiedliche Berechnungsme- Abhängigkeit von Vor- und Rücklauftemperatur der
thoden zur Anwendung, die im Folgenden dargestellt Wärmeeinspeisung sowie der Umgebungstemperatur,
werden. Weiter werden die CO2-Einsparung sowie die ein theoretischer Stromverlust ermittelt und die
Treibhausgas-Emissionen, die durch KWK weiterhin eingesetzte Brennstoffmenge auf die Koppelprodukte
entstehen, in diesem Kapitel adressiert. Strom und Wärme aufgeteilt. Dies erfolgt unter Beach-
tung physikalischer Gesetzmäßigkeiten, wobei die
3.1.1 Allokationsmethoden zur Zuordnung Abgrenzung des KWK-Prozesses und eines Referenz-
von CO2-Emissionen auf die Kuppelprodukte systems nicht notwendig ist (Pehnt und Schneider,
Strom und Wärme 2010).
Um eine Aussage zu den jeweiligen strom- bzw.
wärmebezogenen CO2-Emissionen treffen zu können, Bei der Finnischen Methode wird die Aufteilung
müssen bei KWK-Anlagen die Emissionen der einge- in Strom und Wärme über den Vergleich mit Refe-
setzten Brennstoffe den Produktionsanteilen von renzwirkungsgraden der getrennten Erzeugung von
Wärme und Strom zugerechnet werden. Dabei gibt es Strom und Wärme vorgenommen (IFEU et al., 2018).
verschiedene Methoden dieser sogenannten Alloka- Die Logik der finnischen Methode liegt darin, dass sie
tion. Mit dieser Zuteilung lassen sich Einsparungen, die reduzierte Brennstoffmenge gemäß dem Verhält-
sowohl der Primärenergie, als auch von Kohlendioxid nis der Wirkungsgrade der ungekoppelten Erzeugung
bei konkreten Anlagen ermitteln. Die Allokations- zuordnet. Die Methode kommt in der Energie-Effizi-
methoden werden aber auch in der Energiestatistik enz-Richtlinie (EU, 2012) zur Anwendung, in der auf
angewendet. europäischer Ebene die KWK adressiert wird.
Bei Gutschrift-Verfahren wird entweder Strom oder
Wärme als Hauptprodukt definiert, sowie ein unge- Anwendung der finnischen Methode:
koppelter Referenzprozess mit dem hypothetisch das Das „Hocheffizienzkriterium“
Produkt alternativ erzeugt würde. Dem jeweiligen
Hauptprodukt (bei der „Stromgutschrift“: Strom)
Eine KWK-Anlage gilt nach der EU Energie-Effizienz-
wird dann die CO2-Menge zugeordnet, die in einem
Richtlinie als hocheffizient, wenn die in der
Referenzprozess entstehen würde (z. B. mittels
KWK-Anlage erzeugten Mengen Strom und Wärme
Primärenergiefaktor für den Verdrängungsstrommix
gegenüber der getrennten Erzeugung in einer
= 2,8). Die Vergleichsmenge wird von der verursach-
Referenzanlage eine Primärenergieeinsparung
ten CO2-Menge abgezogen, sodass sich die verblei-
von mindestens 10 % aufweisen. KWK-Klein- und
bende CO2-Menge für die Wärmeerzeugung ergibt
-Kleinstanlagen gelten durch jegliche Primärener-
(IFEU et al., 2016). Dieser Rest für das Nebenprodukt
gieeinsparung als hocheffizient. Dieser Definition
(hier Wärme) fällt bei der Stromgutschriftmethode
folgt auch das KWKG.
verhältnismäßig gering aus oder sogar den Wert Null
(theoretisch auch kleiner Null) annehmen, da es als
„Abfall“-Produkt gewertet wird.
183 Umweltentlastung und andere Umwelteffekte der KWK
3.1.2 CO2- und Primärenergieeinsparung durch KWK land (UBA, 2019b). Für das Jahr 2017 beträgt er
Erlaubt eine Allokation mit den dargestellten Metho- 489 gCO2/kWh und wird in der Berechnungsmethode
den eine Zuordnung der CO2-Emissionen auf die des durchschnittlichen Emissionsfaktors angesetzt.
jeweiligen Produkte Strom und Wärme, so ist im Fall
der KWK weiter von Relevanz, welche Einsparungen Die CO2-Einsparungen durch die gesamte KWK
an CO2 oder Primärenergie sich aus der gekoppelten gegenüber ungekoppelter Erzeugung beliefen sich
gegenüber einer ungekoppelten Erzeugung ergeben. im Jahr 2017 auf 17–54 Mio tCO2, abhängig von der
zugrundeliegenden Methodik (Verdrängungsmix/
Der Verdrängungsstrommix bildet die durch eine durchschnittlicher Emissionsfaktor). Dabei ist die
zusätzliche KWK-Stromeinspeisung erreichte Verän- gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme um
derungen im Stromerzeugungsmix für Deutschland insgesamt 24 TWh angestiegen. Hiermit verbunden
ab. Über ein stundenscharfes Kraftwerksmodel sind zusätzliche Emissionen aus KWK-Erzeugung
wird dabei die faktische Verdrängung von Strom- i. H. v. rund 6 Mio tCO2 (Prognos et al., 2019). Dieser
mengen durch die zusätzliche KWK-Einspeisung Anstieg führt zu einem Anstieg der CO2-Einsparung
auf Anlagenebene ermittelt. Abhängig vom Betrach- bei der Berechnung nach dem Verdrängungsmix.
tungszeitpunkt war dies in in der Vergangenheit Wird der Strommix herangezogen, wirkt sich der
erster Linie die Erzeugung aus Stein- bzw. Braun- sinkende Emissionsfaktor stärker auf das Gesamter-
kohlekraftwerken im Kondensationsbetrieb. Mit der gebnis aus (Abbildung 4).
zugrundeliegenden Berechnungssystematik wird
der Einsatzreihenfolge (Merit-Order) der Kraftwerke Die Einsparungen ergeben sich aus drei Aspekten.
im deutschen Strommarkt Rechnung getragen. Im Erstens dadurch, dass die theoretischen Emissionen
Ergebnis spiegeln sich sowohl der Einspeisevorrang der ungekoppelten Erzeugung mit den tatsächlichen
der erneuerbaren Energien als auch beispielsweise Emissionen aus KWK-Erzeugung verrechnet werden.
die geringen Grenzkosten der Kernenergie oder auch Zweitens sinken die Emissionsfaktoren aufgrund der
der Braunkohlverstromung wider. Durch die erhebli- allgemeinen Dekarbonisierung des Energiesystems.
che Reduktion der Stromerzeugung aus Steinkohle in Drittens steigen durch den Ersatz von Kohle-KWK
den letzte Jahren, kann dieser Ansatz für die Zukunft durch Gas-KWK die Einsparungen, da die CO2-Emissi-
nicht weiter fortgeführt werden: Schon in 2019 onen der KWK-Anlagen sinken.
beträgt die Steinkohleerzeugung nur noch 55 TWh,
weniger als die Hälfte der Erzeugung im Jahr 2013. Obwohl die gekoppelte Erzeugung zu CO2- und Brenn-
Allein im quantitativen Vergleich mit den Gesamt- stoffeinsparung führt, entstehen bei der Erzeugung
mengen an KWK-Strom wird deutlich, dass nicht von Strom und Wärme aus fossilen Brennstoffen
die gesamte KWK-Stromerzeugung die Steinkohle- noch immer Emissionen. Die Höhe der Emissionen
Erzeugung ersetzen kann. Der durchschnittliche ist abhängig von der Effizienz der Stromerzeugungs-
Emissionsfaktor des Referenzsystems für systemdien- technologie, den eingesetzten Brennstoffen und ihren
lich betriebene KWK-Anlagen muss also schon in den brennstoffspezifischen Emissionsfaktoren. Über
aktuellen Jahren zwischen den Emissionsfaktoren den Zeitraum zwischen 2003 und 2018 liegen die
von Gas-Kraftwerken und dem Verdrängungsmix CO2-Emissionen etwa bei 80 Mio. t jährlich (Abbil-
liegen. Bei einem erfolgten Kohle-Ausstieg liegt der dung 5).
Verdrängungsmix einer vollständig systemdienlich
betriebenen KWK-Anlage bei dem Emissionsfaktor Dabei haben sich die gekoppelt erzeugten Strom- und
einer Gas-GuD-Anlage, und damit nur etwa halb so Wärmemengen sowie die Anteile der dafür verwende-
hoch wie beim Emissionsfaktor eines Merit-Order- ten Brennstoffe über den Zeitraum verändert. Ordnet
Kraftwerks im Jahr 2017. man den jeweiligen Produkten Strom und Wärme
nach der finnischen Methode die eingesetzten Brenn-
Der Emissionsfaktor für den deutschen Strommix stoffe und die damit einhergehenden CO2-Emissionen
wird berechnet aus den direkten CO2-Emissionen, zu, ergeben sich für die KWK-Stromerzeugung im
die bei der gesamten Stromerzeugung entstehen, Durchschnitt Emissionen in Höhe von 342 gCO2/kWh.
und dem für den Endverbrauch netto zur Verfügung Damit sind die spezifischen Emissionen für die KWK-
stehenden Strom aus der Stromerzeugung in Deutsch- Stromerzeugung deutlich niedriger als die durch-
schnittlichen spezifischen Emissionen des deutschen
193 Umweltentlastung und andere Umwelteffekte der KWK
Abbildung 4
Spanne der CO2-Einsparung der KWK Erzeugung
60
50
CO2-Einsparung der KWK-Erzeugung in Mio. t CO2
40
30
20
10
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2020 2025 2030
Verdrängungsmix Strommix
Für den hier dargestellten Verdrängungsmix wurden Projektionen von 2017 Quelle: Eigene Darstellung Prognos et al. (2019) auf Basis von Daten
verwendet, die den mit dem Kohleausstiegsgesetz geplanten Kohleausstieg und des ÖkoInstituts 2020
einen geplanten EE-Anteil von 65 % in 2030 nicht beinhalten.
Strommixes in Höhe von 489 gCO2/kWh. Für die richtlinie. Dieser Wert ist jedoch nur sehr begrenzt
KWK-Wärmeerzeugung sind es 207 gCO2/kWh. Die aussagekräftig, dies hat eine Reihe von Gründen.
spezifischen Emissionen der KWK-Wärmeerzeugung Zum einen erfolgt die Berechnung des Primärener-
entsprechen damit etwa der Versorgung mit einer giefaktors nur gegenüber einem Referenzsystem mit
ungekoppelten Erdgas-Feuerung (Brennwertkessel gleichem Brennstoff, nicht gegenüber den vor Ort zur
mit 100 % Wirkungsgrad). Betrachtet man die Verfügung stehenden ungekoppelten (erneuerbaren)
gesamte KWK-Erzeugung, liegen die durchschnitt- Systemen. Dies bedeutet, dass der Primärenergiever-
lichen Emissionen bei 252 gCO2/kWh (Prognos, brauch einer Steinkohle-KWK-Anlage mit dem einer
IFAM et al. 2019). Dies liegt an den besonders hohen ungekoppelten Steinkohle-Erzeugung verglichen
Emissionsfaktoren von Stein- und Braunkohle. Trotz wird und nicht mit einer zur Verfügung stehenden
des hohen Anteils an emissionsfreien Energieträgern Strom- und Wärmeerzeugung aus erneuerbaren
liegen die CO2-Emissionen damit derzeit in der Energien. Somit wird ein Wechsel zu CO2-armen
Größenordnung etwa bei denen von Heizöl. Brennstoffen mit der Berechnung nicht grundsätz-
lich adressiert. Weiter wird durch die Methode die
Im Jahr 2017 wurde eine Primärenergieeinsparung Systemdienlichkeit einer Anlage negativ bewertet,
durch KWK-Erzeugung von etwa 12 % des Primär- da eine flexible Fahrweise der Anlagen (und damit
energieeinsatzes der ungekoppelten Erzeugung einhergehenden geringeren Gesamtnutzungsgraden)
erreicht. Die Berechnung dieser Einsparungen den errechneten Primärenergieverbrauch erhöht,
basiert auf den Referenzwerten der Energieeffizienz- wodurch geringere Primärenergieeinsparungen
203 Umweltentlastung und andere Umwelteffekte der KWK
ausgewiesen werden. Zusätzlich ist der Gesamt- ren2) wird der Brennstoff nicht vollständig verbrannt.
nutzungsgrad für den gesamten KWK-Anlagenpark Ein kleiner Teil des Brennstoffes, der bei Erdgas zu
extrem schwer zu bestimmen. Schließlich bevorzu- über 90 % und bei Biogas, Klärgas und Deponiegas
gen die in der Energieeffizienzrichtlinie angelegten zu großen Teilen aus Methan besteht, entweicht
Korrekturfaktoren KWK-Anlagen in Eigenversorgung unverbrannt in die Atmosphäre. Im Vergleich zu
auf unteren Spannungsebenen – unabhängig davon, Kohlendioxid (CO2) hat Methan (CH4) in der Atmo-
wie viel Primärenergie diese Anlagen tatsächlich sphäre ein 25-fach höheres Treibhausgaspotenzial
einsparen (Prognos et al., 2019). All diese Einschrän- (UBA, 2018). Der sogenannte Methanschlupf stellt
kungen müssen mit Hinblick auf den Aussagegehalt damit ein Problem für alle Verbrennungsmotor-
bezüglich der Primärenergieeinsparung vor dem anlagen mit methangashaltigen Brennstoffen dar,
Hintergrund eines sich grundlegend wandelnden unabhängig von der Anlagengröße und davon, ob die
Energiesystems mitbetrachtet werden. Anlagen in einem gekoppelten oder ungekoppelten
Prozess betrieben werden. Da ein Vorteil der KWK
3.1.3 K
limaschutzeffekte durch Methanemissionen jedoch in der Treibhausgaseinsparung liegt, stellt
bei KWK-Anlagen sich die Frage nach der Treibhausgasbewertung hier
Insbesondere bei der Nutzung von gasförmigen in besonderer Weise.
Brennstoffen (darunter Erdgas, Biogas, Biomethan,
Deponiegas, Klärgas) in Verbrennungsmotoren
(hauptsächlich Magermotoren und Lambda-1-Moto-
2 Der Unterschied dieser beiden Motorarten liegt im Wesentlichen in dem zum
Einsatz kommenden unterschiedlichen Brennstoff-Luft-Gemisch.
Abbildung 5
CO2-Emissionen des Brennstoffeinsatzes in KWK-Anlagen 2003–2018
90
80
70
60
CO2-Emissionen in Mio. t
50
40
30
20
10
0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Steinkohle Öl Biomasse
Braunkohle Gas Sonstige
Quelle: Eigene Darstellung auf Basis von Daten StaBa (2020a), (2020b), Gores and Nissen (2019), ÖkoInstitut (2018)
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