Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit - WBGU

Energieträger nicht nur als Ausgangsstoffe für Produkte
sondern teilweise auch energetisch genutzt.
Um energetische und nicht energetische Verwendungen
fossiler Energieträger zu entkoppeln, kann die
Sonne die Energiefunktion an vielen Stellen direkt
übernehmen. Für Prozesse bei hohen Temperaturen
können beispielsweise technische Konzepte angewendet
werden, die denen solarthermischer Kraftwerke
(Kap. 3.2.6.2) ähneln.
Sonnenlicht kann aber auch in photochemischen
und -katalytischen Anwendungen eingesetzt werden,
bei denen heute künstliche Lichtquellen dominieren.
Die photochemische Synthese flüssiger Energieträger
ist prinzipiell denkbar. In Ergänzung dazu sind
auch der Photosynthese verwandte Membransysteme
sowie photochemische und -biologische Wasserstoffherstellung
vielversprechende Ansätze für
die zukünftige Nutzung der Sonnenenergie.
Im Forschungskapitel (Kap. 6.3.1) werden Energiekonversionskonzepte
angesprochen, die sich nach
Ansicht des Beirates im Laufe von 10–20 Jahren zu
marktreifen Technologien entwickeln können. Insgesamt
schätzt der Beirat das Potenzial dieser noch im
Entstehen befindlichen Energiewandlungsverfahren
vorsichtig auf 30 EJ pro Jahr im Jahr 2100.
3.3
Kraft-Wärme-Kopplung
3.3.1
Technologie und Effizienzpotenziale
In Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
wird aus dem eingesetzten Brennstoff nicht nur
Strom erzeugt, sondern gleichzeitig auch die
Abwärme z. B. für Heizzwecke genutzt. Sie erreichen
daher einen hohen Gesamtnutzungsgrad des eingesetzten
Brennstoffs, der bei gut ausgelegten Anlagen
bei 80–90% liegen kann. KWK ist somit eine wichtige
Technologie für die Einsparung von Primärenergie.
KWK-Anlagen können überall eingesetzt werden,
wo neben der Stromerzeugung Bedarf an
Niedertemperaturwärme (bis ca. 120 °C) oder Prozesswärme
(bis ca. 200 °C) vorhanden ist. Es gibt eine
große Bandbreite von KWK-Technologien in einem
Leistungsbereich von etwa 1 kW el bis zu mehreren
100 MW el (Tab. 3.3-1). Die im KWK-Betrieb erreichbaren
Stromnutzungsgrade reichen derzeit von 15%
für kleinere Dampfturbinen bis zu 45% in hocheffizienten
Motor-/Generatorsystemen und können
zukünftig auf 60–65% ansteigen, z. B. bei Kombinationskraftwerken
mit ausgereiften Brennstoffzellen.
Dementsprechend variiert die Stromkennzahl
Kraft-Wärme-Kopplung 3.3
(Energieverhältnis von Strom zu Nutzwärme) zwischen
0,20 und 1,50, langfristig sogar bis zu 2,50.
Hohe Stromkennzahlen sind für den Einsatz von
Vorteil, da tendenziell der Wärmebedarf typischer
Versorgungsobjekte relativ zum Stromverbrauch
sinkt. Zudem verbessern sie die Wirtschaftlichkeit
der Anlagen, da Stromerlöse meist höher sind als
Wärmeerlöse.
Als Brennstoff können fossile Träger, z. B. Kohle,
Öl oder Gas genutzt werden, aber auch Brennstoffe
(später auch Wasserstoff) aus regenerativen Quellen.
Dampfturbinen und Stirlingmotoren können auch
feste Brennstoffe (z. B. Kohle, Holz) nutzen, alle
anderen Technologien benötigen aber flüssige oder
gasförmige Brennstoffe, teilweise mit hohem
Anspruch an ihre Reinheit. Bei Brennstoffzellen
kommt die externe oder interne Erzeugung von Wasserstoff
aus wasserstoffhaltigen Brennstoffen hinzu.
Der eigentliche Energiewandler ist also nur ein Teil
des Gesamtsystems, das im Hinblick auf Nutzungsgrade
und Kosten immer als Ganzes betrachtet werden
muss.
KWK-Anlagen sind in der Regel primärenergetisch
effizienter als die getrennte Bereitstellung von
Strom und Nutzwärme. Die Höhe der realistisch
erreichbaren Energieeinsparung und der damit verknüpften
CO 2 -Reduktion hängt dabei sehr stark von
Größe und Bauart der KWK-Anlage, ihrer Auslegung,
den Vergleichssystemen und den eingesetzten
Brennstoffen ab. Typische Werte für die Primärenergieeinsparung
von KWK-Anlagen liegen bei 15–
30%, was einer CO 2 -Reduktion bis zu 50% entspricht,
wenn Erdgas-KWK mit getrennter Erzeugung
von Strom und Wärme aus Kohle verglichen
wird. Bei Gutschrift der vermiedenen zusätzlichen
Wärmeerzeugung liegen typische spezifische CO 2 -
Emissionen der KWK (mit Erdgas) bei 0,19–0,25 kg
pro kWh el (Nitsch, 2002). Je höher der Gesamtnutzungsgrad
und die Stromkennzahl einer KWK-
Anlage sind, desto höher fallen ihre energetischen
und ökologischen Vorteile aus; längerfristig sind also
die entsprechenden Technologien (GuD-Anlagen,
Brennstoffzellen, sehr effiziente Motoren) vorteilhafter.
3.3.2
Einsatzmöglichkeiten
Im Prinzip kann mit KWK ein sehr hoher Anteil des
Raumheizungs- und Warmwasserbedarfs (ca. 65%)
und des industriellen Prozesswärmebedarfs (bis zu
80% der Mitteltemperaturwärme) gedeckt werden.
Auch zur Kühlung, Lufttrocknung, Klimatisierung
und zur Meerwasserentsalzung (z. B. durch solarthermische
Kraftwerke in Ländern mit hoher Sonnenein-
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