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