Effizienzkriterien für Stromwandlungsanlagen zur Reduktion fossiler Energieträger und CO2-Emissionen: Status Quo und Ausblick

Abstract

Neben den Geräten und Anlagen bei den Verbrauchern ist die Effizienz der Stromerzeugung ein sehr wichtiger Aspekt der europäischen Energiepolitik. Die Steigerung der Effizienz ist ein zentrales Thema, wobei hier der der elektrische Wirkungsgrad zunehmend als Kriterium der Effizienz der Stromerzeugung verwendet wird. Einer der Gründe hierfür ist die leichtere Legitimierbarkeit von Kraftwerksneubauten, da diese mit höherer Effizienz bei gleicher Stromproduktion deutlich weniger Rohstoffe benötigen und geringere Umweltschäden verursachen. Um die Energieversorgung gewährleisten zu können und den Anstieg der Importabhängigkeit zu dämmen, sind Überlegungen rund um die Steigerung der Effizienz von Kraftwerken erforderlich. Das zentrale Ziel dieser Arbeit ist es, Effizienzkriterien von Stromumwandlungsanlagen aufzuzeigen um damit den Primärenergieverbrauch und die CO2-Emissionen signifikant zu reduzieren. Zudem wird die Entwicklung der Kraftwerkseffizienz einiger Kraftwerkstechnologien in den letzten Jahren dargestellt. Es zeigt sich beispielsweise, dass Kohle-Wirbelschichtfeuerung im Leistungsbereich von 15-200MW, bei Verwendung von KWK, einen elektrischen Nettowirkungsgrad von 24-28%, einen thermischen- von 62-64% und somit einen Brennstoffnutzungsgrad von 75-85% hat. Gasturbinen mit HRSG im KWK-Betrieb verfügen über einen elektrischen Nettowirkungsgrad von 30-36%, einen thermischen- von 44-50% und letztlich also einen Brennstoffnutzungsgrad von 70-84% im Leistungsbereich von 5-25MW Kraftwerksleistung. Um einen gemeinsamen Ausgangspunkt zu schaffen, ist es zunächst jedoch nötig, genaue Definitionen der verwendeten Begriffe Brutto- und Nettowirkungsgrad, Brennstoffnutzungsgrad oder Mindestwirkungsgrad sowie Richtlinien zu deren Ermittlung zu erarbeiten. Die in Österreich gängigsten Kraftwerkstechnologien werden untersucht und gegebenenfalls eine Einteilung nach Energieträger und Leistungsklasse vorgenommen. Für Photovoltaik und Windenergie werden die Kriterien Performance Ratio und Referenzerträge gewählt und somit von der gängigen Methode der Bewertung der Effizienz mittels elektrischer Wirkungsgrade abgegangen. Dies lässt in beiden Fällen eine neutrale Bewertung des Systems zu, da die Bewertung mittels Wirkungsgraden in diesen Fällen nicht zielführend wäre. Weiters wird dokumentiert, in welchen Ländern es bereits Verordnungen/Richtlinien zur Effizienz verschiedener Kraftwerkstechnologien gibt. Es zeigt sich, dass bisher nur wenige Verordnungen/Richtlinien existieren, welche den Wirkungsgrad als Effizienzkriterium von Stromumwandlungsanlagen berücksichtigen. Häufig wird die Mindesteffizienz eines Kraftwerks an den Stand der Technik gebunden, wobei dieser jedoch oft nicht quantifiziert wird. Letztendlich werden die Optionen des Repowerings ausgewählter Kraftwerke auf den Stand der Technik aus ökologischer (in Form der CO2-Emissionen) und ökonomischer Sicht analysiert. Eine Analyse der damit verbundenen Reduktion an CO2-Emissionen und eine Sensitivitätsanalyse schließen die Arbeit ab.

In addition to equipment and facilities among consumers, the efficiency of power generation is a very important aspect of European energy policy. Increasing efficiency is a key issue, in which case the electrical efficiency is increasingly used as a criterion of the efficiency of power generation. One of the reasons for this is the easier legitimization of new power plants, as these require significantly less raw materials with higher efficiency and cause less environmental damage while producing the same amount of power. In order to guarantee the energy supply and to stem the rise in import dependence, considerations about the increase in the efficiency of power plants are required. The central aim of this work is to demonstrate the efficiency criteria of power conversion systems in order to reduce the primary energy consumption and CO2 emissions significantly. In addition, the development of power plant efficiency of some power plant technologies of the recent years is presented. It shows, for example, that coal fluidized bed combustion in the power range of 15-200MW with the use of CHP reaches an electrical net efficiency of 24-28% and an thermal- from 62-64%, which leads to a fuel efficiency of 75-85%. Gas turbines with HRSG in CHP mode have a net electrical efficiency of 30-36%, a thermal- from 44-50% and thus ultimately a fuel efficiency of 70-84% in the power range of 5-25MW power plant capacity. In order to provide a common starting point, at first it is necessary to develop precise definitions of the used terms as gross- and net efficiency, fuel efficiency or minimum efficiency as well as guidelines for their determination. The most common power plant technologies in Austria are examined and, if required, a classification by energy source and power class. For photovoltaic and wind energy, the criteria performance ratio and reference yields are elected, thus moving away from the conventional way of measuring the efficiency by means of electrical efficiencies. In both cases this leads to a neutral evaluation of the system, as the evaluation using efficiencies in these cases would not be productive. Furthermore, it is documented, in which countries regulations/guidelines for efficiency of various power plant technologies already exist. It turns out, that only a few regulations/guidelines exist, which take the efficiency as a criterion of efficiency of power conversion systems into account. Often the minimum efficiency of a power plant is set to the State of the art, but this state is often not quantified. Ultimately, the options of the repowering of selected power plants to the state of the art are analyzed in terms of a ecological (CO2 emissions) and economic perspective. An analysis of the associated reduction in CO2 emissions and a sensitivity analysis complete the work.