Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet die gleichzeitige Erzeugung von Strom und nutzbarer Wärme in einer Anlage. Die Wärme, die bei der Stromerzeugung entsteht, wird dabei beispielsweise zum Heizen, zur Warmwasserbereitung oder für industrielle Prozesse verwendet.

Der entscheidende Vorteil liegt in der gemeinsamen Nutzung der eingesetzten Energie. Während bei einer reinen Stromerzeugung häufig große Mengen Wärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden, kann diese bei der KWK zusätzlich verwendet werden.

Kraft-Wärme-Kopplung ist keine eigene Energiequelle, sondern eine Technik zur Energieumwandlung. Sie kann mit unterschiedlichen Energieträgern betrieben werden, darunter Erdgas, Biogas oder andere geeignete Brennstoffe.

Die Funktionsweise lässt sich am Beispiel eines Blockheizkraftwerks (BHKW) erklären. Dort treibt ein Motor einen Generator an, der elektrischen Strom erzeugt. Gleichzeitig entsteht Wärme – unter anderem im Motor und im Abgas. Wärmetauscher nehmen diese Wärme auf und stellen sie für die Heizung, die Warmwasserbereitung oder andere Anwendungen bereit.

Der erzeugte Strom kann direkt vor Ort verbraucht oder unter den jeweiligen technischen und rechtlichen Voraussetzungen in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die Wärme lässt sich beispielsweise über ein Heizsystem oder ein Nah- beziehungsweise Fernwärmenetz verteilen.

Damit eine KWK-Anlage effizient arbeitet, muss die erzeugte Wärme möglichst sinnvoll genutzt werden. Ist der Wärmebedarf gering, kann die Anlage nicht immer im wirtschaftlich oder energetisch günstigsten Betriebspunkt arbeiten. Wärmespeicher helfen dabei, die Strom- und Wärmeerzeugung zeitlich besser auf den tatsächlichen Bedarf abzustimmen.

Kraft-Wärme-Kopplung kommt in unterschiedlichen Anlagentypen zum Einsatz. Zu den wichtigsten gehören:

• Blockheizkraftwerke (BHKW): Sie erzeugen mit einem Motor und einem Generator Strom. Die dabei entstehende Wärme wird zusätzlich genutzt. BHKW gibt es in unterschiedlichen Größen, beispielsweise für größere Gebäude, Gewerbebetriebe oder Wärmenetze.
• Gasturbinen und Dampfturbinen: Diese Technik wird vor allem in größeren Kraftwerken und Industrieanlagen eingesetzt. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme kann für Fernwärmenetze oder industrielle Prozesse genutzt werden.
• Brennstoffzellen: Sie erzeugen Strom und Wärme durch elektrochemische Reaktionen. Dabei findet keine klassische Verbrennung statt. Die tatsächlichen Emissionen hängen unter anderem davon ab, welcher Brennstoff beziehungsweise Wasserstoff eingesetzt wird und wie dieser hergestellt wurde.
• Stirlingmotoren: Hier wird ein geschlossenes Arbeitsgas von außen erwärmt und wieder abgekühlt. Die dabei entstehende Bewegung kann einen Generator antreiben. Die benötigte Wärme lässt sich durch unterschiedliche Wärmequellen bereitstellen, auch durch die Verbrennung von Brennstoffen.

Welche Technologie geeignet ist, hängt insbesondere vom Strom- und Wärmebedarf, den benötigten Temperaturen und den örtlichen Voraussetzungen ab.

Ein wichtiger Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung ist die hohe Ausnutzung der eingesetzten Brennstoffenergie. Bei einer getrennten Erzeugung von Strom und Wärme werden beispielsweise ein Kraftwerk und eine Heizungsanlage betrieben. In einer KWK-Anlage entstehen beide Energieformen in einem gemeinsamen Prozess.

Motorbetriebene Blockheizkraftwerke können je nach Bauart beispielsweise elektrische Wirkungsgrade von etwa 30 bis 40 Prozent und thermische Wirkungsgrade von etwa 50 bis 60 Prozent erreichen. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus der Summe beider Werte. Moderne Anlagen können so einen großen Teil der eingesetzten Brennstoffenergie für Strom und Wärme nutzbar machen.

Ein hoher Gesamtwirkungsgrad allein sagt jedoch noch nicht aus, wie groß die tatsächliche Energieeinsparung ist. Dafür muss die KWK-Anlage mit einer getrennten Strom- und Wärmeerzeugung verglichen werden. Entscheidend sind unter anderem der eingesetzte Brennstoff, die Anlagentechnik und die tatsächliche Nutzung der Wärme.

Nach Angaben des Umweltbundesamtes sind gegenüber modernen Anlagen zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung unter geeigneten Bedingungen Primärenergieeinsparungen von bis zu 20 Prozent möglich.

Ob sich der Einsatz einer KWK-Anlage lohnt, hängt stark von ihrem Standort und den Betriebsbedingungen ab. Besonders geeignet sind Anwendungen, bei denen über längere Zeiträume sowohl Strom als auch Wärme benötigt werden. Zu den möglichen Vorteilen gehören:

• Effiziente Energienutzung: Die gleichzeitige Strom- und Wärmeerzeugung kann den Bedarf an Brennstoffen gegenüber einer getrennten Erzeugung verringern.
• Mögliche Emissionseinsparungen: Abhängig vom Brennstoff und dem Vergleichssystem können auch die Treibhausgasemissionen sinken.
• Dezentrale Versorgung: Kleinere KWK-Anlagen können Strom und Wärme direkt am Verbrauchsort bereitstellen.
• Flexible Einsatzmöglichkeiten: Größere KWK-Anlagen können zur Versorgung von Wärmenetzen und Industrieanlagen beitragen. In Verbindung mit Wärmespeichern lässt sich ihr Betrieb teilweise an den Strombedarf anpassen.

Dem stehen einige Nachteile und Einschränkungen gegenüber:

• Abhängigkeit vom Wärmebedarf: Die gemeinsame Erzeugung ist besonders sinnvoll, wenn die anfallende Wärme tatsächlich genutzt werden kann.
• Investitions- und Betriebskosten: Anschaffung, Installation, Wartung und Brennstoffversorgung verursachen Kosten, die sich nicht an jedem Standort rechnen.
• Treibhausgasemissionen: Beim Betrieb mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas entsteht weiterhin CO₂. Hinzu kommen mögliche Emissionen entlang der Brennstoffversorgung.
• Technische Anforderungen: Planung, Dimensionierung und Einbindung in die vorhandene Energieversorgung müssen aufeinander abgestimmt sein.
• Eine KWK-Anlage führt außerdem nicht automatisch zur Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz. Dafür wären zusätzliche technische Voraussetzungen notwendig, etwa eine geeignete Regelung für den Inselbetrieb.

Kraft-Wärme-Kopplung wird häufig mit Erdgas betrieben, kann aber auch andere Energieträger nutzen. Dazu zählt beispielsweise Biogas. Ob der Einsatz eines Brennstoffs zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beiträgt, hängt von seiner Herkunft, Herstellung und Nutzung ab.

KWK ist deshalb nicht grundsätzlich als erneuerbar oder emissionsarm einzustufen. Ein erdgasbetriebenes Blockheizkraftwerk kann den eingesetzten Brennstoff zwar effizient nutzen, verursacht bei der Verbrennung aber weiterhin CO₂. Gegenüber einer Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien und einer Stromerzeugung aus Windkraft oder Photovoltaik kann die Treibhausgasbilanz daher auch ungünstiger ausfallen.

In modernen Wärmesystemen lassen sich KWK-Anlagen mit anderen Technologien kombinieren. Dazu gehören beispielsweise Solarthermie, Großwärmepumpen und Wärmespeicher. Solche Kombinationen können helfen, unterschiedliche Wärmequellen bedarfsgerecht einzusetzen.

Für die Energiewende stellt sich zunehmend die Frage, wann KWK-Anlagen sinnvoll eingesetzt werden können und welche Rolle sie langfristig übernehmen. Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien und der Elektrifizierung der Wärmeversorgung verändern sich auch die Anforderungen an ihren Betrieb.

Flexible KWK-Anlagen können beispielsweise in bestimmten Versorgungssystemen Strom bereitstellen, wenn wenig Wind- und Solarstrom erzeugt wird. Voraussetzung ist, dass ihre technische Auslegung und die Wärmeversorgung einen solchen Betrieb ermöglichen. Langfristig kommt es dabei auch darauf an, fossile Brennstoffe durch Energiequellen mit geringeren Treibhausgasemissionen zu ersetzen.

Das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) regelt in Deutschland die Förderung bestimmter KWK-Anlagen sowie zugehöriger Infrastrukturen, beispielsweise Wärme- und Kältenetzen und Speichern.

Ziel ist es, die effiziente gemeinsame Erzeugung von Strom und Wärme unter festgelegten Voraussetzungen zu unterstützen. Dabei gelten unterschiedliche Anforderungen, beispielsweise an die Anlagentechnik, die Energieeffizienz und die Inbetriebnahme. Nicht jede KWK-Anlage erhält automatisch eine Förderung. Ob ein Anspruch besteht und in welcher Höhe eine Förderung möglich ist, hängt von den jeweils geltenden gesetzlichen Bestimmungen ab.

Das KWKG wurde seit seiner Einführung mehrfach überarbeitet. Die aktuelle Fassung und die konkreten Förderbedingungen sollten deshalb bei der Planung einer neuen Anlage berücksichtigt werden.