Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

• Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bedeutet die gleichzeitige Bereitstellung von Kraft und Wärme, d. h. mechanischer und thermischer Energie.
• Funktionsweise: Durch einen Verbrennungsvorgang wird thermische Energie erzeugt. Diese wird zunächst durch eine Kolbenbewegung / einen Turbinenantrieb in mechanische Energie und dann über einen Generator in elektrische Energie überführt, sodass letztlich Strom und Wärme für die Weiterverwendung zur Verfügung stehen. Eine Ausnahme stellt hierbei die Brennstoffzellentechnologie dar (siehe Anlagentypen).
• Betriebsweisen: Stromgeführt oder wärmegeführt, das heißt die Umsetzung orientiert sich am Bedarf der primär gewünschten Komponente (Strom oder Wärme).
• Stromkennzahl: Zeigt das Verhältnis zwischen elektrischer und thermischer Leistung und gibt an, welcher Anteil der gespeicherten Energie des Energieträgers in Strom und welcher in Wärme umgewandelt wird. Die Stromkennzahl ist von der verwendeten Technologie abhängig und stellt einen wichtigen Parameter dar, da Strom als edelste Form der Energie zu einem hohen Prozentsatz erzeugt werden soll.
• Mögliche Energieträger:
  • Fossil: Kohle, Erdgas, Mineralöle, Flüssiggas
  • Erneuerbar: Biomasse in fester (Holz, Pellets), gasförmiger (Biogas, Klärgas, Deponiegas) und flüssiger Form (Pflanzenöle und Bioethanol) sowie Abfälle
  • Zukünftig: Regenerativ erzeugter Wasserstoff oder synthetisches Methan

• Konventionelle Dampfkraftwerke zur Stromproduktion aus fossilen Brennstoffen erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 40 %. Der Rest der Energie wird in Form von Wärme über den Kondensator und Kühlturm an die Umgebung abgegeben und wird in der Regel nicht weiter genutzt.
• Durch KWK werden je nach Technologie Gesamtnutzungsgrade von bis zu über 90 % und somit eine hohe Ausnutzung der gespeicherten Energie des Energieträgers erreicht. Dadurch sind gegenüber einer getrennten Strom- und Wärmeproduktion ein um mehr als 50 % verminderter Energieeinsatz und CO₂-Einsparung möglich.

• Industrielle KWK-Kraftwerke: Gasturbinen-Kraftwerk, Dampfkraftwerk, Gas- und Dampfkraftwerk (GuD), Verbrennungsmotoren.
• Kompakte KWK-Anlagen: Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotor-, Stirlingmotor- oder Brennstoffzellen-Technologie. Diese können nach ihrer elektrischen Leistung unterteilt werden in:
  • Nano-BHKW (elektrische Leistung bis zu 2,5 Kilowatt): für Einfamilienhäuser
  • Mikro-BHKW (elektrische Leistung bis zu 15 Kilowatt): für Mehrfamilienhäuser, Gewerbe, Hotels, Schwimmbäder, Krankenhäuser
  • Mini-BHKW (elektrische Leistung bis zu 50 Kilowatt): für Siedlungen und Quartiere

• Prinzip: Ein über Gasturbinen angetriebener Generator produziert Strom und die Gasturbinenabgastemperatur von 450 - 600 °C kann danach für Produktionsprozesse in der Industrie eingesetzt werden. Dabei wird durch einen nachgeschalteten Abhitzekessel Dampf oder Heißwasser erzeugt, was über ein entsprechendes Wärmenetz an mögliche Wärmeverbraucher verteilt werden kann.
• Einsatzspektrum: 100 kW_el bis 600 MW_el
• Stromkennzahl: P_el/P_th: 0,3 - 0,7
• Hauptenergieträger: Erdgas und Heizöl
• Zu beachten: Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft müssen eingehalten werden und machen gegebenenfalls den Einsatz bestimmter Verfahren / Katalysatoren notwendig.
• Vorteile: Gute Regulierbarkeit; Preis
• Nachteile: Keine festen Energieträger einsetzbar; niedriger elektrischer Wirkungsgrad

• Prinzip: Mit einem Dampfkessel wird durch die Verbrennung eines Brennstoffs Dampf produziert, der anschließend mit Hilfe einer Dampfturbine einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die verbleibende thermische Energie wird danach genutzt, um Heißwasser zur Wärmeversorgung zu erzeugen. Alternativ wird der Dampf direkt über Dampfschienen zum Verbraucher geschickt. Für die Einspeisung in ein Fernwärmenetz eignet sich dabei ein Temperaturniveau von bis zu ca. 120 °C.
• Einsatzspektrum: 100 kW_el bis 600 MW_el
• Stromkennzahl: P_el/P_th: 0,3 - 2,5
• Mögliche Energieträger: Alle verfügbaren flüssigen, festen oder gasförmigen Brennstoffe; außerdem ist eine Nutzung von Biomasse sowie Abfällen und somit gegebenenfalls eine Förderung nach EEG möglich.
• Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft müssen eingehalten werden. Gegebenenfalls ist dafür der Einsatz bestimmter Verfahren / Katalysatoren notwendig (vor allem bei der Verbrennung von Festbrennstoffen).
• Vorteile: Feste, flüssige und gasförmige Energieträger einsetzbar; Hohe Stromkennzahlen erreichbar (bei Kondensationsanlagen)
• Nachteile: Hoher Platzbedarf; Kosten

• Prinzip: Der ORC-Prozess ist ein Dampfturbinenprozess, bei dem anstelle von Wasserdampf ein organisches Medium als Arbeitsmittel dient. Der Vorteil dabei ist die Verdampfung bei ca. 80 °C.
• Mögliche Arbeitsmittel: Propan, Butan, Pentan
• Notwendige Arbeitstemperaturen für Stromerzeugung: über 130 °C
• Energieträger: Geothermie, Biomasse, Abwärme

• Prinzip: Hier liegt das gleiche Prinzip wie beim Gasturbinen-Kraftwerk vor, allerdings wird der im Abhitzekessel erzeugte Dampf mittels Dampfturbine nochmals zur Stromerzeugung verwendet. Dadurch ist eine Steigerung der Stromkennzahl P_el/P_th im Bereich von 0,7 - 2,7 möglich.
• Einsatzspektrum:100 kW_el bis 600 MW_el
• Hauptenergieträger: Erdgas und Heizöl
• Zu beachten: Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft müssen eingehalten werden und machen gegebenenfalls den Einsatz bestimmter Verfahren / Katalysatoren notwendig.
• Vorteile: Hoher elektrischer Wirkungsgrad; Hohe Brennstoffausnutzung
• Nachteile: Schlechter Teillastbetrieb; Kosten

• Prinzip: Beim Verbrennungsprozess in einem Otto- oder Dieselmotor wird ein Kolben in Bewegung versetzt. Diese Drehbewegung treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Die frei werdende Wärme des Verbrennungsprozesses erwärmt zum einen das Kühlwasser und erzeugt zum anderen ein heißes Abgas. Beide Wärmeströme werden mit Hilfe von Wärmetauschern an das Heizsystem übertragen. Die Abwärmetemperatur beträgt dabei bis zu 100 °C.
• Einsatzspektrum: 1 kW_el bis 50 kW_el (im Industriemaßstab werden dabei mehrere Motoren in einer Kaskade bis zu mehreren MW_el verschaltet)
• Stromkennzahl: P_el/P_th: 0,3 - 1,2
• Mögliche Energieträger:
  • Fossil: Heizöl, Erdgas, Flüssiggas, Kokereigas
  • Erneuerbar: Biogas, Klärgas, Deponiegas
• Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte sind nach TA-Luft einzuhalten.
• Vorteile: Gutes Teillastverhalten; Gute Brennstoffausnutzung
• Nachteile: Keine festen Energieträger einsetzbar

• Prinzip: Der Stirlingmotor hat eine ähnliche Funktionsweise wie der Verbrennungsmotor, allerdings findet keine Verbrennung innerhalb des Motors statt. Die Wärme wird stattdessen genutzt, um wechselseitig die Luft von zwei verbundenen Zylindern zu erwärmen. Durch die abwechselnde Erwärmung und Abkühlung der einzelnen Zylinder ändern sich die dazugehörigen Luftvolumina, was den Kolben in Bewegung versetzt und dadurch mechanische Energie erzeugt.
• Einsatzspektrum: 1 bis 100 kW_el
• Stromkennzahl: P_el/P_th: 0,15 - 0,3
• Mögliche Energieträger: Jegliche Wärmequelle, meist Erdgas oder Holz
• Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte sind nach TA-Luft einzuhalten.
• Vorteile: Jegliche Wärmequellen nutzbar; Geringe Emissionen erreichbar
• Nachteile: Nischenprodukt; niedrige Stromkennzahlen

Prinzip: Hierbei handelt es sich um eine KWK-Technologie ohne Verbrennungsvorgang. Diese basiert auf dem Prinzip eines elektro-chemischen Prozesses, bei dem unter der Bildung von Wärme und Strom aus Sauerstoff und Wasserstoff Wasser entsteht: Der Wasserstoff gibt an der Anode Elektronen ab und wird in H⁺- Ionen (Protonen) überführt, die anschließend durch die Membran, die Anoden- und Kathodenraum trennt, zur Kathode wandern. Die abgegebenen Elektronen wandern über einen Stromleiter zur Kathode und ionisieren den Sauerstoff. Dabei fließt Strom, der genutzt werden kann. Gleichzeitig reagiert Sauerstoff mit den Protonen zu Wasser. Diese Reaktion ist exotherm, d. h. es entsteht Wärme, die an ein Heizsystem übertragen werden kann.
Um die Energiemengen zu erhöhen, werden die Brennstoffzellen zu sogenannten „Stacks“ verbaut. Hauptsächlich werden die Brennstoffzellen mit Erdgas betrieben. Durch einen internen Reformer wird das Erdgas (CH₄) mit heißem Wasserdampf zu H₂ überführt und anschließend in die Brennstoffzelle gebracht.

• Einsatzspektrum: 1 bis 20 kW_el
• Stromkennzahl: Hohe Stromkennzahlen P_el/P_th erreichbar: 0,5 - 6
• Mögliche Energieträger: Erdgas (inkl. Reformer), H₂, Methanol, Klärgas/Biogas (befindet sich im Forschungsstadium)
• Zu beachten: Die Emissionsgrenzwerte sind nach TA-Luft einzuhalten.
• Vorteile: Sehr hohe Stromkennzahlen erreichbar; Geringe Emissionen
• Nachteile: Nischenprodukt; Kosten

• Deckung des Eigenbedarfs oder Einspeisung in das Stromnetz
• Stromgeführter KWK-Betrieb: Die Anlage läuft, wenn Strom benötigt wird und kann sowohl der Versorgungssicherheit dienen als auch als Systemdienstleister (Dienste zur Funktionstüchtigkeit der Stromversorgung) fungieren.
• Hauptsächlich werden GuD-Kraftwerke (mit Entnahme-Kondensationsturbine) eingesetzt, da diese eine hohe Stromkennzahl aufweisen.
• Auch bei KWK-Anlagen, die vorrangig für die Stromproduktion eingesetzt werden, muss ein geeigneter Wärmeabnehmer vorhanden sein (gegebenenfalls in Kombination mit einem Wärmepufferspeicher).

• In der Industrie: Nutzung der erzeugten Wärme als Prozesswärme und / oder Einspeisung der Wärme in ein Wärmenetz.
• Im Siedlungs- / Gebäudebereich: Private Nutzung der Wärme für Heizung (Raumwärme) und Warmwasserbereitstellung und / oder Einspeisung in ein Nahwärmenetz.
• Wärmegeführter KWK-Betrieb: Die Anlage läuft, wenn Wärme benötigt wird. Der Strom wird bei fehlender Eigennutzung ins Stromnetz eingespeist.

Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung ist die Nutzung der Wärme aus einem KWK-Prozess zur Kälteerzeugung in einer wärmebetriebenen Kältemaschine. Dadurch entstehen auch außerhalb der Heizperioden ein höherer Wärmebedarf und eine daraus resultierende Erhöhung der Jahresbetriebsstundenzahl.

• Kraftwerke speisen den gewonnenen Strom ins Stromnetz ein und geben die Abwärme an das Wärmenetz ab. Rund 80 % der Fernwärme in Deutschland wird durch KWK bereitgestellt. Wichtig für ein Wärmenetz sind dabei kurze Entfernungen sowie eine sehr gute Dämmung der Rohrleitungen, sodass Wärmeverluste gering bleiben.
• Am wertvollsten ist es, wenn der Strom direkt verbraucht wird, da der Endkundenstrompreis die Erzeugungskosten um ein Vielfaches übersteigt und gleichzeitig Transportverluste vermieden werden.
• Mehrere kleine BHKW können im Zusammenschluss eines virtuellen Netzwerkes ähnlich wie ein großes Kraftwerk an der Stromeinspeisung im Netz teilhaben. Hierfür werden die BHKW zentral gesteuert und können flexibel auf schwankenden Anteil der Erneuerbaren Energien (Sonne / Wind) reagieren und zur Stabilisierung der Netze angefahren werden. Es werden keine großen Einzelflächen benötigt und eine schnelle Regulierbarkeit des Systems erreicht.

Speicher können in beiden Varianten Sinn machen, denn Strom und Wärme werden immer gleichzeitig erzeugt, während zu bestimmten Zeiten nur Strom oder Wärme benötigt wird. Dies sollte im Einzelfall überprüft werden.

• Bei einem stromgeführten Betrieb kann in Zeiten, in denen kein Wärmebedarf besteht, ein Wärmespeicher beladen werden.
• Bei einem wärmegeführten Betrieb kann der momentan überflüssige produzierte Strom in einem Stromspeicher gespeichert und zu späterer Zeit verbraucht werden. Damit wird der Strombezug vom Energieversorger vermieden. Den entscheidenden Faktor spielt hierbei der Preis bzw. die Preisentwicklung des Stromspeichersystems.
• Auch beim wärmegeführten Betrieb hat ein Wärmespeicher einen Vorteil. Die Laufzeit der Anlage und damit der Wirkungsgrad der Anlage erhöhen sich: Die Anlage läuft seltener an, dafür aber länger am Stück.

• Allgemein: KWK-Anlagen laufen im Privatbereich in der Regel wärmegeführt. Damit die KWK-Anlage eine hohe Laufzeit und somit einen höheren Wirkungsgrad besitzt, versorgt die Anlage die Grundlast des Wärmebedarfs. (Vorsicht vor Überdimensionierung der Anlage!)
• Nötige Erweiterung: Es ist ebenfalls ein Spitzenlastkessel von Nöten, der an kalten Tagen parallel zugeschaltet wird. Dies sollte nach Möglichkeit ein effizienter Brennwertkessel oder eine umweltfreundliche Technik wie eine Pelletheizung sein.
• Einspeisung / Nutzung: Auch hier gilt: Strom am besten selbst nutzen statt einspeisen.
• Wirtschaftlichkeit: Ob eine KWK wirtschaftlich gesehen im Eigenheim Sinn macht oder nicht, muss vorab von einem Fachmann geklärt werden. Denn: Es ist eine stetige Wärmeabnahme von Nöten. Daher ist ein BHKW für Effizienzhäuser mit geringem Wärmebedarf nur bedingt geeignet. Hier bietet sich möglicherweise eine Brennstoffzelle an, da diese eine hohe Stromkennzahl aufweist.
• Kosten: Da die KWK-Technologie mit einem Investitionsbetrag von ca. 15.000 - 30.000 Euro relativ kostenintensiv ist, sollte die Anlage mehr als 5.000 Stunden im Jahr betrieben werden (d. h. 2/3 des Jahres), damit sie wirtschaftlich sinnvoll ist.
• Zusatzkosten: Da die meisten BHKW erdgasbetrieben sind, ist ein Erdgasanschluss von Nöten. Alternativ fallen Kosten für einen Tank für die Lagerung von Flüssiggas / Heizöl oder Pellets inklusive Pellet-Förderschnecke etc. an. Betriebskosten für Energieträger und regelmäßige Wartungskosten kommen zudem noch oben drauf.
• Mehrfamilienhaus: Hierbei gilt es zu beachten, dass die Abnahme des Stroms nicht garantiert ist, da jeder Eigentümer / Mieter seinen Stromversorger frei wählen kann. Zudem sind weitere Bedingungen des Mieterstromgesetzes zu beachten.