Kraft-Wärme-Kopplung

In Zeiten von Klimawandel und effektiver und sparsamer Nutzung wertvoller Ressourcen sind alternative und umweltfreundliche Methoden zur Energiegewinnung ein wichtiges Thema. Eine wichtige Rolle spielt dabei auch die Kraft-Wärme-Kopplung. Viele Verbraucher haben den Begriff sicher häufiger gehört, aber können sich nicht recht vorstellen, wie das genau funktioniert. Im Grunde ist es einfach: Die Kraft-Wärme-Kopplung, oder auch einfach kurz KWK, nutzt zur Erzeugung von Strom und Wärme bzw. Warmwasser die Energie doppelt. Die Funktionsweise gleicht ein bisschen der eines Motors im Auto. Dabei wird die eingesetzte Energie, in diesem Fall Diesel oder Benzin, in Bewegungsenergie umgewandelt. Als nützlicher Nebeneffekt entsteht dabei auch Wärme, die bei Bedarf für die Heizung genutzt werden kann. Die KWK nutzt das gleiche Prinzip, allerdings wird hier die eingesetzte Energie genutzt, um Strom zu erzeugen. Die entstehende Wärme dient ebenfalls der Heizung.

In Wohngebäuden liefern für gewöhnlich Großkraftwerke Strom. Diese Energieversorgung ist jedoch wenig effizient. In den Kraftwerken bleibt ein großer Teil der Energie ungenutzt. In Kohlekraftwerken etwa gehen über 60 Prozent der Energie als Wärme verloren. Der Transport des Stroms kosten etwa 6,5 Prozent. Das heißt, es kommen knapp 40 Prozent der Energie beim Verbraucher effektiv als Strom an.

Kraft-Wärme-Kopplung nutzt Abwärme

Die Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet dezentral und nutzt die eingesetzte Energie wie etwa Gas doppelt. Der Strom wird direkt vor Ort produziert, wo er gebraucht wird. Die entstehende Wärme kann ohne Leitungsverluste direkt für die Heizung genutzt werden. Für die Effizient spricht auch der große Wirkungsgrad. Er liegt für KWK bei 90 Prozent und mehr. So werden also fast die komplette Energie auch im Wohnhaus genutzt.

Weitere Vorteile der KWK sind

– Effiziente Nutzung von Gas oder Brennstoffen

– Einsparung von etwa einem Drittel der Energiekosten, niedrige Emissionswerte

– Unabhängige Stromerzeugung

– Wertsteigerung des Hauses

– Überschüssiger Strom gelangt gegen Vergütung ins öffentliche Stromnetz

– Unkomplizierte und Platz sparende Umrüstung

–  Nutzung vorhandener Heizkörper weiter möglich

– Aktiver Betrag um Klima- und Umweltschutz

So nutzt die Kraft-Wärme-Kopplung oder auch Wärme-Kraft-Kopplung die Energie zur Stromerzeugung in privaten Ein- oder Mehrfamilienhäusern, Wohngebieten und zur Wärmegewinnung über Fernwärme oder in Industriebetrieben als Prozesswärme für Produktionsprozesse, z.B. in der chemischen Industrie.

Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung

Es gilt viele verschiedene Ausführungen von KWK-Anlagen mit Blick auf die elektrische und thermische Leistung. Sie betragen entweder wenige Kilowatt oder auch mehrere hundert Megawatt. Seit dem neuen Jahrtausend kommen vor allem in Privathäusern, aber auch im Gewerbe oder der Gastronomie die so genannten Blockheizkraftwerke bzw. Mini- oder Mikro KWK-Anlagen zum Einsatz. Die Unternehmen VW und Lichtblick begannen 2009 mit einem Projekt mit zahlreichen Mini-Blockheizkraftwerken mit einer Leistung von gut zwei Gigawatt. Diese Klein-Anlagen sind vor allem für Gewerbebetriebe und Mehrfamilienhäuser geeignet. Derzeit steht in England die größte KWK-Anlage Europas.

Die thermischen Kraftwerke in Deutschland decken einen Großteil des Strombedarfs und produzieren durch die aus Brennstoff entstehende Wärme elektrischen Strom. Wir sprechen von KWK-Anlagen, wenn zudem die entstehende Abwärme für Fernwärme oder Prozesswärme genutzt wird. Hier liegt ein höherer Nutzungsgrad vor. Die Anlagen, die ausschließlich Storm erzeugen, weisen Wirkungsgrade von etwa 33 bis 61 Prozent auf, dazu gehören etwa ältere Anlagen oder auch Gas- und Dampf-Kraftwerke. Mit der Kraftwärme-Kopplung können Werte von über 60 Prozent erzielt werden. Wie erwähnt sind dabei sowohl die elektrische Energie wie auch die thermische Energie für die Verbraucher nutzbar.

Bei Heizkraftwerken für die öffentliche Versorgung, die mit Wasserdampf arbeiten, sprechen wir auch von Entnahme-Kondensationsanlagen. Hier ist das Problem, dass neben der Steigerung des Nutzungsgrades auch eine geringere Stromproduktion, also ein niedrigerer elektrischer Wirkungsgrad vorliegt. Das liegt daran, dass der Dampf vor den letzten Stufen der Turbine entnommen wird, damit die Heiz-Temperatur ausreicht. Bei Kraftwerken ohne KWK dagegen wird die Restwärme mit Hilfe des Kondensators und über den Kühlturm nach draußen abgegeben.

Vergleicht man die aktuell effektivsten Technologien zur separaten Strom- und Wärmeerzeugung, lassen sich mit modernen KWK-Anlagen bis zu 30 Prozent der Primärenergie einsparen. Theoretisch wären noch mehr Einsparungen möglich, doch der tatsächliche Bedarf an Strom und Wärme ist mit vielen Schwankungen verbunden. Als Beispiel sind hier z.B. Wohngebiete zu nennen, die etwa im Sommer einen niedrigen Bedarf an Wärme haben und im Winter einen entsprechend höheren Bedarf.

Die Technik der Kraft-Wärme-Kopplung

In Kraftwerken, die mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten, wird ein Teil des entstandenen Dampfes zum Heizen genutzt. Diese Maßnahme senkt zwar den Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung bzw. der Gewinnung der elektrischen Energie, dennoch steigt letztlich der Nutzungsgrad im Ganzen auf 90 Prozent oder auch darüber hinaus. Bei der Verbrennung fallen Abgase an. Diese enthalten Kohlenstoffdioxid, der etwa in Gewächshäusern in der Landwirtschaft genutzt werden könnte. Der Nutzungsgrad könnte hier klar über 90 Prozent liegen. Das CO² in den erwähnten Abgasen wird zur Photosynthese benötigt. Vor der Nutzung im Gewächshaus müsste das CO² jedoch mit Hilfe eines Katalysators aufbereitet werden.

Einsatz verschiedener Brennstoffe für KWK-Anlagen

Um die Kraft-Wärme-Kopplung effektiv nutzen zu können, sind Brennstoffe notwendig. Für das Prinzip der Anlagen ist im Grunde jeder Brennstoff einsetzbar. Wichtig für die Brennstoffe oder alternativen Wärmequellen ist eigentlich nur, dass sie ein Temperaturniveau von mindestens 200° Celsius erreichen. So kommen bekannte Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas oder Heizöl in Frage. Häufig kommen auch alternative bzw. erneuerbare Energien wie Biogas, Klär-Gas, Pflanzenöl wie Rapsöl, Pellets, Holz, Bio-Ethanol, Solar-Thermie, Geo-Thermie, Klär-Gas oder Gas von Deponien zum Einsatz. Zu erwähnen wäre auch der Einsatz der Kernenergie.

Die Auslegung der KWK-Anlagen

Bei Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen unterscheiden wir zwischen der stromgeführten oder der wärmegeführten Auslegung. Das hängt davon ab, welche Energieform im konkreten Fall mehr Priorität hat. So dominiert bei stromgeführten Anlagen der optimale Stromertrag, bei wärmegeführten Anlage die optimale Wärmegewinnung. Vor allem mit der wärmegeführten Auslegung können besonders hohe Nutzungsgrade erzielt werden, da hier ein geringer Energieverlust entsteht. Betrachtet man das Ganze wirtschaftlich, ist die stromgeführte Auslegung empfehlenswert. Pro Kilowattstunde werden hier höhere Erträge erzielt. Zudem kann mit einem Fernwärmespeicher die entstehende Wärme gespeichert werden.  Die Wärme kann vielseitig verwendet werden. Möglich ist die Nutzung als Warmwasser, als Fernwärme oder als Wasserdampf mittels Rohrleitungen zum Heizen des Wohnhauses, als Prozesswärme in der Industrie oder als Aquakultur in der Lebensmittelindustrie.

Nützlich ist, dass mit dem Einsatz der großen Wärmespeicher bei der Kraft-Wärme-Kopplung die Erzeugung von Strom und Wärme entkoppelt werden kann. Die Wärme kann ja zwischenzeitlich gespeichert werden. Daher kann die KWK-Anlage stromgeführt laufen, und dennoch ist die Bereitstellung der Wärme gesichert. Wenn einmal hoher Strombedarf besteht, jedoch wenig Wärme benötigt wird, kann die Anlage dennoch voll betrieben werden. Der Speicher erhält die überschüssige Wärme. Wenn jedoch wenig Strom benötigt wird, dafür jedoch mehr Wärme, ist auch nur ein Teilbetrieb möglich und die Wärme aus dem Speicher kann genutzt werden. KWK-Anlagen werden vom Bund gefördert. Weil KWK-Anlagen zusammen mit den gro0ßen Wärmespeichern den Verbrauchern eine große Flexibilität bieten und zudem die Brennstoffe effizient nutzen, werden auch die Wärmespeicher vom Bund gefördert, im Rahmen der Änderungen des Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes.

Verschiedene Varianten der KWK-Anlagen

Weit verbreitet und immer bekannte sind als Variante der KWK-Anlagen die Blockheizkraftwerke oder kurz BHKWs. Hierbei handelt es sich um kleine oder mittelgroße Anlagen, die mit Verbrennungsmotoren oder auch Gasturbinen arbeiten. Diese BHKWs sichern die Wärmeversorgung für ein bestimmtes Objekt wie ein Wohnhaus sowie die nähere Umgebung. Größere Heizkraftwerke dagegen versorgen flächendeckend mit Fernwärme oder auch Industriebetriebe mit Prozesswärme. Großanlagen für Fernwärme verzeichnen höhere Leitungsverluste als Blockheizkraftwerke, sie sind damit weniger effizient. Allerdings steigt mit der Leistung auch die Stromkennzahl. Als Stromkennzahl bezeichnen wir das Verhältnis von Strom – und Wärmeerzeugung. Damit entsteht mehr Energie und die Anlage ist effizienter. Als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage kommen unter anderem Anlagen mit Brennstoffzellen, Anlagen mit Dampfturbinen, Gas- und Dampfturbinen, Gasturbinen oder auch Verbrennungsmotoren in Frage.

Zur Ergänzung sei die Kraft-Wärme-Kälte Kopplung, kurz KWKK erwähnt. Dabei kann neben Energie und Wärme auch Kälte entstehen. Dazu treibt die Nutzwärme eine Absorptionskältemaschine an. Auch wenn hier eine hohe Investition notwendig ist, vergleicht man das mit einer Kompressionskältemaschine, können KWKK-Anlagen dennoch wirtschaftlich laufen, da im Sommer die Wärme zur Klimatisierung genutzt werden kann und somit höhere Laufzeiten möglich sind.

Mögliche Fördermaßnahmen der KWK

Wer in Deutschland ein KWK anschaffen möchte, hat von Seiten der Länder und des Bundes verschiedene Möglichkeiten der Förderung. Zunächst einmal gilt vor allem das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, kurz KWKG, das unter anderem Förderungen regelt. Förderwürdig sind demnach Anlagen, die in der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage erneuerbare Energien nutzen, wie zum Beispiel Biogas. Außerdem gilt das Erneuerbare-Energien-Gesetz, kurz EEG, das ähnliche Maßnahmen regelt.

Das KWK-Gesetz

Das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz zur Erhaltung, Modernisierung und zum Ausbau der KWK zielt vor allem auf die die Förderung und den Ausbau der KWK-Anlagen. Dies gilt zum einen für Anlagen, die mit fossilen Brennstoffen genutzt werden. Moderne Anlagen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, können zusätzlich gefördert werden, wenn der Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Modernisierte alte Kraftwerke arbeiten inzwischen effizienter, werden jedoch weniger gefördert. Auch sehr kleine KWK-Anlagen mit einer Leistung bis 50 Kilowatt erhalten eine Förderung pro erzeugte Kilowattstunde Strom. Dabei spielt keine Rolle, ob der erzeugte Strom selbst genutzt wird oder aber ins reguläre Stromnetz zugeführt wird. Ziel ist es, verstärkt KWK-Anlagen einzusetzen, um langfristig die Kohlendioxid-Emission zu senken. Das KWK-Gesetz trat im April 2002 in Kraft. Im Jahr 2008 gab es Neuerungen des Gesetzes, womit vor allem die Förderung ausgeweitet wurde. Bis 2020 soll laut KWK-Gesetz ein Viertel der gesamten Stromversorgung durch Kraft-Wärme-Kopplung gesichert werden. Kritische Stimmen verweisen darauf, dass die Förderung zu niedrig ist und die Konditionen sehr hoch und schwer zu erfüllen. Die Gesetzesänderungen traten am 1.Januar 2009 in Kraft. Damit haben nun auch Anlagen Anspruch auf Förderung, die zwischen Januar 2009 und Dezember 2016 in Betrieb genommen wurden. In jedem Fall werden auch Betreiber einer KWK-Anlage mit dem KWK-Zuschlag gefördert, die den Strom selbst nutzen und nicht ins allgemeine Netz einspeisen.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz

Seit 2009 gilt in Deutschland das überarbeitete Erneuerbare-Energien-Gesetz. Darin geht es unter anderem um die Nutzung der Abwärme, die bei der Stromerzeugung durch Biomasse in Biogas-Anlagen oder Biomasse-Heizkraftwerken entsteht. Dabei ist ein KWK-Bonus von drei Cent pro erzeugte Kilowattstunde möglich. Der Bonus kann auf die Grundvergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz angerechnet werden und wird vom Betreiber des regulären Stromnetzes bezahlt. Die Strommenge, die gefördert werden kann, setzt aus der Nutzwärme, der tatsächlich genutzten Abwärme und der Stromkennzahl einer Anlage ab. Die Stromkennzahl ergibt sich aus der elektrischen Leistung und dem Nutzwärmestrom. Die Stromkennzahl wird durch die Anlage und ihre spezifische Technik mit Generator und Wärmetauscher vorgegeben. Ein hoher Wirkungsgrad und eine intensive Nutzung der Abwärme bringen mehr förderwürdigen Strom. Für den Bonus einer KWK-Anlage sieht das Erneuerbare-Energie-Gesetz verschiedene Konditionen vor.

Das Gesetz zu den Erneuerbaren Energien sieht zudem einen so genannten Technologie-Bonus vor, der auch als Innovations-Bonus bezeichnet wird. Dies gilt beim Einsatz verschiedener Technologien wie Brennstoffzellen, Gasturbinen, Dampfmotoren, Organic-Rankine-Anlagen oder Mehrstoff-Gemisch-Anlagen wie Kalina-Cycle-Anlagen, aber auch Stirling-Motoren. Die Zahlungen der Boni oder Zuschläge wurden bisher direkt auf die Endverbraucher umgelegt.

2012 gab es eine Novelle des EE-Gesetzes. Damit wurden der KWK-Bonus wie auch der Technologie-Bonus ersatzlos gestrichen. Stattdessen wurde der KWK-Bonus in die EEG-Grundvergütung eingerechnet und gilt nun als Mindestanforderung für Anlagen mit Biomasse. Inzwischen wird eine Wärmenutzung von 25 bis 60 Prozent vorgeschrieben, wenn weniger als 60 Prozent flüssige Gülle eingesetzt wird. Anstelle des Technologie-Bonus sieht das EEG jetzt einen Bonus zur Gasaufbereitung vor. Dazu müssen geringere Methangas-Emissionen und ein geringerer Stromverbrauch belegt werden. Eine weitere Reform des Gesetzes folgte 2014. Darin wurde der Bonus zur Gasaufbereitung wieder abgeschafft, um die Kosten für die EEG-Umlage zu begrenzen.

Mögliche Steuervergünstigungen beim Kauf der KWK-Anlagen

Der Bund gewährt Betreibern einer KWK-Anlage die vollständige Erstattung der Energiesteuer, die frühere Mineralölsteuer, wenn die KWK-Anlage mit Erdgas, Heizöl oder Flüssiggas betrieben wurde und einen jährlichen Nutzungsgrad von 70 Prozent und mehr vorweisen kann. Inzwischen ist die vollständige Erstattung jedoch nur möglich, wenn der Nutzungsgrad mindestens 70 Prozent beträgt und die Anlage steuerlich noch nicht vollständig abgeschrieben wurde. Zudem muss sie gemäß der EU-Richtlinie 2004/8/EG hocheffizient sein. Die Stromsteuer entfällt außerdem dann, wenn die KWK-Anlage bis zu zwei Megawatt Leistung bringt und der Strom vom Betreiber im „räumlichen Zusammenhang“ genutzt wird.

Wir fassen zusammen: KWK

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist ein recht einfaches Prinzip, das eigentliche überall eingesetzt werden kann, wenn Wärme benötigt wird. Dabei ist von Vorteil, wenn der erzeugte Strom auch ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird oder eben direkt vor Ort genutzt wird. Beides ist eigentlich grundsätzlich der Fall. Hierbei ist es wichtig, dass die KWK-Anlage mit einem ausreichenden Temperaturniveau die Wärme erzeugen kann. Das ist eine wichtige Grundvoraussetzung, um Gebäude zu heizen oder Warmwasser sicherzustellen, aber auch für die Produktion in der Industrie oder in Gewerbebetrieben.

Von Vorteil ist, wenn die KWK-Anlage aufgrund der hohen Investitionskosten im Jahr möglichst viel und regelmäßig läuft. Bei Planung werden die Anlagen daher so konzipiert, dass sie den Wärmebedarf des größten Teils der Heizperiode abdecken, mit Ausnahme besonders kalter Wintertage. Hier wird dann ein Spitzenheizkessel eingesetzt, der den hohen Wärmebedarf der kältesten Tage abdeckt.