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Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme. Sie sind zumeist eingebunden in ein System aus Wärmenetz, Wärmespeicher und zunehmend auch Power-to-Heat-Anlagen. Über diese flexiblen „KWK-/Wärmenetzsysteme“ werden viele Wärmekunden versorgt und gleichzeitig wichtige Beiträge zur Versorgungs- und Systemsicherheit im Stromsektor geleistet. KWK-/Wärmenetzsysteme spielen so bei der Realisierung der Wärmewende in Städten eine Schlüsselrolle.

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Was versteht man unter "Kraft-Wärme-Kopplung"?

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gleichzeitige Erzeugungvon Strom (Kraft) und Wärme. KWK-Konzepte decken ein Leistungsspektrum von 1 kW bis hin zu mehreren 100 MW ab. Die elektrischen Wirkungsgrade reichen von etwa 25 % bei Motoren mit kleineren Leistungen bis über 40 % bei Großmotoren; die thermischen Wirkungsgrade variieren zwischen etwa 60 % bei den kleinen und ca. 45 % bei großen Motoren.

Kleinere bis mittelgroße Anlagen für den Einsatz in Industrie, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) oder Privathaushalten werden als sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW) bezeichnet, welche meist entweder auf dem klassischen Kolbenmotorprozess oder auf dem Gas- bzw. Dampfturbinenprozess basieren. Seltener kommen Brennstoffzellen oder Stirling-Motoren zum Einsatz. BHKWs können eine elektrische Leistung von wenigen hundert Watt bis zu mehreren Megawatt haben.

Wasserstoff-Blockheizkraftwerk (H2-BHKW) agenitor 404c H2 von 2G Energy mit einer elektrischen Leistung von 115 kW (129 kW thermisch) (Foto: 2G Energy AG)
Wasserstoff-Blockheizkraftwerk (H2-BHKW) agenitor 404c H2 von 2G Energy mit einer elektrischen Leistung von 115 kW (129 kW thermisch) (Foto: 2G Energy AG)

So lässt sich für jeden Anwendungsfall, vom Wohngebäude über die Heizzentrale eines Wärmenetzes bis zum großen Kraftwerk, die passende Anlagengröße finden. Prinzipiell gibt es dazu drei Möglichkeiten eine KWK-Anlage auszulegen bzw. zu betreiben:

  • Bei der wärmegeführten Betriebsweise wird die Anlage auf den benötigten Wärmebedarf ausgerichtet. Im Idealfall erfolgt eine Abdeckung der Wärmegrundlast über die KWK-Anlage. Nicht benötigter Strom wird in das Stromnetz eingespeist.
  • Bei der stromgeführten Betriebsweise steht primär die Stromerzeugung im Vordergrund, wobei der gesamte erzeugte Strom möglichst selbst verbraucht wird. Nicht nutzbare Wärme wird entweder abgeführt oder gespeichert.
  • Bei einer kombinierten Betriebsweise werden die zuvor beschriebenen Fahrweisen mit dem Fokus auf möglichst geringe Betriebskosten kombiniert.

Die Vorteile von KWK-Anlagen sind die flexible Betriebsweise (die Anlage läuft nur, wenn Strom bzw. Wärme benötigt wird), die flexible Leistungsbereitstellung (die meisten Anlagen können ihre elektrische Leistung modulieren) und die Reduzierung von Verlusten, die bei der Energieumwandlung entstehen. Wird Strom zentral im Kraftwerk erzeugt und Wärme im Kessel vor Ort, muss bis zu 50 % mehr Brennstoff eingesetzt werden als bei einem Blockheizkraftwe

Energie-und Zukunftsspeicher der Stadtwerke Heidelberg (Grafik: Stadtwerke Heidelberg)
Der 55 Meter hohe Energie-und Zukunftsspeicher soll Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen der Stadtwerke Heidelberg wie dem Holz-Heizkraftwerk speichern, wenn viel Strom gebraucht wird. In Zeiten mit geringer Nachfrage für Strom wird die Wärme wieder abgegeben. (Grafik: Stadtwerke Heidelberg)

CO2-Ersparnis bei der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung

Mit über 116 Milliarden erzeugten Kilowattstunden haben Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen 2017 fast 19 Prozent zur Nettostromerzeugung in Deutschland beitragen. Durch die klimaschonende Technik werden jedes Jahr CO2-Emissionen in Höhe von 58 Millionen Tonnen eingespart.

Würde die Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung bis 2030 auf 150 Mrd. kWh angehoben und Kohle durch Gas als Brennstoff ersetzt (fuel switch), ließen sich insgesamt sogar 86 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr einsparen. Das wäre ein signifikanter Beitrag für die Erreichung des Klimaziels von 61 Prozent CO2-Emissionsminderung bis 2030 gegenüber 1990.

Anteil an der Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung in Deutschland in Mrd. kWh (Grafik: BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.)
Anteil an der Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung in Deutschland in Mrd. kWh (Grafik: BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.)

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Weitere Informationen über Kraft-Wärme-Kopplung

"Kraft-Wärme-Kopplung: Technik, Kosten & CO2" wurde am 28.04.2020 das letzte Mal aktualisiert.