Heizungs-ABC: Was ist Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)?

Die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung, kurz: KWK, meint, dass mechanische Energie, die dann meist direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, und thermische Energie zugleich in einem gemeinsamen Vorgang erzeugt werden. Der entstehende Strom kann unmittelbar zum Antrieb von Elektrogeräten, -maschinen und -anlagen verbraucht werden. Die Wärme kann als Heizwärme oder als Prozesswärme dienen. Das technische Prinzip KWK wird in Heizkraftwerken (HKW) eingesetzt, darunter auch Blockheizkraftwerke (BHKW). Alles, was ihr zur KWK wissen müsst, erklären wir in diesem neuen Kapitel unseres Heizungs-ABC.

Das menschliche Bedürfnis nach Wärme, Kraft und Bewegung ist seit jeher Antrieb zur Entwicklung technischer Gerätschaften, die zum technologischen Fortschritt beitragen. Denkt nur mal an die Heizungen im weitesten Sinne, angefangen von Lagerfeuern, über Kamine und Öfen bis hin zur Solarthermie-Heizung. Die heute erreichte Vielzahl und Vielfalt der Heizungssysteme ist enorm.

Lange Zeit waren Maschinen allein zur Krafterzeugung ausgelegt,  ohne dass man sich die dabei anfallende Wärme zunutze machte. Bei vielen Motoren zum Beispiel geht diese bis heute ungenutzt an die Umwelt verloren. Im Zuge wachsenden Energie- und Umweltbewusstseins richtet sich der Fokus auch auf das Nebenprodukt Wärme und Kraft erzeugende Maschinen werden als Wärmeerzeuger betrachtet. Kraft plus Wärme – mit der systemischen Kopplung beider Energie-Erzeugungstechnologien schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe. Das ist aus energetischer Sicht nix Neues: Schon das offene Feuer brachte schließlich Licht- und Wärmeenergie.

Bei Heizkraftwerken, die nach dem Prinzip Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Wärme erzeugen, geht im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken weniger  Wärme (besser: Abwärme) an die Umwelt verloren. Stattdessen wird die Abwärme

• als Heizwärme zum Heizen von Gebäuden genutzt
• oder als Prozesswärme zur Realisierung gewerblicher oder industrieller Prozesse.

KWK bringt höhere Energieeffizienz

Wo wir grade beim Vergleichen sind: Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. (B.KWK) schreibt, dass in herkömmlichen Kraftwerken nur 30 bis 40 Prozent der eingesetzten Primärenergie in Strom umgewandelt würden. 60 bis 70 Prozent blieben demnach ungenutzt – oder würden sich infolge der Bildung von Kondensationswolken oder der Aufheizung von Flüssen sogar negativ auf die Umwelt auswirken. Beim Stromerzeugen in einem KWK träten dagegen nur rund 10 bis 20 Prozent Verluste auf, bei Brennwertnutzung sogar noch weniger. Damit sinke die Menge an Treibhausgas-Emissionen pro Kilowattstunde Strom deutlich.

Die Wiki nennt folgende Zahlen: Thermische Kraftwerke erzeugten Großteils ausschließlich elektrischen Strom mit der beim Verfeuern eines Brennstoffs freigesetzten Wärme. Nutze man zusätzlich auch die Abwärme als Prozesswärme oder speise sie in ein Wärmenetz ein, habe das damit KWK-Heizkraftwerk einen höheren Nutzungsgrad. Rein stromerzeugende Anlagen kämen demzufolge auf Wirkungsgrade zwischen 33 Prozent (ältere Anlagen) und 61,5 Prozent (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke) erreichen, während die Nutzungsgrade bei KWK-Anlagen bei 85 Prozent und höher lägen.

Und das Umweltbundesamt (UBA) schreibt, dass KWK-Systeme einen deutlich höheren Brennstoffausnutzungsgrad im KWK-Betrieb hätten. Sie würden dann einen deutlich größeren Teil der in den Brennstoffen enthaltenen Energie als herkömmliche Systeme nutzen. Im Vergleich zu einer Anlage auf dem neuesten Stand der Technik, die Strom und Wärme separat erzeuge, seien bis zu 20 Prozent Einsparungen an Primärenergie möglich.

Potential von KWK

Etwa 38 Prozent des gesamten Primärenergieverbrauchs in Deutschland gehe dem B.KWK zufolge  für die Erzeugung von Strom drauf, die noch immer zu rund 80 Prozent in fossilen und nuklearen Kondensationskraftwerken erfolge. Dabei gingen fast zwei Drittel der eingesetzten Energie ungenutzt verloren. Gelänge es, so schreibt der Verband weiter, diese enormen Verluste weitgehend nutzbar zu machen, so käme das praktisch der Erschließung einer gigantischen, neuen und vor allem: heimischen Energieressource gleich. Ihr Anteil an der Energieversorgung ließe sich demnach mit der gesamten jährlichen Produktion an Kohle, Erdgas und Mineralöl in Deutschland (900 TWh) vergleichen. Wir sitzen also – bildlich gesprochen – auf einer Energiequelle namens Kraft-Wärme-Kopplung.

Um die bei der Stromerzeugung im Heizkraftwerk abfallende Wärme quasi zu recyceln (wiederzuverwenden),  werde der entstehende Dampf teilweise für Heizzwecke ausgekoppelt. Dadurch vermindere sich laut der Wikipedia zwar der Wirkungsgrad der Erzeugung elektrischer Energie etwas, aber der Gesamtnutzungsgrad ließe sich bei kompletter Abwärmenutzung bis auf etwa 90 Prozent steigen.

Grund genug, die KWK zu fördern und Markthemmnisse auszuräumen, um das hierzulande noch nicht gehobene hohe Einsparpotenzial zu aktivieren.

Das UBA nennt hier die folgenden drei aktuellen Fakten zur KWK:

• Die mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) erzeugte Strommenge habe sich demnach bis 2016 langsam, aber nahezu stetig erhöht.
• Im KWK-Gesetz (Novellierung von 2016) sei festgeschrieben, dass im Jahr 2020 mit KWK 110 Terawattstunden (TWh) Strom erzeugt werden sollen. Im Jahr 2025 sollen es laut UBA 120 TWh sein.
• Im Jahr 2016 sei das Ziel für 2020 bereits übertroffen worden.

Hohe Vielfalt bei Anlagen zur Kraft-Wärm-Kopplung

KWK-Anlagen sind inzwischen in einem breiten Spektrum an elektrischer und thermischer Leistung  – von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt – zu haben. Längst haben sich zum Beispiel sogenannte Mini- und Mikro-BHKW in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels bewährt. Kurz: Es gibt inzwischen für jeden Wärmebedarf passende KWK-Anlagen.

Im Vergleich zu den aktuell besten Technologien der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme würden KWK-Anlagen je nach Versorgungssituation Primärenergie von bis zu 30 Prozent einsparen. Dass die Einsparungen im Schnitt nicht noch höher ausfielen, hänge laut der Wiki damit zusammen, dass der reale Strom- und Wärmebedarf starken Schwankungen unterliege. Vor allem bei nur geringem Wärmebedarf von Haushalten im Sommer führe dies dazu, dass einige Heizkraftwerke im Kondensationsbetrieb liefen und keinen KWK-Strom produzieren könnten. Dem werde mit der Installation von Fernwärmespeichern abgeholfen, um die KWK-Wärme bis zum Abruf der Wärmekunden zwischenzuspeichern.

Zum Weiterlesen:

Studie: „Die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung in der Energiewende. Status quo, Perspektiven und Weichenstellungen für den sich wandelnden Strom- und Wärmemarkt“

Grafik (Titel); Doreen Brumme