Kurs: Technik, Energie und Nachhaltigkeit | OnCourse UB

  • Lektion 2

    • Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung

      Kraft- und Wärme-Kopplung

      Unter Kraft- und Wärmekopplung (KWK) versteht man die gleichzeitige Umwandlung von Energie (z.B. eines Biogases) in elektrische Energie und Wärme durch einen Verbrennungsprozess. Die produzierte Wärme wird als Warmwasser für Heizzwecke oder als Prozesswärme genutzt. Insgesamt wird eine Effizienz von um die 90% erreicht.

      Als klassische KWK-Technologien stehen Verbrennungsmotoren, Dampfturbinen und Gasturbinen zur Verfügung. Gasturbinen finden Einsatz in der Industrie für Niedertemperatur-Prozesswärme bis 500°C.

      Neuere Technologien sind der Stirlingmotor und die Brennstoffzelle:
      • Ein Stirlingmotor wandelt thermische Energie, z.B. der Biogasverbrennung, in einem Blockheizkraftwerk in Strom und Wärme um. Der Kraft-Wärme-Kopplungseffekt besteht hier in der Ableitung von Wärme für Heizzwecke und der Stromerzeugung über Stirlingmotor mit anschließendem Generator. 
      • In der Brennstoffzelle wird ein Brennstoff - üblicherweise Wasserstoff - in Strom, Wärme und Wasser umgesetzt. Statt Abgasen tropft dann beim Brennstoffzellenfahrzeug Wasser aus dem Auspuff. Der Strom wird im Elektromotor des Brennstoffzellenfahrzeuges für den Antrieb eines PKW´s genutzt.

      Blockheizkraftwerke
      Blockheizkraftwerke (BHKWs) sind eine noch relativ junge Technologie, die 1996 mit der serienreifen Mikro-Blockheizkraftwerk-Produktion „Dachs“ der Firma Senertec begonnen wurde. Die technischen Vorläufer sind allerdings wesentlich älter, dazu zählt die Erfindung des Gasturbinen-Motors (1791), Stirling-Motors (1816) und den Prototypen der heutigen Generatoren (1832). Die Anlagengrößen sind dabei sehr variabel, bei größeren Anlagen spricht man dann nicht mehr von BHKW, sondern von KWK-Anlagen bzw. von Heizkraftwerken. Die Einteilung ist wie folgt:

      • Mikro-BHKW (bis 3 kW), 
      • Mini-BHKW (3-20 kW, 20-50 kW), 
      • BHKW (50-250 kW, 250-1000 kW) 
      • KWK-Anlage (1-10 MW) 
      • großes Heizkraftwerk (> 10 MW). 

      BHKW´s können rein technisch auch mit fossilen Energiequellen betrieben werden. Es handelt sich meist um gasförmige oder flüssige Brennstoffe. Als erneuerbare Brennstoffe eignen sich Biogas oder Bioerdgas, Holzgas, Pflanzenöl, aber auch Klärgas, Deponiegas oder in Zukunft der Wasserstoff.
    • Die Kraft-Wärmekopplung steht an der Schnittstelle zwischen Strom- und Wärmemarkt. Durch ihre hohe Effizienz sind KWK-Anlagen eine tragende Säule der erneuerbaren Energiewirtschaft. Um den Bau von KWK-Anlagen zu fördern, wurde deshalb zwei Jahre nach dem Erneuerbare Energiegesetz 2002 in Deutschland das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) erlassen. Wesentlicher Teil ist, dass KWK-Anlagen befristet eine Vergütung für den in der Anlage erzeugten Strom, genannt KWK-Zuschlag, erhalten. Voraussetzung der Förderung ist die Zulassung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).

      Nach dem Kraft-Wärmekopplungsgesetz in der Fassung von 2023 müssen KWK-Anlagen ab einer Kapazität von mehr als 500 kWel (minimale elektrische Leistung in kW) bis einschließlich 10 MWel (maximale elektrische Leistung in MW) öffentlich ausgeschrieben werden. Das Ziel ist der Wettbewerb und damit verbunden eine Kostendegression der Anlagen.

      Ausschreibung zum Bau von KWK-Anlagen

      Das Prinzip ist ähnlich wie bei der Ausschreibung von Wind- und PV-Anlagen. Zweimal pro Jahr finden durch die Bundesnetzagentur öffentliche Ausschreibungen für KWK-Anlagen statt. Dann wird wie bei einer Auktion im Wettbewerb geboten. Die Gebote müssen sich auf einen bestimmten anzulegenden Wert in ct/kWh KWK-Strom (Gebotswert) und auf eine in Kilowatt anzugebende Anlagenleistung (Gebotsmenge) beziehen. Die Gebote mit den niedrigsten Gebotswerten erhalten einen Zuschlag, bis das Volumen des jeweiligen Gebotstermins erreicht ist (vgl.: Bundesnetzagentur 2024).

      Nur Blockheizkraftwerke, die erneuerbare Brennstoffe einsetzen, tragen aktiv zum Klimaschutz bei und haben eine Zukunft. 

      Auch bei BHKW´s ist bezüglich der Nachhaltigkeit der Brennstoffe zu differenzieren: 

      • die Verbrennung von Palmöl hat hinsichtlich der damit verbundenen möglichen Regenwaldverluste infolge des Ölpalmenanbaus keine Zukunft. 
      • Hingegen ist das Verbrennen von Biogas, welches aus Reststoffen wie Gülle und der Biotonne hergestellt wurde, eine nachhaltige Alternative. 
      Einsatzbereiche von BHKWs
      Die Herausforderung der sinnvollen BHKW-Nutzung ist die vollständige Nutzung der Wärme, im Sommer- wie im Winterhalbjahr. Deshalb sind Anlagen im Idealfall am Ort der Wärmenutzung zu errichten.

      Die typischen Einsatzbereiche haben BHKW´s in Gebäuden, wo kontinuierlich über das Jahr Wärme benötigt wird. Dazu zählen Industriebetriebe mit Prozesswärmebedarf, Krankenhäuser, Kurkliniken, kleine Mehrfamilienhäuser, Altenheime, Hallenbäder und Schulen sowie Hotels und Pensionen. Biogas-betriebene BHKW´s bieten eine ideale Voraussetzung für Nahwärmenetze in der ländlichen Region, wenn öffentliche Infrastruktur (Rathaus, Schulen, Sporthalle), aber auch Wohnsiedlungen mit Einfamilienhäusern versorgt werden. Die Beheizung von Einzelhäusern ist dann nicht mehr nötig.

      Ein gleichmäßiger Wärmebedarf mit zeitlich parallel verlaufendem Strombedarf stellt den Idealfall für die wirtschaftliche BHKW-Nutzung dar. In diesem Fall werden lange BHKW-Laufzeiten erreicht und der produzierte Strom kann als Eigenstrom genutzt werden. 

      Der häufige Fall einer Wärmenutzung aus einem landwirtschaftlich betriebenen BHKW in mitteleuropäischem Klima ist die Beheizung des Fermenters der Biogasanlage selbst. Denn der Prozessablauf im mesophilen Bereich (35°C) wäre sonst zu häufig durch zu kalte Außentemperaturen gestört. Alternativ kann die im BHKW produzierte Wärme auch in ein lokales Nahwärmenetz eingespeist werden oder es können landwirtschaftliche Trocknungsprozesse unterstützt werden und damit bisher Erdgas- oder Strom-basierte abgeschaltet werden.

      Potential von BHKWs

      Mit dem zunehmenden Ausbau von Windkraft und Solarenergie wird die Bedeutung von Verbrennungs-getriebenen BHKW´s voraussichtlich etwas zurückgehen. 

      Ein Grund ist, dass die Rahmenbedingungen gemäß EEG sich für Biogasanlagen, die nach 20 Jahren Nutzungszeit weiterbetrieben werden sollen und aus der bisherigen EEG-Förderung herausfallen, verschlechtert haben. Ein weiterer Grund ist, dass die Stromgestehungskosten von BHKW-Strom auf Biomassebasis im Vergleich zu Solaranlagen und Windkraft höher sind (siehe Bild in vorausgegangenem Kapitel). Gasbetriebene KWK-Anlagen mit mehr als 10 MWel- Leistung müssen ab 2028 auf den ausschließlichen Betrieb mit Wasserstoff umrüstbar sein.

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