_Gebäudetechnik

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gehört prinzipiell zwar nicht zu den erneuerbaren Energien, ist aber eine energieeffiziente Technik und kann außerdem mit regenerativ erzeugten Brennstoffen betrieben werden, weshalb sie an dieser Stelle beschrieben werden soll. Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie in derselben Anlage innerhalb eines thermodynamischen Prozesses. Die bei der Erzeugung von Strom entstehende Abwärme wird in KWK-Anlagen nicht als Verlust an die Umwelt abgegeben, sondern für die Beheizung von Gebäuden oder für Produktionsprozesse genutzt.

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Die gleichzeitige Strom- und Wärmeproduktion ermöglicht eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie, verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme. KWK-Anlagen verwerten die eingesetzte Energie daher besonders effizient mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad, minimieren dadurch die Kohlendioxid-Emissionen und leisten somit einen Beitrag zum Klimaschutz. Auf Basis der Kraft-Wärme-Koppelung arbeiten sowohl große Heizkraftwerke mit elektrischen Leistungen von einigen hundert Megawatt als auch kleinere Blockheizkraftwerke (BHKW) im Kilowattbereich für einzelne Gebäude.

Heizkraftwerke
Die meisten Heizkraftwerke nutzen Dampfkraftprozesse zur Stromerzeugung. Durch die Verbrennung von fossilen oder biogenen Brennstoffen in einem Dampfkessel wird Wasser bei hohem Druck in Dampf umgewandelt. Der Wasserdampf treibt Dampfturbinen an, die mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden sind. Bei der konventionellen Stromerzeugung wird der Wasserdampf in den Turbinen dabei entspannt, das bedeutet, sein Druck reduziert sich, er kühlt stark ab und wird anschließend in einem Kondensator wieder zu Wasser verflüssigt. Die dabei entstehende Abwärme wird über einen Kühlturm in die Umgebung entlassen.

Heizkraftwerke auf KWK-Basis entspannen den Dampf in den Turbinen bei der Stromproduktion nur auf ein bestimmtes Mindestdruck- und Mindesttemperaturniveau. Der noch heiße Dampf wird dann kondensiert, wobei Kondensationswärme frei wird, die als Fernwärme zu den Verbrauchern gelangt. Zur Fernwärmeproduktion kann alternativ ein Teil des heißen Dampfes direkt aus dem Turbinenprozess entnommen werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere, wenn der Wärmebedarf gering ist oder stark schwankt. Bei beiden Methoden sinkt die Stromausbeute des Kraftwerks.

Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind kompakte KWK-Anlagen mit geringeren Leistungen als Heizkraftwerke, die meist am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben werden. Sie stellen neben Strom gleichzeitig Wärme zur Gebäudebeheizung und zur Trinkwassererwärmung bereit. In BHWKs kommen unterschiedliche Motortypen und Brennstoffe zu Einsatz, etwa Otto- oder Dieselmotoren (ähnlich wie im Auto), Stirlingmotoren, Dampfmotoren aber auch Gasturbinen. Die Motoren arbeiten mit allen gängigen Brennstoffen, wie Diesel, Heizöl, Erdgas, Flüssiggas sowie Klär- und Deponiegas. Besonders umweltfreundlich sind BHWKs, die regenerative Brennstoffe, wie Biogas, Pflanzenöl, Holzhackschnitzel oder Holzpellets nutzen.

Vor allem in Ein- oder Mehrfamilienhäuser oder bei Quartierslösungen sind BHKW eine interessante Alternative zu Netzanschlüssen. Da bei der zentralisierten Erzeugung von Strom und Wärme in Kraftwerken immer auch Energieverluste beim Transport zum Gebäude entstehen, bleiben die Transportverluste bei ortsnahen Kleinanlagen niedrig. Deshalb gibt es bereits kleinere Lösungen für Einfamilienhäuser. Die Auslegung bzw. Dimensionierung des BHKW in Ein- oder Mehrfamilienhäusern richtet sich üblicherweise nach der Grundlast, also dem Bedarf, der an keinem Tag unterschritten wird. Je höher die Grundlast ist, desto eher lohnt sich der Einbau eines BHKW.

BHKWs sind in unterschiedlichen Größen erhältlich und werden nach ihrer elektrischen Leistung eingeteilt. Kleine Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis 2,5 kW werden in der Regel als Nano-BHKW bezeichnet, Geräte bis 10 kW oder bis 20 kW als Mikro-BHKW und bis 50 kW als Mini-BHKW. Geräte mit einer elektrischen Leistung über 50 kW nennt man Groß-BHKW. KWK-Geräte erzeugen Strom und Wärme meist in einem Verhältnis von 1:3 (1 kW elektrische und gleichzeitig 3 kW thermische Leistung).

Brennstoffzellenheizgeräte
Brennstoffzellenheizgeräte sind Nano- oder Mikro-BHKW, die Wärme und Strom nicht, wie viele herkömmliche BHKW, mit einem Motor durch Verbrennung, sondern durch eine elektrochemische Energiewandlung erzeugen. Das Herz dieser Geräte ist die Brennstoffzelle, in der durch einen chemischen Prozess Wasserstoff mit Sauerstoff durch „kalte Verbrennung“ zu Wasser umgewandelt wird, wobei Wärme und Strom entstehen. Da Wasserstoff derzeit meist nicht direkt zur Verfügung steht, muss er zunächst hergestellt werden. Diesen Prozess übernimmt ein (ebenfalls im Gerät integrierter) Reformer, in dem aus Erdgas und Wasserdampf Kohlenmonoxid (später Kohlendioxid) und Wasserstoff entstehen. Brennstoffzellenheizungen haben einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad von bis zu hundert Prozent (elektrischer Wirkungsgrad dreißig Prozent), im Gegensatz zu herkömmlichen BHKWs von achtzig bis neunzig Prozent.

Gerade die Kombination von Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzelle gilt als sehr zukunftsorientiert, da sie geräuschlos und mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Da Brennstoffzellen möglichst wenig an- und ausgeschaltet werden sollten, muss mindestens ein Pufferspeicher zur Zwischenspeicherung der Wärme im System integriert werden. Auch ein Stromspeicher kann sinnvoll sein. Mittels der Speicher lassen sich gleichzeitig die Bedarfsspitzen ausgleichen. In Kombigeräten ist zusätzlich zum Brennstoffzellenmodul und zum Warmwasserspeicher oftmals auch ein kleines Gas-Brennwertgerät zur Spitzenabdeckung integriert.

Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung:

• Aktiver Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz
• CO₂-emissionsarm
• Ressourcenschonend
• Einsparung von Primärenergie

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