Kraft-Wärme-Kopplung

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.

Gallerie

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
Vorteile beim Einsatz der KWK in Gebäuden:
  • Durch die Eigenproduktion relativ unabhängig von steigenden Energie- und Strompreisen
  • Überschüssiger Strom kann ins Netz eingespeist und vergütet werden
  • Erhöhung des Immobilienwerts
  • Bestehende Heizsysteme (Heizkörper) können verwendet werden
  • Platzsparende Kompaktgeräte
  • Schnelle und saubere Umrüstung
  • Amortisierung nach 10 bis 15 Jahren
  • Förderungen durch Bund und Länder

Fachwissen zum Thema

Planheizkörper in Natursteinoptik

Planheizkörper in Natursteinoptik

Heizung

Heizungsarten und -systeme

Zur Beheizung eines Raumes, eines Gebäudes oder einer Stadt stehen unterschiedliche Heizungsarten und -systeme zur Verfügung....

Beispiel eines Solarmoduls zur Stromerzeugung

Beispiel eines Solarmoduls zur Stromerzeugung

Elektro

Stromerzeugung und -versorgung

Elektrischer Strom kann auf verschiedene Arten erzeugt werden, entweder mit Energie aus primären Trägern wie Stein- und...

Das Gemeindezentrum in Zeilsheim wurde nach dem Kriterien des Passivhausstandards geplant (Netzwerkarchitekten, Darmstadt)

Das Gemeindezentrum in Zeilsheim wurde nach dem Kriterien des Passivhausstandards geplant (Netzwerkarchitekten, Darmstadt)

Planungsgrundlagen

Veränderte Gebäudetechnik durch neue Baustandards

Als Reaktion auf die Energiesparmaßnahmen europäischer Regierungen haben sich verschiedene Baustandards entwickelt. Dazu gehören...

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Heizung

Wärmeerzeugung

Welche Möglichkeiten stehen für die Erzeugung von Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser zur Verfügung? Von Heizkesselarten und KWK über Wärmepumpen bis Solarthermie

Kontakt Redaktion Baunetz Wissen: wissen@baunetz.de
Baunetz Wissen Gebäudetechnik sponsored by:
Stiebel Eltron | Kontakt 0 55 31 - 702 702 | www.stiebel-eltron.de
Zum Seitenanfang

Kraft-Wärme-Kopplungneu

KWK und getrennte Energieerzeugung im Vergleich

KWK und getrennte Energieerzeugung im Vergleich

Die gleichzeitige Strom- und Wärmeproduktion ermöglicht eine Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie, verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme.

Hybridsysteme

Werden beispielsweise Wind- und Solarenergie kombiniert, lassen sich Energieschwankungen ausgleichen

Werden beispielsweise Wind- und Solarenergie kombiniert, lassen sich Energieschwankungen ausgleichen

Das Ziel einer zeitgemäßen gebäudetechnischen Planung ist es, Bauwerke mit optimiertem thermischem Komfort, minimiertem...

Biomasse

Stückholz

Stückholz

Zu den erneuerbaren Energien zählt auch die Biomasse, bei der es sich um durch Pflanzen oder Tiere anfallende/erzeugte organische...

Erneuerbare Energien in der Gebäudetechnik

Solarthermieanlage mit Röhrenkollektoren

Solarthermieanlage mit Röhrenkollektoren

Während die Nachfrage nach Energie weltweit stetig zunimmt, gehen die Ressourcen an fossilen Energieträgern wie Erdgas, Erdöl,...

Geothermie

Funktionsprinzip einer oberflächennahen Geothermie

Funktionsprinzip einer oberflächennahen Geothermie

Als Geothermie oder auch Erdwärme bezeichnet man die unterhalb der festen Erdoberfläche gespeicherte Wärmenergie. Sie kann direkt...

Klein-Windkraftanlagen

In windstarken Regionen können Klein-Windkraftanlagen zur dezentralen Stromerzeugung eingesetzt werden

In windstarken Regionen können Klein-Windkraftanlagen zur dezentralen Stromerzeugung eingesetzt werden

Ist von Windkraft oder -energie die Rede, so ist die kinetische Energie von Wind gemeint, also die bewegten Luftmassen der...

Photovoltaik

Aufbau und Funktionsweise einer PV-Anlage

Aufbau und Funktionsweise einer PV-Anlage

Die Gewinnung elektrischer Energie mittels Sonnenenergie wird als Photovoltaik (PV) bezeichnet. Dabei wandeln Solarzellen...

Power-to-X Technologien

Im Power-to-Gas-Verfahren wird regenerativ erzeugte elektrische Energie in ein leichter speicherbares  Brenngas – also in chemische Energie – umgewandelt

Im Power-to-Gas-Verfahren wird regenerativ erzeugte elektrische Energie in ein leichter speicherbares Brenngas – also in chemische Energie – umgewandelt

Die Stromerzeugung durch regenerative Quellen wie Wind und Sonne unterliegt naturgemäß großen Schwankungen. Während an...

Sektorkopplung

Im Rahmen der Sektorkopplung wird überschüssiger Ökostrom nicht mehr abgeregelt, sondern zur Erzeugung von Wärme und Antriebsenergie genutzt.

Im Rahmen der Sektorkopplung wird überschüssiger Ökostrom nicht mehr abgeregelt, sondern zur Erzeugung von Wärme und Antriebsenergie genutzt.

Als Beitrag zum internationalen Klimaschutzübereinkommen von Paris will die Bundesregierung bis zum Jahr 2050 die...

Solarthermie

Funktionsprinzip einer solarthermischen Anlage

Funktionsprinzip einer solarthermischen Anlage

Grundsätzlich kann die Strahlungsenergie der Sonne auf zweierlei Arten in der Gebäudetechnik genutzt werden: Photovoltaik-Module...

Wärmepumpen

Funktionsweise einer Wärmepumpe 1. Wärmetauscher (Verdampfer) 2. Verdichter 3. Zweiter Wärmetauscher (Verflüssiger) 4. Expansionsventil

Funktionsweise einer Wärmepumpe 1. Wärmetauscher (Verdampfer) 2. Verdichter 3. Zweiter Wärmetauscher (Verflüssiger) 4. Expansionsventil

Wärmepumpen sind technische Heizeinrichtungen, die einen Wärmestrom bei niedriger Temperatur aufnehmen und mittels Energiezufuhr...

Förderung auf einen Blick

GEG-Systemberater: Die gewünschte Haustechnik auswählen und schnell die bestmögliche Förderungen ermitteln.

Partner-Anzeige