Unter Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) versteht man die
gleichzeitige Gewinnung elektrischer sowie thermischer Energie in
derselben Anlage in einem thermodynamischen Prozess. Die bei der
Erzeugung von Strom entstehende Abwärme wird dabei nicht als
Verlust an die Umwelt abgegeben, sondern für die Beheizung von
Gebäuden oder für Produktionsprozesse genutzt. Die
Kraft-Wärme-Kopplung gehört nicht eindeutig zu den erneuerbaren
Energien, da ihre Umweltfreundlichkeit vom eingesetzten Rohstoff
sowie der gewählten Technik zur Energieerzeugung abhängt.
Grundsätzliche ist sie jedoch eine energieeffiziente Technik und
kann mit regenerativen Brennstoffen betrieben werden.
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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 von bis zu 100 Prozent. Dadurch minimieren sie
die Kohlendioxid-Emissionen und leisten somit einen Beitrag zum
Klimaschutz. Zum Vergleich: Herkömmliche Anlagen zur
Stromgewinnung, bei denen die Wärme an die Umwelt abgegeben wird,
haben Energieverluste von bis zu 70 Prozent (zum Beispiel AKW), ihr
Wirkungsgrad liegt also bei rund 30 Prozent. 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.
KWK-Anlagen können unterschiedliche Techniken nutzen:
Dampfturbinen, Gasturbinen, Gas- und Dampfturbinen,
Verbrennungsmotoren, Dampfmotoren, Stirlingmotoren, ORC-Anlagen
oder Brennstoffzellen. Sie unterscheiden sich vornehmlich in der
Stromkennzahl (also dem Verhältnis der erzeugten elektrischen
Leistung zur nutzbaren Wärmeleistung), dem elektrischen
Wirkungsgrad (wie viel des eingesetzten Brennstoffs in Strom
umgesetzt wird) und dem Gesamtwirkungsgrad
(Brennstoffausnutzungsgrad).
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Wichtige Ergänzung in der Energiewende
Gerade bei der Sanierung von Bestandsgebäuden ist es nicht immer
möglich, ein Heizsystem aus Wärmepumpe und Fußbodenheizung zu
installieren. Hier kann ein BHKW eine Alternative sein, denn damit
lassen sich höhere Vorlauftemperaturen erreichen, mit denen die
bestehenden Heizkörper weiterhin betrieben werden können. Die
Umrüstung auf die kompakten, anschlussfertigen Anlagen kann schnell
erfolgen. Wird durch erhöhten Wärmebedarf mehr Strom erzeugt, als
benötigt wird, kann dieser in Batterien gespeichert oder ins
öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Abhängig von den möglichen Brennstoffen, der entsprechend
verwendeten Technik, den baulichen Rahmenbedingungen, den Bedarfen
und schließlich den sich daraus ergebenden Leistungszahlen ist es
notwendig, einen Energieexperten zur Rate zu ziehen. Beratung
erhält man an vielen unabhängigen Stellen oder bei den Herstellern
der Geräte. Werden KWK-Geräte mit regenerativ erzeugten
Brennstoffen betrieben (etwa Biogas oder Pellets), arbeiten sie
klimaneutral und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur
Energiewende.
Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung allgemein:
aktiver Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz bei Verwendung
regenerativ erzeugter Brennstoffe
CO₂-emissionsarm
ressourcenschonend
Einsparung von Primärenergie
hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Strom- und
Wärmeerzeugung
kann mit jeder Art Brennstoff betrieben werden, also auch mit
regenerativ erzeugtem Brennstoff
Vorteile beim Einsatz der KWK in Gebäuden:
Durch Eigenproduktion höhere Unabhängigkeit 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
Nachteile von KWK-Anlagen:
Vergleichsweise höhere Anschaffungskosten im Gebäude
Nach wie vor ein Verbrennungsprozess, wenn mit recht niedrigen
Emissionen
Nicht vorhersehbare Preisentwicklung beim Brennstoff
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, noch verbleibende 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
besonders, wenn der Wärmebedarf gering ist oder stark schwankt. Bei
beiden Methoden sinkt die Stromausbeute des Kraftwerks.
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Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind kleine und kompakte KWK-Anlagen,
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 Brennstoffen,
etwa 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. 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 BHKWs richtet sich meist
nach dem Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser (siehe Artikel
Größen und Arten von BHKW).
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Brennstoffzellenheizgeräte
Brennstoffzellenheizgeräte sind Nano- oder Mikro-BHKW, die Wärme
und Strom nicht wie herkömmliche BHKWs 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. Die
Kombination von Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzelle gilt als
sehr zukunftsorientiert, da sie geräuschlos und mit hohem
Wirkungsgrad arbeitet (siehe Artikel
Brennstoffzellenheizgeräte)
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