Wärme-Kraft-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK; auch Wärme-Kraft-Kopplung) nennt man das Prinzip der Auskopplung von Nutzwärme aus einer Anlage, bei der Energie aus einem Brennstoff in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird. In den meisten Fällen sind das Kraftwerke, die dann als Heizkraftwerke für die öffentliche Versorgung fungieren oder Industriekraftwerke, die Prozesswärme (z. B. in der chemischen Industrie) bereitstellen. Die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird dabei weitgehend vermieden.

Das Spektrum der elektrischen und thermischen Leistung von KWK-Anlagen reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt. Seit ca. 10 Jahren kommen zunehmend etwa waschmaschinengroße, so genannte Mini- und Mikro-KWK-Anlagen für den Einsatz in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels auf den Markt. Die mit 700 MW elektrischer Leistung zurzeit größte KWK-Anlage Europas steht in England. Damit stehen heute für das gesamte Spektrum des Wärmebedarfs KWK-Lösungen zur Verfügung.

Im Gegensatz zu thermischen Wärmekraftwerken, die nur auf Stromproduktion ausgelegt sind, wird bei KWK-Anlagen durch die gleichzeitige Abgabe von Strom und Wärme ein sehr viel höherer Nutzungsgrad (bei gleichzeitiger Nutzung des CO₂-Gehaltes in den Abgasen bis zu 95 Prozent. Siehe auch Technik) erreicht. Thermische Wärmekraftwerke erreichen zwischen 30 und 45 %. Durch KWK kann also erheblich Brennstoff eingespart werden, wenn Abnehmer der Wärme zur Verfügung stehen, wie z. B. in Form eines Fernwärmenetzes. Bei den mit Wasserdampf als Betriebsmedium arbeitenden Heizkraftwerken der öffentlichen Versorgung – das sind in der Regel Entnahme-Kondensationsanlagen – geht diese Steigerung des Nutzungsgrades allerdings mit einer Verringerung der Stromproduktion einher, da der Dampf vor den letzten Turbinenstufen entnommen werden muss, damit seine Temperatur zum Heizen ausreichend hoch ist. Im Gegensatz dazu wird bei Kraftwerken ohne Kraft-Wärme-Kopplung die Restwärme über den Kondensator und Kühlturm an die Umwelt abgegeben.

Im Vergleich zu den derzeit besten Technologien der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme erzielen KWK-Anlagen je nach Versorgungssituation Primärenergieeinsparungen von ca. 10 bis über 30 %.

Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Entnahme-Kondensationsanlage.

Das Bild rechts zeigt im linken Teil vereinfacht das Prinzip der Entnahme. Der nach dem Mitteldruckteil MD der Turbine, also vor dem Niederdruckteil ND abgezweigte Dampf strömt in den Heizkondensator HK, wo er sich unter Wärmeabgabe an den Fernwärmekreislauf (Temperaturniveau etwa 100 °C) verflüssigt. Von dort wird das Kondensat dem Speisewasserkreislauf zugeführt. Der restliche Dampf arbeitet im Niederdruckteil und wird dann im Kondensator Ko bei ca. 25 °C (abhängig vom Umgebungszustand) verflüssigt und über die Kondensatpumpe KoP dem (hier nicht abgebildeten) Speisewasserbehälter zugeführt. Die rechte Bildseite zeigt das zugehörige idealisierte T-s-Diagramm (vergl. Clausius-Rankine-Prozess) für einen Betriebszustand, in dem die Hälfte des Dampfes für Heizzwecke genutzt wird. Die gesamte rote Fläche entspricht der genutzten Wärme, der obere schraffierte Teil dieser Fläche dem Stromverlust in der Niederdruckstufe.

Technik

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung wird ein Teil des entstehenden Dampfes in einem Kraftwerk für Heizzwecke ausgekoppelt. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad der Energiegewinnung, der Gesamtnutzungsgrad steigt aber auf 60–90 %. Bei einer Nutzung des Kohlendioxidgehaltes (CO₂) in den durch die Verbrennung anfallenden Abgasen (beispielsweise in Gewächshäusern landwirtschaftlicher Betriebe) ist ein Gesamtnutzungsgrad auch oberhalb von 90 % möglich. Hier wird das zur Photosynthese benötigte CO₂ der Abgase dem Gewächshaus zugeführt, muss jedoch im Vorfeld durch einen Katalysator aufbereitet werden.

Brennstoffe

Das Prinzip der KWK kann mit jedem Brennstoff und jeder Energiequelle mit einem Temperaturniveau ab ca. 210 °C genutzt werden. In Betracht kommen neben fossilen Energien wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Heizöl auch erneuerbare Energien wie Biogas, Klärgas, Deponiegas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol, Solarthermie und Geothermie sowie Siedlungsabfälle (Müllverbrennung und Deponiegas) und Wasserstoff (Wasserstoffwirtschaft) genauso wie die Kernenergie. Das Kernkraftwerk Greifswald (auch Kernkraftwerk Lubmin genannt) speiste bis 1990 das Fernwärmenetz von Greifswald.

Auslegung

Es wird zwischen strom- und wärmegeführter Auslegung von KWK-Anlagen unterschieden, je nach der Priorität, die einer der beiden Energieformen zugemessen wird. Stromgeführte Anlagen optimieren den Stromertrag, wärmegeführte Anlagen den Wärmeertrag. Die höchste Effizienz wird mit wärmegeführter Auslegung erzielt, weil dabei die geringsten Energieverluste entstehen, so dass sie den Normalfall darstellt. Auch bei einer stromgeführten Fahrweise können jedoch mittels eines Pufferspeichers Wärmeverluste vermieden werden. Die gewonnene Wärme wird als warmes Wasser oder Wasserdampf über isolierte Rohrleitungen zur Gebäudeheizung, für industrielle Zwecke (Prozesswärme) oder in der Lebensmittelherstellung (z.B. Aquakultur) verwendet.

Anlagenvarianten

Heizkraftwerk Berlin-Mitte, das auch zur Fernwärmeversorgung des Regierungsviertels errichtet wurde

Eine zunehmend verbreitete Variante sind so genannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Dabei handelt es sich um kleine bis mittelgroße KWK-Anlagen auf Basis von Motoren oder Turbinen. Während bei diesen Anlagen die Wärmeversorgung auf ein bestimmtes Objekt oder auf die nähere Umgebung (z. B. einen Wohn-„Block“) beschränkt ist, dienen die größeren Heizkraftwerke zur flächigen Fernwärme-Versorgung oder zur Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie. Bei Großanlagen für die Fernwärmeversorgung sind einerseits die Leitungsverluste wesentlich höher als bei Blockheizkraftwerken, wodurch die Effizienz des Energieeinsatzes sinkt. Andererseits steigt mit zunehmender Leistung der Anlagen die Stromkennzahl (also das Verhältnis von Strom- zu Wärmeerzeugung) und somit die Exergieausbeute, was wiederum die Effizienz erhöht.

KWK-Anlagen können unter anderem sein:

• Dampfturbinen-,
• Gasturbinen-,
• Gas- und Dampfturbinen (GuD)-,
• Verbrennungsmotoren- oder
• Brennstoffzellen-Anlagen

Von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung spricht man, wenn die Anlage zusätzlich Kälte erzeugen kann. Dabei wird die Nutzwärme des Prozesses genutzt, um eine Absorptionskältemaschine anzutreiben. Trotz der deutlich höheren Investition im Vergleich zu einer Kompressionskältemaschine, kann die KWKK-Anlage wirtschaftlich betrieben werden, weil durch die Wärmenutzung zur Klimatisierung im Sommer die Laufzeiten erhöht werden.

Fördermaßnahmen

Dieser Artikel oder Absatz stellt die Situation in Deutschland dar. Hilf mit, die Situation in anderen Ländern zu schildern.

KWK-Gesetz

Oberirdische Fernwärme-Leitung über die B36 in Mannheim

Mit dem Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) werden in der Bundesrepublik Deutschland der Erhalt, die Modernisierung und der Ausbau von KWK-Anlagen gefördert, die mit fossilen Energien betrieben werden. Für modernisierte Anlagen, die bis spätestens Ende 2005 wieder in Betrieb genommen wurden, wird bis 2010 ein Bonus auf den eingespeisten Strom von durchschnittlich ca. 1,65 Cent pro Kilowattstunde vergütet. Durch die Modernisierung wurde die Effizienz alter KWK-Anlagen beträchtlich erhöht. Ohne Modernisierung erhalten bestehende KWK-Anlagen einen geringeren Bonus, der die frühzeitige Stilllegung von Anlagen verhindern soll. Die Betreiber sehr kleiner KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis zu 50 kW erhalten für 10 Jahre einen Zuschlag von 5,11 Cent pro in das Stromnetz eingespeister Kilowattstunde, sofern die Anlage bis Ende 2008 in Betrieb genommen wird. Kleine KWK-Anlagen bis 2 MW elektrischer Leistung erhalten bis 2010 eine zusätzliche Vergütung von derzeit 2,25 ct/kWh (Stand 2006). Durch eine verstärkte Nutzung von KWK-Anlagen soll eine weitere Minderung der Kohlendioxid-Emission erreicht werden. Das KWK-Gesetz trat am 1. April 2002 in Kraft. Am 1. Juni 2008 wurde in einer Novellierung des KWK-Gesetzes eine deutliche Ausweitung der Förderung beschlossen. Das Gesetz sieht vor, dass bis zum Jahr 2020 ein Viertel der Stromversorgung durch Kraft-Wärme-Kopplung bewältigt wird.

Kritiker wenden ein, die Förderung sei zu gering und die zu erfüllenden Bedingungen zu hoch, um der KWK zu einem Durchbruch zu verhelfen.^[1]

Das novellierte Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz vom 25. Oktober 2008 tritt am 1. Januar 2009 in Kraft.^[2] Als weitere Kategorie begründen KWK-Anlagen, die zwischen dem 1. Januar 2009 und 31. Dezember 2016 den Dauerbetrieb aufnehmen, den Anspruch auf KWK-Zuschlag. Darüber hinaus erhaltenden nun auch Betreiber den KWK-Zuschlag, die Strom für die Eigenversorgung bereitstellen und nicht in Netze der allgemeinen Versorgung einspeisen.

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

In dem 2004 novellierten Erneuerbare-Energien-Gesetz (§ 8, Absatz 3) wird die Nutzung der Abwärme bei Stromerzeugung aus Biomasse durch einen KWK-Zuschlag von 2 Cent pro Kilowattstunde auf die Einspeisevergütung angeregt, zu deren Zahlung der Betreiber des vorgelagerten Stromnetzes verpflichtet ist. Außerdem wird ein weiterer so genannter Innovationsbonus von 2 Cent pro Kilowattstunde bei Einsatz bestimmter KWK-Technologien (Brennstoffzellen, Gasturbinen, Dampfmotoren, Organic-Rankine-Anlagen, Mehrstoffgemisch-Anlagen, insbesondere Kalina-Cycle-Anlagen, oder Stirling-Motoren) gezahlt. Diese Zuschlags- und Bonuszahlungen werden indirekt auf alle Endverbraucher umgelegt.

Ökosteuer

Für Erdgas, Heizöl und Flüssiggas, das in KWK-Anlagen mit einem Jahresnutzungsgrad von mindestens 70 % eingesetzt wird, wird die Energiesteuer ehemals „Mineralölsteuer“ erstattet. Für Strom aus KWK-Anlagen bis zu 2 MW elektrischer Leistung, der vom Betreiber der Anlage im „räumlichen Zusammenhang“ verbraucht wird, muss keine Stromsteuer (2,05 Cent/ kWh) entrichtet werden.

Weblinks

• Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e. V.
• COGEN Europe, Europäischer KWK-Verband
• KWK auf den Seiten des BINE Informationsdienstes
• KWK – Was ist das?
• KWK-Prinzip

Literatur

• Karl W. Schmitz, Gunter Schaumann, Kraft-Wärme-Kopplung, Springer Verlag, 2004, ISBN 978-3-540-20903-4
• Karl W. Schmitz, Günther Koch, Kraft-Wärme-Kopplung, Springer Verlag, 2004, ISBN 978-3-540-62071-6

Einzelnachweise

1. ↑ Kraftwerk im Keller – Stromkonzerne behindern Energiesparen, Manuskript zu Frontal21 vom 15. April 2008
2. ↑ [http://www.bgblportal.de/BGBL/bgbl1f/bgbl108s2101.pdf Gesetz zur Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung vom 25. Oktober 2008