von Lukas Schmidt

Kraft-Wärme Kopplung & Blockheizkraftwerke: Fluch oder Segen?

Die Energiegewinnung wie wir sie in den letzten Jahrhunderten praktiziert haben hat keine Zukunft. Gleichzeitig haben wir uns daran gewöhnt jederzeit über genügend Strom und Wärme zu verfügen. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), insbesondere Blockheizkraftwerke (BHKWs), werden oft als notwendige Brückentechnologie hin zu einer künftigen hundertprozentigen Versorgung mit erneuerbaren Energien gehandelt. Aus diesem Grund werden die Technologien vom Staat gefördert, obwohl die meisten BHKWs noch immer fossile Brennstoffe verwenden. Deshalb stellt sich die Frage, wie gut die Technologie der KWK wirklich ist und inwiefern sie einen Teil zur nachhaltigen Energieversorgung beitragen kann. Doch zu allererst: Was ist eigentlich KWK? Und wie funktioniert ein BHKW?

Kraft-Wärme Kopplung & Blockheizkraftwerke: Fluch oder Segen?

KWK ist per Definition (KWK-Gesetz) „die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage“ [1]. Es wird also Energie in einer fest montierten Maschine gleichzeitig in Strom und in Wärme umgewandelt. Dies kann man sich vorstellen wie in einem Auto. Dort treibt das Benzin (Energie) eine Maschine (Motor) an, der neben der Bewegungsenergie des Autos auch Wärme generiert, womit das Auto den Innenraum heizen kann. Der einzige Unterschied der KWK zum normalen Ottomotor im Auto ist, dass bei der KWK mithilfe eines Generators die kinetische Energie des Motors in Strom umwandelt und nicht direkt zur Fortbewegung (des Autos) verwendet wird.

Bei der KWK wird neben der Erzeugung von Strom auch immer Wärme gewonnen. Generell ist im Sommer allerdings weniger Wärme für das Beheizen von Gebäuden notwendig, weshalb in den wärmeren Monaten auch insgesamt weniger Wärme benötigt wird als im Winter. Im schlimmsten Fall wird diese überschüssige Wärme im Sommer einfach an die Umgebung abgegeben – sie verpufft ohne Wirkung. Um diese Energieverschwendung zu vermeiden, kann man den KWK-Prozess mit einer Absorptionskältemaschine kombinieren und erhält die sogenannte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Eine Absorptionskältemaschine verwendet Wärme zur Kälteerzeugung. Man kann also paradoxerweise im Sommer die überschüssige Wärme verwenden, um bspw. Räume zu kühlen. Aktuell werden jedoch zur Kühlung vorrangig Kompressionskältemaschinen verwendet, die im Vergleich zu Absorptionskältemaschinen Strom anstelle von Wärme zur Kälteerzeugung nutzen. Eine solche Kompressionskältemaschine findet sich beispielsweise in jedem Kühlschrank. Der Einsatz von KWKK bietet sich vor allem im industriellen und gewerblichen Umfeld an, und könnte hier Kompressionskältemaschinen im großen Stil ersetzen.

Blockheizkraftwerke (BHKW) sind die Standard-Kraftwerke im Bereich der KW(K)K. Anfangs wurden ausschließlich BHKWs mit Verbrennungsmotoren verwendet. Obwohl mittlerweile auch Ausführungen mit Dampf- oder Gas- und Dampfturbinen (GuD) sowie mit Brennstoffzelle existieren, ist der Verbrennungsmotor immer noch vorherrschend. Darüber hinaus kommen BHKWs mit Brennstoffzellen eher für kleinere Bedarfe in Frage [2]. Bei BHKWs, die auf Verbrennungsmotoren basieren, wird im ersten Schritt ein Brennstoff, meist Erdgas, aber auch Biogas, Klärgas oder Diesel bzw. Heizöl in einem Motor verbrannt. Dieser Motor treibt einen Generator an, während mithilfe der heißen Motorabgase und dem eingesetzten Kühlwasser mittels eines Wärmeüberträgers Nutzwärme gewonnen wird.

Da ein BHKW im optimalen Betrieb ein relativ fixes Verhältnis von Strom zu Wärme bereitstellt (bspw. doppelt so viel Wärme- wie elektrische Leistung), der Bedarf der Nutzer aber schwankt, kann in der Regel nicht gleichzeitig der exakte benötigte Wärme- und Strombedarf abgedeckt werden. Der Betreiber muss entscheiden, welche der beiden Energieformen er bedarfsgerecht erzeugen möchte. Die meisten BHKWs werden wärmebedarfsorientiert geführt. Es wird also so viel Wärme erzeugt wie gerade benötigt wird, der Strombedarf ist für die Betriebsführung des BHKWs erst mal irrelevant. Das Vorherrschen der wärmebedarfsorientierten Betriebsführung liegt unter anderem darin begründet, dass, falls überschüssiger Strom entstehen sollte, dieser unkompliziert ins Netz eingespeist werden kann. Wärme kann hingegen nur in Fernwärmenetze eingespeist werden, die es nur vereinzelt gibt, und ist in der Regel nur sehr schwer längerfristig speicherbar [3]. Außerdem kann der Betreiber des BHKWs meist unkompliziert zusätzlichen Strom über das öffentliche Netz beziehen, falls die Stromgewinnung des BHKWs nicht ausreichen sollte.

Der große Vorteil der BHKWs ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad. Zwar erzeugen BHKWs den Strom mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad (~33%), als beispielsweise Kohlekraftwerke (~40%), da sie höhere Temperaturen abführen müssen, können dafür aber diese abgeführte Wärme als Nutzwärme an Verbraucher weitergeben. So werden letztendlich insgesamt ca. 90% der Energie verwendet, die im Kraftstoff ursprünglich enthalten war. Bei der getrennten Erzeugung mit einem Gaskessel und einem Kohlekraftwerk werden nur ca. 60% erreicht (s. Abbildung 1) [4].

 

Abbildung 1: Energieflussidagramm: getrennte und gekoppelte Erzeugung [4]

 

Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen (Einfachheit) ist die Stromerzeugung mittels Dampfkraftprozess in Großanlagen, beispielsweise in Kohlekraftwerken, historisch immer weitergewachsen. Dabei werden große Mengen an Abwärme konzentriert am Kraftwerkstandort freigesetzt. Die entstehende Wärme kann über Fernwärmeleitungen nur in einem Radius von ca. 10 km um das Kraftwerk genutzt werden. Die bestehenden Kohlekraftwerke eignen sich also meist nicht zur KWK, weil häufig keine geeigneten Abnehmer im Umkreis des Kraftwerksstandortes existieren. Daher sollten verstärkt KWK-Anlagen, bspw. in Form von BHKWs in die direkte Umgebung der Verbraucher gebaut werden [2]. Diese BHKWs gehen im Gegensatz zu den großen Kohlekraftwerken auch weder mit einem riesigen Schlot noch mit einer ordentlichen Geräuschkulisse daher. Vielmehr gibt es beispielsweise bereits „Micro-BHKWs“, die sich für einen Einsatz in Mehrfamilien- und sogar Einfamilienhäusern eignen.

Strombedarfsorientierte BHKWs, also BHKWs, deren Leistung dynamisch an den aktuellen Strombedarf angepasst werden kann, würden sich auch zur Vermeidung teurer Stromlastspitzen (beispielsweise, wenn um 20:15 in Millionen deutscher Haushalte der Fernseher eingeschaltet wird) eignen, indem die Stromerzeugung in Zeiten hoher Strompreise forciert wird. Es ist technisch auch möglich, BHKWs in den Regelenergiemarkt zu integrieren und so Netzschwankungen auszugleichen – sprich BHKWs könnten beispielsweise bei einer Windflaute „einspringen“ und Teile der Stromversorgung übernehmen, da der Motor sehr schnell an- und abgeschaltet werden kann. So schreibt bspw. das Umweltbundesamt, dass bei der Transformation des Energiesystems hin zu erneuerbaren Energien, KWK mittelfristig eine wichtige Rolle spielen kann, wenn sich diese stärker an den Strommarkt orientieren [5]. Aktuell wird diese Möglichkeit kaum genutzt, denn die Betriebszeiten der BHKWs wären deutlich kürzer, wenn diese nur in Zeiten von Stromknappheit angeschaltet werden. Als Ziel im Sinne der Wirtschaftlichkeit wird meist eine möglichst lange Betriebszeit des BHKWs angestrebt. Als Faustregel gilt, dass ein BHKW-Modul ca. 6.000 Betriebsstunden pro Jahr erreichen sollte [6], also knapp 70% des Jahres betrieben wird, um wirtschaftlich rentabel zu sein.

Des Weiteren können BHKWs, bzw. KWK im Allgemeinen, zu einer dezentralisierten Energieversorgung beitragen. Es gibt bereits kleine BHKWs („Micro-BHKWs“), die sich für einen Einsatz in Einfamilienhäuser eignen. Für die sinnvolle Einbindung dieser in das Gesamtversorgungskonzept ist eine geeignete, intelligentere Netzstruktur (sog. Smartgrids & Ortsnetztransformatoren) erforderlich [7]. Im privaten Kontext kann allerdings die Wärmeproduktion im Sommer stören, da der Bedarf des Privathaushalts an Warmwasser im Sommer im Regelfall nicht ausreicht, um die entstehende Wärme vollständig zu nutzen. Absorptionskältemaschinen im Sinne der KWKK sind im privaten Sektor noch nicht angekommen [8]. Hier gilt es weiterhin Lösungen zu entwickeln, um auch diese gewonnene Energie nicht wirkungslos verpuffen zu lassen.

Der große Makel der KW(K)K ist, dass sie bis heute nur selten ohne fossile Brennstoffe auskommt. Zwar gibt es viele Bestrebungen, den Verbrennungsmotor mit einer Brennstoffzelle auszutauschen bzw. zumindest Biogas zu verwenden. Allerdings wird der Großteil der BHKWs die aktuell in Deutschland in Betrieb sind noch immer mit Erdgas betrieben. Darüber hinaus wird noch immer ein großer Teil des für die Brennstoffzelle benötigten Wasserstoffes aus fossilem Erdgas gewonnen – solange sich das nicht ändert, ist auch ein BHKW mit Brennstoffzelle keine -neutrale Angelegenheit.

In Zahlen ausgedrückt, ist unbestreitbar, dass KWK einen großen Beitrag zur Energiewende leisten kann. Das Ökoinstitut berechnete 2007 den -Ausstoß (inklusive Anlagenherstellung etc.) abzüglich der „gesparten“ parallelen Wärmeerzeugung im Heizkessel zuhause, die bei BHKWs im Vergleich zur Stromerzeugung mittels Kohlekraftwerken, nicht mehr nötig ist [9]. Auf diese Zahlen berufen sich unter anderem auch der Bundestag [10] und der Spiegel (s. Abbildung 2) [11]. Dieser Statistik zur Folge können selbst Erdgas-Blockheizkraftwerke bei den erneuerbaren Energien mit einem rechnerischen Ausstoß von 49 g -Äquivalenten/ Kilowattstunde sehr gut mithalten (Anmerkung: aufgrund des seit 2007 grüner-gewordenen Strommixes sowie die grünere Wärmeversorgung von Wohnimmobillien, sollte dieser (rechnerische) Wert mittlerweile gestiegen sein). Ein Braunkohlekraftwerk kommt auf 1.153 g, Photovoltaik auf 101g und Windparks auf 24g -Äquivalenten/ Kilowattstunde. BHKWs sind also „grüner“ als herkömmliche konventionelle Kraftwerke, können teilweise sogar bei erneuerbaren Energieträgern mithalten und daher auch einen großen Beitrag als Ergänzung zu erneuerbaren Energien leisten.

Abbildung 2: Ausstoß von CO2-Emissionen durch Stromkraftwerke nach Kraftwerktyp
  1. Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung. KWKG (2016)
  2. Suttor, W.: Blockheizkraftwerke. Ein Leitfaden für den Anwender. Fraunhofer IRB-Verl., Stuttgart (2014)
  3. Zahoransky, R. (ed.): Energietechnik. Systeme zur Energieumwandlung ; Kompaktwissen für Studium und Beruf. Springer Vieweg, Wiesbaden (2015)
  4. Konstantin, P.: Praxisbuch Energiewirtschaft. Energieumwandlung, -transport und -beschaffung, Übertragungsnetzausbau und Kernenergieausstieg. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg (2017)
  5. Christian Märtel: Betriebsstunden als Wirtschaftlichkeitsaspekt eines BHKW, https://www.heizungsfinder.de/bhkw/wirtschaftlichkeit/jahresdauerlinie
  6. Heuck, K., Dettmann, K.-D., Schulz, D.: Elektrische Energieversorgung. Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie für Studium und Praxis. Vieweg+Teubner Verlag / Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Wiesbaden, Wiesbaden (2010)
  7. Herwig, H.: Ach, so ist das! 50 thermofluiddynamische Alltagsphänomene anschaulich und wissenschaftlich erklärt. Springer Vieweg, Wiesbaden (2014)

Lukas ist voller Energie. Deshalb hat er sich schon in seinem Studium in Augsburg, Bayreuth, München und Rotterdam auf Energietechnik bzw. Energy and Resource Management spezialisiert. Bei Wasistgrün.de kümmert er sich deshalb insbesonder um diese Themen. Umwelt- und Klimaschutz ist ihm eine Herzensangelegenheit. Während seiner Studienzeit hat er bereits mit Kommilitonen eine Initiative gegründet, um Schüler über nachhaltiges Verhalten im Alltag aufzuklären. Ansonsten begeistert sich Lukas vor allem für alle Ballsportarten - insbesondere Fußball, Basketball und Tennis. Einmal im Jahr geht es aufs Surfbrett!

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