Kraft-Wärme-Kopplung
Unter Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) versteht man die gleichzeitige Erzeugung von Strom und nutzbarer Wärme aus eingesetzter Energie in einer Anlage. Bei Motor- oder Turbinenanlagen treibt mechanische Energie meist einen Generator an; Brennstoffzellen erzeugen den Strom elektrochemisch.
Das Wichtigste in Kürze
- Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme – das ergibt einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad.
- Blockheizkraftwerke (BHKW) nutzen das Prinzip im Kleinen und lohnen sich vor allem bei hohem, ganzjährigem Wärmebedarf.
- Für Einfamilienhäuser sind BHKW wegen des geringen Wärmebedarfs und der hohen Kosten meist nicht sinnvoll.
Heizung-Konfigurator:
Jetzt Ihre individuelle Heizung konfigurieren und Angebote erhalten!
Funktionsweise der Kraft-Wärme-Koppelung
Bei Großanlagen werden dabei heiße Abgase und erzeugter Wasserdampf über Turbinen geführt. Auf deren gemeinsamer Achse sitzt dann auch der Generator. Die noch zur Verfügung stehende Abwärme wird Heizungsanlagen zugeführt. Bei Großanlagen werden dabei ganze Stadtteile, Großabnehmer der Industrie oder auch öffentliche Gebäude wie Schulen, Krankenhäuser etc. versorgt. Man spricht dann entweder von Industriekraftwerken (wenn Prozesswärme für die Industrie zur Verfügung gestellt wird) oder von Heizkraftwerken (wenn Wärme für die Heizung von öffentlichen oder privaten Gebäuden genutzt wird.)
So funktioniert die Kraft-Wärme-Kopplung
1. Brennstoff umwandeln
Ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine erzeugt aus Erd- oder Biogas, Öl, Pellets oder Wasserstoff zunächst Bewegungsenergie; eine Brennstoffzelle wandelt den Brennstoff stattdessen direkt elektrochemisch um.
2. Strom erzeugen
Bei Motor und Turbine treibt die Bewegungsenergie einen Generator an, der Strom produziert; eine Brennstoffzelle liefert den Strom unmittelbar.
3. Abwärme nutzen
Die dabei entstehende Wärme wird nicht weggekühlt, sondern über einen Wärmetauscher ins Heizungs- und Warmwassersystem eingespeist.
4. Hoher Gesamtwirkungsgrad
Weil Strom und nutzbare Wärme zusammen verwertet werden, bleibt deutlich weniger Abwärme ungenutzt – der Gesamtwirkungsgrad liegt höher als bei getrennter Erzeugung.
KWK-Anlagen haben sehr hohe Gesamtwirkungsgrade, und bei Großanlagen ist die Nutzung des Prinzips seit Langem Stand der Technik. Heiz- und Industriekraftwerke versorgen damit ganze Stadtteile, öffentliche Gebäude und Großabnehmer der Industrie.
KWK-Anlagen sind gerade für dezentrale Anwendungen geeignet, wenn ganze Stadtteile oder Stadtviertel mit Fernwärme versorgt werden. Angesichts der Möglichkeit, KWK-anlagen auch mit Biogas oder Wasserstoff zu betreiben, werden sie auch als Möglichkeit zur Unterstützung hin zur klimaneutralen Energieversorgung propagiert.
Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ist seit Jahren auch ein Thema für private Anwendungen in Mehrfamilienhäusern oder mittelständischen Unternehmen. Es gibt seit Jahren auch kompaktere Anlagen, BHKWs, die das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzen.
Kraft-Wärme-Kopplung bei BHKWs und Anwendungsbereiche
Auf dem Markt sind Blockheizkraftwerke mit unterschiedlichsten Leistungen, die je nach ihrer elektrischen Leistung in vier Klassen eingeteilt werden:
| Großanlage BHKW | >50 kW Leistung |
| Mini-BHKW | < 50 kW Leistung |
| Mikro-BHKW | < 10 kW Leistung |
| Nano-BHKW | < 2,5 kW Leistung |
Der Nutzung eines BHKW in Ein- oder Mehrfamilienhäusern ist also mit Nano- oder Mikro-BHKW möglich. Allerdings ist gerade in neuen Einfamilienhäusern der Wärmebedarf so gering, dass BHKW nicht unbedingt ratsam sind, weil selbst bei einem Nano-BHKW zu viel Wärme produziert wird.
BHKW können in Mehrfamilienhäusern sinnvoll sein, wenn ganzjährig ein hoher Wärme- und Strombedarf anfällt und viele Vollbenutzungsstunden erreichbar sind; ab etwa 35 MWh Wärmebedarf pro Jahr kommt eine Prüfung in Betracht. Gerade durch die zentrale Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern ist meist eine Wärme-Grundlast vorhanden. Ein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher hilft, die Laufzeiten zu glätten.
Hervorragend geeignet sind BHKW dagegen für alle Immobilien, in denen gleichzeitig ein hoher Wärme- und Strombedarf anfällt, also etwa Gewerbe wie Bäckereien, Krankenhäuser, größere Hotels oder Schwimmbäder.
BHKW: Wann sich ein Blockheizkraftwerk lohnt – und wann nicht
Vorteile
- sehr hoher Gesamtwirkungsgrad – Strom und Wärme aus einem Brennstoff
- ideal bei hohem, ganzjährigem Wärme- und Strombedarf (Mehrfamilienhaus, Gewerbe)
- flexibel beim Brennstoff, auch mit Biogas oder Wasserstoff betreibbar
Nachteile
- hohe Investitionskosten
- für Einfamilienhäuser und Neubauten meist ungeeignet (zu geringer Wärmebedarf)
- wirtschaftlich nur bei vielen Vollbenutzungsstunden und hohem Eigenstromverbrauch
Informationen zu Blockheizkraftwerken Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt Strom und Wärme gleichzeitig – am selben Ort, aus demselben Brennstoff. Dieses Prinzip… weiterlesen
Antriebe und Brennstoffe für BHKW
Das Prinzip Kraft-Wärme-Kopplung kann mit unterschiedlichsten Aggregaten umgesetzt werden. Neben BHKWs, die Verbrenner-Motoren nutzen, sind auch Modelle mit Stirling-Motoren oder Brennstoffzellen auf dem Markt.
Auch bei den Brennstoffen für den Betrieb von BHKW ist fast alles möglich. Neben Heizöl oder Diesel können Motoren mit Erdgas oder Biogas betrieben werden, aber ebenso mit Pellets oder Abfällen.
BHKW können Primärenergie sparen, wenn sie passend ausgelegt sind und die entstehende Wärme tatsächlich genutzt wird. Brennstoff, Laufzeit, Stromkennzahl und Temperaturniveau beeinflussen Effizienz und CO₂-Bilanz deutlich.
Kraft-Wärme-Kältekopplung oder KWKK
Ein wirtschaftlicher Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplung setzt eine sehr hohe Anzahl von Nutzungsstunden im Jahr voraus. Mit KWKK-Anlagen wird dieses Ziel deutlich leichter erreicht. Dabei wird ein BHKW mit einer Adsorptions- oder Absorptionsanlage kombiniert, sodass Strom, Wärme und Kälte gleichzeitig produziert werden können. Diese Kombination ist nicht nur für Anwendungsbereiche wie Krankenhäuser oder kleinere Industrieanlagen sinnvoll. Angesichts des Klimawandels und zu erwartender häufiger Hitzesommer ist auch die Klimatisierung von Bürogebäuden oder Mehrfamilienhäusern denkbar.
BHKW und die Wärmewende
Ob ein BHKW zukunftsfähig ist, hängt vom Brennstoff ab. Mit Erdgas betriebene Anlagen geraten durch die steigende CO₂-Bepreisung zunehmend unter Druck; mit nachhaltig erzeugtem Biogas, Klärgas oder grünem Wasserstoff kann die Kraft-Wärme-Kopplung dagegen deutlich CO₂-ärmer gleichzeitig Strom und Wärme liefern. In vielen Wohngebäuden ist heute die Wärmepumpe die naheliegendere Lösung; ihren festen Platz behält die KWK dort, wo gleichzeitig viel Wärme und Strom gebraucht werden. Welche Programme den Einbau fördern, fasst der zentrale Fördermittel-Ratgeber zusammen.
Fazit
Die Nutzung des Prinzips der Kraft-Wärme-Kopplung sorgt für sehr hohe Gesamtwirkungsgrade bei Blockheizkraftwerken. Ab etwa 35 MWh Jahreswärmebedarf kann eine Prüfung sinnvoll sein; wirtschaftlich arbeitet ein BHKW aber erst, wenn zusätzlich hohe Vollbenutzungsstunden, gleichmäßige Wärmeabnahme und ein möglichst hoher Eigenstromverbrauch erreicht werden. Für Einfamilienhäuser sind BHKW, auch Nano-BHKW, angesichts der hohen Investitionskosten eher keine gute Lösung.
Informationen und Ratgeber zu Fernwärme Unter Fernwärme versteht man die Versorgung von Gebäuden mit Wärme aus einem Wärmenetz: Heizwärme und… weiterlesen
