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Die Bundesregierung will den Primärenergieverbrauch bis 2020 um 20 Prozent und bis 2050 um 50 Prozent senken.

Energieeffiziente Technologien bilden den Grundstein für die Energie- und Wärmewende. Dabei kommt insbesondere dem Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eine wichtige Rolle zu.

Die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung überzeugt durch hohe Effizienz und große Flexibilität. Sie spart gegenüber der getrennten Produktion von Strom in Kraftwerken und Wärme in Heizkesseln bis zu 60 Prozent Energie. Die Kohlendioxid-Bilanz ist damit ebenfalls besser.

Auch das Land Baden-Württemberg will den zielgerichteten Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung forcieren. Dazu hat die Landesregierung im Sommer 2015 das Landeskonzept KWK beschlossen, das 17 Maßnahmen aus den Bereichen Förderung, Beratung, Information und Qualifizierung umfasst.

Bis 2020 soll der Beitrag der Kraft-Wärme-Kopplung zur Stromerzeugung in Baden-Württemberg von rund 12 Prozent 2013 auf dann 20 Prozent steigen.

Ein Prozess – doppelter Nutzen

Die doppelte Nutzung von Energie ist aus zahlreichen Anwendungen bekannt.

So nutzt ein Automotor Treibstoff zum Vortrieb und gleichzeitig bei Bedarf die Motorwärme zur Innenraumbeheizung.

Die Kraft-Wärme-Kopplung funktioniert ähnlich: Sie verwendet die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme für Heizzwecke.

Im Winter sorgt die Motorwärme für angenehme Temperaturen im Fahrzeug.

Die Kraft-Wärme-Kopplung kann in vielen Bereichen und Größenordnungen eingesetzt werden, vom Einfamilienhaus bis zum Industriebetrieb.

Große Heizkraftwerke haben eine Leistung von bis zu mehreren hundert Megawatt, kleine Anlagen sind im Kilowattbereich angesiedelt. Der eingesetzte Brennstoff wird dabei bis zu über 90 Prozent genutzt.

Die Wärme wird zum Heizen bzw. Kühlen, zur Warmwasserversorgung oder als Prozesswärme verwendet. Strom und Wärme können je nach Anlagengröße dezentral erzeugt werden.

Durch die Erzeugung vor Ort entfallen Leitungsverluste.

Kleinstanlagen und Heizkraftwerke

Für die Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung kommen verschiedene Brennstoffe oder Wärmequellen in Betracht.

Neben fossilen Energieträgern wie Kohle und Gas werden immer häufiger auch erneuerbare Energien verwendet, beispielsweise Biogas, Pflanzenöl, Holzpellets, Hackschnitzel, Solar- oder Geothermie.

Die Wahl des Brennstoffs ist entscheidend für die Umweltfreundlichkeit der Apparatur. Der Einsatzzweck bestimmt die Ausführung der Anlage.

Soll in großen Kraftwerken Wärme ausgekoppelt werden, kommen meist Dampf- oder Gasturbinen zum Einsatz. Für die dezentrale Versorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Industrie- und Gewerbebetrieben bieten sich Blockheizkraftwerke oder Mikro-KWK-Anlagen an.

Funktionsprinzip eines Blockheizkraftwerkes Quelle: Messerschmidt Energiesysteme

Das Funktionsprinzip ist fast immer dasselbe: Meist wird die chemische Energie eines Brennstoffs oder die Wärme einer anderen Quelle in mechanische Energie und schließlich in einem Generator in Strom umgewandelt.

Die dabei entstehende Wärme wird über Wärmetauscher ausgekoppelt und über ein Übertragungsmedium in ein Heizsystem oder Fernwärmenetz eingespeist.

Motorbetriebene Blockheizkraftwerke

Blockheizkraftwerke für Einfamilienhäuser sind nicht größer als eine Waschmaschine, Anlagen für Wohn- und Gewerbegebiete sind entsprechend üppiger dimensioniert.

Im Wesentlichen bestehen sie meist aus einem Verbrennungsmotor, einem Generator und einem Wärmetauscher.

Ein Pufferspeicher entkoppelt die Wärme- von der Stromlieferung. So kann bei einer hohen Nachfrage nach elektrischer Energie die überschüssige Wärme für eine spätere Verwendung gespeichert werden.

Unterschiede zwischen Stromerzeugung und Bedarf werden hingegen über das Stromnetz ausgeglichen.

Senertec Dachs BHKW HKA G 5.5 KW elektrisch Quelle: Messerschmidt Energiesysteme

Im unteren Leistungsbereich werden überwiegend Diesel- und Ottomotoren eingesetzt.

Der Vorteil des Verbrennungsmotors ist seine ausgereifte Technik und der hohe elektrische und thermische Wirkungsgrad. Demgegenüber stehen hohe Wartungskosten von rund 2-3 Cent pro erzeugter Kilowattstunde Strom bei Wartungsintervallen von 2.500 bis 4.000 Betriebsstunden.

Hinzu kommen hohe Emissionen sowie teils störender Lärm und Schwingungen.

Als alternative Antriebe zum Verbrennungsmotor dienen neben Gasturbinen auch Stirlingmotoren, bei denen die Wärme von außen zugeführt wird. So kann beispielsweise Energie aus Verbrennung oder Solarthermie in Strom und Wärme umgewandelt werden.

Ein Arbeitsmedium, meist ein Gas, wird in zwei unterschiedlichen Temperaturzonen im Motor erhitzt bzw. abgekühlt. Die unterschiedliche Ausdehnung des Gases bewegt einen Kolben. Die kontinuierliche Wärmezuführung ermöglicht einen leisen, laufruhigen und emissionsarmen Betrieb.

Die Wartungsintervalle liegen zwischen 5.000 bis 8.000 Betriebsstunden.

Die elektrischen Wirkungsgrade sind geringer als beim Verbrennungsmotor, der Gesamtwirkungsgrad liegt bei über 90 Prozent und ist damit etwas geringer als bei konventionellen Blockheizkraftwerken.

Die Kosten sind höher als beim Verbrennungsmotor.

Die Vorzüge der Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle erzeugt in einem elektrochemischen Prozess Strom und Wärme ohne Verbrennung. Sie besteht aus zwei dünnen Elektroden, die durch eine Elektrolytmembran voneinander getrennt sind.

An der Anode wird meist Wasserstoff zugeführt, an der Kathode Sauerstoff. Der Wasserstoff wird in seine Bestandteile zerlegt, wobei die Protonen durch den Elektrolyten auf die Sauerstoffseite gelangen.

Die Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis zur anderen Seite, wo aus den Einzelteilen schließlich Wasser entsteht.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle Quelle: EnBW Energie Baden-Württemberg AG

Brennstoffzellen arbeiten leise und emissionsfrei und weisen im Vergleich zu motorbetriebenen Bockheizkraftwerken hohe elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent auf.

Ihre Leistung ist gut regelbar, der Wartungsaufwand gering. Die Energie zur Gewinnung des Wasserstoffs, beispielsweise aus Erdgas, muss jedoch vom Gesamtwirkungsgrad abgezogen werden.

Primärenergieträger wie Erdgas können nicht direkt verwendet werden. Brennstoffzellen sind noch vergleichsweise teuer und es gibt nur eine geringe Betriebserfahrung.

Nur rund ein Prozent der jährlich rund 7.000 neu installierten Blockheizkraftwerke arbeiten mit Brennstoffzellen.

Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung Quelle: EnBW Energie Baden-Württemberg AG

Fördermöglichkeiten und Fallstricke

Außer einem relativ hohen Anschaffungspreis hat das Blockheizkraftwerk insbesondere für Privathaushalte kaum Nachteile.

Kleine Modelle mit Verbrennungsmotor für den Hausgebrauch kosten mit Pufferspeicher rund 15.000 Euro. Hier lohnt es sich ein Blick auf die diversen Fördermöglichkeiten, etwa durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau KfW oder das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA.

Auch durch die Einspeisung des überschüssigen Stroms ins öffentliche Netz lässt sich gegebenenfalls Geld verdienen.

Blockheizkraftwerke sind eine zukunftsträchtige Technologie, sie arbeiten wirtschaftlich und autark.

Die gesetzlichen Rahmenbedingungen für Industrie- und Gewerbebetriebe sind indes sehr unübersichtlich. Zu beachten sind im Wesentlichen das Energiewirtschaftsgesetz, das Erneuerbare-Energien-Gesetz, das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz, das KWK-Gesetz und das Strommarktgesetz.

Jedes Vorhaben muss individuell betrachtet werden. Dabei müssen Strom- und Wärmeerzeugung bewertet werden, um zu einem wirtschaftlichen Konzept zu gelangen.

Wer Förderinstrumente optimal nutzen und steuerliche Fallstricke umgehen will, ist auf professionelle Beratung angewiesen.

Erster Anlaufpunkt ist häufig der Energieversorger.

So berät auch Energiedienst bei Planung, Konzeption und Umsetzung und erstellt Messkonzepte und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen unter Berücksichtigung der gesetzlichen Anforderungen.

Bei Bedarf gehören auch Betriebsführung, Contracting oder Mieterstrommodelle zum Angebot.

Ansprechpartner ist Christoph Dilger, Telefon: 07623 92-3847, E-Mail: christoph.dilger@energiedienst.de.

Funktionsweise einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Quelle: Ingenieurbüro Ludwig Langer

Für Industriebetriebe kann es interessant sein, zu bestimmten Zeiten mit der Nutzwärme eine Absorptionskältemaschine anzutreiben.

Man spricht dann von einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK).

Die höheren Investitionen werden durch die längeren Laufzeiten ausgeglichen, etwa wenn die Wärme im Sommer zur Klimatisierung genutzt wird.

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