KWK – Kraft-Wärme-Kopplung

KWK: Kraft-Wärme-Kopplung soll die Energieeffizienz erhöhen

Inhalt des Wiki-Artikels

• Der Wirkungsgrad von KWK-Anlagen
• Förderung von KWK-Anlagen nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG)
• Kosten und Nutzen von Kraft-Wärme-Kopplung

Anlagen zur Energieerzeugung, die nicht nur elektrische oder mechanische Energie liefern, sondern gleichzeitig auch die dabei entstehende Wärme nutzbar machen, werden unter dem Begriff Kraft-Wärme-Kopplung oder kurz KWK zusammengefasst. KWK-Anlagen können unterschiedliche Technologien einsetzen, um dieses Ziel zu erreichen. Hierfür kommen sowohl fossile als auch erneuerbare Brennstoffe wie Biogas oder Pflanzenöl infrage. Der hohe Wirkungsgrad von KWK-Anlagen basiert auf der Kopplung von Wärmeerzeugung und Stromerzeugung. Für Blockheizkraftwerke (BHKW) werden meist Verbrennungsmotoren oder (seltener) Brennstoffzellen eingesetzt.^[1]

Der Wirkungsgrad von KWK-Anlagen

Obwohl für den Betrieb von KWK-Anlagen oft fossile Brennstoffe genutzt werden, macht ihr hoher Wirkungsgrad sie zu einer umwelt- und klimafreundlicheren Alternative im Vergleich zu klassischen Kraftwerken, die entweder nur Wärme oder nur Strom erzeugen können. Der Gesetzgeber unterstützt in Deutschland den Ausbau der energieeffizienten Kraft-Wärme-Kopplung durch die Bestimmungen zu Einsatz und Förderung, die unter anderem im Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG) festgelegt sind.

Die meisten Großkraftwerke nutzen Dampfturbinen, um Strom zu erzeugen. Dabei spielt es keine Rolle, welcher Brennstoff zur Dampferzeugung genutzt wird. Die dabei entstehende Wärme bleibt in der Regel ungenutzt, was den Wirkungsgrad der Anlagen auf rund 40 Prozent begrenzt. Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz der Energieerzeugung und berücksichtigt Umwandlungsverluste, die beispielsweise durch Reibung oder Wärme entstehen. Physikalisch unterschieden wird nach elektrischem und thermischem Wirkungsgrad, also nach Kraft und Wärme.

KWK-Anlagen arbeiten in der verbreitetsten Form als Blockheizkraftwerke. Dabei kommen Verbrennungsmotoren zum Einsatz, die mit Gas, Diesel oder anderen fossilen Brennstoffen betrieben werden. Je nach Größe der KWK-Anlage lassen sich elektrische Leistungen zwischen einigen hundert Kilowatt und mehreren Megawatt erzeugen. Die dabei entstehende Abwärme wird aber nicht einfach in die Umwelt entlassen, sondern in ein Nahwärmenetz eingespeist, das angeschlossene Gebäude mit Heizwärme versorgt.

Obwohl der thermische Wirkungsgrad von BHKW über dem eines Kohlekraftwerks liegt, haben Anlagen für Kraft-Wärme-Kopplung einen geringeren elektrischen Wirkungsgrad. Außerdem ist der Einbau eines sogenannten Spitzenlastkessels erforderlich, damit auch zu Zeiten eines hohen Wärmebedarfs genügend Heizwärme zur Verfügung steht. Dieses Vorhalten von Wärmeenergie reduziert die Energieeffizienz zusätzlich.

Neben großen Blockheizkraftwerken gibt es auch kleinere KWK-Anlagen, mit denen sich einzelne Wohnhäuser oder Mehrfamilienhäuser versorgen lassen. Als Energiequelle für diese Mikro-Blockheizkraftwerke zur Kraft-Wärme-Kopplung kommen häufig Stirlingmotoren oder Gasmotoren infrage. Auch Brennstoffzellen spielen eine immer größere Rolle. Dabei liegt der elektrische Wirkungsgrad dieser Anlagen mit Werten zwischen 10 und 40 Prozent relativ niedrig. Bei der Heizwärme liegt er allerdings je nach Antriebsart zwischen 50 und 60 Prozent (beim Stirlingmotor sogar bis zu 80 Prozent). Damit lassen sich Wohnhäuser komplett mit Heizwärme versorgen. Beispiele für den durchschnittlichen Wirkungsgrad unterschiedlicher Kraftwerke für Strom- und Wärmeerzeugung zeigt diese Tabelle^[2]:

Förderung von KWK-Anlagen nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG)

KWK gilt in Deutschland als Brückentechnologie, um zur Dekarbonisierung der Energieversorgung in Deutschland beizutragen. Die KWK-Anlagen sind effizienter als herkömmliche Kraftwerke, die bis zum Jahr 2030 durch die energieeffizientere Kraft-Wärme-Kopplung weitgehend ersetzt werden sollen. Der Stromsektor soll laut dem Willen der Bundesregierung bereits im Jahr 2045 (und nicht wie bisher erst im Jahr 2050) klimaneutral werden^[3]. Dadurch bestimmt die Möglichkeit zur Nutzung erneuerbarer Brennstoffe die Zukunftsfähigkeit der KWK-Anlagen. Grundlage für die Förderung solcher Anlagen ist das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz oder kurz KWKG, das bereits 2002 verabschiedet und seitdem mehrfach novelliert wurde.

Das KWKG regelt die umlagefinanzierte Förderung für die Kraft-Wärme-Kopplung mit hoher Energieeffizienz. Neben den Vorteilen des Einsatzes von KWK-Anlagen bezüglich der Reduktion des CO₂-Ausstoßes gelten die effizienten Kraftwerke auch als ein Beitrag für mehr Flexibilität bei der Energieerzeugung. 2022 wurden neue Zielvorgaben für KWK ausgegeben^[4]. Dazu zählen die Klimaneutralität der Stromerzeugung bis 2035 und ein Strommengenziel von 120 TWh ab 2025. Außerdem sollen neue KWK-Anlagen nach Möglichkeit Wasserstoff-Ready sein, damit eine Umstellung auf 100 Prozent Wasserstoff als Brennstoff möglich wird. Bei der Förderung von KWK gibt es ebenfalls Änderungen. So ist Biomethan in Blockheizkraftwerken in künftigen Fassungen des Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes offenbar gar nicht mehr vorgesehen und nur noch über das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) förderfähig.

Kosten und Nutzen von Kraft-Wärme-Kopplung

Betreiber von KWK-Anlagen mit einer Leistung von mehr als 20 Megawatt müssen die KWK-Kosten-Nutzen-Vergleich-Verordnung (KNV-V) von 2015 beachten^[5]. Sie verpflichtet bei umfangreichen Modernisierungen oder dem Neubau einer Anlage für Kraft-Wärme-Kopplung zur Erstellung einer detaillierten Kosten-Nutzen-Analyse, die analog auch für Fernwärme und Fernkälte gilt. Eine positive Bewertung der Analyse liegt dann vor, wenn die Gesamtkosten zur Deckung des Strom- und Wärmebedarfs durch den Einsatz einer KWK-Anlage niedriger liegen als bei anderen Energiequellen. Die Genehmigungsfähigkeit einer KWK-Anlage über 20 Megawatt Leistung nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz hängt direkt von der positiven Kosten-Nutzen-Analyse ab. Außerdem müssen die Betreiber eine Wirtschaftlichkeitsanalyse sowie weitere Angaben zum Vorhaben einreichen. Keine Wirtschaftlichkeitsanalyse mit Kosten-Nutzen-Vergleich zur Kraft-Wärme-Kopplung müssen Betreiber einreichen, wenn die Voraussetzungen für folgende Ausnahmen vorliegen:

• Errichtung der Anlage nahe geologischer Speicherstätten gem. § 11 Kohlendioxid-Speicherungsgesetz
• Anlage zur Stromerzeugung läuft im Fünfjahresdurchschnitt weniger als 1500 Stunden pro Jahr
• nutzbare Wärmeleistung oder Wärmenachfrage liegt unterhalb von 10 Megawatt