Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) oder Wärme-Kraft-Kopplung (WKK)

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme für Heizzwecke (Fernwärme oder Nahwärme) oder für Produktionsprozesse (Prozesswärme) in einem gemeinsamen thermodynamischen Prozess, üblicherweise in einem Heizkraftwerk. Es ist somit die Auskopplung von Nutzwärme insbesondere bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen. In den meisten Fällen stellen KWK-Kraftwerke Wärme für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude bereit, oder sie versorgen als Industriekraftwerk Betriebe mit Prozesswärme (z. B. in der chemischen Industrie). Die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird dabei weitestgehend vermieden. Zunehmend an Bedeutung gewinnen kleinere KWK-Anlagen für die Versorgung von Gewerbebetrieben und Wohngebieten, bzw. einzelner Mehr- und sogar Einfamilienhäuser, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW)[1]


Das Heizkraftwerk Berlin-Mitte wird neben der Stromproduktion auch zur Fernwärmeversorgung des Regierungsviertels eingesetzt.

Vorteil der KWK ist der verringerte Brennstoffbedarf für die gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung, wodurch die Schadstoffemissionen stark reduziert werden. Die Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll den Ausbau beschleunigen.[2][3]

Einführung

Das Spektrum der elektrischen und thermischen Leistung von KWK-Anlagen reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt. Seit ungefähr dem Jahr 2000 kommen zunehmend etwa waschmaschinengroße, so genannte Mini- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für den Einsatz in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels auf den Markt. 2009 wurde von VW und Lichtblick ein Projekt gestartet, in dem 100.000 Klein-BHKWs mit einer Gesamtleistung von rund 2 Gigawatt installiert werden sollen.[4] Diese eignen sich daher eher für Mehrfamilienhäuser und Gewerbeeinheiten. 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.

Die typischen thermischen Kraftwerke, die in Deutschland einen Großteil des Strombedarfs decken, erzeugen mit der aus einem Brennstoff freigesetzten Wärme ausschließlich elektrischen Strom. Wird zusätzlich auch die Abwärme verwendet, z. B. für Prozesswärme oder in ein Fernwärmenetz eingespeist, nennt man diese KWK-Anlagen; sie haben einen höheren Nutzungsgrad. Während rein stromerzeugende Anlagen Wirkungsgrade zwischen 33 % (ältere Anlagen) und 58,4 % (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke) erreichen, kommt man bei KWK-Anlagen auf Nutzungsgrade von 80 % und höher. Bei KWK ist insofern außer der elektrischen Energie [kWhel] auch thermische Energie [kWhth] nutzbar. Bei den mit Wasserdampf als Arbeitsstoff betriebenen Heizkraftwerken der öffentlichen Versorgung – das sind in der Regel Entnahme-Kondensationsanlagen – geht diese Steigerung des Nutzungsgrades allerdings mit einer Verringerung der Stromproduktion (geringerer elektrischer Wirkungsgrad) einher. Der Dampf muss vor den letzten Turbinenstufen entnommen werden, damit seine Temperatur zum Heizen ausreichend hoch ist. Im Gegensatz dazu wird bei Kraftwerken ohne Kraft-Wärme-Kopplung die Restwärme über den Kondensator und den Kühlturm an die Umgebung 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 %. Dass die Einsparungen im Schnitt nicht noch höher ausfallen, hängt damit zusammen, dass der reale Strom- und Wärmebedarf starken und unterschiedlichen Schwankungen unterliegt, vor allem in Wohngebieten bei nur geringem Wärmebedarf im Sommer, der sich durch Wärmespeicher nicht über längere Zeiträume ausgleichen lässt.

Das insgesamt in Deutschland noch nicht realisierte hohe Einsparpotenzial hat den Gesetzgeber veranlasst, die KWK zu fördern[2], um Markthemmnisse zu überwinden, die durch die über 100 Jahre gewachsenen zentralen Versorgungsstrukturen existieren. Seitens der großen Energieversorger gibt es aus naheliegenden Gründen Vorbehalte gegen die Förderung der KWK, was durch Argumente einzelner Experten unterstützt wird.[5]


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

Das Bild 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 zwar der Wirkungsgrad der Strom-Erzeugung (Elektro-Energiegewinnung); der Gesamtnutzungsgrad steigt aber auf bis zu 90 %. Bei einer Nutzung des Kohlendioxidgehaltes (CO2) in den durch die Verbrennung anfallenden Abgasen (beispielsweise in Gewächshäusern landwirtschaftlicher Betriebe) könnte sogar ein Gesamtnutzungsgrad oberhalb von 90 % möglich sein. Hier würde das zur Photosynthese benötigte CO2 der Abgase dem Gewächshaus zugeführt, müsste 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) genauso wie die Kernenergie. Das Kernkraftwerk Greifswald (auch Kernkraftwerk Lubmin genannt) speiste bis 1990 das Fernwärmenetz von Greifswald.

Auslegung


Fernwärmespeicher, als thermischer Lastausgleich für die KWK-Anlage des Kraftwerkes Theiß, mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang

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. Der höchste Nutzungsgrad wird mit wärmegeführter Auslegung erzielt, weil dabei die geringsten Energieverluste entstehen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist jedoch die stromgeführte Fahrweise häufig attraktiver, da pro kWh Strom deutlich höhere Erträge erzielt werden als pro Kilowattstunde Wärme. Dabei kann die Wärmespeicherung durch Verwendung eines Fernwärmespeichers bewerkstelligt werden. Die erzeugte Wärme wird als warmes Wasser, die sogenannte Fernwärme, oder Wasserdampf über isolierte Rohrleitungen zur Gebäudeheizung, für industrielle Zwecke (Prozesswärme) oder in der Lebensmittelherstellung (z. B. Aquakultur) verwendet. Durch Einsatz von großen Wärmespeichern kann die im KWK-Prozess (immer zeitgleiche) Produktion von Wärme und Strom zeitlich wieder entkoppelt werden, da die Wärme zwischengespeichert werden kann. So kann eine KWK-Anlage stromgeführt betrieben werden und dennoch die Wärmebereitstellung eines wärmegeführten Betriebs gewährleisten. In Zeiten von hoher Strom- und geringer Wärmenachfrage kann die Anlage in Volllast betrieben werden und die überschüssige Wärme in den Speicher laden. In Zeiten von geringer Strom- und dennoch hoher Wärmenachfrage kann die KWK-Anlage in Teillast betrieben werden, die restliche Wärme kann dann durch den Wärmespeicher temporär bereitgestellt werden.

Da die Verbindung von KWK-Anlagen und großen Wärmespeichern zu einer hohen Flexibilität bei gleichzeitig effizienter Brennstoffnutzung führt, hat die Bundesregierung die Förderung von Wärmespeichern mit der letzten Novelle des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes in die Förderung mit aufgenommen.

Anlagenvarianten


Prinzipschaltbild eines BHKW. Die Zahlen sind Anhaltswerte für die Temperatur in °C.

Eine zunehmend verbreitete Variante sind so genannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Dabei handelt es sich um kleine bis mittelgroße KWK-Anlagen auf Basis von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen. 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:

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

Von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) 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

Förderung in Deutschland

In Deutschland wird die KWK allgemein durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) gefördert. Anlagen, die erneuerbare Energien in KWK nutzen (z.B. Biogas-BHKW mit Wärmenetzen), können wahlweise auch nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet werden.

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 (KWKG)) 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 5,41 Cent auf jede im BHKW erzeugte Kilowattstunde Strom. Dabei ist es unerheblich, ob der Strom selbst verbraucht oder eingespeist wird. Kleine KWK-Anlagen bis 2 MW elektrischer Leistung erhalten bis 2010 eine zusätzliche Vergütung. Diese betrug bei Inkrafttreten des Gesetzes 2002 2,56 Cent/kWh und wurde bis 2010 auf 1,94 Cent/kWh abgesenkt.[2] 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.[6]

Das novellierte Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz vom 25. Oktober 2008 trat 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 den KWK-Zuschlag. Darüber hinaus erhalten nun auch Betreiber den KWK-Zuschlag, die Strom für die Eigenversorgung bereitstellen und nicht in Netze der allgemeinen Versorgung einspeisen.
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
→ Hauptartikel: Erneuerbare-Energien-Gesetz

Mit der seit 2009 gültigen Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG 2009, § 27, Absatz 4) wurde die Nutzung der Abwärme aus der Stromerzeugung aus Biomasse (z. B. in Biogasanlagen und Biomasseheizkraftwerken) durch einen KWK-Bonus von 3 Cent/kWh KWK-Strom (EEG 2004: 2 Cent/kWh) angeregt. Dieser Bonus wurde auf die Grundvergütung nach dem EEG angerechnet und war vom Betreiber des vorgelagerten Stromnetzes zu entrichten. Die bonusfähige Strommenge (KWK-Strom) errechnete sich als Produkt aus Nutzwärme (tatsächlich genutzte Abwärme) und der Stromkennzahl der Anlage (elektrische Leistung/Nutzwärmestrom, hier ist – anders als oben – mit Nutzwärme der theoretisch nutzbare Anteil gemeint; durch die Anlagentechnik wie Generator und Wärmetauscher ist die Stromkennzahl einer Anlage vorgegeben.). Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad und die intensive Nutzung der Abwärme erhöhten also den Anteil der bonusfähigen Strommenge. Verschiedene Bedingungen mussten für den Bezug des KWK-Bonus erfüllt sein (Anlage 3 des EEG 2009).[3]

Außerdem wurde ein weiterer so genannter Technologie-Bonus (Innovationsbonus) von bis zu 2 Cent/kWh bei Einsatz bestimmter KWK-Technologien (Brennstoffzellen, Gasturbinen, Dampfmotoren, Organic-Rankine-Anlagen, Mehrstoffgemisch-Anlagen, insbesondere Kalina-Cycle-Anlagen, oder Stirling-Motoren) gezahlt (Anlage 1 des EEG 2009). Diese Zuschlags- und Bonuszahlungen wurden indirekt auf alle Endverbraucher umgelegt.[3]

Durch die EEG-Novelle 2012 wurde sowohl der KWK-Bonus als auch der Technologiebonus abgeschafft. Der KWK-Bonus ist nunmehr in die EEG-Grundvergütung integriert und als Mindestanforderung für Biomasseanlagen übernommen, indem eine Wärmenutzung von mindestens 25 bzw. 60 Prozent vorgeschrieben wird, wenn nicht mehr als 60 Masseprozent flüssige Güllefraktionen eingesetzt werden. Anstatt des Technologie-Bonus´ sah das EEG 2012 einen Gasaufbereitungs-Bonus vor, wenn geringere Methanemissionen und geringerer Stromverbrauch nachgewiesen werden konnten. Mit der letzten EEG-Reform im August 2014 wurde zur Begrenzung der Kosten der EEG-Umlage der Gasaufbereitungsbonus allerdings wieder ersatzlos gestrichen.
Steuervergünstigungen
→ Hauptartikel: Ökosteuer (Deutschland)

Für die Brennstoffe Erdgas, Heizöl und Flüssiggas, wurde bis zum 1. April 2012 beim Einsatz in KWK-Anlagen mit einem Jahresnutzungsgrad von mindestens 70 Prozent die Energiesteuer, ehemals „Mineralölsteuer“, vollständig erstattet. Aufgrund einer zu kurzfristigen Antragstellung durch die deutschen Behörden bei der EU-Kommission wurde die Bearbeitung von Anträgen auf Energiesteuerentlastung im Jahr 2012 vorläufig ausgesetzt.[7] Durch eine Gesetzesänderung wird rückwirkend zum 1. April 2012 die vollständige Entlastung nur noch geleistet, wenn die Anlage neben dem Mindestnutzungsgrad von 70 Prozent steuerrechtlich noch nicht vollständig abgeschrieben wurde und hocheffizient im Sinne der Richtlinie 2004/8/EG des Europäischen Parlaments ist.[8][9] Für Strom aus KWK-Anlagen bis zu 2 MW elektrischer Leistung, der vom Betreiber der Anlage im „räumlichen Zusammenhang“ verbraucht wird, muss zudem keine Stromsteuer (2,05 Cent/kWh) entrichtet werden.
Förderung in Österreich

In Österreich besteht für fossile Kraftwärmekopplungsanlagen eine Förderung in Art, dass die Energieabgaben für die Primärenergie nicht bezahlt werden müssen, sofern der elektrische Wirkungsgrad über 30 % liegt. Damit die Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen de facto steuerbefreit bzw. gefördert.

Fossile Kraft-Wärmekopplungen wurden in Österreich von 2004 bis 2010 mit einem Gesamtvolumen von rund 500 Mio. Euro in Form von Marktpreiszuschlägen zum Strompreis (Unterstützungstarifen) unterstützt; diese Form der Förderung ist jedoch ausgelaufen. 2014 wurde ein Gesetz erlassen, welches eine Förderung der Stromproduktion von fossilen Anlagen über KWK-Punkte vorsieht, deren Volumen jedoch nur mehr 38 Mio. Euro pro Jahr beträgt. [10] Weiters erhielten Kraftwerke, wie das Kraftwerk Simmering Investitionsförderungen gemäß § 24 ff Ökostromgesetz 2012 für die Adaptierungsarbeiten. [11]
Förderung in der Schweiz

In der Schweiz wird die Wärmekraftkopplung in Biomasse-, Abwasserreinigungs- und Kehrrichtverbrennungsanlagen indirekt durch den Bund gefördert.[12]

Quelle - Literatur & Einzelnachweise