Funktionsprinzip von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen

Der Wunsch nach größtmöglicher Unabhängigkeit von der Preisentwicklung auf dem Strommarkt und die gesetzlichen Vorgaben zum sparsamen Umgang mit Energieträgern lassen Verbraucher – privat, gewerblich, industriell sowie kommunal – neue Wege gehen. Ganz so wie große Kraftwerke Strom erzeugen, lässt sich dies auch dezentral und somit verbrauchsnah realisieren. Mittels Kraft-Wärme-Kopplung entsteht dabei nicht nur Strom, sondern auch Wärme. In großen zentralen Kraftwerken können bei diesem Vorgang bis zu zwei Drittel der eingesetzten Energie verloren gehen oder über die Fernwärmeversorgung nur bedingt effizient weitergeleitet werden.

Dezentral und umweltschonend

Umweltschonender und effizienter ist daher die dezentrale Wärme- und Stromerzeugung. Beim Betrieb von KWK-Anlagen sind die Wege viel kürzer und die gesamte mit dem Brennstoff zugeführte Energie kann nahezu verlustfrei genutzt werden. Der Wirkungsgrad – also die Gesamtleistung für Wärme und Strom – kann bis zu 95 Prozent betragen. Durch KWK werden die spezifischen CO₂-Emissionen reduziert und durch die lokale Stromproduktion die elektrischen Netze entlastet. Die Verbrauchskosten von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bestimmen sich im Wesentlichen aus dem eingesetzten Energieträger. Gas ist dabei gegenüber Heizöl deutlich günstiger und seit Jahren relativ preiskonstant. Durch die Beimischung von Biogas und Wasserstoff erhöht sich der Anteil erneuerbarer, neuer Gase im Netz immer weiter.

Kraft-Wärme-Kopplung: Wärme und Strom aus Eigenproduktion

Um herauszufinden, ob sich der Einsatz einer solchen Anlage auch für Ihr Projekt rechnet, geht es zunächst darum, zu verstehen, wie Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) funktioniert.

Das Prinzip ist einfach, und vermutlich kennen Sie es bereits aus der täglichen Nutzung eines Autos: Erdgas und zunehmend immer mehr neue Gase treibt einen Motor an. Dieser erzeugt die Bewegungsenergie für das Fahrzeug. In KWK-Anlagen arbeiten spezielle Motoren oder Gas-Turbinen, die einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Über einen Wärmetauscher wird die gleichzeitig entstehende Wärme dem Heizkreislauf zugeführt und kann bspw. im Haus oder im Gewerbebetrieb zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Bei der Nahwärmeerzeugung mit einem BHKW wird die Wärme direkt in die zu versorgenden Objekte oder ins Nahwärmenetz eingespeist. Referenzprojekte mit einer umfassenden Dokumentation stellt z. B. Viessmann vor.

Unter Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen werden verschiedene Verfahren verstanden:

Motor-BHKW: gasförmige oder flüssige Brennstoffe werden zum Antrieb eines Stromgenerators eingesetzt
Gas-Turbinen-BHKW: sind auf gasförmige Treibstoffe festgelegt
Brennstoffzellen-BHKW: erzeugen Strom und Wärme in einem elektrochemischen Verfahren

Aus dieser Erläuterung wird klar: Immer dann, wenn Wärme benötigt wird, erzeugt die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auch Strom und lohnt sich deshalb dort, wo fast ganzjährig ein gleichhoher Strom- und Wärmbedarf vorhanden ist. Dies ist vor allem für energetische Sanierungen von Altbauten von Vorteil oder bei Wohneinheiten, die auch für Gewerbezwecke genutzt werden sollen. Wichtig ist, dass die Heizung zum Wärmebedarf des Gebäudes passt. Zu große oder zu kleine Anlagen führen zu Verlusten in der Effizienz.

Für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern eignen sich Anlagen mit 2 kW elektrischer Leistung sowie einem integrierten oder externen Brennwertgerät. Für Mehrfamilienhäuser oder Gewerbe bieten sich dagegen Anlagen mit einer Leistung von bis zu 20 kW_el an – auch als Grundlast-Beistellgeräte mit zusätzlichem Spitzenlastkessel.

Für jeden Einsatzzweck gibt es die passende Anlagengröße bei BHKW

Hersteller BHKW Zur Förderung

Optimal auf den Einsatzbereich eingestellt: Wärme- und/oder stromgeführt

BHKW werden in der Regel für lange Laufzeiten mit Volllast konzipiert, um wirtschaftlich betrieben werden zu können. Daher ist eine Anpassung an den Strom- und Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher erforderlich. Da das BHKW Strom und Wärme stets als Koppelprodukt in einem festen oder variablen Verhältnis zueinander liefert, muss der Strom- oder der Wärmebedarf der Verbraucher als Führungsgröße für die Auslegung und den Betrieb des BHKW ausgewählt werden. Der erzeugte Strom wird in der Regel von den angeschlossenen Verbrauchern zunächst selbst genutzt und kann bei nachlassendem Strombedarf in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die in einem BHKW erzeugte Wärme kann jedoch bei zurückgehendem Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher nicht oder nur in begrenztem Umfang, z. B. in einem Wärmespeicher, zwischengespeichert werden.

Wärmegeführte Betriebsweise

In den meisten Fällen wird der Wärmebedarf der Verbraucher als Führungsgröße für den Betrieb eines BHKW gewählt, da dies besonders effizient ist. Bei dieser wärmegeführten Betriebsweise bestimmt die Wärmenachfrage die Laststufe des BHKW bzw. den Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt. Ein häufiger Anwendungsfall ist der wärmegeführte BHKW-Betrieb bei der Heizwärmeversorgung von Gebäuden.

Die stromgeführte Betriebsweise von BHKW-Anlagen kommt seltener zur Anwendung. Ein Beispiel sind BHKW, die in Fernwärmesysteme von Energieversorgungsunternehmen eingebunden werden. Hierbei kann das BHKW genutzt werden, um beispielsweise den Zukauf von teuren Stromlastspitzen vom Vorlieferanten des Energieversorgers durch Hochfahren des BHKW zu vermeiden. Die erzeugte Wärme kann in diesen Fällen in das Fernwärmenetz eingespeist werden, das als Wärmepuffer dient. Bei dieser Betriebsweise wird im Allgemeinen keine große Auslastung des Blockheizkraftwerks erreicht und der wirtschaftliche Vorteil des Einsatzes ergibt sich ausschließlich durch Optimierung des Bezugsprofils beim Stromeinkauf oder durch Reaktion auf Schwankungen des Börsenpreises für Strom.

	Wärmegeführt	Stromgeführt	Kombiniert
Stromverwendung	ohne Einschränkungen (Eigennutzung und/oder Netzeinspeisung)	ohne Einschränkungen (Eigennutzung und/oder Netzeinspeisung)	nach Bedarf der Verbraucher, nach wirtschaftlicher Erwägung
Wärmeverwendung	nach Bedarf der Verbraucher	ohne Einschränkungen, ggf. Zwischenspeicherung	nach Bedarf der Verbraucher, ggf. Zwischenspeicherung, ggf. stromseitige Einschränkungen
Anwendungsbeispiele	Energieversorgung von Gebäuden	Einbindung in Fernwärmesysteme	Energieversorgung von Krankenhäusern

Kombinierte wärme- und stromgeführte Betriebsweise

Unter bestimmten Randbedingungen kann auch eine Kombination aus wärmegeführter und stromgeführter Betriebsweise in Betracht kommen. Ein Anwendungsbeispiel hierfür können Krankenhäuser sein. Das BHKW wird in einem solchen Fall zunächst wie bei der Wärmeführung für die Deckung der Wärmegrundlast konzipiert.

Krankenhäuser haben im Allgemeinen einen regelmäßig wiederkehrenden Verlauf des täglichen Strombedarfs mit einer durchgehenden Grundlast und einem deutlich höheren Niveau während des täglichen Krankenhausbetriebs. Um in diesen Zeiten mit hohem Strombedarf Eigenstrom erzeugen und nutzen zu können, kann ein zusätzliches BHKW-Modul zum Einsatz kommen, das nun stromgeführt dem Tageslastgang folgend betrieben wird. Die von dem Zusatzmodul erzeugte Wärme muss bei unzureichender Wärmeanforderung für einige Stunden in einem Wärmespeicher zwischengespeichert werden, der bei einer späteren Zunahme des Wärmebedarfs wieder entladen werden kann.

Diese kombinierte wärme- und stromgeführte Betriebsweise kann erfahrungsgemäß dann wirtschaftlich sein, wenn beispielsweise die Strombezugskosten für den hohen Tagesbedarf deutlich höher sind als für den ununterbrochenen Grundlastbedarf. Ähnliche Verhältnisse können auch in verschiedenen Bereichen des Gewerbes und der Industrie vorliegen.

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung – Strom, Wärme und Kälte aus einer Anlage

Mittels Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) kann neben Strom und Wärme auch Kälte mit einer Anlage erzeugt werden. Anlagen zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung finden sich in zunehmendem Maße in größeren Immobilien, immer dort, wo neben einem winterlichen Wärmebedarf ein namhafter Kältebedarf für Klimatisierung oder Prozesskühlung besteht. Hierzu gehören Hotels, Krankenhäuser, Bürogebäude, aber insbesondere auch Fertigungsstätten der Lebensmittelindustrie oder weitere industrielle Kühlprozesse. Die kleinsten KWKK-Anlagen bieten eine Stromerzeugung von 5 kW, eine Kälteleistung von 10 kW und eine Wärmeleistung von 15 kW. Nach oben sind durch große Bauarten und Kaskadenschaltung von Einzelanlagen keine Grenzen gesetzt.

Im KWKK-Prozess wird durch die Kombination eines BHKWs mit einer Sorptionsanlage – dieses kann ein Absorber oder ein Adsorber sein – Strom, Kälte und Wärme zugleich erzeugt. Hieraus resultieren eine optimale Energieausnutzung und eine sehr gute Wirtschaftlichkeit. Ihr Stromverbrauch beschränkt sich auf die Steuerung sowie wenige Pumpen mit geringer Leistungsaufnahme.

Die neben der Stromerzeugung im BHKW anfallende Abwärme treibt in der nachgeschalteten Sorptionsanlage einen thermischen Verdichter an, der seinerseits einen Kühlkreislauf antreibt. Je nach eingesetzter Sorptions-Stoffpaarung liegt der thermische Wirkungsgrad bei 60 bis 80 Prozent.

Kühlung und Klimatisierung mit Gas

Fragen und Antworten zu KWK

Von der Erklärung der Technik über die verschiedenen Leistungsbereiche und Anwendungsmöglichkeiten bis hin zur Ersparnis bei den Energiekosten – hier finden Sie alle Informationen zur Blockheizkraftwerken und Strom erzeugenden Heizung.

Wissenswertes

Wirtschaftlichkeit und Förderung von BHKW

Selbst erzeugten Strom einspeisen oder nicht? Welche Förderungen gibt es? Ob Sie den Strom, den Sie produziert haben, selbst verbrauchen oder direkt in das Stromnetz einspeisen, hängt davon ab, was für Sie den größeren wirtschaftlichen Vorteil bringt.

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