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. 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 treiben 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 gleich ho­her Strom- und Wär­me­be­darf 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 kWel an – auch als Grund­last-Bei­stell­ge­rä­te mit zu­sätz­li­chem Spit­zen­last­kes­sel.

Für jeden Einsatzzweck gibt es die passende Anlagengröße bei BHKW

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 zur Kraft-Wärme-Kopplung

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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