22.05.2020

Optimierungspotenziale von Kraft-Wärme-Kopplung

Die Kraft-Wärme-Kopplung leistet bereits seit vielen Jahren einen wertvollen Beitrag zur effizienten und umweltfreundlichen Energieanwendung. Die Potenziale in Deutschland sind aber bei Weitem noch nicht vollständig ausgeschöpft. Erfahren Sie mehr über Vorteile, Techniken, Kennzahlen und vor allem: Optimierungsmöglichkeiten bei der Kraft-Wärme-Kopplung.

Kraft-Wärme-Kopplung Anlage

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine effiziente Energietechnik, bei der aufgrund der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme in einem Aggregat eine wesentlich rationellere Energienutzung ermöglicht wird, als dies bei der getrennten Wärme- und Stromerzeugung der Fall ist.

Durch die gezielte Nutzung von Abwärme erfolgt eine besonders effiziente Ausnutzung der im Brennstoff enthaltenen Energie, sodass Wirkungsgrade von etwa 90 % erreicht werden. Voraussetzung ist natürlich ein entsprechender Wärmebedarf am Standort oder in der Nähe. Der erzeugte Strom hingegen kann auch ins öffentliche Stromnetz eingespeist und somit weit verteilt werden.

Kennzahlen zur Effizienz von Kraft-Wärme-Kopplung

Zur Beurteilung von KWK-Systemen werden charakteristische Kennziffern verwendet. Im Gegensatz zur Definition wird das Wort „Gesamtwirkungsgrad” hier vermieden, weil dabei Energien unterschiedlicher Wertigkeit – Strom und Wärme – addiert werden, ohne diese Wertigkeit zu berücksichtigen.

  • Stromkennzahl: Verhältnis der elektrischen zur thermischen Leistung
  • thermischer Wirkungsgrad: thermische Leistung im Verhältnis zur Brennstoffleistung
  • elektrischer Wirkungsgrad: elektrische Leistung im Verhältnis zur Brennstoffleistung
  • Gesamteffizienz: elektrische + thermische Leistung im Verhältnis zur Brennstoffleistung

Techniken für die Kraft-Wärme-Kopplung

Es sind verschiedene Techniken zur Kraft-Wärme-Kopplung am Markt verfügbar oder noch in der Entwicklung. Genannt seien hier Motoren, Gas- und Dampfturbinen, Stirlingmotoren oder auch Brennstoffzellen. Je nach Anlage können verschiedene Brennstoffe eingesetzt werden, die in der Anlage in Strom und (Ab-)Wärme umgesetzt werden. Im Folgenden wird das Energieeinsparpotenzial am Einsatz eines Blockheizkraftwerks näher beschrieben, da diese Technik den breitesten Einsatzbereich aufweist und auch bereits in vielen Unternehmen wirtschaftlich betrieben wird.

Wärmeführung und Stromführung – was ist effizienter?

Die beiden bereitgestellten Energiearten Wärme und Strom werden in der Anwendung meistens nicht gleichbleibend synchron benötigt. Daher bieten sich für Blockheizkraftwerke zwei grundlegende Auslegungsmöglichkeiten an, nämlich die Wärmeführung oder die Stromführung.

Wärmeführung

Die Wärmeführung garantiert die Nutzung der gesamten produzierten Wärme, wobei überschüssig produzierter Strom in das öffentliche Netz abgegeben und der Zusatzstrombedarf aus dem Netz gedeckt wird.

Stromführung

Ein stromgeführtes Blockheizkraftwerk hingegen dient in erster Linie der Abdeckung des Strombedarfs des Betriebs, wobei es nötig werden kann, überschüssige Wärme an die Umgebung abzuführen oder energetisch sinnvoller in Wärmespeichern zu puffern.

Unter dem Gesichtspunkt der rationellen Energieverwendung ist die Wärmeführung der Stromführung vorzuziehen, da die Unterschiede beim Wärmebedarf im Tagesverlauf nicht so stark schwanken wie beim Strombedarf. Im realen Betrieb kann auch zeitweise von Wärme- auf Stromführung umgestellt werden, um beispielsweise eine Stromspitze zu mindern.

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit eines wärmegeführten Blockheizkraftwerks gegenüber konventionellen Systemen kann nur dann erreicht werden, wenn die einzelnen Module eine möglichst hohe Vollbenutzungsstundenzahl (mindestens > 5.000 h/a) erreichen. Unter den Vollbenutzungsstunden versteht man die Jahresarbeit in Kilowattstunden im Verhältnis zur Nennleistung in Kilowatt. Aus diesem Grund werden wärmegeführte Blockheizkraftwerke zur Deckung der Wärmegrundlast ausgelegt. Bei überwiegender Wärmenutzung für die Raumheizung liegt die thermische Leistung üblicherweise im Bereich zwischen 10 und 30 % des maximalen Leistungsbedarfs. Wesentlich für die Auslegung ist darüber hinaus die Grundlast durch Warmwasserbereitung. Bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit sind auch unbedingt die Regelungen des EEG zu beachten.

Pufferspeicher

Wärmeseitig bieten Pufferspeicher die Möglichkeit, die Wärmeerzeugung und den Verbrauch voneinander zu entkoppeln. Dadurch kann ein gleichmäßiger Betrieb des Blockheizkraftwerks auch dann erreicht werden, wenn verbraucherseitig schnell schwankende Bedarfssituationen auftreten. Der Pufferspeicher muss dabei so groß dimensioniert werden, dass er die BHKW-Wärme in Schwachlastzeiten aufnehmen kann.

Kesselleistung

Der in einem Energieversorgungssystem mit Blockheizkraftwerken immer notwendige Kessel zur Abdeckung der Spitzenlast wird anhand des maximalen Wärmeleistungsbedarfs dimensioniert. Besteht ein Blockheizkraftwerk aus mehreren Modulen, so kann die Leistung des Spitzenkessels zumindest um die thermische Leistung gemindert werden. Besitzt die Versorgungssicherheit höchste Priorität, so muss der Spitzenkessel auf die maximale Wärmeleistung ausgelegt werden.

Bewertung des erzeugten Stroms

Für die Wirtschaftlichkeit eines Blockheizkraftwerks ist die Bewertung des erzeugten Stroms von entscheidender Bedeutung.

Für Strom, der in KWK-Anlagen erzeugt wird, wird eine Vergütung nach dem Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz – KWKG) gezahlt. Generell muss betrachtet werden, ob es gewinnbringender ist, den Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen oder im Betrieb selbst zu verbrauchen und damit den Netzstrombezug zu senken.

Autor: Barbara Schmidt-Sercander