Mit zunehmendem Ausbau der Stromerzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien steigt der Bedarf an flexiblen Erzeugungseinheiten, die in Zeiten niedriger Stromeinspeisung aus Windkraft- oder Solaranlagen die Nachfrage decken. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist bezogen auf die eingesetzte Primärenergie eine Stromerzeugungsart mit hohem Gesamtwirkungsgrad, damit ergibt sich ein Effizienzvorteil gegenüber der getrennten Strom- und Wärmeproduktion.
Im Jahr 2010 hatte die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen einen Anteil von rund 15 Prozent an der Nettostromerzeugung in Deutschland. Damit ist der KWK-Anteil seit 2003 (13,4 Prozent) langsam aber kontinuierlich gestiegen. Derzeit erfolgt der überwiegende Teil der KWK-Stromerzeugung in gas- und kohlebefeuerten Anlagen (67TWh von 76TWh im Jahr 2009). Neu installiert werden insbesondere biogas- und biomassebefeuerte Anlagen. Bisher bleibt der Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung allerdings hinter dem angestrebten Ziel der Bundesregierung von 25 Prozent an der deutschen Nettostromerzeugung bis 2020 zurück. Durch die Novellierung des Gesetzes für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (KWKG) im Jahr 2012 werden zusätzliche Anreize für den Ausbau und die Flexibilisierung geschaffen.
Voraussetzungen für mehr Flexibilität
KWK-Anlagen erreichen nur einen Effizienzvorteil infolge eines hohen Gesamtnutzungsgrades der eingesetzten Primärenergie, wenn sowohl der erzeugte Strom als auch die anfallende Wärme genutzt werden. Um die Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen zu gewährleisten, ist eine hohe Zahl an Vollbenutzungsstunden Voraussetzung, in der Regel mehr als 5000 Stunden im Jahr. Dazu wird vor allem eine ausreichende Wärmesenke benötigt, die auch im Sommer eine Wärmegrundlast aufweist, wie die zentrale Warmwasserbereitung in Städten oder prozessbedingter Wärmebedarf in der Industrie.
Die Stromerzeugung aus Blockheizkraftwerken (BHKW) kann grundsätzlich sehr schnell und flexibel geregelt werden. Durch den Einsatz von Wärmespeichern ist es möglich, die Stromproduktion und die Bereitstellung von Wärme zeitlich zu entkoppeln. Bereits heute werden Wärmespeicher in Kombination mit KWK-Anlagen eingesetzt. Hierbei wird allerdings nicht die Flexibilisierung der Anlage, sondern die Erhöhung der Betriebsstunden angestrebt. Dies dient zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit, indem durch Wärmespeicher Stillstandszeiten bei geringem Wärmebedarf vermieden werden. Auch die Kälteerzeugung durch KWK-Anlagen in Verbindung mit Absorptionskältemaschinen ist eine Möglichkeit, die Auslastung in den Sommermonaten zu erhöhen.
Für eine wirtschaftliche Auslegung von KWK-Anlagen durch flexible Stromerzeugung gab es auch vor dem Hintergrund der bisherigen Vergütungsstruktur nach dem KWKG oder dem Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) bisher nur geringe Anreize.
Mit der KWKG-Novellierung werden die Vergütungssätze angepasst und neue Anreize für Wärmespeicher gesetzt, um die Ausbauziele und gleichzeitig einen flexibleren KWK-Anlagenpark zu erreichen. Die angestrebte Flexibilität kann dann unter anderem auf dem Regelenergiemarkt zum Tragen kommen. Verschiedene Dienstleister bilden bereits heute Pools mit Blockheizkraftwerken für eine Vermarktung der erzeugten Energie am Minutenreservemarkt und ermöglichen so den Betreibern zusätzliche Erlösquellen. Mittelfristig kann bei entsprechender Flexibilität der Anlagen auch auf die Preissignale am Spotmarkt reagiert werden. Bei hoher Einspeisung erneuerbarer Energien und entsprechend niedriger Residuallast und niedrigen Preisen können KWK-Anlagen vom (Strom-)Netz gehen, aber über ihren Wärmespeicher weiterhin die Wärmeversorgung gewährleisten. Je höher der Anteil der erneuerbaren Energien ist, desto relevanter wird diese Option.
Die notwendigen Investitionen in die Flexibilität der Anlagen treffen jedoch heute noch nicht auf die erforderlichen Marktanreize. Die Flexibilitätsmärkte liefern noch nicht die für entsprechende Investitionsentscheidungen notwendigen Preissignale. Sowohl die Erlöse auf dem Minutenreservemarkt der vergangenen Jahre als auch die Preisschwankungen auf dem Spotmarkt sind tendenziell rückläufig.
Potenziale für die Kraft-Wärme-Kopplung
Mit Steigerung der Energieeffizienz der Raum- und Prozesswärme wird sich der Bedarf an Wärme aus bestehenden KWK-Anlagen reduzieren. Damit die Anlagen weiterhin wirtschaftlich betrieben werden können, müssen die Betreiber prüfen, inwieweit neue Wärmesenken erschließbar sind - beispielsweise durch Erweiterung oder Verdichtung der bestehenden Wärmenetze. Des Weiteren kann durch eine Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads von KWK-Anlagen der Anteil des erzeugten Stroms im Vergleich zur anfallenden Wärme gesteigert werden. Grundsätzlich ist die Anlagen-Flexibilisierung wesentliche Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb.
Um das Ausbauziel der Bundesregierung zu erreichen, wird außerdem ein Neubau von KWK-Anlagen notwendig. Hier bieten vor allem Blockheizkraftwerke und KWK-Anlagen im Nahwärmebereich noch Ausbaupotenzial.
Ohne eine Flexibilisierung der Betriebsweise der KWK-Anlagen erschwert ein wachsender KWK-Anteil bei gleichzeitigem Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien deren Systemintegration, da beide Erzeugungstechnologien eine gesetzlich garantierte vorrangige Einspeisung genießen. Bei zunehmender Stromeinspeisung aus diesen Technologien entsteht demnach zukünftig eine Konkurrenzsituation.
Die unflexible Stromerzeugung aus wärmegeführten KWK-Anlagen ist nicht in der Lage, Fluktuationen der erneuerbaren Energien auszugleichen. Sie kann damit nur unzureichend für die bedarfsgerechte Deckung der Residuallast genutzt werden. Gelingt die Flexibilisierung, beispielsweise durch den Einsatz von Speichern, sind KWK-Anlagen eine effiziente Energieerzeugungstechnologie, um den Energiebedarf zu decken. Die Kraft-Wärme-Kopplung kann im zukünftigen Energiesystem die Aufgabe wahrnehmen, flexibel auf die - dann insbesondere durch die fluktuierenden erneuerbaren Energien bestimmte - Residuallast zu reagieren. Zugleich kann dann die verbleibende zu deckende Last leichter und effizienter durch konventionelle Kraftwerke erbracht werden.
