Effiziente Energieerzeugung Wie funktioniert Kraft-Wärme-Kopplung?

Deutschland gilt als Recycling-Weltmeister: Pfandautomaten, Mülltrennung und Wertstoffinseln gehören hierzulande zum Alltag und zielen darauf ab, möglichst wenig Rohstoffe zu verschwenden, sondern sie wiederzuverwenden. Auch bei der Energieerzeugung entstehen „Abfälle“, die sich mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nutzen lassen. Die Technik erlaubt es, die Energie zu nutzen, die bei nicht gekoppelter Erzeugung verloren gehen würde.

Eine Definition liefert das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz in § 3 Absatz 1: „Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme.“ Egal, ob dies in einer Mikro-KWK-Anlage, einem dezentralen Blockheizkraftwerk (BHKW), zu Hause oder im Kraftwerk geschieht – das Prinzip, das dahintersteht, ist stets dasselbe: Ein Energieumwandler setzt durch einen chemischen oder physikalischen Prozess Energie frei. Diese wird zum einen für mechanische oder elektrische Arbeit verwendet und zum anderen für Nutzwärme. Die Wärme kann zum Heizen und Kühlen genutzt werden, für die Warmwasserversorgung oder zur Bereitstellung von Prozesswärme.

KWK für groß und klein

Unterschiede bestehen bei den technischen Varianten, die je nach Einsatzbereich variieren und bei der Leistung einzelner Anlagen. Wird in Kraftwerken Wärme ausgekoppelt, kommen Dampfturbinen zum Einsatz. Auch der Verbrennungsmotor sowie die Gasturbine sind als Energiewandler verbreitet. Zu den jüngeren Vertretern der KWK-Technik zählen die Brennstoffzelle, die ORC-Technik oder der Stirlingmotor.

Während bei herkömmlichen KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotor die Energie im Brennstoff zunächst in Wärme und Bewegungsenergie umgewandelt und von einem Generator in elektrische Energie umgesetzt wird, findet in der Brennstoffzelle kein Verbrennungsprozess statt. Hier erzeugen stattdessen elektrochemische Prozesse direkt elektrische und thermische Energie.

Bei ORC (Organix Ranking Cycle) wird die Abwärme über einen Wärmetauscher geführt und erhitzt das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf. Der so entstehende Dampfdruck treibt eine Turbine an, die über einen Generator Strom erzeugt. Anschließend wird das Medium über einen Luftwärmetauscher verflüssigt, abgekühlt und gelangt danach wieder in den Verdampfungsprozess. Der Stirlingmotor hat im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren den Vorteil, dass die Emissionen vergleichsweise gering sind und verschiedene Brennstoffe genutzt werden können.

Wie umweltschonend eine KWK-Anlage ist, hängt von dem eingesetzten Brennstoff ab. Hier eignen sich vor allem regenerative Brennstoffe wie Erdgas oder Biomasse in Verbindung mit einer Brennstoffzelle. Die Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen hat im Zeitraum von 2003 bis 2014 betrachtet, welche Energieträger bei der KWK zum Einsatz kommen und festgestellt, dass vor allem erneuerbare Energieträger wie Biomasse zugelegt haben, während die kohle- und mineralölbefeuerte KWK-Stromerzeugung zurückgegangen ist.

Mit der Kraft-Wärme-Kopplung lassen sich Strom und Wärme zentral erzeugen, etwa in Heizkraftwerken. Die Wärme kann anschließend in Fernwärmesysteme gespeist werden. Mit kleineren Anlagen, vor allem Blockheizkraftwerken ist auch eine dezentrale Erzeugung möglich. In Heizkraftwerken erreichen KWK-Anlagen häufig den dreistelligen Megawatt-Bereich, Mikro-KWK-Anlagen, die etwa Wohngebäude mit Strom und Wärme versorgen können, bewegen sich dagegen im einstelligen Kilowatt-Bereich.

Reizthema KWKG

Ein großes Thema bei KWK ist nach wie vor das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, das Einspeisung und Vergütung von KWK-Strom regelt. Neuregelungen stehen regelmäßig in der Kritik, da sie etwa aus Sicht von Verbänden den KWK-Ausbau verlangsamen, anstatt ihn zu fördern.

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