Ratgeber Heizungen

Kraft-Wärme-Kopplung – Funktion, Arten und Kosten

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet die gleichzeitige Umwandlung der Energie eines Energieträgers in Elektrizität sowie nutzbare Wärme. Dies erhöht die Energieausbeute, steigert die Effizienz des Kraft- bzw. Heizwerks und spart Ressourcen ein. Buderus stellt Ihnen den Prozess genauer vor.

Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (KWK-Anlage)?

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung werden zeitgleich elektrische sowie thermische Energie aus ein und demselben Energieträger gewonnen. Dies geschieht dadurch, dass die Nutzwärme bei der Stromerzeugung durch die Wärmequelle ausgekoppelt wird und somit nicht als Abwärme verloren geht. Dabei bedienen sich KWK-Anlagen zwei verschiedener Kreisläufe, die ineinander greifen:

  • Im ersten Schritt des Betriebs wird ein Brennstoff in einem Kessel verfeuert (oder anderweitig Energie bezogen, etwa durch Solar- oder Geothermie) und heizt Wasser unter hohem Druck auf.
  • Der dabei erzeugte Dampf wird dafür genutzt, einen Generator anzutreiben, welcher elektrischen Strom aus der ihm zugeführten mechanischen Energie erzeugt.
  • Dieser Strom wird dann in ein Stromnetz gespeist oder direkt an einen Verbraucher geleitet.
  • Anstatt die Abwärme des Dampfes nun jedoch abzuführen, leiten KWK-Anlagen sie in einem zweiten Prozess in ein gekoppeltes Heizsystem (Wärmespeicher, Wärmetauscher), das die thermische Energie ebenfalls verwerten kann, etwa zum Heizen, zur Warmwasserbereitung oder als Prozesswärme für industrielle Anwendungen. In ersteren Fällen wird die Anlage als Heizkraftwerk oder Blockheizkraftwerk (BHKW) bezeichnet, in letzterem Fall als Industriekraftwerk.

Durch die Nutzung aller Energieformen des Verfeuerungsprozesses und somit der besseren Verwertung der zugeführten Energie erreichen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken einen deutlich höheren Wirkungsgrad. Während etwa normale Dampfkraftwerke nur rund 40 (Kohlekraftwerk) bis 60 % (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk) der Energie ihres Brennstoffs nutzen und der Rest in Form von Abwärme verloren geht, können KWK-Anlagen meist einen Gesamtnutzungsgrad von über 90 % erzielen. Diese Steigerung der Energieeffizienz spart enorme Mengen an Ressourcen ein und senkt die Betriebskosten. Zu erwähnen ist hierbei allerdings, dass die Auskopplung der Nutzwärme den rein elektrischen Wirkungsgrad der Kraftwerke ein wenig reduziert.

Welche Rolle spielt die Kraft-Wärme-Kopplung für die Energiewende?

Mit der Kraft-Wärme-Kopplung lässt sich die Energieausbeute von Energieträgern aller Art immens steigern. Prinzipiell können alle Dampfkraftwerke nach dem KWK-Prinzip arbeiten. Zudem fungiert die Kraft-Wärme-Kopplung als wichtige Schnittstelle zwischen dem Strom- und dem Wärmesektor, welche in den kommenden Jahren ohnehin immer stärker zusammenwachsen werden – so werden heute bereits viele Gebäude mit Wärmepumpen beheizt, die mit elektrischer Energie arbeiten. Aufgrund der Einsparpotenziale hinsichtlich Energie sowie Schadstoffemissionen verabschiedete die Bundesregierung daher auch 2002 das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG), welches zuletzt 2016 neu novelliert wurde und mit umschlagsfinanzierter Förderung von KWK-Anlagen sowie dem Ausbau von Speichern und Wärmenetzen hohe Anreize für private und geschäftliche Investitionen in die Technologie bietet.

Welche Arten der Kraft-Wärme-Kopplung gibt es?

Anlagen, die Kraft-Wärme-Kopplung nutzen, lassen sich auf vielfältige Art und Weise unterscheiden.

Energieträger für KWK

In den meisten Dampfkraftwerken kommen als Energieträger verschiedene Brennstoffe zum Einsatz. So lassen sich KWK-Anlagen mit Kohle, Erdöl, Erdgas oder aber regenerativen Energieträgern wie Hackschnitzeln, Holzpellets, Pflanzenöl oder Biogas betreiben. Auch die Verfeuerung von Wasserstoff in sogenannten Brennstoffzellenheizgeräten ist möglich. Nicht zuletzt lassen sich Solar- oder Geothermie dafür nutzen, den zum Betrieb notwendigen Wasserdampf aufzuheizen.

Antriebstechnik für Kraft-Wärme-Kopplung

Neben dem Brennstoff ist eine Unterscheidung nach der Antriebstechnik möglich.

  • In vielen Blockheizkraftwerken – gerade im kleineren Bereich – kommt ein einfacher Verbrennungsmotor zum Einsatz, der den Generator antreibt.
  • Einige KWK-Anlagen arbeiten jedoch auch mit einem Stirlingmotor oder einem Dampfmotor.
  • Größere Kraftwerke bedienen sich meist Gasturbinen.
  • Brennstoffzellenanlagen sind ebenfalls noch einmal anders aufgebaut, da es keine Verbrennung im chemischen Sinne gibt.

Größe von KWK-Anlagen

KWK-Anlagen lassen sich auch (grob) nach ihrer Größe einteilen.

  • So existieren große Heiz- bzw. Industriekraftwerke mit einer Leistung von über 100 Megawatt oder aber kleinere, meist modular aufgebaute Blockheizkraftwerke mit einigen 10 Megawatt.
  • Bis zu 50 Kilowatt werden die Anlagen als Mini-BHKW bezeichnet – diese dienen in der Regel zur Energieversorgung von Gebäudekomplexen oder Mehrfamilienhäusern.
  • Im privaten Bereich kommen sogenannte Mikro- oder Nano-BHKWs zum Einsatz, welche eine Leistung von höchstens 10 Kilowatt, je nach Definition auch nur bis zu 3 Kilowatt aufweisen. Verschiedene Skalen definieren die Grenzen gerade im unteren Leistungsbereich sehr ungenau.

Betriebsweise von KWK-Anlagen

Die Betriebsweise von KWK-Anlagen kann sowohl „stromgeführt“ als auch „wärmegeführt“ erfolgen. In ersterem Fall liegt die Priorisierung auf der Stromerzeugung. Sie lohnt sich jedoch meist weniger und wird überwiegend bei BHKWs im Inselbetrieb genutzt. Die meisten KWK-Anlagen werden wärmegeführt gefahren – hier liegt der Fokus auf der Wärmeerzeugung. Dabei wird die Größe und Betriebszeit des Systems auf den jeweiligen Wärmebedarf von Gebäuden oder industriellen Prozessen ausgelegt.

Die Vor- und Nachteile der Kraft-Wärme-Kopplung

KWK-Anlagen bieten die unterschiedlichsten Vorteile – insbesondere für die Nutzung in Privathaushalten – die sich überwiegend aus dem effizienteren Einsatz der zugeführten Energie ergeben. Allerdings bestehen bei der Kraft-Wärme-Kopplung auch einige Nachteile, die es bei der Technologie zu berücksichtigen gilt, ebenfalls vorrangig bezogen auf private Verbraucher. Buderus hat für Sie Pro und Contra zusammengefasst.

Vorteile

Nachteile

  • geringer Ressourcenverbrauch, niedrige Betriebskosten
  • klimaneutraler Betrieb bei Nutzung regenerativer Energieträger
  • wetterunabhängige Strom- und Wärmeversorgung (ausgenommen Solarthermie)
  • (teilweise) Eigenversorgung mit Strom
  • Einspeisevergütung für überschüssigen Strom
  • Wertsteigerung von Immobilien
  • diverse staatliche Fördermöglichkeiten
  • hohe Anschaffungskosten (Nano-BHKW ab ca. 12.000 Euro)
  • keine Stromerzeugung ohne Wärmebedarf
  • lohnenswert erst bei höherem Wärmebedarf und längeren Betriebslaufzeiten
  • exakte Planung und Dimensionierung nötig
  • noch ein sehr überschaubares Marktangebot für Privatnutzer

Was kostet eine Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung?

Die Kosten für eine Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung richten sich vorrangig nach der Dimensionierung des Systems – so kosten große Heizkraftwerke, die für die Versorgung ganzer Regionen verantwortlich sind, mehrere Millionen Euro. Nano- oder Mikro-BHKWs für die Strom- und Wärmeerzeugung in Ein-, Zwei- oder Mehrfamilienhäusern sind preiswerter, doch auch hier sind je nach Typ und Leistung große Variationen möglich. So bewegen sich die Preise für die Anschaffung und Installation einer solchen Anlage für einen durchschnittlichen Haushalt zwischen 12.000 und 30.000 Euro. Im Betrieb entscheidet der genutzte Brennstoff über die anfallenden Kosten. Heizöl zum Beispiel kostet rund 15 Cent pro Kilowattstunde, Erdgas etwa 15 ct/kWh. Besonders günstig sind nachwachsende Rohstoffe wie Holzpellets mit 6 bis 7 ct/kWh. Zudem werden deren Preise im Gegensatz zu denen fossiler Energieträger, die von diversen globalen Handelsfaktoren und der CO2-Steuer betroffen sind, in den nächsten Jahren nicht übermäßig steigen. Die Wartungskosten eines Blockheizkraftwerks belaufen sich jährlich auf durchschnittlich 200 bis 300 Euro, wenn es wirtschaftlich betrieben wird.
Erfahren Sie bei Buderus mehr zu den Kosten von Blockheizkraftwerken .

Häufig gestellte Fragen zur Kraft-Wärme-Kopplung

  • Achten Sie auf eine entsprechende Dimensionierung und Auslegung des Systems, denn ein BHKW lohnt sich meist erst wirklich, wenn es mindestens 5.500 Stunden im Jahr den Wärmebedarf Ihres Haushalts deckt. Ebenso ist es empfehlenswert, den erzeugten Strom überwiegend selbst zu verbrauchen und nur Überschüsse ins öffentliche Stromnetz einzuspeisen, um eine maximale Ersparnis zu erzielen. Informieren Sie sich zudem über die Fördermöglichkeiten. Ein Energieberater hilft Ihnen dabei, die wichtigsten Fragen rund um den vorteilhaften Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung zu beantworten.

  • Ja, falls Sie folgende Vorgaben einhalten: Der Anteil an regenerativen Energien bei neu zu errichtenden Gebäuden ab 50 Quadratmeter Nutzfläche muss bei Solarthermie 15 %, bei Biogas 30 % und bei fester und flüssiger Biomasse sowie Wärmepumpen mindestens 50 % betragen. Betreiben Sie Ihr BKHW also mit Biogas, Biomasse oder Geothermie, müssen Sie auf die Einhaltung dieser Vorgaben achten. Doch auch Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung, die fossile Energieträger wie Erdgas oder aber eine Brennstoffzelle nutzen, erfüllen die im Gebäude-Energie-Gesetz geregelten Pflichten als so genannte Ersatzmaßnahme. Voraussetzung ist dabei eine Deckung des Wärmebedarfs von 50 % bei einer „normalen“ KWK-Anlage und von mindestens 40 % bei einer Brennstoffzellenheizung.

  • Ja, wenn die Systeme Biomasse oder Biogas, Solar- oder Geothermie nutzen: Ob es sich bei dem erzeugten Strom aus einer KWK-Anlage auch um Ökostrom handelt, richtet sich immer nach der genutzten Energiequelle. Wird das Heizkraftwerk hingegen mit fossilen Energieträgern wie etwa Erdgas betrieben, so ist der erzeugte Strom selbstverständlich auch nicht ökologisch.

  • Der Herkunftsnachweis ist für all jene wichtig, die ihre erzeugte Energie vermarkten wollen. Mit einem Herkunftsnachweis wird ausgewiesen, wie Strom und Wärme aus einem bestimmten Kraftwerk oder Heizsystem bereitgestellt wurden. Beantragt wird der Nachweis über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA). Ausgenommen dabei sind Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, die erneuerbare Energieträger nutzen, da hierbei ohnehin ein Vorrang bei der Einspeisung in die Versorgungsnetze gilt.

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