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Letzte Änderung: 09.11.2010
Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme. Werden diese vor Ort eingesetzt, also dezentral, spricht man von Blockheizkraftwerken (BHKW).
Rund 74 % des elektrischen Stroms in Deutschland stammen aus Großkraftwerken. Diese wandeln im Durchschnitt nur 41 % der eingesetzten Energie aus Kohle, Kernbrennstoff, Erdgas oder Erdöl in nutzbaren elektrischen Strom um [UBA 2007]. Der Rest der eingesetzten Energie geht als Abwärme verloren. Mit dieser Abwärme ließen sich theoretisch alle Gebäude in Deutschland beheizen. 14,5 % des elektrischen Stroms kommt aus Anlagen auf Basis erneuerbarer Energien und nur etwa 12 % kommt aus Anlagen, die das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung nutzen. [BMU 2009]
BHKW erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme und nutzen damit bis zu 90 % der eingesetzten Energie. Die bei der Stromerzeugung auftretende Wärme wird in diesem Fall nicht ungenutzt in die Umgebung abgeführt (wie zum Beispiel bei Kohlekraftwerken zur alleinigen Stromerzeugung über Kühltürme weithin sichtbar). Deshalb hat die Bundesregierung beschlossen, den KWK-Anteil an der Stromerzeugung bis zum Jahre 2020 auf 25 % zu verdoppeln. [BMU 2008]
Bei BHKW werden ganz unterschiedliche Technologien eingesetzt – vom Verbrennungsmotor bis zur Gasturbine. Als Energieträger verwendet werden unter anderem Erdgas, Heizöl, Biogas oder Pflanzenöl, aber auch Holzpellets oder Hackschnitzel.
KWK ist im Bereich der dezentralen Versorgung sehr flexibel. So reicht die Größe verfügbarer KWK-Anlagen von der Kleinanlage für ein Einfamilienhaus bis hin zu größeren Anlagen zwischen 50 Kilowatt und 2 Megawatt elektrischer Leistung, die Wohnblocks oder Gewerbe mit Wärme und Strom versorgen können. Die in BHKW erzeugte Wärme wird direkt oder über ein Nahwärmenetz zum Verbraucher transportiert. Überschüssiger Strom wird in das örtliche Stromnetz eingespeist. Der Betreiber des BHKW erhält in diesem Fall eine Vergütung, deren Höhe je Kilowattstunde im KWK-Gesetz und im Erneuerbare-Energien-Gesetz gesetzlich festgelegt ist. Die Gesetze regeln die Abnahme und Vergütung von Strom aus KWK-Anlagen, die Zahlung von Investitionszuschüssen für Wärmenetze und die Umlage auf die Stromverbraucher. Die KWK-Vergütung setzt sich aus dem vom Netzbetreiber gezahlten Preis je kWh, dem geldwerten Vorteil, den dieser durch die dezentrale Einspeisung hat (vermiedenes Netznutzungsentgelt) und dem KWK-Zuschlag zusammen. Der KWK-Zuschlag wird vom Netzbetreiber an den Betreiber der KWK-Anlage für alle erzeugten Kilowattstunden gezahlt, außer für den Eigenbedarf der Anlage. Die zusätzliche Anbindung an das Ortsnetz gewährleistet auch bei erhöhtem Bedarf eine sichere Stromversorgung. [KWK Modellstadt Berlin]
Wie bei einem herkömmlichen Heizkessel wird die Größe eines BHKW nach dem Wärmebedarf des zu versorgenden Gebäudes bestimmt. Das unterscheidet sie von der Großtechnologie: Dort fällt die Wärme als Abfallprodukt an und ist sinnvoll auszukoppeln. Beim wärmegeführten BHKW wird der Strom eher nebenbei erzeugt. Neu ist die Idee von Lichtblick, stromgeführte BHKW mit einer elektrischen Leistung von 20 Kilowatt und einer Wärmeleistung von 34 Kilowatt so zu vernetzen, dass sie wie ein Großkraftwerk agieren und in Zeiten großer Stromnachfrage schnell Strom liefern. Eine Kommunikationseinheit ermöglicht es, per Mobilfunk oder alternativ über einen DSL-Anschluss, bis zu 100.000 ZuhauseKraftwerke zu einem dezentralen Großkraftwerk zu vernetzen. [LichtBlick] Bei BHKW auf Basis von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen fällt Abwärme im Abgas an. Wärmeüberträger überführen diese in den Heizkreislauf.
Der Einsatz einer wärmegeführten KWK-Anlage ist besonders wirtschaftlich, wenn ein ganzjähriger Wärmebedarf besteht. Einen solchen Bedarf haben beispielsweise Gewerbebetriebe, bei denen kontinuierlich Wärme für Produktionsprozesse gebraucht wird. BHKW eignen sich daher besonders für den Einsatz in der Industrie sowie in Krankenhäusern, Schwimmbädern und im Gewerbe. Daneben eignen sich KWK-Anlagen auch zur Notstromversorgung sowie zur Kälteerzeugung und damit zur Klimatisierung von Gebäuden. Bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) wird die erzeugte Wärme zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine verwendet. International wird die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung als "Trigeneration" bezeichnet, wodurch die Bezeichnung "Cogeneration" für die KWK fortgesetzt wird.
Eine Absorptionskältemaschine erzeugt Kälte durch den Einsatz von Wärme mit einem thermischen Verdichter. Das Kältemittel wird in einem Lösungsmittelkreislauf bei geringer Temperatur in einem zweiten Stoff absorbiert und bei höheren Temperaturen desorbiert. In den meisten Fällen ist es Lithiumbromid, das Wasser absorbiert oder Wasser, das Ammoniak absorbiert. Bei dem Prozess wird die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Löslichkeit zweier Stoffe genutzt.
Die Stoffe werden voneinander getrennt, indem die Lösung erhitzt wird. Das Kältemittel verdampft aufgrund der geringeren Verdampfungstemperatur zuerst. Anschließend wird das Kältemittel auf den gewünschten Verdampfungsdruck entspannt, abgekühlt und verflüssigt. Danach verdampft das Kältemittel unter Aufnahme der Umgebungswärme, wodurch der Nutzeffekt entsteht. Das Lösungsmittel wurde nach der Trennung vom Kältemittel entspannt, abgekühlt und kann dann wieder den Kältemitteldampf aufnehmen. Darauf hin werden die Stoffe wieder erhitzt und voneinander getrennt. Der Kreislauf beginnt von vorn.
Die Nachteile einer Absorptionskältemaschine im Gegensatz zu einer elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschine sind höhere Investitionskosten und ein größeres Bauvolumen. Vorteilhaft ist jedoch, dass sie im Sommer als Wärmesenke dient und damit die Zahl der jährlichen Betriebsstunden sowie die Wirtschaftlichkeit der KWKK-Anlage steigert. Die bei thermischen Solaranlagen oder Geothermieanlagen erzeugte Wärme wird ebenfalls in Absorptionskältemaschinen verwendet. Absorptionskälteaggregate sind durch das Fehlen mechanisch bewegter Teile nahezu wartungsfrei.
Größere BHKW werden nicht in Teillast gefahren (kein modulierender Betrieb), deshalb werden mehrere BHKW-Module eingesetzt und bei geringerem Bedarf einzeln abgeschaltet. Kleinere BHKW hingegen werden mit Leistungsmodulation betrieben, die eine Anpassung an den Bedarf ermöglicht. Meist werden BHKW auf etwa 40 % der maximalen Heizlast (Grundlast) ausgelegt, um sie wirtschaftlich betreiben zu können. Ein zusätzlicher Wärmeerzeuger für auftretende Spitzenlasten im Winter ist in diesem Fall notwendig. Um einen hohen Jahresnutzungsgrad zu erreichen, sollte das BHKW möglichst viele Stunden im Betrieb sein, also zwischen 4.000 und 8.000 Stunden jährlich. Ein Pufferspeicher zur Aufnahme überschüssiger Wärme dient dazu, Schwankungen im Bedarf auszugleichen. Mit dieser Auslegung decken Blockheizkraftwerke zwischen 50 und 75 % des gesamten Heizwärme- und Warmwasserbedarfs eines Gebäudes.
Bei der Anschaffung eines BHKW sollte bedacht werden, dass die Vibration nicht unerheblichen Lärm hervorruft. Deshalb ist bei der Ausschreibung eines BHKW auf die Lärmemissionen zu achten und das BHKW möglichst in einem separaten Heizhaus oder dem Keller aufzustellen.
Getestet werden zurzeit mit Erdgas betriebene Stirlingmotor-BHKW mit 1 kW elektrischer und 12 kW thermischer Leistung, die maximal 30.000 kWh Wärme pro Jahr erzeugen. Dies entspricht 3.600 Betriebsstunden. Zusätzlich wird zwischen 1.000 und 3.000 kWh Strom erzeugt. Das deckt rund 25 % bis 50 % des Strombedarfs eines Haushalts ab. Diese Anlagen sind wärmegeführt und werden ohne Zusatzheizkessel für Spitzenlasten betrieben (monovalent). Die Anlage soll vor allem die Wärmeversorgung eines Hauses abdecken während der Strom zusätzlich anfällt. Für 2011 haben mehrere Hersteller dezentrale Systeme mit Stirlingmotoren mit einer thermischen Leistung von 3,5 bis 6 Kilowatt angekündigt. [BMU 2009]
| Versorgung von: | Elektrische Leistung in kW |
Wärmeleistung in kW |
Endenergie |
Wohnung/Ein-/Zweifamilienhaus |
ca. 1 |
4 – 10 |
Wärme/Strom |
Mehrfamilienhaus |
5 – 30 |
bis 100 |
Wärme/Strom |
Reihenhauszeile |
5 – 30 |
bis 100 |
Wärme/Strom |
Seniorenheim |
10 – 30 |
bis 200 |
Wärme/Strom |
Hotel, Kleingewerbe |
ca. 30 – 50 |
bis 300 |
Wärme/Strom/Kälte |
Schule |
bis 50 |
bis 300 |
Wärme/Strom |
Quelle: [BMU 2009]
Eine Baugenehmigung ist für KWK-Anlagen erst ab einer bestimmten Größe erforderlich. Diese Größenschwelle variiert je nach Bundesland. Auskünfte hierzu erteilt die lokale Baubehörde. Eine Genehmigung im Sinne des Immissionsschutzrechts ist für Verbrennungsmotor-BHKW ab 1 MW Feuerungswärmeleistung vorgeschrieben; in diesem Falle legt der Genehmigungsbescheid Emissionsgrenzwerte fest, welche sich meist an der TA Luft orientieren.
Bei dem Betrieb eines BHKW sind folgende steuerlichen Regelungen zu beachten:
Aus der Sicht des Klimaschutzes und der Ressourcenproduktivität ist die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom der separaten Erzeugung vorzuziehen, weil die pro Energieeinheit freigesetzten Kohlendioxid- und Schadstoffmengen in der Regel wesentlich geringer sind. Im Zentrum der meisten Kopplungsprozesse steht die Wärmeenergie. Wärmeenergie besitzt nach Durchlaufen eines Prozesses bei hoher Temperatur und hohem Druck – etwa beim Antrieb einer Turbine oder eines Motors zur Stromerzeugung – weitere energetische Nutzungsmöglichkeiten für Niedertemperaturprozesse – beispielsweise die Raumheizung. Aus dieser Mehrfachnutzung erklärt sich die im Allgemeinen höhere Effizienz gekoppelter Prozesse – bezogen auf die Nutzung des Energieinhalts des Energieträgers.
Dieser reduzierte Primärenergieverbrauch entlastet die Umwelt erheblich. Die Strom- und Wärmeversorgung aus einem BHKW belastet die Atmosphäre mit 34 % weniger CO2 als deren getrennte Erzeugung auf Basis fossiler Energieträger. Weitere Schadstoffe werden in erheblichen Mengen vermieden, wenn KWK-Anlagen statt Kohle Erdgas verbrennen: Schwefeldioxid entsteht kaum noch, Stickoxide und KohlenmoNOxid meist weniger als in Kohlekraftwerken. Zudem minimieren sich Transport- und Verteilungsverluste durch die Erzeugung direkt vor Ort beim Verbraucher. [BMU 2009]
Quelle: [BMU 2009]
Arbeiten KWK-Anlagen jedoch mit Biogas, Heizöl oder Pflanzenöl, bietet sich ein differenzierteres Bild: Gerade kleine Biogasanlagen, welche nicht der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft, Verwaltungsvorschrift zum BImSchG) unterliegen, emittieren in der Regel mehr NOx und CO als moderne Kohlekraftwerke. Auch Heizöl- und Pflanzenöl-BHKW verursachen in der Regel höhere NOx-Emissionen als Kohlekraftwerke, günstigere CO-Emissionen als bei Kohlekraftwerken sind nur mit einer effizienten Abgasreinigung zu erzielen. Darüber hinaus haben Anlagen mit flüssigen Brennstoffen ohne Abgasreinigung meist höhere Ruß-Emissionen als Kohlekraftwerke.
Der Blaue Engel ist das älteste offizielle Umweltzeichen zur freiwilligen Kennzeichnung von umweltfreundlichen Produkten. Die jeweils besten am Markt verfügbaren Produkte in einer Kategorie können den Blauen Engel erhalten. Von dem Label geht ein Anreiz aus, umwelt- und gesundheitsverträglichere Produkte zu entwickeln.
BHKW mit dem Blauen Engel sparen Primärenergie und senken die CO2-Emissionen. Im Geltungsbereich sind neben BHKW-Modulen, die mit Otto- und Dieselmotoren betrieben werden, auch Antriebskonzepte mit Stirling-Motoren erfasst.
Die Kriterien werden vom Umweltbundesamt in Kooperation mit Herstellern, Prüfinstituten, weiteren Fachleuten und Verbänden erarbeitet. Eine unabhängige Jury Umweltzeichen prüft und beschließt die Vergabegrundlagen. Die Zertifizierung erfolgt durch die RAL gGmbH im Auftrag des Umweltbundesamtes.
Die Emissionswerte in den tabellarisch zusammengestellten Ausschreibungsempfehlungen für gasbetriebene BHKW gehen über die Anforderungen des Umweltzeichens Blauer Engel für „Klein-BHKW-Module für gasförmige Brennstoffe“ (RAL-UZ 108) deutlich hinaus. Die aktuelle Vergabegrundlage wird jedoch 2010 überarbeitet und dem neuen Stand der Technik angepasst, was auch zu einer Verschärfung der Emissionswerte führen wird.
Für die Beschaffung von mit flüssigen Brennstoffen betriebenen BHKW können die Anforderungen des (vorläufig abgelaufenen) Klimaschutz-Impulsprogramms zur Förderung von Mini-KWK-Anlagen des Bundesumweltministeriums herangezogen werden. Danach ist im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme mindestens 10 % Primärenergie einzusparen. Ferner soll der Jahresnutzungsgrad mindestens 80 % betragen. Des Weiteren sind auch für Anlagen unter 1 MW Feuerungswärmeleistung die Anforderungen der jeweils gültigen TA-Luft einzuhalten. [BMU 2008]
Der Bieter erklärt die Einhaltung der einzelnen Anforderungen und legt Prüfprotokolle eines unabhängigen Prüfinstituts unter Nennung der verwendeten Messgeräte/-verfahren sowie aller Toleranzen vor.
Ein modernes BHKW der Berliner Energieagentur (BEA) versorgt seit Oktober 2009 drei Berliner Feuerwachen (Jagowstraße, Katzengraben und Grafensteinstraße) der BIM Berliner Immobilienmanagement GmbH mit Wärme und Strom. Durch diese hocheffiziente Technologie werden gegenüber einer herkömmlichen Energieerzeugung insgesamt 425 Tonnen CO2 pro Jahr eingespart.
Die drei BHKW unterstützen die bestehende Heizungsanlage bei der Energieversorgung. Über 90 % der zugeführten Primärenergie, in diesem Fall Erdgas, verlassen dabei die kleinen Kraftwerke wieder als nutzbare Endenergie in Form von Strom und Wärme. So liefern sie pro Jahr 1.650 Megawattstunden an Wärme und 800 Megawattstunden an Strom. Die Kosten für die BHKW hat die BEA als Contractor übernommen. Damit ist sie für die Installation und Inbetriebnahme sowie die weitere Wartung und Instandhaltung der Anlage verantwortlich. Die drei kompakten Kraftpakete haben jeweils eine elektrische Leistung von 48 kW und eine thermische Leistung von 97 kW. Der im BHKW erzeugte Strom wird im Objekt verbraucht. Überschüssiger Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist und vergütet. Dies dient der Refinanzierung der Anlage.
Volker Gustedt
Berliner Energieagentur GmbH
Tel.: 0 30 / 29 33 30 - 19
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E-Mail:
[BEA 2009]
Quelle: Berliner Energieagentur und Umweltbundesamt, 21.06.2010