Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in mechanische oder elektrische Energie und nutzbarer Wärme innerhalb eines thermodynamischen Prozesses. Die parallel zur Stromerzeugung produzierte Wärme wird zur Beheizung und Warmwasserbereitung oder für Produktionsprozesse genutzt. Der Einsatz der KWK mindert den Energieeinsatz und Kohlendioxid-Emissionen.

Inhaltsverzeichnis

 

Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und -Techniken

Die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist eine Einrichtung innerhalb eines Heizkraftwerks, in der der technische Prozess der KWK teilweise oder ausschließlich stattfindet. KWK-Anlagen können auf unterschiedlichen Techniken basieren: Dampfturbine, Gasturbine, Gas- und Dampfturbine, Verbrennungsmotor, Dampfmotor, Stirlingmotor, ORC-Anlage und Brennstoffzelle. Die Techniken unterscheiden sich mit Bezug auf die Stromkennzahl, den elektrische Wirkungsgrad und den Gesamtwirkungsgrad (siehe Tab. „Kennzahlen von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung“).

Die Tabelle listet jeweils Stromkennzahl, elektrischen und Gesamtwirkungsgrad für die Anlagentypen Blockheizkraftwerk, Gasturbine mit Abhitzenutzung, Dampfkraftwerk, Gas-und-Dampf-Kraftwerk und Brennstoffzelle auf.
Tab: Kennzahlen von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Quelle: BVT-Merkblatt für Großfeuerungsanlagen / Umweltbundesamt Kraftwerksdatenbank Tabelle als PDF
 

Energieträger

Je nach Art der Anlage können für KWK-Anlagen alle Brennstoffe mit einem Mindestenergiegehalt verwendet werden wie Gase, Kohlen, Mineralöle, feste und flüssige Biomassen und Abfälle. Die Brennstoffe und die Art der KWK-Anlagen stehen miteinander im Zusammenhang. Je nach Brennstoff unterscheiden sich auch die Kohlendioxid-Emissionen des KWK-Anlagen-Betriebes stark.

 

KWK-Stromerzeugung

Die KWK-Nettostromerzeugung ist im Zeitraum von 2003 bis 2016 kontinuierlich gestiegen. Der Zuwachs seit 2003 ist insbesondere auf den verstärkten Einsatz von Biomasse sowie auf den Zubau und einer besseren Auslastung erdgasbasierter KWK-Anlagen zurückzuführen. Die auf Steinkohle- und Mineralölen basierende KWK-Stromerzeugung ist im Zeitverlauf dagegen zurückgegangen (siehe Abb. „KWK-Nettostromerzeugung nach Energieträgern“).

Das Balkendiagramm zeigt die Entwicklung der KWK-Nettostromerzeugung von 2003 bis 2016 für einzelne Energieträger.
KWK-Nettostromerzeugung nach Energieträgern
Quelle: Statistisches Bundesamt / Öko-Institut / ZSW / EEFA Diagramm als PDF
 

KWK-Wärmeerzeugung

Bei der KWK-Wärmeerzeugung zeigt sich ein ähnliches Bild wie bei der Stromerzeugung. Die im Vergleich zur Stromerzeugung prozentual geringere Erhöhung der Nettowärmeerzeugung im Zeitverlauf ist die Folge der Errichtung zahlreicher Gas- und-Dampf (GuD)-Anlagen in den letzten Jahren, die eine überdurchschnittliche Stromkennzahl aufweisen (siehe Abb. „KWK-Nettowärmeerzeugung nach Energieträgern“).

Das Balkendiagramm zeigt die Entwicklung der KWK-Nettowärmerzeugung von 2003 bis 2016 für die einzelnen Energieträger.
KWK-Nettowärmeerzeugung nach Energieträgern
Quelle: Statistisches Bundesamt / Öko-Institut / ZSW / EEFA Diagramm als PDF
 

KWK-Ziel

Mit der Novellierung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes (KWKG) zum 01.01.2016 wurde das bisher auf die Gesamtnettostromerzeugung bezogene relative Ziel (25 % KWK-Anteil bis 2020) durch ein absolutes Mengenziel ersetzt. Im Interesse der Energieeinsparung sowie des Umwelt- und Klimaschutzes soll nunmehr die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen auf 110 Terawattstunden bis zum Jahr 2020 sowie auf 120 Terawattstunden bis zum Jahr 2025 erhöht werden (vgl. § 1 KWKG 2016) (siehe Abb. "Nettostromerzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung"). Im Jahr 2016 ist das Ziel für 2020 bereits übertroffen worden.

Ein Diagramm zeigt die Entwicklung der KWK-Nettostromerzeugung von 2003 (78 Terawattstunden) bis 2016 (117 Terawattstunden) sowie die Ziele nach KWK-Gesetz für 2020 und 2025.
Nettostromerzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Quelle: Statistisches Bundesamt / Öko-Institut / ZSW / EEFA Diagramm als PDF
 

Zukünftige Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung

Die Dekarbonisierung der Energieversorgung und der damit verbundene starke Ausbau erneuerbarer Energien stellen KWK-Anlagen vor mehrere Herausforderungen. Bei der Transformation des Energiesystems spielt die KWK-Erzeugung mittelfristig eine wichtige Rolle. Mit der Verdrängung von ungekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung können KWK-Anlagen einen Beitrag zur Treibhausgasreduktion leisten. Um der Integration von erneuerbarem Strom ins Energiesystem besser gerecht zu werden, muss sich der KWK-Einsatz zukünftig stärker am Strommarkt orientieren; eine Flexibilisierung der KWK-Stromerzeugung ist dazu unumgänglich.

Auch bei der Wärmeversorgung durch KWK-Anlagen entstehen zukünftig Herausforderungen. Aufgrund der Reduktion des Wärmebedarfs im Gebäudebestand und der zunehmenden Einbindung von Wärme aus erneuerbaren Quellen sinkt die Bedeutung von KWK-Anlagen im Wärmebereich. Das heißt, KWK-Anlagen müssen in Zeiten, in denen keine erneuerbare Wärme zur Verfügung steht, flexibel auf den Wärmebedarf reagieren können.

 

Umweltentlastungen durch Kraft-Wärme Kopplung

Bei Kraftwerken zur Stromerzeugung wird die bei der Energiewandlung entstehende Wärme ungenutzt an die Umwelt abgegeben. KWK-Anlagen erzeugen dagegen mit dem eingesetzten Brennstoff sowohl Strom als auch Wärme in einem Kopplungsprozess und tragen so zur ressourcenschonenden Energieversorgung bei.

Die Höhe der erzielbaren Primärenergieeinsparungen gegenüber der getrennten Strom- und Wärmeerzeugung ist von der Ausprägung der KWK-Anlage (Größe, Brennstoff, Stromkennzahl) sowie der Referenzsysteme der getrennten Strom- und Wärmeerzeugung abhängig. Bei prozentualen Einsparungen an Primärenergie über 10 % gelten KWK-Anlagen mit einer Bruttobetriebsleistung > 1 MWel gemäß EU-KWK-Richtlinie als hocheffizient, Anlagen mit geringer Leistung (bereits) dann, wenn Primärenergieeinsparungen resultieren. Nur hocheffiziente Anlagen dürfen gefördert werden. Der Umfang der Emissionsminderung durch KWK korrespondiert mit der Höhe der Primärenergie und ist energieträgerabhängig.