Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) im Energiesystem

Infografik: aus Brennstoffen entstehen in einer KWK-Anlage Strom und Wärme.zum Vergrößern anklicken
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung entstehen sowohl Strom als auch Wärme.
Quelle: Umweltbundesamt

Durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) werden in einem Kraftwerk gleichzeitig elektrische und thermische Energie erzeugt. Die parallel zur Stromerzeugung produzierte Wärme wird zur Beheizung und Warmwasserbereitung oder für Produktionsprozesse genutzt. Dabei spart diese effiziente Technik Brennstoff und klimaschädliche Treibhausgase ein.

Inhaltsverzeichnis

 

Kraft-Wärme-Kopplung

Als Effizienztechnik leistet die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) einen relevanten Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung. Dabei ist der Anteil von in KWK produziertem Strom an der gesamten Stromerzeugung in Deutschland in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Die gesamte KWK-Stromerzeugung in Deutschland betrug 117 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2017 und hatte damit einen Anteil von 18,9 % an der Nettostromerzeugung in Höhe von 619 TWh.

Anwendungsfelder der KWK

Für die KWK gibt es verschiedenste Anwendungsfelder in der öffentlichen Versorgung, der industriellen Versorgung sowie in der Objektversorgung, die durch unterschiedliche Merkmale gekennzeichnet sind. Typische Anwendungsfälle sind in der Objektversorgung – etwa von Ein- und Mehrfamilienhäusern, Krankenhäusern, Hotels – die Eigenversorgung von Strom und Wärme vor Ort, wobei der Strom teilweise in ein Netz der öffentlichen Versorgung eingespeist wird. Im Bereich der industriellen KWK werden im Fall der Eigenversorgung Strom und Wärme vor Ort zu großen Teilen selbst genutzt. Im Falle eines Industrieparks werden Strom und Wärme aber auch über eigene Verteilernetze oder öffentliche Netze an Dritte geliefert. In der öffentlichen Versorgung werden Strom und Wärme in öffentliche Netze eingespeist und an Dritte geliefert.

 

Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und -Techniken

KWK-Anlagen können unterschiedliche Techniken nutzen: Dampfturbinen, Gasturbinen, Gas- und Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren, Dampfmotoren, Stirlingmotoren, ORC-Anlagen oder Brennstoffzelle. Die Techniken unterscheiden sich in ihren wesentlichen Kennwerten: Stromkennzahl , elektrischer Wirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad .

Die Kennzahlen zeigen typische Bandbreiten in der Auslegung und im Betrieb einer KWK-Anlage. Stromkennzahl und elektrischer Nettowirkungsgrad lassen jedoch keine eindeutigen Aussagen über die Effizienz der Anlage zu. Unterschiede in den Bandbreiten ergeben sich neben der technischen Effizienz der Anlage durch die Auslegung der Wärmeabnahmeseite. So kann beispielsweise eine Entnahmekondenstationsturbine relativ flexibel auf Zeiten ohne Wärmenachfrage reagieren und weiterhin Strom erzeugen. Einen größeren Einfluss hat das Temperaturniveau, auf dem Wärme entnommen wird, da sich bei höheren Temperaturen das Potential zur Stromerzeugung reduziert. Eine vergleichbare Bewertung von KWK-Prozessen durch eine Kennzahl ist daher schwierig, da sie sehr stark von den geforderten technischen Randbedingungen abhängt. Wird etwa, wie in der Industrie, viel Wärme auf hohem Temperaturniveau entnommen, führt dies tendenziell zu einer niedrigen Stromkennzahl und einem niedrigen elektrischen Wirkungsgrad, bei gleichzeitig hohem Gesamtwirkungsgrad.

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-Datei
 

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, Abfälle und Ersatzbrennstoffe. 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. In Deutschland kommen insbesondere Erdgas und Biogas als Energieträger in KWK-Anlagen zum Einsatz.

Die Übersichtskarte „Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland“ zeigt Anlagen der öffentlichen Stromversorgung und Industriekraftwerke mit einer elektrischen Bruttoleistung ab 100 Megawatt (MW) bzw. einer Wärmeauskopplung von mindestens 100 MW.

Die Karte zeigt die in Betrieb befindlichen Anlagen für Kraft-Wärme-Kopplung ab 50 Megawatt elektrischer Leistung in Deutschland.
Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland

Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland, Stand Oktober 2019

Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

Quelle: Umweltbundesamt Karte als PDF-Datei
 

Umweltentlastung durch Kraft-Wärme-Kopplung

Bei Kraftwerken zur reinen 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 der europäischen Energieeffizienz-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.

Die hohe Gesamteffizienz des KWK-Prozesses sorgt für niedrige Treibhausgasemissionen bei der Erzeugung von Fernwärme und Strom. In der Studie "Bestimmung spezifischer Treibhausgas-Emissionsfaktoren für Fernwärme" wurden Emissionsfaktoren für Wärme und Strom der Fernwärmebereitstellung (differenziert nach Heizwerken und Heizkraftwerken) in Deutschland berechnet.

 

KWK-Ausbauziel

Mit der Förderung der KWK durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) soll im Interesse der Energieeinsparung sowie des Umwelt- und Klimaschutzes die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen auf 110 Terawattstunden bis zum Jahr 2020 sowie auf 120 Terawattstunden bis zum Jahr 2025 erhöht werden. Im Jahr 2016 wurde das Ziel für 2020 bereits übertroffen. Die Gültigkeit des KWKG ist auf das Jahr 2030 begrenzt.

Ein Diagramm zeigt die Entwicklung der KWK-Nettostromerzeugung von 2003 (78 Terawattstunden) bis 2018 (115,4 Terawattstunden) sowie die Ziele nach KWK-Gesetz für 2020 und 2025.
Nettostromerzeugung mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Quelle: Statistisches Bundesamt / Öko-Institut / Umweltbundesamt / AGEE Stat Diagramm als PDF
 

Zukünftige Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung im Energiesystem

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 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 jedoch noch stärker am Strommarkt orientieren; eine Flexibilisierung der KWK-Stromerzeugung ist dazu unumgänglich. Weiter verbindet innovative KWK die gekoppelte Erzeugung mit erneuerbarer Wärme, flexibler direktelektrischer Wärmeerzeugung und thermischen Speichern. Nur so passt die KWK auch langfristig in ein dekarbonisiertes Energiesystem.

Auch bei der Wärmeversorgung durch KWK-Anlagen entstehen zukünftig Herausforderungen. In der öffentlichen Versorgung auf kommunaler Ebene spielt KWK im Bereich der Fernwärme eine wichtige Rolle. Aufgrund der Reduktion des Wärmebedarfs im Gebäudebestand und der zunehmenden Einbindung von Wärme aus erneuerbaren Quellen sinkt jedoch die Bedeutung von fossilen KWK-Anlagen. Das bedeutet wiederum, dass fossile KWK-Anlagen in Zeiten, in denen keine erneuerbare Wärme zur Verfügung steht, flexibel auf den Wärmebedarf reagieren können müssen. Hierfür kommen zunehmend thermische Speicher zum Einsatz, die die dann benötigte Wärme vorhalten.

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