mini|GuD-Kraftwerk (Block 3 des Kraftwerkes Donaustadt) mit einer Kraft-Wärme-Kopplung und einem Nutzungsgrad von über 86 %; Inbetriebnahme 2001 mini|Das Heizkraftwerk Berlin-Mitte wird zur Stromproduktion und zur Fernwärmeversorgung des Regierungsviertels eingesetzt.
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) (in Deutschland und Österreich) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) (in der Schweiz) ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie und nutzbarer Wärme, die in einem gemeinsamen thermodynamischen Prozess entstehen. Die mechanische Energie wird in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt. Wird die Wärme für Heizzwecke als Nah- oder Fernwärme oder für Produktionsprozesse als Prozesswärme genutzt, z. B. in der chemischen Industrie, spricht man von einem Industriekraftwerk. Wird die Wärme, wie in den meisten Fällen, für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude bereitgestellt, spricht man von einem Heizkraftwerk.
Es wird also bei der Stromerzeugung mit Brennstoffen Nutzwärme ausgekoppelt und damit im Vergleich zu Kondensationskraftwerken die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung reduziert. Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht eine Brennstoffeinsparung von bis zu etwa einem Drittel der Primärenergie, verglichen mit der getrennten Erzeugung von Strom und WärmeGunter Schaumann, Karl W. Schmitz (Hrsgs.): Kraft-Wärme-Kopplung. 4. Auflage. Berlin/Heidelberg 2010, S. 5 f. mit Brennstoffen, zugleich wird aber der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerkes etwas reduziert. Eine gewisse Bedeutung haben kleinere KWK-Anlagen im Bereich von etwa 100 kW elektrischer Leistung für die Versorgung von Gewerbebetrieben, Hallenbädern und Wohngebieten bzw. einzelner Mehrfamilienhäuser, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Kleinere Anlagen werden zwar auf dem Markt angeboten, haben aber einen sehr geringen Anteil an der Strom- und Wärmeerzeugung.Dominic A. Notter, Katerina Kouravelou, Theodoros Karachalios, Maria K. Daletou and Nara Tudela Haberlandad: Life cycle assessment of PEM FC applications: electric mobility and μ-CHP. In: Energy and Environmental Science 8, (2015), 1969–1985, doi:10.1039/C5EE01082A.
Vorteil der KWK ist der verringerte Brennstoffbedarf, wodurch die Emissionen von Kohlenstoffdioxid und anderen Schadstoffen um bis zu einem Drittel reduziert werden – im Vergleich zu getrennter Strom- und Wärmebereitstellung jeweils mit Brennstoffen. Der ausgekoppelten Wärme wird zum Teil ein höherer Anteil des Vorteils zugerechnet. Die Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und im Fall von Bio-Brennstoffen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll den Ausbau und die Bestandserhaltung unterstützen. in früherer und geltender Fassung in allen Fassungen Da mit fossilen Brennstoffen befeuerte KWK-Anlagen weiterhin Kohlenstoffdioxid ausstoßen, kann ein umfassender Klimaschutz langfristig nur gewährleistet werden, wenn sie mit erneuerbaren Energien gespeist werden, wie Biomasse und Grünem Wasserstoff aus erneuerbarem Überschussstrom bzw. damit erzeugtem synthetischem Erdgas.Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 3. Auflage. München 2013, S. 102. Biomassebefeuerte KWK sind in Skandinavien eine tragende Säule der Wärmewende.
Geschichte
Die Idee der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) geht auf das 19. Jahrhundert zurück, als erste industrielle Anwendungen die Abwärme von Dampfmaschinen nutzten. Während die Technologie in den USA und Europa parallel entwickelt wurde, setzte sie sich im Laufe des 20. Jahrhunderts zunehmend als effiziente Energieversorgungsmethode durch.
19. Jahrhundert Ein bedeutendes frühes Beispiel für KWK ist die Pearl Street Station, die 1882 von Thomas Edison in New York City errichtet wurde. Dieses Kraftwerk erzeugte nicht nur Elektrizität, sondern versorgte auch umliegende Gebäude mit Wärme, indem es die Abwärme der Dampfturbinen nutzte. In Europa wurden ähnliche Konzepte entwickelt, insbesondere in industriellen Anlagen.
Auch in Österreich wurden im späten 19. Jahrhundert erste KWK-Anwendungen in Mühlen, Brauereien und Textilfabriken genutzt. Die Abwärme von Dampfmaschinen diente zur Beheizung von Betriebsstätten und zur Prozesswärmeerzeugung.
20. Jahrhundert Zu Beginn des 20. Jahrhunderts setzte sich KWK zunehmend in Industrieunternehmen durch. In den 1920er- und 1930er-Jahren wurden KWK-Anlagen insbesondere in Fabriken, Papier- und Chemiewerken genutzt, um die Energieeffizienz zu steigern. In Europa wurden die ersten Fernwärmesysteme mit KWK-Technologie eingeführt.
Ein Meilenstein in Österreich war die Errichtung einer KWK-Fernwärmeanlage in Wien im Jahr 1929, die eine der ersten großflächigen Anwendungen dieser Technologie darstellte.
Nach dem Zweiten Weltkrieg erlebte die KWK-Technologie einen Aufschwung, insbesondere in sozialistischen Staaten wie der Sowjetunion und der DDR, wo Heizkraftwerke zur zentralen Wärme- und Stromversorgung eingesetzt wurden. Auch in Österreich wurde der Ausbau der KWK-Technologie vorangetrieben, insbesondere durch das Kraftwerk Simmering in Wien, das ab den 1950er Jahren zur Fernwärmeversorgung beitrug.
Die Ölkrise der 1970er Jahre führte zu einem verstärkten Interesse an energieeffizienten Systemen, wodurch KWK insbesondere in den USA und Westeuropa an Bedeutung gewann.
In Österreich ergab sich in diesen Jahren ein Kuriosum, als Udo Proksch der Wiener Stadtregierung eine Extrusionsanlage zur Herstellung von Fernwärmerohren vorstellte. Zu dieser Zeit war die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung jedoch noch nicht weit verbreitet, und eine flächendeckende Fernwärmeversorgung galt aufgrund der unzureichenden Isolierung der Leitungsrohre als nicht realisierbar. Daher wurde der Vorschlag abgelehnt. Die ungenutzte Anlage lagerte daraufhin jahrelang, bis Udo Proksch sie schließlich zum Schrottwert erwarb und für einen Versicherungsbetrug verwendete: Er deklarierte sie fälschlicherweise als Uranerzaufbereitungsanlage und verwickelte sie damit in den bekannten Lucona-Skandal.
In den 1980er Jahren wurden erste dezentrale Blockheizkraftwerke (BHKW) für kleinere Anwendungen entwickelt.
Seit 2000 Mit dem Aufkommen erneuerbarer Energien und steigenden Anforderungen an die CO₂-Reduktion wurde die KWK-Technologie weiterentwickelt. Moderne Systeme kombinieren Erdgas, Biomasse oder Wasserstoff als Brennstoffe und werden vermehrt mit Wärmepumpen und Solarthermie kombiniert.
Auch in Österreich wird KWK heute sowohl in großen Heizkraftwerken als auch in kleinen, dezentralen Anlagen eingesetzt. Besonders in Städten wie Wien, Graz und Linz spielt KWK eine wichtige Rolle in der Fernwärmeversorgung. Gesetzliche Förderprogramme unterstützen den Ausbau von KWK, insbesondere in Deutschland, Österreich und Skandinavien.
In den ersten Jahrzehnten des Jahrhunderts ist KWK ein wichtiger Bestandteil Energieversorgung und wird weltweit sowohl in industriellen Großanlagen als auch in Haushalten eingesetzt. Ihre Nachhaltigkeit wird indes wegen der Verwendung fossiler Brennstoffe oder nur begrenzt verfügbarer Bioenergie (z. B. Holz) kritischer betrachtet als früher.
Durch die zunehmende Verbreitung von Stromerzeugung ohne Brennstoffen, neben Wasserkraft insbesondere Windenergie und Photovoltaik, reduzieren sich Einsatzmöglichkeiten der KWK auch in bestehenden Fernwärmesystemen. Insbesondere reduziert ein großes Angebot an Strom aus mit der Witterung fluktuierenden erneuerbaren Energien den Bedarf an Strom und in diesen Zeiten den Strompreis: Dadurch kann es für Fernwärmeversorger vorteilhafter sein, die Stromerzeugung zeitweilig zu unterbrechen und die Fernwärme im Heizkesseln zu erzeugen bzw. bei noch niedrigeren Strompreisen mit Widerstandsheizungen. Die zunehmende Verbreitung von Wärmepumpen zur Gebäudeheizung erhöht andererseits den Strombedarf bei kalter Witterung und unterstützt damit dessen Deckung mit KWK in Verbindung mit Wärmenetzen mit ebenfalls witterungsabhängigem Bedarf.
Einführung Das Spektrum der elektrischen und thermischen Leistung von KWK-Anlagen reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren hundert Megawatt. Seit längerer Zeit sind etwa waschmaschinengroße sogenannte Mini- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für den Einsatz in Einfamilienhäusern, Wohngebäuden, kleineren Gewerbebetrieben und Hotels auf den Markt. Damit stehen heute für das gesamte Spektrum des Wärmebedarfs KWK-Lösungen zur Verfügung.
Thermische Kraftwerke, die in Deutschland bis in die 2010er Jahre einen Großteil des Strombedarfs deckten, erzeugen mehrheitlich mit der aus einem Brennstoff freigesetzten Wärme ausschließlich elektrischen Strom. Wird zusätzlich auch die Abwärme z. B. für Prozesswärme genutzt oder in ein Wärmenetz eingespeist, nennt man diese KWK-Anlagen; sie haben einen höheren Nutzungsgrad oder Brennstoffausnutzungsgrad (nicht „Wirkungsgrad“). Während rein stromerzeugende Anlagen (elektrische) Wirkungsgrade zwischen 33 % (ältere Anlagen und Kernkraftwerke) und 61,5 % (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke)Pressemeldung Siemens: Siemens erreicht Weltrekorde in Düsseldorfer Kraftwerk „Fortuna“, abgerufen am 21. März 2016. erreichen, kommt man bei KWK-Anlagen auf Nutzungsgrade von bis zu 85 % und höher.
Im Vergleich zu den derzeit besten Technologien der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme erzielen KWK-Anlagen je nach Versorgungssituation Primärenergieeinsparungen von bis zu 30 %. Dass die Einsparungen im Schnitt nicht noch höher ausfallen, hängt damit zusammen, dass der reale Strom- und Wärmebedarf starken Schwankungen unterliegt. Vor allem bei nur geringem Wärmebedarf von Haushalten im Sommer führt dies dazu, dass einige Heizkraftwerke mit Notkühlung (Kondbetrieb) laufen oder keinen KWK-Strom produzieren können. Dem wird durch die Installation von Fernwärmespeichern abgeholfen, um die KWK-Wärme bis zum Abruf der Wärmekunden zwischenzuspeichern.
Das in Deutschland noch nicht realisierte hohe Einsparpotenzial hat den Gesetzgeber veranlasst, die KWK seit 2002 mit dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz zu fördern, das zudem Markthemmnissen entgegenwirken sollte, die durch die über 100 Jahre gewachsenen zentralen Versorgungsstrukturen in der Elektrizitätswirtschaft existieren.
Technik Bei der Kraft-Wärme-Kopplung wird ein Teil des entstehenden Dampfes in einem Kraftwerk für Heizzwecke ausgekoppelt. Dadurch sinkt zwar der Wirkungsgrad der Erzeugung elektrischer Energie etwas ab; der Gesamtnutzungsgrad kann aber bei vollständiger Abwärmenutzung bis auf etwa 90 % steigen.
Wärmequellen Das Prinzip der KWK kann mit jedem Brennstoff und jeder Wärmequelle mit einem Temperaturniveau ab ca. 200 °C genutzt werden. In Betracht kommen neben fossilen Energien wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Heizöl auch erneuerbare Energien wie Biogas, Klärgas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol, Solarthermie und Geothermie sowie Siedlungsabfälle (Müllverbrennung und Deponiegas) genauso wie die Kernenergie.
Ebenfalls möglich ist der Betrieb mit synthetischem Wasserstoff oder Methan aus dem Power-to-Gas-Prozess, mit dem sich Überschüsse aus erneuerbaren Energien langfristig speichern lassen. Diese Art der Wärmeerzeugung ist aber recht verlustintensiv und benötigt deshalb insgesamt deutlich mehr Energie als beispielsweise die alternative Wärmeerzeugung mit Wärmepumpenheizungen. Für ein zukünftiges erneuerbares Energiesystem mit Sektorenkopplung werden stromgeführte KWK-Anlagen gegenüber wärmegeführten KWK-Anlagen bevorzugt, um in einem solchen System den Energiebedarf bei der Verstromung niedrig zu halten.Vgl. Volker Quaschning: Sektorkopplung durch die Energiewende. Anforderungen an den Ausbau erneuerbarer Energien zum Erreichen der Pariser Klimaschutzziele unter Berücksichtigung der Sektorkopplung. Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, 20. Juni 2016. Abgerufen am 8. April 2017.
Auslegung und Betriebsweise mini|Fernwärmespeicher, als thermischer Lastausgleich für die KWK-Anlage des Kraftwerkes Theiß, mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang