Kraft-Wärme-Kopplung | <<< | >>> | Feedback |
Acronym: KWK
Definition: die gleichzeitige Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie in einem Kraftwerk
Abbildung 1: Energieflüsse bei der Kraft-Wärme-Kopplung. Die Dicke der Pfeile zeigt die Größe der betreffenden Energien bzw. Leistungen an.
Die Kraft-Wärme-Kopplung (oder Wärme-Kraft-Kopplung) ist die gleichzeitige Erzeugung von mechanischer und nutzbarer thermischer Energie (Wärme), wobei die mechanische Energie meist weiter in elektrische Energie umgewandelt wird. Die technische Basis hierfür ist meist eine Wärmekraftmaschine, deren Abwärme einer Nutzung zugeführt wird. Möglich ist aber auch die Verwendung von Brennstoffzellen.
Abbildung 1 zeigt die Energieflüsse an. In diesem Beispiel wäre der mechanische Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine 33 % und der thermische Wirkungsgrad 59 %. Die fehlenden 8 % sind nicht nutzbare Wärme z. B. im Abgas. Da der Generator weitere (häufig eher geringfügige) Verluste verursacht, liegt der elektrische Wirkungsgrad noch etwas tiefer (bei 29 %). Die Stromkennzahl wäre damit 29 % / 59 % = 0,49.
Möglich ist auch, dass die abgegebene Niedertemperaturwärme nicht zu allen Zeiten genutzt werden kann. Der effektive thermische Nutzungsgrad liegt dann unter dem thermischen Wirkungsgrad der Maschine.
Das simple Addieren des elektrischen und thermischen Wirkungsgrads einer KWK-Anlage zu einem Gesamtwirkungsgrad ist wenig sinnvoll, da die elektrische Energie wertvoller ist (nämlich reine Exergie) als Niedertemperaturwärme: Beispielsweise kann sie mit Hilfe einer Wärmepumpe in eine wesentlich größere Menge von Niedertemperaturwärme umgewandelt werden. Deswegen wird gelegentlich ein effektiver Gesamtnutzungsgrad mit gewichteter Berücksichtigung der Strom- und Wärmeerzeugung verwendet. Hier wird z. B. der Stromanteil dreifach gezählt.
Die Kraft-Wärme-Kopplung kann zusätzlich mit der Erzeugung von Kälte über eine Absorptionskältemaschine verbunden werden. Man spricht dann von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
Nutzungsmöglichkeiten für die Wärme
In der Regel ist die gewinnbare Wärme nur Niedertemperaturwärme (z. B. auf einem Temperaturniveau unterhalb von 100 °C), was die Nutzungsmöglichkeiten einschränkt. In manchen Fällen ist eine Anhebung dieses Temperaturniveaus (z. B. auf 150 °C) nötig, was auf Kosten des elektrischen Wirkungsgrads gehen kann. Dies gilt insbesondere für Anlagen mit Dampfturbinen; ein höheres Temperaturniveau im Kondensator führt zu einem höheren Gegendruck und somit zu einer reduzierten mechanischen und elektrischen Leistung. Bei Otto- und Dieselmotoren dagegen gibt es keine solche Wirkungsgradverminderung, jedoch ist der elektrische Wirkungsgrad von vornherein niedriger als zumindest bei einer großen Dampfturbine.
Bei großen Anlagen kann die Nutzwärme durch Nah- oder Fernwärmenetze zu den Verbrauchern gebracht werden. Sie wird in der Regel durch heißes Wasser transportiert. Auch hierbei können wieder gewisse Energieverluste auftreten, abhängig von der Länge und Wärmedämmung der Leitungen. Die relativen Energieverluste in der Leitung hängen auch vom Wärmedurchsatz ab: Bei hohem Durchsatz spielen die Verluste relativ gesehen eine geringere Rolle.
Die Nutzung für die Beheizung von Gebäuden ist technisch meist ohne weiteres möglich, jedoch finden sich in einem begrenzten Umkreis von der Anlage nur Verbraucher mit einer begrenzten Anschlussleistung. Zudem ist der Wärmebedarf saisonal stark schwankend.
Gewisse Industriebetriebe kommen ebenfalls als Abnehmer von Niedertemperaturwärme in Frage. Insbesondere gilt dies für die chemische Industrie, die viel Prozesswärme benötigt. Auch diverse Trocknungsprozesse können Niedertemperaturwärme nutzen. Vorteilhaft ist der meist ganzjährig gleichbleibende Verbrauch, was eine hohe Auslastung der Anlage mit immer stattfindender Wärmenutzung ermöglicht.
Geeignete Anlagen
Im Prinzip sind die meisten Wärmekraftmaschinen für die Kraft-Wärme-Kopplung technisch geeignet. Jedoch unterscheiden sich die Typen sehr nach verschiedenen praktisch bedeutsamen Gesichtspunkten wie der erzeugten Leistungen, der erreichbaren elektrischen und thermischen Wirkungsgrade sowie der Temperaturniveaus der gelieferten Wärme:
- Großkraftwerke (z. B. große Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke) enthalten meist Dampfturbinen. Für die Kraft-Wärme-Kopplung ist oft eine gewisse Anhebung des Temperaturniveaus der Abwärme nötig, und dies kann zu einer leichten Abnahme des elektrischen Wirkungsgrads führen. Dies ist angesichts des viel höheren Gesamtwirkungsgrads (im Vergleich mit der Situation ohne Abwärmenutzung) meist leicht zu tolerieren. Das größere Problem ist, dass bei Großkraftwerken sehr hohe Wärmeleistungen von vielen hundert Megawatt oder gar mehreren Gigawatt anfallen, so dass es schwierig wird, im engen Umkreis ausreichend Abnehmer zu finden. Deswegen arbeiten die meisten Großkraftwerke ohne Kraft-Wärme-Kopplung.
- Etwas kleinere fossil befeuerte Kraftwerke mit einer Leistung von z. B. 100 MW sind technisch im Prinzip ähnlich zu Großkraftwerken, machen die Nutzung der Abwärme jedoch um einiges einfacher.
- Blockheizkraftwerke (BHKW) auf der Basis z. B. von Gas- oder Dieselmotoren oder Gasturbinen erzeugen elektrische Leistungen von wenigen hundert Kilowatt oder einigen Megawatt. Sie können die erzeugte Wärme leicht in ein Nahwärmenetz einspeisen, welches beispielsweise einige Wohnblöcke oder Bürogebäude mit Heizwärme versorgt. Leider ist der elektrische Wirkungsgrad hier aber meist deutlich geringer. Wenn (wie häufig) ein Spitzenlastkessel für Zeiten mit hohem Wärmebedarf eingesetzt wird, muss dieser in einen sinnvollen Systemvergleich einbezogen werden. Leider erlauben solche Spitzenlastkessel meist keine Brennwertnutzung und können die Energieeffizienz der Anlage deutlich verschlechtern.
- Noch kleinere Anlagen (Mikro-Blockheizkraftwerke) zur “stromerzeugenden Heizung” basierend z. B. auf kleinen Gasmotoren, Stirling-Motoren oder Brennstoffzellen versorgen nur einzelne Wohnhäuser mit Heizwärme. Je nach Typ der Anlage kann der elektrische Wirkungsgrad recht klein sein (z. B. nur 10 %) oder aber immerhin über 30 %.
Die folgende Tabelle gibt einige typische Nutzungsgrade für verschiedene Anlagentypen an. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass die tatsächlich erreichten Werte stark variieren können. Insbesondere können die thermischen Jahresnutzungsgrade bei stromgeführtem Betrieb (siehe unten) erheblich niedriger ausfallen.
| Anlagentyp | elektrischer Wirkungsgrad | thermischer Wirkungsgrad |
|---|---|---|
| Kohlekraftwerk | 40 % | 40 % |
| BHKW mit Gasmotor | 30 % | 55 % |
| Mikro-BHKW mit Stirlingmotor | 10–15 % | 80 % |
Anpassung an den Strom- und Wärmebedarf
Eine Grundproblematik der Kraft-Wärme-Kopplung ist, dass häufig der Strom- und Wärmebedarf nicht völlig synchron anfallen. In dieser Situation gibt es grundsätzlich die folgenden Möglichkeiten:
- Wärmegeführter Betrieb: Die Leistung der Anlage wird gemäß dem Wärmebedarf geregelt, während die erzeugte elektrische Energie in das Netz eingespeist wird. Im Sommer steht die Anlage u. U. still. Die erzeugte Energie wird immer vollständig genutzt, aber die Auslastung der Anlage ist nicht sehr hoch, was die Amortisation beeinträchtigen kann.
- Stromgeführter Betrieb: Die Leistung der Anlage wird nach dem Bedarf an elektrischer Leistung bestimmt, und die anfallende Wärme wird soweit möglich genutzt, zeitweise aber in die Umwelt abgegeben.
In manchen Fällen, etwa bei der Beheizung von Schwimmbädern, kann auch eine Mischform gewählt werden: Bei hohem Strombedarf kann die Anlage zeitweise mehr Wärme erzeugen als eigentlich benötigt und diese speichern; das Wasser im Schwimmbad wird so kurzfristig etwas wärmer. Die Anlage arbeitet dann kurzfristig stromgeführt, längerfristig aber wärmegeführt. Mit ausreichender Speichergröße ist es auch möglich, die Stromerzeugung weitgehend in die Tagstunden oder sogar stärker auf Spitzenlast-Zeiten zu konzentrieren.
Tendenziell ist bei kleineren Anlagen (Blockheizkraftwerke und kleiner) der wärmegeführte Betrieb die Regel (außer bei Anlagen in Inselnetzen), während bei Großkraftwerken auch der stromgeführte Betrieb vorkommt. Kleinere Anlagen können jedoch gleichzeitig als Notstromaggregate dienen.
Argumente für und wider die Kraft-Wärme-Kopplung
Energieeffizienz
Die Kraft-Wärme-Kopplung hat den wesentlichen Vorteil, dass die eingesetzten Brennstoffe (Kohle, Erdgas, Biogas) erheblich effizienter genutzt werden im Vergleich zu ähnlichen Kraftwerken ohne Abwärmenutzung, aber auch im Vergleich zu reinen Heizkesseln. Im letzteren Fall ist zu berücksichtigen, dass ein Heizkessel zwar oft einen leicht höheren Gesamtwirkungsgrad hat, aber auch nur Niedertemperaturwärme erzeugt, die nicht mit hochwertiger elektrischer Energie gleichzusetzen ist.
Allerdings sind die energetischen Vorteile der Kraft-Wärme-Kopplung in der Praxis häufig längst nicht so hoch wie weithin angenommen. Dies hat verschiedene Gründe, insbesondere die folgenden:
- Vor allem bei Großanlagen kann häufig nur ein Teil der Wärme genutzt werden; besonders im Sommer können erhebliche Wärmemengen ungenutzt bleiben.
- Die Wärmeverteilung als Fernwärme führt zu nennenswerten Wärmeverlusten und erzwingt ein höheres Temperaturniveau der Wärme, was den elektrischen Wirkungsgrad beeinträchtigt (siehe oben) und die Brennwertnutzung schwierig macht.
- Kleinere Anlagen vermeiden oder minimieren zwar die Verteilungsverluste, weisen aber typischerweise einen wesentlich niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad auf als z. B. moderne Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke. Siehe hierzu den folgenden Abschnitt.
Aufschlussreich ist der Vergleich eines Gasmotor-Blockheizkraftwerks mit einem großen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk ohne Abwärmenutzung, dafür mit einem wesentlich höheren elektrischen Wirkungsgrad von z. B. 55 % statt 30 %. Um die Daten vergleichbar zu machen, kann angenommen werden, dass letztendlich Niedertemperaturwärme benötigt wird. Das Gasmotor-Blockheizkraftwerk liefert z. B. 55 % der Energie als Wärme, zusätzlich 30 % als elektrische Energie, die eine Wärmepumpe mit der Leistungszahl 3 in 90 % Niedertemperaturwärme umwandelt, so dass man insgesamt 55 % + 90 % = 145 % als Wärme erhält. Das GuD-Kraftwerk liefert dagegen 55 % elektrisch, nach Einsatz einer Wärmepumpe mit der Leistungszahl 3 aber 3 · 55 % = 165 % Wärme. Somit erweist sich das GuD-Kraftwerk trotz fehlender Abwärmenutzung als insgesamt effizienter. Dies liegt am wesentlich höheren elektrischen Wirkungsgrad. Da dieser bei modernsten GuD-Kraftwerken noch etwas höher als angenommen ausfallen kann und zudem gute Wärmepumpen auch wesentlich höhere Jahresarbeitszahlen als 3 erzielen können, dürften selbst weiter optimierte Gasmotor-Blockheizkraftwerke schlechter abschneiden. Allerdings wurden die elektrischen Leistungsverluste, die für Großkraftwerke stärker zu Buche schlagen, nicht berücksichtigt, was den effektiven Unterschied etwas verkleinert.
Ebenfalls wird deutlich, dass selbst ein sehr guter Gasheizkessel mit 95 % Wirkungsgrad nicht annähernd die Effizienz der beiden anderen Varianten erreicht. Andererseits sind sowohl Blockheizkraftwerke als auch Wärmepumpen in der Herstellung wesentlich teurer als Gasheizkessel; mit der letzteren Lösung gesparte Investitionskosten könnten z. B. für zusätzliche Wärmedämmung verwendet werden.
Man beachte, dass diverse im Umlauf befindliche Systemvergleiche unangemessene Voraussetzungen verwenden und dadurch die Kraft-Wärme-Kopplung besser darstellen, als sie wirklich ist. Beispielsweise werden neue KWK-Anlagen mit uralten Anlagen zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme verglichen, oder es werden Anlagen verglichen, die völlig unterschiedliche Primärenergieträger verwenden. In anderen Fällen werden Einflüsse von Spitzenlastkesseln oder von zeitweiligem Betrieb ohne Wärmenutzung übergangen.
Andere Aspekte
Gegen Blockheizkraftwerke wird oft eingewandt, dass der Verschleiß von relativ kleinen Motoren zu einer begrenzten Lebensdauer führt. Allerdings ist zu beachten, dass solche Motoren unter wesentlich günstigeren Bedingungen als etwa Automotoren arbeiten (kaum Kaltstarts, niedrige Drehzahlen, etc.), so dass diese Problematik als durchaus beherrschbar anzusehen ist.
Eine wesentliche Voraussetzung für ökonomisch sinnvolle Kraft-Wärme-Kopplung sind grundsätzlich gute Nutzungsmöglichkeiten für die erzeugte Wärme. Heizzwecke sind hier wegen der saisonalen Schwankungen und der relativ geringen Leistungsdichten etwas weniger vorteilhaft als manche industrielle Anwendungen. Der Anschluss vieler zu beheizender Gebäude ist außerdem oft schwierig, wenn diese bereits andere Heizungsanlagen besitzen.
Weitere Aspekte ergeben sich aus den verwendeten Brennstoffen. Die Verdrängung z. B. von Kohlekraftwerken durch meist erdgasbetriebene Blockheizkraftwerke reduziert einerseits massiv den CO2-Ausstoß, vergrößert aber andererseits die Abhängigkeit von Erdgas, welches für kürzere Zeit verfügbar sein wird. Diese Problematik wird allerdings ein Stück weit entschärft durch die Möglichkeit des Einsatzes von Biogas sowie durch den nicht allzu langen Zeithorizont, für den solche Anlagen gebaut werden.
Auf jeden Fall ist es unsinnig, die Kraft-Wärme-Kopplung als eine Alternative zur effizienten Wärmenutzung anzusehen, etwa mit dem Argument, man verwende ja nur Abwärme. Wenn beispielsweise ein altes Gebäude mit einem Blockheizkraftwerk versehen wird, bewirkt dies meist eine viele schwächere Reduktion des Primärenergiebedarfs, als wenn eine optimale Wärmedämmung vorgenommen wird. Auf ökonomischer Seite kommt hinzu, dass die Lebensdauer eines Blockheizkraftwerks weitaus geringer ist als die einer Wärmedämmung, so dass ein einfacher Vergleich der Investitionskosten völlig irreführend sein kann [1].
Literatur
| [1] | Extra-Artikel: "Kraft-Wärme-Kopplung – ein Ersatz für Wärmedämmung?" |
| [2] | "Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen Energiesystem", eine Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2010); Teil II.3 behandelt die Kraft-Wärme-Kopplung |
| [3] | KWKG 2002 – Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz |
Siehe auch: Wärmekraftmaschine, Fernwärme, Kraftwerk, Wirkungsgrad, Stromkennzahl, Energieeffizienz, Einspeisevergütung, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Kategorien: Grundbegriffe, Wärme, elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Energieeffizienz