Die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung in einem erneuerbaren Energiesystem

Wind- und Sonnenenergie sind großartig. Sie sind umweltfreundlich, ressourcenschonend und in vielen Fällen wirtschaftlich. Stark abhängig vom Wetter, stoßen sie jedoch vor allem in sonnen- und windarmen Zeiten an ihre Grenzen. Denn ihre Verfügbarkeit ist der große Nachteil. Jetzt gilt es, die Versorgungssicherheit durch effiziente Techniken auszubauen. Eine davon ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

Was genau hinter dem Prinzip der KWK steckt, wie diese Art der Energieerzeugung funktioniert und warum sich mit Kraft-Wärme-Kopplung sogar Geld sparen lässt, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Was genau heißt Kraft-Wärme-Kopplung?

Einfach erklärt, ist die Kraft-Wärme-Kopplung ein energietechnisches System, das – gekoppelt in einer Kraftmaschine – Strom oder mechanische Energie sowie Wärme bereitstellt. Eines dieser Systeme der KWK ist eine Verbrennungskraftmaschine: das Blockheizkraftwerk (BHKW). Oder andersherum gesagt: Erzeugt ein Blockheizkraftwerk sowohl Wärme als auch Strom, so spricht man vom Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Dies lässt sich durch viele Technologien realisieren, wie zum Beispiel durch eine Dampfturbine, eine Gasturbine, eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor.

Während größere Kraftwerke, die nach dem KWK-Prinzip arbeiten, viel Energie bei der Übertragung über Fernwärmeleitungen und Hochspannungsleitungen verlieren, sind dezentrale BHKWs im Vorteil. Diese enthalten Verbrennungsmotoren, deren Technik seit über einem Jahrhundert stetig weiterentwickelt wird. Somit ist sie vollumfänglich erprobt, um eine bestmögliche Effizienz in der Energieerzeugung sowie eine große Umweltentlastung zu erreichen. Sind mehrere Anlagen dezentral in einem Versorgungsgebiet verteilt, wird die Energie passgenau genau dort erzeugt, wo sie benötigt wird. Zudem können BHKW-Anlagen flexibel auf Volatilitäten reagieren. Damit sind sie nicht nur effizient, sondern auch netz- und systemdienlich.

Wie funktioniert das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung?

Die Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet also die Gewinnung von thermischer und elektrischer Energie zur gleichen Zeit in einem Kraftwerk, nämlich dem BHKW. Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung besteht dabei in der dezentralen Nutzung der gleichzeitig bereitgestellten Elektrizität und Wärme. Die parallel zur Stromerzeugung produzierte Wärme kann beispielsweise zur Beheizung und Warmwasserbereitung genutzt werden. Verglichen mit der herkömmlichen Erzeugung im Kraftwerk ohne Wärmenutzung und mit der herkömmlichen Wärmeerzeugung reduziert der Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung den Energieeinsatz und die Kohlendioxid-Emissionen.

Kraft-Wärme-Kopplung als Stütze in Krisenzeiten

Gerade in den aktuellen Zeiten von Energieunsicherheit und Energieknappheit treten neue und innovative Lösungen zur Energieversorgung zunehmend in den Fokus – so auch die Kraft-Wärme-Kopplung. Denn um langfristig weniger abhängig von Energielieferungen aus anderen Ländern zu sein, sind alternative Energiequellen sowie eine inländische Energieerzeugung gefragter denn je. Zwar lässt sich ein großer Teil des Energiebedarfs in Deutschland bereits aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Sonnenenergie decken, jedoch ist ihre Versorgung nicht gänzlich zuverlässig. Denn sowohl Wind als auch Sonne sind extrem wetterabhängig und damit in ihrer Energiegewinnung maximal schwankend. KWK kann an dieser Stelle eine wertvolle Stütze sein, um die Schwankungen auszugleichen, ermöglicht sie doch eine wetterunabhängige, flexible und bedarfsgerechte Energieproduktion.

Zudem eignet sich Kraft-Wärme-Kopplung optimal als Ersatz für fossile Brennstoffe. Denn weder die Nutzung dieser noch die aktuell wieder zur Diskussion stehende Reaktivierung bereits stillgelegter Atommeiler sind eine langfristige Lösung für die aktuellen Herausforderungen der Energieversorgung. Sollen die Klimaschutzziele der EU wirklich erreicht, Treibhausgasemissionen reduziert und die Energiewende umgesetzt werden, geht es nicht ohne innovative Konzepte wie KWK.

Warum hat KWK Zukunft?

Generell sind Anlagen, die auf das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zurückgreifen, wesentlich effizienter als Anlagen, die auf eine ungekoppelte Energieerzeugung setzen. Dadurch, dass die bei der Herstellung von Strom entstehende Wärme als Wärmeenergie nutzbar ist, wird der in der KWK-Anlage eingesetzte Brennstoff nicht nur effizienter, sondern auch sparsamer verwendet. Immerhin werden bei der Energieerzeugung mit einem Brennstoffnutzungsgrad von 90 % (extrem hoher Wirkungsgrad!) ca. 40 % elektrische und 50 % thermische Energie erzeugt. Gerade für öffentliche Verbraucher, wie Kommunen, Stadtwerke oder Schwimmbäder, sowie für große Industrie- oder Gewerbebetriebe ist das ein relevanter Vorteil, sparen sie dank KWK doch eine Menge an Energiekosten.

Hinzu kommt, dass das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung auch für eine bessere Ökobilanz, also für einen „grünen Fußabdruck“ des Verbrauchers sorgt. Denn KWK-Anlagen überzeugen gleich doppelt: mit einem minimierten CO2-Ausstoß und einem reduzierten Einsatz von Primärenergie. Das macht KWK zu einer sehr umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Energieerzeugung. Abhängig von der eingesetzten Technologie, sind KWK-Anlagen neben dem hohen Brennstoffnutzungsgrad auch flexibel in Bezug auf den eingesetzten Brennstoff. BHKWs greifen größtenteils auf einen gasförmigen Energieträger, wie bspw. Erdgas, Biogas, Klär- oder Deponiegas, zurück. Wo heute noch fossiles Erdgas zum Einsatz kommt, könnten in Zukunft Biomethan, Synthese-Gase oder grüner Wasserstoff dominieren.

Zudem bringt die Kraft-Wärme-Kopplung in Verbindung mit einem BHKW auch einige wirtschaftliche Vorteile mit sich. Denn durch die oben genannten Einsparungen sowie durch die Möglichkeit zur Förderungen ist ein BHKW mit KWK eine vernünftige Investition mit einem angemessenen Payback.

Welche Rolle spielt die Kraft-Wärme-Kopplung für die Energiewende?

Neben der effizienten Brennstoffnutzung spricht auch die System- und Netzdienlichkeit für KWK-Anlagen. Denn durch ihre flexible Fahrweise und die Dezentralität dieser Vielzahl von Anlagen lassen sich die durch die steigende Integration von erneuerbaren Energien in unser Stromnetz entstehende Residuallasten abmindern und der Bedarf an Übertragungsleitungen vom windstarken Norden in den Süden des Landes verkleinern. Somit begünstigen KWK-Anlagen den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien und der Energiewende.

Aber: KWK kann nur dann wirklich effizient funktionieren, wenn die Rahmenbedingungen stimmen. Das bedeutet, dass sich die Nutzung von KWK noch mehr an den Anforderungen des Strommarktes orientieren muss. Und das geht nicht ohne eine flexibilisierte KWK-Stromerzeugung – womit innovative KWK-Systeme (iKWK) auf der Bildfläche erscheinen.

In Zukunft iKWK? So könnte sich die Kraft-Wärme-Kopplung entwickeln

Neben konventionellen Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung spielen zudem innovative KWK-Systeme eine zunehmend wichtigere Rolle. Diese sogenannten iKWKs sind extrem energieeffizient und treibhausarm. Sie erzeugen Strom und Wärme bedarfsgerecht oder wandeln diese um – immer in Verbindung mit hohen Anteilen von Wärme aus erneuerbaren Energien und einem elektrischen Wärmeerzeuger. Neben einem BHKW kommen dabei auch weitere Energieerzeugungstechnologien wie beispielsweise Power-to-Heat, Solarthermie oder eine Wärmepumpe zum Einsatz.

Mögliche Zukunftsszenarien der Energieversorgung in Deutschland sowie die damit zusammenhängende Rolle von Technologien wie der Kraft-Wärme-Kopplung beschäftigen auch die Forschung und Entwicklung. So hat unter anderem das Fraunhofer-Institut eine Langfrist- und Klimaszenarien-Studie veröffentlicht, in der die Dringlichkeit alternativer Energiequellen ein weiteres Mal deutlich wird: Ohne eine zusätzliche stabile Stütze (wie beispielsweise Energie aus Biomasse, KWK, iKWK o.ä.) werden es erneuerbare Energiekonzepte wie Wind und Sonne auf Dauer schwer haben.

Gleichzeitig geht aus der Studie deutlich hervor, dass der Trend in Deutschland zunehmend in Richtung erneuerbare und ökologische Energien geht. Vor allem die Kraft-Wärme-Kopplung kann an dieser Stelle dabei helfen, die in Zukunft benötigte Energie auf ökologische Art und Weise zu generieren. So betonen die Fraunhofer-Forscher, dass die Kopplung von Strom und Wärme enorm zunehmen muss, um die Klimaziele erreichen, Treibhausgasemissionen verringern und die Energiewende schaffen zu können.

Welche Fördermöglichkeiten für Kraft-Wärme-Kopplung gibt es?

Generell hängen die Fördermöglichkeiten von einer Reihe Randbedingungen ab. In der groben Betrachtung geht es darum, ob eine KWK-Anlage nach dem KWK-Gesetz (KWKG) oder dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) gefördert werden kann. Dies ist davon abhängig, ob der eingesetzte Energieträger fossil oder erneuerbar ist. In den einzelnen Gesetzen werden die Anlagen so zum Beispiel nach verschiedenen Leistungsklassen oder aber nach Laufzeiten der Förderung eingeteilt.

Ebenfalls gibt es einige Anforderungen, die erfüllt sein müssen, damit eine Anlage überhaupt förderberechtigt ist. Hier findet man zum Beispiel oft den sogenannten „Hocheffizienznachweis“ und den „Einspeisezwang“. Das bedeutet: Eine Anlage muss die zu vergütenden Energiemengen in das Netz der allgemeinen Versorgung einspeisen. Je nach Leistungsklasse werden die Vergütungen entweder über die festen Vergütungssätze der jeweiligen Gesetze festgelegt oder aber in Ausschreibungsverfahren ermittelt.

Wenn Sie mehr zum Energiesystem der Zukunft erfahren möchten, finden Sie auf einer von Fraunhofer ISI zur Verfügung gestellten Seite aktuelle Aufzeichnungen von Webinaren zu den Langfristszenarien.