Wie funktioniert Kraft-Wärme-Kopplung?

Der Motor brummt, das Auto fährt, die Heizung wird warm: Autofahrer:innen kennen das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bereits im Kleinen. Denn die Energie aus dem Kraftstoff sorgt nicht nur für den Antrieb, sondern gleichzeitig auch für einen warmen Innenraum.

Wenn also von Kraft-Wärme-Kopplung die Rede ist, handelt es sich um die kombinierte Erzeugung von mechanischer beziehungsweise elektrischer und thermischer Energie innerhalb eines thermodynamischen Prozesses. Der Vorteil: Während ein herkömmliches Kraftwerk nur Strom oder nur Wärme erzeugt, erledigt eine KWK-Anlage beides.

Die Möglichkeit, die Restwärme weiterzunutzen, die bei der Stromerzeugung übrig bleibt, gibt es schon seit Erfindung der Kraftmaschinen vor rund 200 Jahren. Die Technik wurde jedoch zunächst nicht eingesetzt, weil aufgrund fehlender Leitungssysteme die Wärmeenergie allenfalls im Nahbereich genutzt werden konnte. Fernwärmenetze entstanden erst ab den 1920er-Jahren. Zudem waren Brennstoffe scheinbar unbegrenzt verfügbar und preiswert. Es war daher nicht attraktiv, in die Technik zur Wärmenutzung zu investieren. Lange Zeit wurde Restwärme daher ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Durch den Ausbau städtischer Fernwärmenetze gewann die Kraft-Wärme-Kopplung aber zunehmend an Bedeutung.

Die Funktionsweise einer KWK-Anlage ist einfach erklärt: Durch Verbrennung wird zunächst Wasserdampf erzeugt und durch eine Turbine geführt. Dabei setzt der durchströmende Dampf die Turbinenwelle in Drehung, und es wird mechanische Energie erzeugt. Diese wird durch Kopplung mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt und ans Netz abgegeben. So entsteht Strom aus Wärme. Die Abwärme aus der Turbine wird in einen Heizkondensator geführt und zur Fernwärmeversorgung verwendet, statt ungenutzt an die Umgebung abgegeben zu werden.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gibt es in verschiedenen Leistungsklassen: von Kleinanlagen für Einfamilienhäuser bis hin zu leistungsstarken KWK-Anlagen für die Versorgung des öffentlichen Netzes. Dabei gilt folgende Einstufung:

• Nano-KWK: bis 2,5 Kilowatt elektrische Leistung (kWel)
• Mikro-KWK: bis 20 kWel
• Mini-KWK: bis 50 kWel
• mittlere KWK-Anlagen: bis 2 Megawatt elektrische Leistung (MWel)
• große KWK-Anlagen: ab 2 MWel

Auch im Heizkraftwerk Linden von enercity kommt die KWK-Technologie zum Einsatz. Der Brennstoffnutzungsgrad der Anlage liegt bei über 90 Prozent. Kraft-Wärme-Kopplung zählt damit zu den effizientesten und umweltfreundlichsten Energieerzeugungsarten. Konventionelle Kraftwerke bringen es auf einen Nutzungsgrad von rund 30 bis 40 Prozent. Etwa zwei Drittel der eingesetzten Primärenergie gehen ungenutzt verloren. Entsprechend schlecht fällt die CO₂-Bilanz aus. Kraft-Wärme-Kopplung dagegen senkt den Ausstoß des klimaschädlichen Kohlendioxids erheblich. Allein im Kraftwerk Linden spart enercity durch die Nutzung der KWK-Technologie jährlich rund 200.000 Tonnen CO₂-Emissionen ein.

Die klimaschonende Fernwärme für Hannovers Privat- und Gewerbekund:innen ist ein wichtiger Faktor im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung. Sie stellt eine umweltschonende Alternative zu Heizanlagen mit schlechterer CO₂-Bilanz dar, die zudem ohne große Investitionskosten für die Endkund:innen auskommt. Von der KWK-Technologie profitieren somit Verbraucher:innen und Umwelt gleichermaßen.

Neben industriellen KWK-Kraftwerken, die meist mit Gasturbinen oder Dampfkraft arbeiten, gibt es drei kleinere KWK-Anlagentypen, die für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern genutzt werden können. Jeder Anlagentyp hat eine andere Funktionsweise, die wir in der Übersicht kurz beschreiben:

• Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht aus einem mit Gas oder Öl betriebenen Verbrennungsmotor. Dieser treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Die beim Verbrennungsprozess erzeugte Abwärme wird über einen Pufferspeicher an das Heizungssystem übertragen.
• Ein Stirling-Heizgerät verfügt über zwei miteinander verbundene Zylinder, in denen Gas abwechselnd erhitzt und gekühlt wird. Das Gas pendelt zwischen den Zylindern, die sich aufgrund der unterschiedlichen Volumina bewegen und einen Generator antreiben. Dieser wiederum erzeugt Strom. Die entstehende Abwärme wird für das angeschlossene Heizungssystem genutzt.
• Eine Brennstoffzelle kommt ohne Verbrennung aus. In ihr wird Wasserstoff mittels eines chemischen Prozesses in Ionen und Elektronen aufgespalten. Die frei werdenden Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur Kathode. Es fließt Strom. Die Ionen hingegen reagieren mit Sauerstoff zu Wasser und setzen Wärme frei. Diese wird an die Heizungsanlage übertragen.

Kraft-Wärme-Kopplung im Großen ist absolut sinnvoll – aber wie sieht es beim Einfamilienhaus aus? Mit einer Nano-KWK-Anlage oder einer Mikro-KWK-Anlage und den oben beschriebenen Anlagentypen lassen sich Ein- und sogar Mehrfamilienhäuser energieeffizient mit Strom und Wärme versorgen. Der Vorteil: Da Abwärme genutzt wird, wird ein hoher Anteil der eingesetzten Primärenergie verbraucht. Auf diese Weise sinken die Energiekosten sowie die CO₂-Emissionen des Haushaltes.

Eine KWK-Anlage ist allerdings mit hohen Anschaffungs- und Wartungskosten verbunden. Damit sich die Investition lohnt, sollte zum einen der produzierte Strom möglichst selbst verbraucht werden. Zum anderen muss auch die produzierte Wärme eine Abnehmerin oder einen Abnehmer finden.

Für einen sinnvollen Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus muss die Anlage eine möglichst hohe Laufzeit erreichen. KWK-Anlagen sind dann wirtschaftlich, wenn sie etwa zwei Drittel des Jahres laufen. Das entspricht rund 3500 bis 5000 Betriebsstunden pro Jahr. Folglich rentiert sich eine Heizung mit Kraft-Wärme-Kopplung besonders für Haushalte, die das ganze Jahr über einen konstant hohen Wärmebedarf haben. Beispielsweise, weil ein Swimmingpool vorhanden ist, der auch im Sommer beheizt werden muss.

Die Kosten einer KWK-Anlage hängen von der gewählten Anlagenart ab. Kleine BHKW-Anlagen (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung) sowie Stirling-Geräte für die Kraft-Wärme-Kopplung eines Einfamilienhauses sind ab etwa 10.000 bis 12.000 Euro erhältlich. Der Preis steigt mit zunehmendem Wärmebedarf auf bis zu 36.000 Euro für eine moderne Brennstoffzelle. Die Installation einer KWK-Anlage kostet rund 5000 Euro.

Weiterhin fallen im Betrieb Kosten für die Wartung sowie den Kauf und die Lagerung des genutzten Energieträgers an.

Das KfW-Programm 270 „Erneuerbare Energien – Standard“ fördert den Kauf einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem zinsgünstigen Kredit. Voraussetzung: Sie wird mit regenerativen Rohstoffen betrieben. Die Maximalhöhe liegt bei 50 Millionen Euro pro Vorhaben.

Ob es in Ihrer Region weitere kommunale Förderungen gibt, können Sie der Förderdatenbank des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz entnehmen.

Überdies können die Kosten einer Kraft-Wärme-Kopplungsheizung über drei Jahre von der Steuer abgesetzt werden:

• 1. und 2. Jahr: jeweils 7 Prozent des Preises, max. 14.000 Euro
• 3. Jahr: 6 Prozent des Preises, max. 12.000 Euro

Voraussetzung ist, dass das Gebäude, in das die KWK-Anlage eingebaut wird, seit mindestens zehn Jahren besteht (Bestandsgebäude) und von Ihnen selbst bewohnt wird.

KWK-Anlagen haben einige wichtige Vorteile. Allerdings gibt es auch ein paar Nachteile, die wir in dieser Übersicht gegenübergestellt haben.

Welche Vorteile die Power-to-Heat-Technologie für private Haushalte und das Fernwärmenetz bietet, lesen Sie in unserem Artikel „So funktioniert eine Power-to-Heat-Anlage“.