Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten von hocheffizienten KWK-Anlagen
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, Leiter der Arbeitsgruppe „E2 – Erneuerbare Energien und Energieeffizienz“ der Fachhochschule Düsseldorf (Bild: NRW.BANK)
Siegel: Energieeffizienz lohnt sich

Umwelt & Energie

//Umwelt & Energie: Einsatzmöglichkeiten für hocheffiziente KWK-Anlagen

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende „made in NRW“. Die Förderbank für Nordrhein-Westfalen unterstützt Unternehmen, die sich die hocheffiziente Technologie zunutze machen wollen, mit dem NRW/EU.KWK-Investitionskredit. Im Gespräch erläutert Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, Leiter der Arbeitsgruppe „E2 – Erneuerbare Energien und Energieeffizienz“ der Fachhochschule Düsseldorf, ihre Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten.

Herr Prof. Dr. Adam, Kraft-Wärme-Kopplung – was ist das eigentlich genau?

Prof. Dr. Mario Adam: Bei Kraft-Wärme-Kopplung werden gleichzeitig Kraft und Wärme produziert, wobei sich in dem Wort „Kraft“ die Stromerzeugung verbirgt. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen Motor, der bei einem Auto beispielsweise die Räder antreiben würde. Bei einer KWK-Anlage treibt er eine große Lichtmaschine an und produziert Strom. Und genauso, wie der Automotor Wärme abgibt, die zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden kann, produziert auch dieser KWK-Motor Wärme. Diese nutzt man dann beispielsweise, um Gebäude zu erwärmen oder Duschwasser bereitzustellen.

Worin liegen die Vorteile?

Mario Adam:
Kraft-Wärme-Kopplung ist sehr energieeffizient. Sie kann zwischen zehn und 50 Prozent der Primärenergie einsparen; die genaue Ersparnis hängt vor allem vom elektrischen Wirkungsgrad der KWK-Anlage und dem Wirkungsgrad der zum Vergleich herangezogenen Technologien zur getrennten Strom- und Wärmeerzeugung ab. Ein weiterer Vorteil: Wenn als Brennstoff ein nachwachsender Energieträger, beispielsweise Biogas, oder mit regenerativer Energie erzeugter Wasserstoff eingesetzt wird, kommt es rein rechnerisch sogar zu negativen CO2-Emissionen.

„Kraft-Wärme-Kopplung ist sehr energieeffizient“, erläutert Prof. Mario Adam. (Bild: NRW.BANK) „Kraft-Wärme-Kopplung ist sehr energieeffizient“, erläutert Prof. Mario Adam.
In Bürogebäuden gibt es für KWK-Anlagen Potenziale bei der Klimatisierung, denn auch Kältemaschinen werden mit Wärme angetrieben. (Bild: NRW.BANK) In Bürogebäuden gibt es für KWK-Anlagen Potenziale bei der Klimatisierung, denn auch Kältemaschinen werden mit Wärme angetrieben.
Auch mehrere zusammengeschaltete Einfamilienhäuser können mit einer KWK-Anlage versorgt werden. (Bild: NRW.BANK) Auch mehrere zusammengeschaltete Einfamilienhäuser können mit einer KWK-Anlage versorgt werden. (Bilder: NRW.BANK)

Technologien

Blockheizkraftwerk (BHKW)
Das weit verbreitete BHKW basiert auf einem Hubkolben-Motor, der sehr lange Laufzeiten vertragen kann. Denn um eine hohe Wirtschaftlichkeit zu erzielen, sollte er 5.000 bis 8.000 Stunden pro Jahr in Betrieb sein, weit mehr als ein Pkw-Motor. Angetrieben wird der Motor in der Regel mit Erdgas. Aber es gibt auch Dieselaggregate oder mit Bio- oder Grubengas angetriebene Anlagen. Die Bandbreite der elektrischen Leistung ist sehr groß, sie reicht von 1 kW bis in den Megawattbereich. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei rund 25 bis 40 Prozent.

Gasturbinen
Bei Gasturbinen wird das Gas nicht wie beim normalen Hubkolbenmotor im Zylinder gezündet, sondern kontinuierlich verfeuert. Das Abgas treibt die Turbine an. Gasturbinen gibt es ab 50 Kilowatt elektrischer Leistung. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt rund 20 bis 40 Prozent.

Stirling-Motor
Die neu am Markt positionierte Stirling-Motor-Technologie steht zwischen Hubkolbenmotor und Turbine: Das Abgas einer stationären Flamme bringt eine Kurbelwelle über zwei schwingende Kolben in Bewegung. Der elektrische Wirkungsgrad ist mit 10 bis 15 Prozent recht niedrig. Aber die geringe Leistung – es gibt sie schon ab einem Kilowatt elektrischer Leistung – birgt Chancen für den Einsatz in Eigenheimen, für die sich große Blockheizkraftwerke wirtschaftlich selten lohnen.

Brennstoffzellen
Auch bei Brennstoffzellen können Kraft und Wärme gekoppelt werden. Interessant ist dabei der hohe elektrische Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent. Brennstoffzellen nutzen Wasserstoff, der kontrolliert mit dem Sauerstoff aus der Luft reagiert. Häufig wird der Wasserstoff heute aus Erdgas gewonnen. Man könnte den Wasserstoff auch mithilfe regenerativ erzeugter Energie per Elektrolyse gewinnen. Manche kennen das Prinzip noch aus dem Chemieunterricht, wo Wasser, also H2O, durch Elektrizität in seine Bestandteile zerlegt wird: in zwei Teile H, also Wasserstoff, und einen Teil O, also den Sauerstoff.

Welche Technologie eignet sich für kleine und mittlere Unternehmen?

Mario Adam: Eine gute Grundvoraussetzung für KWK ist eine hohe Grundlast. Das muss man im Einzelfall sehen. Jeder Betrieb hat natürlich einen speziellen Wärme- und Strombedarf. Da kann es sehr günstige Konstellationen geben. Wir haben mal eine Energieanalyse bei einem Lebensmittelhersteller gemacht, der musste Schokolade rund um die Uhr flüssig halten, im Sommer wie im Winter. Dafür ist natürlich ein Blockheizkraftwerk ideal, also ein BHKW. Das braucht mindestens 5.000 Betriebsstunden, um wirtschaftlich zu arbeiten. Je höher die jährliche Laufleistung liegt, umso mehr verteilen sich die Investitionskosten auf größere Wärme- und Strommengen, womit die Erzeugungskosten sinken. Ein anderes Beispiel ist ein Galvanikbetrieb, der warme Bäder braucht, um Metall zu verzinken. So gibt es immer eine relativ hohe Grundlast. Interessant wird es auch, wenn viel Warmwasser benötigt wird wie in einem Hotel, einem Schwimmbad oder einer Reinigung.

Wie sieht es in Bürogebäuden aus?

Mario Adam: Bürokomplexe haben eher ungünstige Voraussetzungen für KWK, weil die jährliche Laufzeit zu gering ist. Im Standardfall ist der Wärmeabnehmer im Winter hauptsächlich die Heizung, im Sommer aber nur das warme Wasser. Und warmes Wasser wird in Büros nur wenig gebraucht. Potenziale gibt es allerdings bei der Klimatisierung. Für manche ist es vielleicht verblüffend: Es gibt auch Kältemaschinen, die nicht mit Strom, sondern mit Wärme angetrieben werden. Und somit kommt dort eine KWK-Anlage wieder ins Spiel. Diese hat dann über das ganze Jahr genug Betriebsstunden, weil sie im Winter Wärme und im Sommer Kälte erzeugt – und gleichzeitig Strom.

Und wenn man jetzt an das Einfamilienhaus denkt?

Mario Adam: Für Einfamilienhäuser liegen stromerzeugende Heizungen im niedrigen Leistungsbereich im Trend. Diese basieren teils auf Hubkolbenmotortechnik wie ein BHKW. Die kleinste ist eine 1-kW-Maschine. Dabei ist kW die Abkürzung für Kilowatt, also 1.000 Watt. Das reicht für Kühlschrank, Computer und Fernseher, aber nicht mehr für Toaster, Wasserkocher oder Kaffeemaschine, die mit teils mehr als 1.000 Watt zu viel Strom aus dem Netz ziehen. Außerdem gibt es die Stirling-Technologie (Anm. d. Red.: siehe Infokasten), vielleicht zukünftig auch die Brennstoffzellentechnik, die es aber noch nicht in den normalen Verkauf geschafft hat. Sie ist noch im Stadium der Feldtest- und Pilotanlagen. Da muss man abwarten, wie diese sich technisch und preislich weiterentwickelt. Grundsätzlich ist das Einfamilienhaus bisher aber durchaus ein schwieriger Fall für Kraft-Wärme-Kopplung.

Worin besteht die Schwierigkeit?

Mario Adam: Sie haben in einem Haus eine Grundlast von 200 Watt, weil der Kühlschrank läuft, es eine Umwälzpumpe in der Heizung gibt, also bestimmte elektrische Verbrauchsquellen immer am Netz sind, auch durch den unnötigen Stand-by-Betrieb von Elektrogeräten. So kleine KWK-Geräte für die niedrige Grundlast gibt es aber noch gar nicht. Das ist das Dilemma im Einfamilienhaus. Mit der stromerzeugenden Heizung versucht man sich da zwar vorzutasten, also immer kleinere elektrische Leistungen bereitzustellen. Das stößt aber an technologische und vor allem Kostengrenzen. Je kleiner ein Aggregat gebaut wird, desto spezifisch teurer ist es dann auch. Hinzu kommen die Verbrauchsschwankungen: Idealerweise besteht das ganze Jahr über ein kontinuierlicher Wärme- und Strombedarf, und zwar genau in der Höhe, wie ihn die KWK-Anlage abgibt. Wenn ich aber ein Einzelgebäude habe, dazu auch noch ein kleines, gibt es im Winter einen hohen Heizwärmebedarf und im Sommer bis auf ein bisschen Warmwasser fast nichts. Der Tagesbedarf schwankt ebenso stark. Wenn ich Toaster oder Fön anmache, habe ich kurzzeitig zwei kW Leistungsbedarf. Und wenn ich die Geräte ausmache, habe ich wieder nur ein bisschen Leistungsbedarf.

Welche Lösungsansätze gibt es?

Mario Adam: Wenn Sie mehrere Gebäude zusammenschalten, dann ergibt sich dadurch, dass der Nachbar den Fön – statistisch betrachtet – nicht gleichzeitig mit den anderen Nachbarn einschaltet, eine gleichmäßigere Verteilung des Verbrauchs. In größeren Objekten oder einem Verbund von mehreren, über eine einzige KWK-Anlage versorgten Gebäuden hat man also sehr viel günstigere Voraussetzungen. Mehrere KWK-Anlagen könnte man auch als ein gemeinsames „Virtuelles Kraftwerk“ vernetzen, dazu laufen Pilotprojekte.

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