Kraft-Wärme-Kopplung
Einführung und Grundlagen
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärmeenergie. Die Erzeugung der Elektrizität erfolgt über einen motorgetriebenen Generator oder eine Brennstoffzelle. Die gleichzeitig entstehende Wärme wird über einen Wärmeübertrager für die weitere Nutzung zur Verfügung gestellt.
Der wesentliche Vorteil der KWK-Technologie ist die gesteigerte Energieeffizienz. Bei einer konventionellen getrennten Energieerzeugung liegt diese zwischen 60 und 65 %. Durch die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung ergibt sich eine Primärenergieeinsparung von 15 bis 30 %. Weitere Vorzüge sind die Reduktion von Emissionen, die Einsparung von Energieressourcen, die Vermeidung von Übertragungsverlusten sowie die Entlastung der Stromnetze durch dezentrale Erzeugung.
Der wesentliche Vorteil der KWK-Technologie ist die gesteigerte Energieeffizienz. Bei einer konventionellen getrennten Energieerzeugung liegt diese zwischen 60 und 65 %. Durch die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung ergibt sich eine Primärenergieeinsparung von 15 bis 30 %. Weitere Vorzüge sind die Reduktion von Emissionen, die Einsparung von Energieressourcen, die Vermeidung von Übertragungsverlusten sowie die Entlastung der Stromnetze durch dezentrale Erzeugung.
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| KWK im Vergleich |
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Weiterführende Onlineangebote:
Informationsbroschüren:
Förderung
Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. (BKWK)
Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V. (ASUE)
BHKW-Infozentrum GbR
Datenbank mit BHKW-Beispielprojekte (BHKW-Infozentrum)
Energie-Atlas Bayern
Fachzeitschrift „Energie und Management“ mit der KWK des Monats
Informationsbroschüren:
Leitfaden: Kraft-Wärme-Kopplung - Effizienz von Klein bis Groß (saena)
Verschiedene BHKW-Broschüren u.a. BHKW-Fibel, Kenndaten, Module, Anbieter und Kosten (ASUE)
Förderung
Förderung von KWK-Anlagen (BAFA)
Einsatzbereich
Der ideale Einsatzbereich für dezentrale KWK sind Objekte mit einem ganzjährigen Wärmebedarf, denn die KWK-Anlagen können nur sinnvoll betrieben werden, wenn ein Abnehmer für die entstehende Abwärme zur Verfügung steht. Die Sicherstellung der regelmäßigen Wärmenutzung ist das entscheidendste Kriterium für den sinnvollen Einsatz des KWK-Gerätes.
Üblicherweise erfolgt die Nutzung für die Gebäudeheizung sowie die Trinkwassererwärmung. Aufgrund des zeitlich variierenden Wärmebedarfs, werden KWK-Anlagen hier i.d.R. mit 15 % bis 30 % der Gesamtheizleistung installiert, decken aber durch die hohe Betriebsstundenzahl ca. 50 bis 70 % des Jahreswärmebedarfs im Objekt.
Der ideale Einsatzbereich für dezentrale KWK sind Objekte mit einem ganzjährigen Wärmebedarf, denn die KWK-Anlagen können nur sinnvoll betrieben werden, wenn ein Abnehmer für die entstehende Abwärme zur Verfügung steht. Die Sicherstellung der regelmäßigen Wärmenutzung ist das entscheidendste Kriterium für den sinnvollen Einsatz des KWK-Gerätes.
Üblicherweise erfolgt die Nutzung für die Gebäudeheizung sowie die Trinkwassererwärmung. Aufgrund des zeitlich variierenden Wärmebedarfs, werden KWK-Anlagen hier i.d.R. mit 15 % bis 30 % der Gesamtheizleistung installiert, decken aber durch die hohe Betriebsstundenzahl ca. 50 bis 70 % des Jahreswärmebedarfs im Objekt.
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| Jahreslinie Wärmebedarf |
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Betriebsweise von BHKW-Anlagen
Im Gewerbe bietet sich als weitere Möglichkeit der Einsatz im Bereich von technologischer Prozesswärme an. Die wesentliche Bedingung ist erneut, dass die thermische Energie über einen sehr großen Zeitraum im Jahr benötigt wird. Je nach eingesetzter KWK-Technologie muss das jeweilige Temperaturniveau der Abwärme beachtet werden. Bei Verbrennungsmotoren werden bei der Wärmeentnahme mittels Öl- und Kühlwasserwärmeübertragern Temperaturen zwischen 60 und 90 °C erreicht, Stirlingmotoren realisieren Temperaturen bis 85 °C. Zum Erreichen höherer Temperaturniveaus bis 140 °C, ist eine Heißkühlung der Motoren erforderlich, die aufgrund gleichzeitiger elektrischer Wirkungsgradverluste selten genutzt wird. Alternativ ermöglichen Mikrogasturbinen konstant hohe Temperaturen von 200 bis 400 °C. Anwendungsmöglichkeiten sind z.B. Heizprozesse in lebensmittelverarbeitenden Gewerben sowie Trocknungsprozesse von Holz, Textilien oder anderen Gütern.
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Klimatisierung mittels Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Hierbei wird die KWK-Abwärme mittels Adsorptions- oder Absorptionskälteanlagen für die Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung genutzt.
Um eine KWK-Anlage wirtschaftlich betreiben zu können, muss diese in der Regel eine hohe Laufzeit von mindestens 5.000 bis 6.000 Betriebsstunden pro Jahr erreichen, wobei eine hohe Eigenverbrauchsquote des erzeugten Stroms anzustreben ist.
Daher ist eine Anpassung an den Strom- und Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher erforderlich, der als Führungsgröße für die Auslegung und den Betrieb der Anlage auszuwählen ist. Der erzeugte Strom wird in der Regel von den angeschlossenen Verbrauchern zunächst selbst genutzt und kann bei nachlassendem Strombedarf in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die erzeugte Wärme kann jedoch bei zurückgehendem Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher nicht oder nur in begrenztem Umfang, z. B. in einem Wärmespeicher, zwischengespeichert werden. Daher wird in den meisten Fällen der Wärmebedarf der Verbraucher als Führungsgröße für den Betrieb einer KWK-Anlage gewählt. Bei dieser wärmegeführten Betriebsweise bestimmt die Wärmenachfrage die Laststufe der KWK-Anlage bzw. den Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt. [1]
Betriebsweise von BHKW-Anlagen
| Wärmegeführt | Stromgeführt | Kombiniert | |
| Stromverwendung | ohne Einschränkung (Eigenutzung und / oder Netzeinspeisung) | nach Bedarf der Verbraucher, nach wirtschaftlichen Erwägungen | nach Bedarf der Verbraucher, nach wirtschaftlichen Erwägungen |
| Wärmeverwendung | nach Bedarf der Verbraucher | ohne Einschränkungen ggf. Zwischenspeicherung | nach Bedarf der Verbraucher ggf. Zwischenspeicherung ggf. stromseitige Einschränkungen |
| Anwendungs-beispiele | Energieversorgung von Gebäuden | Einbindung in Ferwärmesysteme | Energieversorgung von Krankenhäusern |
[1]
KWK ist sowohl bei Neuerrichtungen als auch im Sanierungsfall aufgrund seiner Vielseitigkeit geeignet. Übliche Brennstoffe sind Erdgas, alternativ Flüssiggas, Heizöl und Diesel. Ferner können erneuerbare Energieträger, wie Pflanzenöl, Biodiesel, Holzpellets und Biogas, gegebenenfalls Klär- oder Deponiegas eingesetzt werden. Für Brennstoffzellen ist der Einsatz von Wasserstoff möglich. Bei einer Ersatzinvestition kann somit die Infrastruktur des Energieträgers beibehalten werden.
Zitierte Quellen:
[1] BHKW-Fibel - Wissen in kompakter Form, ASUE – Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.
KWK-Systeme in Betrieben und Potentziale
Abhängig vom Anwendungsfall kann auf unterschiedliche KWK-Technologien zurückgegriffen werden, je nachdem, ob z.B. eine hohe Temperatur, ein gutes Teillastverhalten oder eine hohe Stromkennzahl benötigt wird.
Übersicht zu KWK-Systemen
KWK-Anlagen stehen in unterschiedlichen Leistungsklassen zur Verfügung.
Einen nahezu vollständigen Überblick zu den in Deutschland am Markt verfügbaren KWK-Anlagen bietet die Marktübersicht „
Abhängig vom Anwendungsfall kann auf unterschiedliche KWK-Technologien zurückgegriffen werden, je nachdem, ob z.B. eine hohe Temperatur, ein gutes Teillastverhalten oder eine hohe Stromkennzahl benötigt wird.
Übersicht zu KWK-Systemen
KWK-Anlagen stehen in unterschiedlichen Leistungsklassen zur Verfügung.
| Einstufung | Elektrische Leistung in kW |
| Nano-KWK | kleiner 2 |
| Mikro-KWK | 2 - 20 |
| Klein-KWK | 20 - 50 |
| mittlere KWK | 50 – 2.000 |
| große KWK | größer 2.000 |
Einen nahezu vollständigen Überblick zu den in Deutschland am Markt verfügbaren KWK-Anlagen bietet die Marktübersicht „
BHKW-Kenndaten 2014/2015 – Module, Anbieter, Kosten
“ der ASUE – Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.
Verbrennungsmotor (Otto- und Dieselmotor)
Funktionsweise: Das grundlegende Prinzip der Verbrennungsmotoren ist die interne Verbrennung, bei der ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motor verbrannt wird. Die Expansionskraft des erhitzten Gases bewegt einen Kolben.
Marktreife: Diese Technologie ist sehr ausgereift und am Markt weit verbreitet.
Vorteile: Verbrennungsmotoren erreichen im Mikro-KWK-Bereich hohe elektrische Wirkungsgrade bis 35 % und hohe Stromkennzahlen bis zu 0,5. Sie zeichnen sich durch eine hohe Laufleistung aus und sind aufgrund ihrer vergleichsweise niedrigen Kosten die am häufigsten eingesetzten Motoren in Blockheizkraftwerken.
Nachteile: Die erforderlichen regelmäßigen Ölwechsel verursachen höhere Wartungskosten und aufgrund der internen Verbrennung entstehen höhere Emissionsbelastungen.
Otto- vs. Dieselmotor: Dieselmotoren erreichen den höchsten Gesamtwirkungsgrad aller aufgeführten Technologien, sind aber in der Anschaffung teurer als Ottomotoren.
Funktionsweise: Das grundlegende Prinzip der Verbrennungsmotoren ist die interne Verbrennung, bei der ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motor verbrannt wird. Die Expansionskraft des erhitzten Gases bewegt einen Kolben.
Marktreife: Diese Technologie ist sehr ausgereift und am Markt weit verbreitet.
Vorteile: Verbrennungsmotoren erreichen im Mikro-KWK-Bereich hohe elektrische Wirkungsgrade bis 35 % und hohe Stromkennzahlen bis zu 0,5. Sie zeichnen sich durch eine hohe Laufleistung aus und sind aufgrund ihrer vergleichsweise niedrigen Kosten die am häufigsten eingesetzten Motoren in Blockheizkraftwerken.
Nachteile: Die erforderlichen regelmäßigen Ölwechsel verursachen höhere Wartungskosten und aufgrund der internen Verbrennung entstehen höhere Emissionsbelastungen.
Otto- vs. Dieselmotor: Dieselmotoren erreichen den höchsten Gesamtwirkungsgrad aller aufgeführten Technologien, sind aber in der Anschaffung teurer als Ottomotoren.
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| Funktionsprinzip Ottomotor |
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Stirlingmotor
Funktionsweise: Stirlingmotoren arbeiten mithilfe externer Verbrennung eines Kraftstoffs. In dem geschlossenen, mit einem Arbeitsgas gefüllten Zylinder, entstehen eine heiße und eine kalte Zone, wodurch die Kolbenbewegung hervorgerufen wird.
Marktreife: Die Technologie ist vergleichsweise neu, aber es sind bereits zahlreiche Motoren am Markt etabliert.
Vorteile: Die externe Verbrennung ermöglicht eine große Bandbreite nutzbarer Brennstoffe, einen nahezu verschleißfreien Betrieb und niedrige Wartungskosten. Zudem arbeiten die Motoren emissions- und geräuscharm.
Nachteile: Der Gesamtwirkungsgrad liegt unter 90 Prozent. Der sehr niedrige elektrische Wirkungsgrad verursacht bei den aktuellen Förderungsmodellen hohe Amortisationszeiten.
Funktionsweise: Stirlingmotoren arbeiten mithilfe externer Verbrennung eines Kraftstoffs. In dem geschlossenen, mit einem Arbeitsgas gefüllten Zylinder, entstehen eine heiße und eine kalte Zone, wodurch die Kolbenbewegung hervorgerufen wird.
Marktreife: Die Technologie ist vergleichsweise neu, aber es sind bereits zahlreiche Motoren am Markt etabliert.
Vorteile: Die externe Verbrennung ermöglicht eine große Bandbreite nutzbarer Brennstoffe, einen nahezu verschleißfreien Betrieb und niedrige Wartungskosten. Zudem arbeiten die Motoren emissions- und geräuscharm.
Nachteile: Der Gesamtwirkungsgrad liegt unter 90 Prozent. Der sehr niedrige elektrische Wirkungsgrad verursacht bei den aktuellen Förderungsmodellen hohe Amortisationszeiten.
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| Mikrogasturbin |
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Mikro-Gasturbine
Funktionsweise: Bei der internen Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemisches entsteht ein Heißgas, das in einer nachgeschalteten Turbine entspannt und diese antreibt.
Marktreife: Bisher gibt es im Vergleich mit anderen Motorantrieben relativ wenig Betriebserfahrung. Neue Geräte sind ab einer elektrischen Leistung von 28 kW verfügbar.
Vorteile: Mikrogasturbinen zeichnen sich vor allem durch ein konstant hohes nutzbares Temperaturniveau der Abwärme von 200 bis 400 °C aus. Dies ermöglicht ein breites Spektrum zur Nutzung als Prozesswärme. Weitere Vorzüge sind ein geringer Platzbedarf, Verschleiß und Wartungsaufwand sowie eine gute lastmodulierende Fahrweise mit vergleichsweise konstantem Wirkungsgrad über ein breites Lastspektrum.
Nachteile: Die Investitionskosten sind hoch und der elektrische Wirkungsgrad meist zwischen 25 und 30% niedriger als bei Verbrennungsmotoren.
Für die betrachteten Gewerke sind Anlagen im Bereich von Nano-KWK bis Klein-KWK von Bedeutung. Dampfmotoren, Dampfturbinen und ORC-Anlagen sind in diesen Leistungsdimensionen kaum verbreitet. Weiterführende Informationen zu diesen Technologien finden Sie in den Anlagen.
Funktionsweise: Bei der internen Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemisches entsteht ein Heißgas, das in einer nachgeschalteten Turbine entspannt und diese antreibt.
Marktreife: Bisher gibt es im Vergleich mit anderen Motorantrieben relativ wenig Betriebserfahrung. Neue Geräte sind ab einer elektrischen Leistung von 28 kW verfügbar.
Vorteile: Mikrogasturbinen zeichnen sich vor allem durch ein konstant hohes nutzbares Temperaturniveau der Abwärme von 200 bis 400 °C aus. Dies ermöglicht ein breites Spektrum zur Nutzung als Prozesswärme. Weitere Vorzüge sind ein geringer Platzbedarf, Verschleiß und Wartungsaufwand sowie eine gute lastmodulierende Fahrweise mit vergleichsweise konstantem Wirkungsgrad über ein breites Lastspektrum.
Nachteile: Die Investitionskosten sind hoch und der elektrische Wirkungsgrad meist zwischen 25 und 30% niedriger als bei Verbrennungsmotoren.
Für die betrachteten Gewerke sind Anlagen im Bereich von Nano-KWK bis Klein-KWK von Bedeutung. Dampfmotoren, Dampfturbinen und ORC-Anlagen sind in diesen Leistungsdimensionen kaum verbreitet. Weiterführende Informationen zu diesen Technologien finden Sie in den Anlagen.
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