Inhalt des Artikels
- Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage?
- Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? Eine Einführung
- Wie funktioniert eine Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage?
- Kraft-Wärme-Kopplung Vor- und Nachteile
- Kraft-Wärme-Kopplung Einfamilienhaus: Das müssen Interessierte und Besitzer:innen wissen
- KWKG-Umlage 2024
- Kraft-Wärme-Kopplung: Ein Fazit
- Häufig gestellte Fragen
- Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und wie funktioniert sie?
- Welche Vorteile bietet die Kraft-Wärme-Kopplung?
- Welche Typen von KWK-Anlagen gibt es?
- Können erneuerbare Energien in KWK-Anlagen genutzt werden?
- Was müssen Interessierte über die Kosten einer KWK-Anlage für das Einfamilienhaus wissen?
- Was ist die KWKG-Umlage und wie wirkt sie sich im Jahr 2024 aus?
Inhalt
Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage?
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), ein effizientes Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme, spielt eine zentrale Rolle in der Energiewende und bei der Reduzierung von CO2-Emissionen. Indem sie sowohl für industrielle Zwecke als auch zur Beheizung von Gebäuden eingesetzt wird, ermöglichen KWK-Anlagen eine wesentlich effizientere Nutzung von Brennstoffen im Vergleich zu traditionellen Methoden der Energiegewinnung.
Mit diesem Leitfaden wollen wir einen umfassenden Überblick über die Funktionsweise, die verschiedenen Typen und die ökonomischen sowie ökologischen Vor- und Nachteile von KWK-Anlagen, einschließlich finanzieller Aspekte wie der KWKG-Umlage für das Jahr 2024 bieten.
Was ist Kraft-Wärme-Kopplung? Eine Einführung
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Deutschland und Österreich, auch bekannt als Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) in der Schweiz, bezeichnet die simultane Produktion von mechanischer Energie sowie nutzbarer Wärme innerhalb eines einheitlichen thermodynamischen Verfahrens. Die erzeugte mechanische Energie wird typischerweise direkt in elektrischen Strom umgesetzt. Wenn die erzeugte Wärme entweder für Heizzwecke als Nah- oder Fernwärme oder in Produktionsprozessen als Prozesswärme, wie etwa in der chemischen Industrie, verwendet wird, handelt es sich um ein Industriekraftwerk. In den meisten Fällen jedoch, wenn die Wärme für die Beheizung von öffentlichen und privaten Gebäuden eingesetzt wird, spricht man von einem Heizkraftwerk.
Durch dieses Verfahren wird bei der Stromproduktion aus Brennstoffen die Nutzwärme gewonnen, was die Freisetzung von ungenutzter Abwärme in die Umwelt minimiert. Die Kraft-Wärme-Kopplung führt zu einer Brennstoffeinsparung von bis zu einem Drittel der Primärenergie im Vergleich zur separaten Erzeugung von Strom und Wärme, auch wenn dies den elektrischen Wirkungsgrad des Kraftwerks leicht verringert.
Wie funktioniert eine Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage?
Das Leistungsspektrum von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) erstreckt sich von einigen wenigen Kilowatt bis hin zu mehreren hundert Megawatt. Seit geraumer Zeit sind besonders kompakte KWK-Anlagen, die etwa die Größe einer Waschmaschine haben und als Mini- sowie Mikro-KWK-Anlagen bezeichnet werden, für den Gebrauch in Einzelhaushalten, Mehrfamilienhäusern, kleineren Unternehmen und Hotels erhältlich. Somit sind KWK-Lösungen heute für ein breites Spektrum an Wärmeanforderungen verfügbar.
Technisch gesehen wird bei der KWK ein Teil des entstehenden Dampfes in Kraftwerken für Heizzwecke verwendet. Obwohl dies zu einem leicht verringerten Effizienzgrad bei der Stromerzeugung führt, kann der Gesamteffizienzgrad durch die vollständige Nutzung der Abwärme auf etwa 90 Prozent ansteigen.
Als Brennstoffe kommen bei KWK-Anlagen sowohl fossile Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Heizöl als auch erneuerbare Energiequellen wie Biogas, Klärgas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol, Solarthermie, Geothermie sowie Abfälle aus Haushalten und Kernenergie in Frage. Auch der Einsatz von synthetischem Wasserstoff oder Methan, gewonnen aus Power-to-Gas-Prozessen, ist möglich, was die langfristige Speicherung von Überschüssen aus erneuerbaren Energien ermöglicht. Allerdings wird diese Methode der Wärmeerzeugung als relativ ineffizient angesehen und daher für ein zukünftiges, erneuerbares Energiesystem mit sektorenübergreifender Kopplung als ungeeignet betrachtet. Stromgeführte KWK-Anlagen hingegen werden als essentiell angesehen, um den Energiebedarf bei der Rückverstromung zu minimieren.
In Bezug auf die Betriebsweise und Auslegung von KWK-Anlagen wird zwischen strom- und wärmegeführten Konzepten unterschieden, je nachdem, ob der Fokus auf der Strom- oder Wärmeerzeugung liegt. Stromgeführte Anlagen zielen darauf ab, den Stromertrag zu maximieren, während wärmegeführte Anlagen den Wärmeertrag optimieren. Wirtschaftlich gesehen ist oft eine stromoptimierte Betriebsweise vorteilhafter. Durch den Einsatz von Technologien wie Spitzenlastkesseln, Fernwärmespeichern, Power-to-Heat-Anlagen kann die Flexibilität im Betrieb erhöht und die Wärmeversorgung auch in Zeiten sichergestellt werden, in denen kein Strombedarf besteht.
Große Wärmespeicher ermöglichen es, die simultane Produktion von Wärme und Strom in KWK-Anlagen zeitlich zu entkoppeln, da sich Wärme kostengünstiger als Strom speichern lässt. So kann eine stromgeführte KWK-Anlage weiterhin die Wärmeversorgung sichern, selbst wenn der Strombedarf hoch und der Wärmebedarf gering ist. Dies verbessert die Flexibilität des Systems und erleichtert die Integration erneuerbarer Energien.
Typen von KWK-Anlagen
Die verschiedenen Typen von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) bieten ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten und Effizienzvorteilen. Sie lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen, die sich nach Größe, Technologie und Anwendungsgebiet unterscheiden:
Blockheizkraftwerke (BHKW):
- Charakterisiert durch ihre kompakte Bauweise, ähnlich der Größe einer Waschmaschine
- Betrieben mit Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen
- Primär zur lokalen Wärmeversorgung kleiner bis mittelgroßer Einheiten wie Wohnblöcke, Einzelhäuser, kleinere Gewerbebetriebe oder Hotels
Heizkraftwerke (für umfangreiche Fernwärmeversorgung):
- Größere Anlagen, ausgelegt für die Versorgung ausgedehnter Areale oder industrieller Prozesse mit Fernwärme
- Höhere Netzverluste gegenüber BHKWs, jedoch Effizienzgewinne durch bessere Exergieausnutzung aufgrund höherer Leistung
Spezifische KWK-Anlagentypen
- Entnahmedampf- und Gegendruckturbinen: Feste Stromkennzahl, begrenzte Flexibilität bezüglich der Anpassung an schwankende Energiebedarfe
- Gas- und Dampfturbinen (GuD) sowie Gasturbinen mit Abhitzekessel: Einsatz in verschieden skalierten Projekten von mittel bis groß
- Verbrennungsmotoren: Vielseitig einsetzbar, von kleinen bis zu mittelgroßen Anlagen
- Brennstoffzellen-Anlagen: Zukunftsorientierte Technologie für eine effiziente Energieerzeugung mit geringen Emissionen
Flexibilität in der Energieerzeugung
- Anlagen mit fixer Stromkennzahl: Begrenzt anpassbar, hauptsächlich Ein/Aus-Betrieb oder Teillast
- Anlagen mit variabler Stromkennzahl (z.B. Entnahmedampfturbinen): Größere Betriebsflexibilität, Anpassungsfähigkeit an variierende elektrische und thermische Lasten
Prinzipien und Zusatzoptionen
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK):
- Erweiterung der KWK-Anlagen um die Fähigkeit, Kälte zu erzeugen, oft durch den Einsatz von Absorptionskältemaschinen
- Erhöhte Wirtschaftlichkeit durch zusätzliche Kälteproduktion, besonders vorteilhaft in den Sommermonaten
Kraft-Wärme-Kopplung Vor- und Nachteile
Während die KWK viele Vorteile wie Energieeinsparung und Umweltfreundlichkeit bietet, hat sie auch Nachteile, darunter hohe Initialkosten und technische Herausforderungen in bestimmten Anwendungsbereichen. Nachfolgend werden wir die spezifischen Vor- und Nachteile der KWK detailliert erläutern.
Kraft-Wärme-Kopplung Vorteile
- Erhöhte Effizienz: KWK-Anlagen nutzen die eingesetzten Energieträger effektiver als traditionelle Kraftwerke, indem sie neben Strom auch Wärme produzieren.
- Reduktion von Brennstoffverbrauch und CO2-Emissionen: Geringerer Brennstoffverbrauch führt zu einer deutlichen Reduktion der CO2-Ausstöße.
- Minimierung von Wärme- und Leitungsverlusten: Dezentrale KWK-Anlagen erzeugen Strom und Wärme direkt am Verbrauchsort, was die Verluste deutlich reduziert.
- Einsatz erneuerbarer Energien: Möglichkeit, regenerative Brennstoffe wie Biogas effizient einzusetzen.
- Förderung durch das KWKG: Gesetzliche Anreize und Zuschläge für die Erzeugung von Strom aus hocheffizienten KWK-Anlagen.
- Direkte Nutzung und Einspeisung von Überschussstrom: Der lokal produzierte Strom kann unmittelbar verwendet oder ins öffentliche Netz eingespeist werden, was eine zusätzliche Vergütung ermöglicht.
Kraft-Wärme-Kopplung Nachteile
- Wirtschaftlichkeit in Ein-/Zweifamilienhäusern: Hohe Anschaffungs- und Installationskosten können den Einsatz in kleineren Wohngebäuden wirtschaftlich unattraktiv machen.
- Stillstand in wärmebedarfsarmen Zeiten: In Perioden ohne Wärmebedarf, wie den Sommermonaten, kann die Anlage keine Energie produzieren.
- Höhere Wartungskosten bei Verbrennungsmotoren: KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotoren benötigen im Vergleich zu traditionellen Heizsystemen mehr Wartung.
- Komplexität bei der Versorgung von Mehrparteienhäusern: Die Bereitstellung von „Mieterstrom“ aus dezentralen KWK-Anlagen erfordert aufwendige Messkonzepte und macht den Betreiber zum Energieversorger mit entsprechenden rechtlichen Verpflichtungen.
Kraft-Wärme-Kopplung Einfamilienhaus: Das müssen Interessierte und Besitzer:innen wissen
Mikro-KWK-Anlagen eignen sich hervorragend für Bauherr:innen, die in ihren eigenen vier Wänden die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung implementieren möchten.
Diese Heizsysteme nutzen üblicherweise Erd- oder Flüssiggas und sind mit einem Pufferspeicher sowie einem Brennwertkessel für besonders kalte Perioden ausgestattet. Dadurch gewährleisten diese Mini-Kraftwerke eine zuverlässige Wärmeversorgung des Haushalts. Zudem sind sie in der Lage, den jährlichen Strombedarf eines Hauses bis zu 60 Prozent zu decken.
Der Vorrang des Eigenverbrauchs gegenüber der Netzeinspeisung ist dabei entscheidend, da die Vergütung für den ins Netz eingespeisten Strom lediglich bei etwa 10 Cent pro Kilowattstunde liegt. Es erweist sich daher als kosteneffizienter, den Strom selbst zu verbrauchen und sich so den Kaufpreis von etwa 24 Cent/kWh für Netzstrom zu sparen, besonders da der Eigenverbrauch mit etwa 5 Cent/kWh unterstützt wird.
Um den maximalen Stromertrag zu erzielen, ist es empfehlenswert, dass die Anlagen möglichst lange, idealerweise rund 4.000 Stunden jährlich, betrieben werden. Ein Pufferspeicher unterstützt den effizienten Betrieb durch Wärmespeicherung. Allerdings muss jede Mikro-KWK-Anlage individuell geplant und an die spezifischen Bedürfnisse angepasst werden. Potenzielle Nutzer:innen sollten sich daher nach erfahrenen Fachhandwerkern umsehen, die sich auf Kraft-Wärme-Kopplung spezialisiert haben.
Was kostet eine KWK-Anlage für Zuhause?
KWKG-Umlage 2024
Die KWKG-Umlage ist ein Aufschlag auf den Strompreis, speziell auf die Netzentgelte, der dazu dient, die Erzeugung von Strom durch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) finanziell zu unterstützen. Die Idee hinter der Zulage ist es, die Nutzung dieser effizienten und umweltfreundlicheren Energieerzeugungsmethode zu fördern.
Das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) regelt die Details dieser Umlage. Nach diesem Gesetz erhalten Betreiber von KWK-Anlagen einen finanziellen Zuschlag vom Stromnetzbetreiber für den Strom, den sie erzeugen. Dieser Zuschlag wird letztendlich von den Stromkund:innen getragen, wobei für Verbraucher:innen mit einem Jahresverbrauch unter einer Million kWh spezifische Umlagesätze gelten, die im Gesetz festgelegt sind.
Die Umlage nach dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) unterstützt die Produktion von Elektrizität und Wärme in effizienten KWK-Anlagen sowie den Ausbau von Netzen und Speichern für Wärme und Kälte. Laut den Paragraphen 10 und 11 des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) sind die deutschen Übertragungsnetzbetreiber dazu angehalten, die Höhe der KWKG-Umlage für das kommende Jahr offen zu legen und diese bis zum 25. Oktober jedes Jahres zu publizieren.
KWKG-Umlage zum 1. Januar 2024
Die KWKG-Umlage für das Jahr 2024 wurde auf Grundlage der von den untergeordneten Netzbetreibern und vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) vorgelegten Prognosedaten berechnet. Diese Prognosen erlaubten es, die erwarteten finanziellen Belastungen gemäß den aktuellen Bestimmungen des KWKG und des EnWG zu ermitteln. Die Umlage wurde anschließend am 25. Oktober bekannt gemacht. Für die Ermittlung der KWKG-Umlage wurden außerdem Einnahmen und Ausgaben, die über das im Jahr 2023 eingeführte KWKG-Konto laufen, gemäß den Vorgaben des EnWG in Betracht gezogen.
Darauß resultiert eine KWKG-Umlage ab dem 01. Januar 2024 von gerundet 0,275 Cent pro Kilowattstunde für alle nichtprivilegierten Endverbraucher:innen.
Kraft-Wärme-Kopplung: Ein Fazit
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) stellt eine fortschrittliche und effiziente Methode zur simultanen Erzeugung von Strom und Wärme dar, die einen signifikanten Beitrag zur Energiewende und zur Verringerung von CO2-Emissionen leistet. Durch die Nutzung von KWK-Anlagen, die ein breites Leistungsspektrum von kleinen Haushaltsanwendungen bis hin zu großindustriellen Anlagen abdecken, können Brennstoffe wesentlich effizienter genutzt werden als bei herkömmlichen Energieerzeugungsmethoden.
Die Technologie bietet neben ökonomischen Vorteilen durch Einsparungen bei den Energiekosten und staatliche Förderungen wie die KWKG-Umlage, auch eine flexible Anpassung an die Energiebedürfnisse und trägt durch den Einsatz erneuerbarer Energieträger zur nachhaltigen Energieversorgung bei. Dennoch sind bei der Planung und Umsetzung von KWK-Anlagen individuelle Aspekte und potenzielle Herausforderungen zu berücksichtigen, um ihre Vorteile vollständig ausschöpfen zu können.
Häufig gestellte Fragen
Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und wie funktioniert sie?
KWK ist ein Verfahren, bei dem gleichzeitig Strom und Wärme durch ein einheitliches thermodynamisches Verfahren erzeugt werden. Dabei wird die mechanische Energie, die im Prozess entsteht, typischerweise direkt in elektrischen Strom umgewandelt, während die produzierte Wärme für Heizzwecke oder industrielle Prozesse genutzt wird.
Welche Vorteile bietet die Kraft-Wärme-Kopplung?
Durch die simultane Erzeugung von Strom und Wärme ermöglicht KWK eine wesentlich effizientere Nutzung von Brennstoffen im Vergleich zu herkömmlichen Energieerzeugungsmethoden. Dies führt zu einer Reduzierung des Brennstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen sowie zu einer Minimierung von Wärme- und Leitungsverlusten.
Welche Typen von KWK-Anlagen gibt es?
KWK-Anlagen variieren von kleinen, kompakten Einheiten, die für Einzelhaushalte geeignet sind, bis hin zu großen Anlagen für die Fernwärmeversorgung oder industrielle Prozesse. Zu den spezifischen Typen gehören Blockheizkraftwerke (BHKW), Heizkraftwerke, Anlagen mit Entnahmedampf- und Gegendruckturbinen, sowie Brennstoffzellen-Anlagen.
Können erneuerbare Energien in KWK-Anlagen genutzt werden?
Ja, KWK-Anlagen können neben fossilen Brennstoffen auch erneuerbare Energiequellen wie Biogas, Klärgas, Holzpellets und sogar synthetischen Wasserstoff oder Methan aus Power-to-Gas-Prozessen nutzen. Dies trägt zur Flexibilität und Nachhaltigkeit der KWK-Technologie bei.
Was müssen Interessierte über die Kosten einer KWK-Anlage für das Einfamilienhaus wissen?
Die Anschaffungskosten für ein BHKW in einem Einfamilienhaus liegen zwischen 10.000 und 25.000 Euro, abhängig von der Größe, Leistung und Technologie der Anlage. Zusätzliche Kosten entstehen für Installation und Inbetriebnahme, wobei weitere Komponenten oder Zubehör den Preis beeinflussen können.
Was ist die KWKG-Umlage und wie wirkt sie sich im Jahr 2024 aus?
Die KWKG-Umlage unterstützt die Produktion von Strom und Wärme in KWK-Anlagen sowie den Ausbau von Wärme- und Kältenetzen. Für das Jahr 2024 wird eine Umlage von etwa 0,275 Cent pro Kilowattstunde für nichtprivilegierte Endverbraucher erhoben, basierend auf den Prognosen und finanziellen Belastungen gemäß dem KWKG und EnWG.
