Kraft-W?rme-Kopplung (KWK) im Energiesystem

Infografik: aus Brennstoffen entstehen in einer KWK-Anlage Strom und W?rme.zum Vergr??ern anklicken
Bei der Kraft-W?rme-Kopplung entstehen sowohl Strom als auch W?rme.
Quelle: Umweltbundesamt

Durch Kraft-W?rme-Kopplung (KWK) werden in einem Kraftwerk gleichzeitig elektrische und thermische Energie erzeugt. Die parallel zur Stromerzeugung produzierte W?rme wird zur Beheizung und Warmwasserbereitung oder für Produktionsprozesse genutzt. Dabei spart diese effiziente Technik Brennstoff und klimasch?dliche Treibhausgase ein.

Inhaltsverzeichnis

 

Kraft-W?rme-Kopplung

Als Effizienztechnik leistet die Kraft-W?rme-Kopplung (KWK) einen relevanten Beitrag zum ⁠Klimaschutz⁠ und zur Ressourcenschonung. Dabei ist der Anteil von in KWK produziertem Strom an der gesamten Stromerzeugung in Deutschland in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Die gesamte KWK-Stromerzeugung in Deutschland betrug 115 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2018 und hatte damit einen Anteil von 18,9 % an der Nettostromerzeugung in H?he von 610 TWh.

Die Entwicklung der KWK-Stromerzeugung zwischen 2003 bis 2018 sind auch in dem Hintergrundpapier Status quo der Kraft-W?rme-Kopplung in Deutschland zu finden. Es gibt darüber hinaus einen ausführlichen überblick über die im Folgenden in Kürze dargestellten Aspekte der KWK.

Anwendungsfelder der KWK

Für die KWK gibt es verschiedenste Anwendungsfelder in der ?ffentlichen Versorgung, der industriellen Versorgung sowie in der Objektversorgung, die durch unterschiedliche Merkmale gekennzeichnet sind. Typische Anwendungsf?lle sind in der Objektversorgung – etwa von Ein- und Mehrfamilienh?usern, Krankenh?usern, Hotels – die Eigenversorgung von Strom und W?rme vor Ort, wobei der Strom teilweise in ein Netz der ?ffentlichen Versorgung eingespeist wird. Im Bereich der industriellen KWK werden im Fall der Eigenversorgung Strom und W?rme vor Ort zu gro?en Teilen selbst genutzt. Im Falle eines Industrieparks werden Strom und W?rme aber auch über eigene Verteilernetze oder ?ffentliche Netze an Dritte geliefert. In der ?ffentlichen Versorgung werden Strom und W?rme in ?ffentliche Netze eingespeist und an Dritte geliefert.

 

Kraft-W?rme-Kopplungs-Anlagen und -Techniken

KWK-Anlagen k?nnen unterschiedliche Techniken nutzen: Dampfturbinen, Gasturbinen, Gas- und Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren, Dampfmotoren, Stirlingmotoren, ORC-Anlagen oder Brennstoffzelle. Die Techniken unterscheiden sich in ihren wesentlichen Kennwerten: ⁠Stromkennzahl⁠, ⁠elektrischer Wirkungsgrad⁠ und ⁠Gesamtwirkungsgrad⁠.

Die Kennzahlen zeigen typische Bandbreiten in der Auslegung und im Betrieb einer KWK-Anlage. Stromkennzahl und elektrischer Nettowirkungsgrad lassen jedoch keine eindeutigen Aussagen über die Effizienz der Anlage zu. Unterschiede in den Bandbreiten ergeben sich neben der technischen Effizienz der Anlage durch die Auslegung der W?rmeabnahmeseite. So kann beispielsweise eine Entnahmekondenstationsturbine relativ flexibel auf Zeiten ohne W?rmenachfrage reagieren und weiterhin Strom erzeugen. Einen gr??eren Einfluss hat das Temperaturniveau, auf dem W?rme entnommen wird, da sich bei h?heren Temperaturen das Potential zur Stromerzeugung reduziert. Eine vergleichbare Bewertung von KWK-Prozessen durch eine Kennzahl ist daher schwierig, da sie sehr stark von den geforderten technischen Randbedingungen abh?ngt. Wird etwa, wie in der Industrie, viel W?rme auf hohem Temperaturniveau entnommen, führt dies tendenziell zu einer niedrigen Stromkennzahl und einem niedrigen elektrischen Wirkungsgrad, bei gleichzeitig hohem Gesamtwirkungsgrad.

Die Tabelle listet wichtige Eigenschaften wie elektrischer Wirkungsgrad, Gesamtwirkungsgrad und Anteil der gesamten elektrischen Leistung für die Anlagentypen Blockheizkraftwerk, Gasturbine mit Abhitzenutzung, Dampfkraftwerk, Gas-und-Dampf-Kraftwerk und Brennstoffzelle auf.
Tabelle: Kennzahlen von Anlagen mit Kraft-W?rme-Kopplung (KWK)
Quelle: Umweltbundesamt / BAFA / Prognos kwk-techniken.pdf
 

Energietr?ger

Je nach Art der Anlage k?nnen für KWK-Anlagen alle Brennstoffe mit einem Mindestenergiegehalt verwendet werden wie Gase, Kohlen, Mineral?le, feste und flüssige Biomassen, Abf?lle und Ersatzbrennstoffe. Die Brennstoffe und die Art der KWK-Anlagen stehen miteinander im Zusammenhang. Je nach Brennstoff unterscheiden sich auch die Kohlendioxid-Emissionen des KWK-Anlagen-Betriebes stark. In Deutschland kommen insbesondere Erdgas und Biogas als Energietr?ger in KWK-Anlagen zum Einsatz.

Die übersichtskarte ?Kraftwerke mit Kraft-W?rme-Kopplung (KWK) in Deutschland“ zeigt Anlagen der ?ffentlichen Stromversorgung und Industriekraftwerke mit einer elektrischen Bruttoleistung ab 100 Megawatt (MW) bzw. einer W?rmeauskopplung von mindestens 100 MW.

Die Karte zeigt die in Betrieb befindlichen Anlagen für Kraft-W?rme-Kopplung ab 50 Megawatt elektrischer Leistung in Deutschland.
Kraftwerke mit Kraft-W?rme-Kopplung (KWK) in Deutschland

Kraftwerke mit Kraft-W?rme-Kopplung (KWK) in Deutschland, Stand August 2020
Das Umweltbundesamt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Karte dem Urheberrecht unterliegt und nur zur nichtkommerziellen Nutzung verwendet werden darf.

Quelle: Umweltbundesamt kwk-karte_de_2020.pdf
 

Umweltentlastung durch Kraft-W?rme-Kopplung

Bei Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung wird die bei der Energiewandlung entstehende W?rme ungenutzt an die Umwelt abgegeben. KWK-Anlagen erzeugen dagegen mit dem eingesetzten Brennstoff sowohl Strom als auch W?rme in einem Kopplungsprozess und tragen so zur ressourcenschonenden Energieversorgung bei.

Die H?he der erzielbaren Prim?renergieeinsparungen gegenüber der getrennten Strom- und W?rmeerzeugung ist von der Auspr?gung der KWK-Anlage (Gr??e, Brennstoff, ⁠Stromkennzahl⁠) sowie der Referenzsysteme der getrennten Strom- und W?rmeerzeugung abh?ngig. Bei prozentualen Einsparungen an Prim?renergie über 10 % gelten KWK-Anlagen mit einer Bruttobetriebsleistung > 1 MWel gem?? der europ?ischen Energieeffizienz-Richtlinie als hocheffizient, Anlagen mit geringer Leistung (bereits) dann, wenn Prim?renergieeinsparungen resultieren. Nur hocheffiziente Anlagen dürfen gef?rdert werden. Der Umfang der Emissionsminderung durch KWK korrespondiert mit der H?he der Prim?renergie und ist energietr?gerabh?ngig.

Die hohe Gesamteffizienz des KWK-Prozesses sorgt für niedrige Treibhausgasemissionen bei der Erzeugung von Fernw?rme und Strom. In der Studie "Bestimmung spezifischer Treibhausgas-Emissionsfaktoren für Fernw?rme" wurden Emissionsfaktoren für W?rme und Strom der Fernw?rmebereitstellung (differenziert nach Heizwerken und Heizkraftwerken) in Deutschland berechnet.

 

KWK-Ausbauziel

Mit der F?rderung der KWK durch das Kraft-W?rme-Kopplungsgesetz (KWKG) soll im Interesse der Energieeinsparung sowie des Umwelt- und Klimaschutzes die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen auf 110 Terawattstunden bis zum Jahr 2020 sowie auf 120 Terawattstunden bis zum Jahr 2025 erh?ht werden. Im Jahr 2016 wurde das Ziel für 2020 bereits übertroffen. Die Gültigkeit des KWKG ist auf das Jahr 2030 begrenzt.

Ein Diagramm zeigt die Entwicklung der KWK-Nettostromerzeugung von 2003 (78 Terawattstunden) bis 2018 (115,4 Terawattstunden) sowie die Ziele nach KWK-Gesetz für 2020 und 2025.
Nettostromerzeugung mit Kraft-W?rme-Kopplung (KWK)
Quelle: Statistisches Bundesamt / ?ko-Institut / Umweltbundesamt / AGEE Stat Diagramm als PDF
 

Zukünftige Rolle der Kraft-W?rme-Kopplung im Energiesystem

Die Dekarbonisierung der Energieversorgung und der damit verbundene starke Ausbau erneuerbarer Energien stellen KWK-Anlagen vor mehrere Herausforderungen. Bei der Transformation des Energiesystems spielt die KWK-Erzeugung mittelfristig eine Rolle. Mit der Verdr?ngung von ungekoppelter Strom- und W?rmeerzeugung k?nnen KWK-Anlagen einen Beitrag zur Treibhausgasreduktion leisten. Um der Integration von erneuerbarem Strom ins Energiesystem besser gerecht zu werden, muss sich der KWK-Einsatz zukünftig jedoch noch st?rker am Strommarkt orientieren; eine Flexibilisierung der KWK-Stromerzeugung ist dazu unumg?nglich. Weiter verbindet innovative KWK die gekoppelte Erzeugung mit erneuerbarer W?rme, flexibler direktelektrischer W?rmeerzeugung und thermischen Speichern. Nur so passt die KWK auch langfristig in ein dekarbonisiertes Energiesystem.

Auch bei der W?rmeversorgung durch KWK-Anlagen entstehen zukünftig Herausforderungen. In der ?ffentlichen Versorgung auf kommunaler Ebene spielt KWK im Bereich der Fernw?rme eine wichtige Rolle. Aufgrund der Reduktion des W?rmebedarfs im Geb?udebestand und der zunehmenden Einbindung von W?rme aus erneuerbaren Quellen sinkt jedoch die Bedeutung von fossilen KWK-Anlagen. Das bedeutet wiederum, dass fossile KWK-Anlagen in Zeiten, in denen keine erneuerbare W?rme zur Verfügung steht, flexibel auf den W?rmebedarf reagieren k?nnen müssen. Hierfür kommen zunehmend thermische Speicher zum Einsatz, die die dann ben?tigte W?rme vorhalten.

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