Kraft-Wärme-Kopplung (KWK): Strom und Wärme aus einem Gerät

Wofür steht KWK?

KWK steht für Kraft-Wärme-Kopplung und bezeichnet moderne Wärmeerzeuger, die nicht nur Heizwärme (thermische Energie), sondern auch mechanische Energie – direkt umgewandelt in elektrischen Strom – produzieren. Im Gegensatz zu großen Kraftwerken, die meist nur Strom erzeugen, erreichen die Geräte dabei einen deutlich höheren Wirkungsgrad. KWK-Anlagen gibt es generell in verschiedenen Leistungsklassen. Für die Versorgung von kleinen Einheiten wie Ein- oder Mehrfamilienhäusern wurden dabei spezielle Geräte entwickelt.

Wann lohnt sich eine KWK-Anlage?

Im Vergleich zu anderen Wärmeerzeugern sind Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eher in der höheren Preiskategorie angesiedelt. Damit sich die höheren Anschaffungskosten lohnen, müssen die Geräte viel Strom produzieren, der im besten Falle auch selbst verbraucht wird – denn so lassen sich die höchsten Einsparungen erzielen. Die Herausforderung dabei ist jedoch, dass der KWK-Strom nur dann erzeugt werden kann, wenn gleichzeitig auch die produzierte Wärme einen Abnehmer findet.

Abgesehen von der Energie zur Warmwasserbereitung verbrauchen typische Einfamilienhäuser diese aber nur von Herbst bis Frühling. Um den Spagat zu meistern, werden KWK-Anlagen nach der Grundlast – also dem Wärmebedarf, der über weite Teile des Jahres konstant vorhanden ist – ausgelegt. Je höher diese ist, desto mehr lohnt sich die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung. In einem typischen Einfamilienhaus ist das zum Beispiel dann der Fall, wenn ein innen liegendes Schwimmbad vorhanden ist. Unabhängig von der Art der KWK-Anlage ist es dabei besonders wichtig, dass die Geräte eigens für den jeweiligen Einsatzort geplant werden. Am besten funktioniert das auf Basis einer Analyse oder Simulation der Verbrauchsdaten.

Welche Arten der Kraft-Wärme-Kopplung gibt es?

Heute gibt es eine Reihe von Technologien, mit denen die Kraft-Wärme-Kopplung in Ein- und Mehrfamilienhäusern eingesetzt werden kann. Diese sind:

• das Blockheizkraftwerk
• das Stirling-Heizgerät
• die Brennstoffzelle

Blockheizkraftwerk: KWK-Anlage mit internem Verbrennungsmotor    

Das  Blockheizkraftwerk (BHKW)  ist eines der bekanntesten KWK-Systeme. Es besteht aus einem mit Öl- oder Gas betriebenen Verbrennungsmotor, der einen Generator zur Erzeugung von Strom antreibt. Die bei der Verbrennung frei werdende Abwärme wird dabei aufgefangen und über einen  Pufferspeicher  (Wärmespeicher) an das Heizsystem übertragen. Durch diesen zusätzlichen Nutzen steigt der Wirkungsgrad der mechanischen Stromerzeugung.

Die KWK-Geräte erzeugen Strom und Wärme meist in einem Verhältnis von eins zu drei. Die  Stromkennzahl, also das Verhältnis von Wärme zu Strom, liegt hier demnach bei 0,3 bis 0,5. Das heißt: Mit jeder Kilowattstunde Wärme erzeugt die KWK-Anlage auch 300 bis 500 Watt Strom. Für den Einsatz in typischen Einfamilienhäusern wurden spezielle Nano-BHKWs entwickelt, die mit einer thermischen Leistung von drei Kilowatt die Wärmegrundlast in einem Gebäude abdecken. Um trotzdem ausreichend Heizwärme bereitstellen zu können, werden die Anlagen meist zusammen mit einer Gas- oder Ölheizung betrieben.

Stirling-Motor nutzt externe Verbrennungsprozesse  

Wie ein BHKW produziert auch ein Stirling-Heizgerät Strom und Wärme. Möglich wird das jedoch nicht über einen herkömmlichen Verbrennungsmotor, sondern durch einen physikalischen Prozess, der Wärme aus verschiedenen Quellen in mechanische Bewegungsenergie umwandelt. Voraussetzung dafür ist die intelligente Verbindung zweier Zylinder, in denen Luft abwechselnd erhitzt und gekühlt wird. Durch die unterschiedlichen Volumina bewegt sich ein Kolben und erzeugt so Strom.

Das Besondere an dieser KWK-Technologie ist, dass sie mit nahezu jedem Heizsystem kombiniert werden kann. Der Stirling-Motor arbeitet dabei nicht nur mit der Wärme aus Gas- oder Ölheizungen, sondern auch mit einer Pelletheizung. Kleine Stirling-Geräte erzeugen etwa ein Kilowatt Strom bei einer thermischen Leistung von fünf Kilowatt und können in Neu- und Altbauten zur Grundlastversorgung eingesetzt werden. Die Stromkennzahl liegt bei 0,15 bis 0,3. BHKWs mit  Stirlingmotor  erreichen eine hohe Effizienz und laufen in der Regel ruhiger und leiser als Geräte mit konventionellen Verbrennungsmotoren.

Brennstoffzelle: KWK-Anlage setzt auf Wasserstoff

Auch eine  Brennstoffzelle  erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme. Anders als bei BHKWs oder Stirling-Geräten kommt die effiziente Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung ohne eine Verbrennung aus. Grundprinzip der Brennstoffzelle ist ein chemischer Prozess, bei dem Wasserstoff – der zum Beispiel aus Erdgas gewonnen wird – in seine Einzelteile aufgespalten wird. Die dabei frei werdenden Elektronen bewegen sich zwischen zwei Elektroden, wobei Strom entsteht. Bei der Verbindung der Teilchen mit Sauerstoff aus der Luft, die am Ende der kontrollierten Reaktion stattfindet, wird zusätzlich Wärme frei, die an die Heizung übergeben werden kann.

Im Vergleich zu anderen KWK-Systemen erzeugen Brennstoffzellen Strom und Wärme in einem ähnlichen Verhältnis. Die Geräte erreichen eine Stromkennzahl von 0,5 bis 1,0 und erzeugen in etwa so viel Strom wie Wärme. Als Brennstoff kommt meist Wasserstoff oder Erdgas zum Einsatz.  

Häufig kommen Brennstoffzellenheizungen in energieeffizienten Neubauten zum Einsatz.

Einsatzbereiche moderner KWK-Anlagen

Maschinen zur Kraft-Wärme-Kopplung kommen sowohl in der Industrie als auch im privaten Einfamilienhaus zum Einsatz. In Wohngebäuden arbeiten sie dabei als Grundlastheizung, die viele Stunden im Jahr läuft. Das ist wichtig, um möglichst viel elektrische Energie zu erzeugen. Denn diese lässt sich gegen eine Vergütung in das Stromnetz einspeisen oder gleich selbst verbrauchen. Letzteres senkt die Stromkosten um rund 28 Cent pro verbrauchter Kilowattstunde und spart somit besonders viel.

Ob sich KWK-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern lohnen, ist individuell zu entscheiden. Denn neben den technischen Eigenschaften der Geräte kommt es dabei auch auf die örtlichen Gegebenheiten und den Wärmebedarf im Haus an. Während BHKWs mit internem Verbrennungsmotor oder Stirlingmotor dabei vor allem in Altbauten und größeren Gebäuden zum Einsatz kommen, können sich Brennstoffzellen durch die hohe Stromkennzahl auch im energiesparenden Neubau lohnen. Für Gewissheit sorgt hier jedoch nur die detaillierte Planung, die ein Installateur individuell durchführt.

Welcher Brennstoff kommt bei einer Kraft-Wärme-Kopplung zum Einsatz?

Je nach Technologie, arbeiten die Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung mit unterschiedlichsten Brennstoffen. Diese sind: Gas, Heizöl oder Holz.

Gas: Brennstoff aus fossilen oder biologischen Quellen

Der  Brennstoff Gas  wird in unterirdischen Lagerstätten gewonnen, aufbereitet und über ein öffentliches Versorgungsnetz an private, gewerbliche und industrielle Abnehmer verteilt. Nach seinem Energieinhalt lässt sich Erdgas in L- und  H-Gas  unterteilen. Übrigens: Bis zum Jahr 2030 soll die gesamte Gasversorgung Deutschlands auf H-Gas umgestellt sein. Eine Alternative zum fossilen Erdgas ist  Biogas. Der erneuerbare Brennstoff wird aus der Vergärung von Lebensmittelresten, Pflanzen oder Gülle gewonnen und besteht überwiegend aus Methan, Kohlendioxid und Sauerstoff. Da Biogas so aufbereitet wird, dass seine chemischen Eigenschaften denen des fossilen Erdgases im Versorgungsnetz gleichen, kann es auch ohne Weiteres in dieses eingespeist und in jeder Hausanlage verwendet werden.

Während Erd- und Biogas nur eingesetzt werden können, wenn auch eine Versorgungsleitung am Haus anliegt, ermöglicht Flüssiggas die Lagerung des Brennstoffs im eigenen Zuhause. Im Gegensatz zu Erdgas besteht das fossile Flüssiggas überwiegend aus Propan oder Butan. Das sind Gase, die sich bereits bei geringem Druck flüssig lagern lassen. Der Brennstoff lässt sich in einem  Flüssiggastank  auf dem eigenen Grundstück bevorraten.

Heizöl: Flüssiger Brennstoff zur Lagerung im eigenen Haus

Der  Brennstoff Öl  ist ein flüssiger Brennstoff, der überwiegend aus fossilen Quellen gewonnen wird. Mit einem Marktanteil von über 99 Prozent wird in Deutschland vor allem schwefelarmes Heizöl (EL) verwendet. Als Premium-Heizöl verkaufen einige Mineralstoffhändler den Brennstoff auch mit verschiedenen Zusätzen. Diese sollen die Qualität erhöhen und für einen niedrigeren Verbrauch sorgen. Kaufen Hausbesitzer als "klimaneutral" gekennzeichnetes Heizöl, finanzieren sie damit Klimaschutzprojekte, die den CO₂-Ausstoß der Öl-Verbrennung zumindest auf dem Papier ausgleichen sollen. Eine umweltfreundlichere Alternative zum fossilen Heizöl ist das  Bioheizöl. Dabei handelt es sich um schwefelarmes Heizöl (EL), dem ein regenerativer Anteil von etwa zehn Prozent beigemischt wird. Ob das Bioheizöl ohne Weiteres in jeder KWK-Anlage eingesetzt werden kann, erfahren Hausbesitzer von den Geräteherstellern.

Holz: Nachwachsender Rohstoff aus regionalen Quellen

Mit der Weiterentwicklung der Stirling-KWK-Technik ist es heute möglich, sogar aus der Verbrennung von Holz Strom zu gewinnen. Der nachwachsende Rohstoff, bei dessen Wachstum so viel CO₂ zu Sauerstoff umgewandelt wird, wie bei seiner Verbrennung entsteht, lässt sich dabei in Form von Pellets in automatischen Heizanlagen einsetzen.  Pellets  bestehen aus gepressten Wald- und Industrieholzresten und haben einen hohen Energieinhalt. Durch die Form und Qualität können die Holzpresslinge platzsparend gelagert und mit hohem Wirkungsgrad fast rückstandsfrei verbrannt werden.

Was kostet eine Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung?

Die Kosten einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung unterscheiden sich, je nachdem, welche Technologie zum Einsatz kommt. Generell setzen sie sich aus den folgenden Bestandteilen zusammen:

• Brennstoffbezug oder -lagerung
• Anschaffung der KWK-Technik
• Verbrauchskosten im laufenden Betrieb

Die Kosten für Brennstoffbezug oder -lagerung

Wie viel Geld Hausbesitzer für die Erschließung eines Brennstoffs ausgeben müssen, hängt ganz davon ab, für welchen sie sich entscheiden. So ist zum Beispiel für die Verwendung von Erdgas ein  Gasanschluss  nötig. Dieser besteht aus einer vom Energieversorger zu erstellenden Hausanschlussleitung sowie einer Anbindeleitung im Gebäude und verursacht insgesamt Kosten von 1.500 bis 3.000 Euro. Teurer kann es werden, wenn zwischen öffentlichem Gas-Anschluss und Hauseinführung eine große Entfernung zu überwinden ist. Entscheiden sich Hausbesitzer für den Betrieb der KWK-Anlage mit Flüssiggas, ist für die Lagerung des Brennstoffs ein Tank notwendig. Dieser kann gemietet oder gekauft und im eigenen Garten aufgestellt werden. Für einen gekauften Flüssiggastank für ein typisches Einfamilienhaus entstehen Kosten von ungefähr 2.500 bis 3.500 Euro. Ein Tank ist auch dann nötig, wenn die KWK-Anlage mit Heizöl betrieben werden soll. Dieser wird meist im eigenen Haus aufgestellt und verursacht ebenfalls Kosten von etwa 2.500 bis 3.500 Euro. Die höchsten Kosten entstehen, wenn die KWK-Anlage mit Pellets betrieben werden soll. Denn neben dem Umbau eines Lagerraums oder der Installation eines Gewebetanks benötigen diese eine aufwendige Fördertechnik, um die Holzpellets zur Heizung zu transportieren. Insgesamt ist hier mit Kosten zwischen 3.000 und 5.000 Euro zu rechnen.

Die Kosten für die Anschaffung einer KWK-Anlage

Genau wie bei der Brennstofflagerung sind auch die Kosten der KWK-Anlage abhängig vom gewählten System. Während Hausbesitzer bei einem BHKW oder Stirling-Gerät mit etwa 15.000 bis 20.000 Euro rechnen müssen, kosten die effizienten Brennstoffzellen heute 25.000 bis 35.000 Euro.

Die Kosten im laufenden Betrieb

Die Betriebskosten einer KWK-Anlage setzen sich aus den entstehenden Heizkosten und den Vergütungen oder Einsparungen der Stromerzeugung zusammen. Während die Heizkosten sehr stark vom energetischen Stand des Gebäudes abhängen, können die Einsparungen variieren, je nachdem, wie effizient die Kraft-Wärme-Kopplung in das Gebäude eingebunden ist.  Zuverlässige Aussagen sind hier nur nach einer Analyse der bisherigen oder erwarteten Verbrauchswerte möglich. Die Kosten müssen damit für jede Anlage einzeln ermittelt werden.

Hohe Förderung für eine KWK-Anlage in Deutschland

Um die hohen Anschaffungskosten der KWK etwas abzufedern, fördert der Staat die Technik. Verfügbar sind unter anderem Zuschüsse über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) oder steuerliche Vergünstigungen für die Sanierung. Bauherren profitieren von der Effizienzhausförderung und im Betrieb einer KWK-Anlage gibt es in vielen Fällen einen KWK-Zuschlag für selbst erzeugten Strom. Letzterer lässt sich bei kleineren Anlagen für mehrere Jahre im Voraus auszahlen, sodass auch das einem Zuschuss gleichkommt. Welche Angebote Sie miteinander kombinieren können und wie Sie die KWK-Förderung richtig beantragen, erklären wir im Beitrag zur Förderung von BHKWs. Hier informieren wir auch über die wichtigsten technischen und organisatorischen Fördervoraussetzungen, die Sie beachten müssen.

Welche Vor- und Nachteile haben KWK-Anlagen

Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme für die Versorgung eines Gebäudes. Zu den Vorteilen der effizienten Heizgeräte zählen:

• der hohe Wirkungsgrad durch die kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung
• die mögliche Eigenversorgung mit Strom

Als Nachteile sind folgende Punkte zu betrachten und sollten daher im Vorfeld bei der Planung mit berücksichtigt werden:

• die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten
• der hohe Planungsaufwand für einen effizienten Betrieb
• die unvorhersehbare Preisentwicklung der eingesetzten Brennstoffe