KWK: Strom und Wärme aus einem Gerät

Seit der Installation der ersten Warmwasser-Zentralheizung vor etwa 300 Jahren hat sich die Technologie rund um das Heizen immer weiterentwickelt. Mit der KWK, der Kraft-Wärme-Kopplung, liefern die effizienten Wärmeerzeuger heute nicht nur Wärme für Heizung und Warmwasser, sondern auch Strom, der entweder selbst verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Was KWK bedeutet, welche Arten es gibt und welche Vor- und Nachteile eine KWK-Anlage hat, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

Regelungstechnik der KWK Kraft-Wärme-Kopplung

Was bedeutet KWK eigentlich?

Die Abkürzung KWK steht für Kraft-Wärme-Kopplung und bezeichnet moderne Wärmeerzeuger, die nicht nur Heizwärme, sondern auch 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. Speziell für die Versorgung von kleinen Einheiten wie Ein- oder Mehrfamilienhäusern wurden dabei spezielle Geräte entwickelt.

Wann lohnt sich eine KWK-Anlage?

Brennstoffzellenheizung im Keller eines Hauses die mit KWKW - Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet

KWK-Anlagen wie Brennstoffzellen erzeugen Strom und Wärme gleichzeitig.

Im Vergleich zu anderen Wärmeerzeugern sind Kraftwärmekopplungs-Anlagen heute noch recht teuer. Damit sich die höheren Anschaffungskosten lohnen, müssen die Geräte viel Strom produzieren, der im besten Falle auch selbst verbraucht wird – denn so können die höchsten Einsparungen erzielt werden. 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 Wärme 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 Kraftwärmekopplung. 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 Kraftwärmekopplung gibt es?

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

  • das Blockheizkraftwerk
  • das Stirling-Heizgerät
  • die Brennstoffzelle

Das Blockheizkraftwerk: Strom und Wärme aus einem Motor

Detailansicht des Aufbaus eines BHKW mit KWK

Aufbau eines BHKW mit Nutzung der KWK

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

Die KWK-Geräte erzeugen Strom und Wärme meist in einem Verhältnis von ein zu drei. Das heißt, bei einem Kilowatt elektrischer Leistung produzieren BHKWs gleichzeitig Wärme mit einer Leistung von etwa 3 Kilowatt. Für den Einsatz in typischen Einfamilienhäusern wurden spezielle Nano-BHKWs entwickelt, die mit einer thermischen Leistung von 3 Kilowatt die Wärme-Grundlast in einem Gebäude abdecken. Um trotz der kleinen Leistung immer ausreichend Heizwärme bereitstellen zu können, werden die KWK-Anlagen meist zusammen mit einer Gasheizung oder Ölheizung betrieben. Weitere Informationen zu Funktion und Kosten von BHKWs finden interessierte Bauherren und Hausbesitzer in der Rubrik BHKW.

Das Stirling-Heizgerät: KWK mit vielen Brennstoffen

Aufbau eines Stirling-Heizgerätes mit Nutzung der KWK

Aufbau eines Stirling-Heizgerätes mit Nutzung der KWK

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 Strom kann gewonnen werden.

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 umweltfreundlichen Holzheizsystemen wie einer Pelletheizung. Kleine Stirling-Geräte erzeugen etwa ein Kilowatt Strom bei einer thermischen Leistung von 5 Kilowatt und können in Neu- und Altbauten zur Grundlastversorgung eingesetzt werden.

Brennstoffzelle: Wärme und Strom für viele Einsatzgebiete

Detailansicht einer Brennstoffzellenheizung die mit KWK arbeitet

Brennstoffzellenheizung mit Kraft-Wärme-Kopplung

Auch eine Brennstoffzelle erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme. Anders als bei BHKWs oder Stirling-Geräten kommt die effiziente KWK-Technologie dabei aber 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. Dabei frei werdende Elektronen bewegen sich zwischen zwei Elektroden und es entsteht Strom. Bei der Verbindung der Teilchen mit Sauerstoff aus der Luft, die am Ende der 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. Geräte mit einem Kilowatt elektrischer und zwei Kilowatt thermischer Leistung können dabei auch in energieeffizienten Neubauten eingesetzt werden. Weitere Informationen zur effizienten Brennstoffzellen-Technik, ihren Vor-und Nachteilen sowie den Kosten der Anlage zur Kraftwärmekopplung, finden Interessierte Bauherren und Hausbesitzer in der Rubrik Brennstoffzelle.

Mit welchen Brennstoffen können KWK-Anlagen betrieben werden?

Je nach Technologie können die Anlagen zur Kraftwärmekopplung mit unterschiedlichsten Brennstoffen betrieben werden. Diese sind:

  • Gas
  • Heizöl
  • Holz

Gas: Brennstoff aus fossilen oder biologischen Quellen

Der Brennstoff Gas ist ein Brennstoff, der sowohl aus fossilen als auch aus erneuerbaren Quellen stammen kann. In Form von Erdgas wird er in unterirdischen Lagerstätten gewonnen, aufbereitet und über ein öffentliches Versorgungsnetz an private, gewerbliche und industrielle Abnehmer verteilt. Nach seinem Energieinhalt kann Erdgas in L- und H-Gas unterteilt werden. Während L-Gas mit einem Methan-Anteil von 85 Prozent weniger Energie enthält, zählt H-Gas mit einem Methan-Anteil von 98 Prozent zu energiereichen Gasen. Bis zum Jahr 2030 soll die gesamte Gasversorgung Deutschlands auf H-Gas umgestellt werden.

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 – Gasen, die bereits mit geringem Druck verflüssigt werden können. Der Brennstoff wird in einem Tank auf dem eigenen Grundstück gelagert.

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 überwiegend schwefelarmes Heizöl (EL) verwendet. Das ist überall erhältlich und ermöglicht aufgrund seiner genormten Qualität gleichbleibend gute Verbrennungseigenschaften.

Als Premium-Heizöl verkaufen einige Mineralstoffhändler den Brennstoff auch mit verschiedenen Zusätzen. Diese sollen die Qualität erhöhen und zum Beispiel 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 Bio-Öl. Dabei wird dem schwefelarmen Heizöl (EL) ein regenerativer Anteil von etwa 10 Prozent beigemischt. Dieser wird zum Beispiel aus Raps-, Soja- oder Sonnenblumenöl und Methanol hergestellt und trägt zu einer Schonung der fossilen Ressourcen bei. Ob das Bio-Öl ohne Weiteres in jeder KWK-Anlage eingesetzt werden kann, erfahren Hausbesitzer von den jeweiligen 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, kann dabei in Form von Pellets in automatischen Heizanlagen eingesetzt werden.

Pellets bestehen aus gepressten Wald- und Industrieholzresten und haben einen hohen Energieinhalt. Durch die Qualität können die Holzpresslinge platzsparend gelagert und mit hohem Wirkungsgrad fast rückstandsfrei verbrannt werden.

Was kosten KWK-Anlagen?

Die Kosten einer Anlage zur Kraftwärmekopplung 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 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 und einer Anbindeleitung im Gebäude und verursacht insgesamt Kosten von etwa 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 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 Kosten von etwa 2.000 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 können hier Kosten von rund 3.500 Euro entstehen.

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 Euro rechnen müssen, kosten die effizienten Brennstoffzellen heute ca. 20.000 Euro.

Die Kosten im Betrieb einer Kraftwärme-Kopplungs-Anlage

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 Kraftwärmekopplung 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.

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

Nachteile von Blockheizkraftwerken sind:

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

Fazit von Alexander Rosenkranz

Damit sich KWK-Anlagen trotz hoher Kosten lohnen, müssen sie viel Strom produzieren. Die effiziente Einbindung der Technik ist daher besonders wichtig. Durch das unterschiedliche Verhältnis von Strom- und Wärmeleistung passen vor allem Stirling- und BHKW-Anlagen nicht zu Häusern mit niedrigem Wärmebedarf.

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