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

Mit der KWK, der Kraft-Wärme-Kopplung, liefern effiziente 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 genau bedeutet, welche Arten es gibt und welche Vor- und Nachteile eine KWK-Anlage hat, erklären wir in den folgenden Abschnitten.

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.

Regelungstechnik der KWK Kraft-Wärme-Kopplung
© rueangwit / Fotolia

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. (© Viessmann)

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  

Detailansicht des Aufbaus eines BHKW mit KWK
Aufbau eines BHKW mit Nutzung der KWK (© heizung.de)

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 

Aufbau eines Stirling-Heizgerätes mit Nutzung der KWK
Aufbau eines Stirling-Heizgerätes mit Nutzung der KWK (© heizung.de)

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

Detailansicht einer Brennstoffzellenheizung die mit KWK arbeitet
Brennstoffzellenheizung mit Kraft-Wärme-Kopplung (© heizung.de)

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 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 ist hier mit Kosten zwischen 3.000 und 4.000 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 Euro rechnen müssen, kosten die effizienten Brennstoffzellen heute 20.000 bis 25.000 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

Über das Programm 433 erstattet die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) bis zu 40 Prozent der Anschaffungskosten für eine Brennstoffzellenheizung. Der maximale Zuschuss setzt sich aus einem Festbetrag von 6.800 Euro sowie einem leistungsabhängigen Betrag von 550 Euro je angefangene 100 W elektrische Leistung zusammen. In Abhängigkeit von der elektrischen Leistung ergibt sich so eine Zuschusshöhe, die zwischen 8.450 und 34.300 Euro liegt. Die Fördersummen für BHKW fallen niedriger aus und hängen unter anderem vom KWK-Zuschlag ab. Einen genauen Überblick über die möglichen Mittel und Hinweise, wie diese zu beantragen sind, geben die Beiträge Förderung für ein BHKW und Förderung für eine Brennstoffzellenheizung.

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

Kennen Sie sich mit der Kraft-Wärme-Kopplung aus? Testen Sie Ihr Wissen im Kraft-Wärme-Kopplung-Quiz!

Die häufigsten Fragen und Antworten zusammengefasst

Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplung?

Eine Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet einen Vorgang, bei dem nicht nur thermische Energie, sondern auch mechanische Energie entsteht. Die thermische Energie findet als Heizwärme Verwendung, die mechanische Energie wird direkt in elektrischen Strom umgewandelt.

Was sind KWK-Anlagen?

Eine KWK-Anlage erzeugt mithilfe der Kraft-Wärme-Kopplung zeitgleich Wärme und Strom. Große KWK-Anlagen kommen etwa in Kraftwerken zum Einsatz, daneben gibt es aber auch kleinere für den Gebrauch in Ein- oder Mehrfamilienhäusern. Wann sich eine KWK-Anlage lohnt, lesen Sie hier.

Was kostet eine KWK-Anlage?

Die Kosten für eine KWK-Anlage setzen sich aus drei Punkten zusammen: Bezug oder Lagerung von Brennstoff (ca. 1.500 - 4.000 Euro), Anschaffungskosten der Anlage (ca. 15.000 - 25.000 Euro) und Betriebskosten.

Heizung.de Autor 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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