Kraft-Wärme-Kopplung – was ist das?

Kraft-Wärme-Kopplung steht für Heizgeräte, die nicht nur Wärme, sondern auch Strom produzieren. Sie nutzen die Energie der eingesetzten Brennstoffe besonders gut aus und können so zu geringeren CO2-Emissionen und sinkenden Heizkosten beitragen. Welche Möglichkeiten es gibt, die Kraft-Wärme-Kopplung im eigenen Haus zu nutzen und wann sich das trotz hoher Anschaffungskosten lohnt, erklären wir in diesem Beitrag.

Ineinandergreifende Zahnräder für die gemeinsame Erzeugung von Strom und Wärm bei der Kraft-Wärme-Kopplung

Was heißt Kraft-Wärme-Kopplung eigentlich?

Die Kraft-Wärme-Kopplung beschreibt die Erzeugung thermischer und mechanischer Energie über einen gemeinsamen Prozess. Während die Bewegungsenergie dabei in der Regel direkt in Strom umgewandelt wird, kann die thermische Energie in die zentrale Heizungsanlage eingespeist und für Raumheizung oder Warmwasserbereitung genutzt werden.

Welche Möglichkeiten gibt es zur Kraft-Wärme-Kopplung?

Neben größeren Kraftwerken, in denen die Technologie schon seit längerem eingesetzt wird, gibt es heute auch Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung für den eigenen Heizungskeller. Abhängig von ihrer Arbeitsweise unterscheidet man dabei:

  • Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotor
  • Blockheizkraftwerke mit Stirlingmotor
  • Brennstoffzellen

Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotor

Das Blockheizkraftwerk (kurz: BHKW) ist eines der bekanntesten Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung. Im Kern besteht es aus einem Motor, der zum Beispiel mit Öl oder Gas betrieben wird. Anders als in einem Auto wird die Bewegungsenergie jedoch nicht auf die Straße, sondern auf einen Generator übertragen. Dieser erzeugt Strom, der zum Beispiel selbst verbraucht, in einem Stromspeicher vorgehalten oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Darüber hinaus wird die dabei entstehende Abwärme rückgewonnen und über einen Pufferspeicher an Raumheizung oder Warmwasserbereitung verteilt.

BHKWs produzieren Strom und Wärme etwa in einem Verhältnis von 1 zu 3. Mit jedem Kilowatt elektrischer Energie geben die Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung dabei rund 3 Kilowatt thermische Energie ab. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist es dabei besonders wichtig, dass viel Strom erzeugt wird. Da das nur funktioniert, wenn auch die Wärme abgenommen werden kann, kommen in Einfamilienhäusern Geräte mit geringen Leistungen zum Einsatz, die in der Regel von einer Gas- oder Ölheizung unterstützt werden.

Welche Vor- und Nachteile ein BHKW hat, erklären wir im Beitrag Vorteile eines BHKW.

Blockheizkraftwerke mit Stirlingmotor

Wie Verbrennungsmotoren bieten auch Stirlingmotoren die Möglichkeit zur Kraft-Wärme-Kopplung. Das Besondere an der bereits im Jahr 1816 erfundenen Technologie ist jedoch, dass die Geräte neben Öl oder Gas sogar mit Holz betrieben werden können. Möglich wird das durch eine geschickte Verbindung zweier Zylinder. Diese werden abwechselnd durch die Verbrennung erhitzt und zum Beispiel vom Heizungswasser gekühlt. Das schwankende Luftvolumen wird dabei genutzt, um einen Kolben in Bewegung zu versetzen und Strom zu erzeugen.

Im Gegensatz zu BHKWs mit Verbrennungsmotor erzeugen die Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Wärme dabei in einem Verhältnis von etwa 1 zu 5. Auf jedes Kilowatt elektrischer Energie kommen dabei 5 Kilowatt thermischer Energie, die auch hier in die zentrale Heizungsanlage eingespeist werden kann.

BHKWs mit Stirling-Motoren erreichen eine hohe Effizienz und laufen in der Regel ruhiger und leiser als Geräte mit konventionellen Verbrennungsmotoren.

Kraft-Wärme-Kopplung mit der Brennstoffzelle

Ganz anders als die beschriebenen Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung funktioniert die Brennstoffzelle. Denn sie erzeugt Wärme und Strom nicht über eine Verbrennung, sondern einen chemischen Prozess. Dieser findet in einem eigenen Reaktionsraum statt, der neben zwei Elektroden aus einer bedingt durchlässigen Membran besteht. Wird die Erste mit Wasserstoff beaufschlagt, sorgen spezielle Katalysatoren dafür, dass sich dieser in Elektronen und Protonen teilt. Während die Elektronen über einen elektrischen Leiter zur zweiten Elektrode wandern – hier entsteht Strom – schlüpfen die Protonen durch die nur für sie durchlässige Membran und verbinden sich auf der anderen Seite mit Elektronen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Die dabei entstehende Wärme kann entnommen und an das Heizsystem übergeben werden.

Das Besondere an der Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Brennstoffzelle ist, dass Strom und Wärme in etwa im gleichen Verhältnis entstehen. Auf diese Weise erreichen die Geräte deutlich höhere Laufzeiten und können mehr Strom erzeugen als andere.

Welche Vor- und Nachteile eine Brennstoffzelle hat, erklären wir im Beitrag Vorteile einer Brennstoffzelle.

Loht sich die Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus?

Sollen die Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung wirtschaftlich betrieben werden, müssen sie generell viel Strom produzieren. Da das allerdings nur dann funktioniert, wenn auch die entstehende Wärme verbraucht werden kann, lohnen sich BHKWs mit Verbrennungs- oder Stirlingmotor in der Regel nur dann, wenn ganzjährig ein hoher Wärmebedarf vorhanden ist. In einem typischen Einfamilienhaus ist das zum Beispiel dann der Fall, wenn ein inne liegendes Schwimmbad vorhanden ist.

Da Strom und Wärme über eine Brennstoffzelle etwa im gleichen Verhältnis produziert werden können, erreicht diese im Vergleich eine höhere Laufzeit. Es wird mehr Strom erzeugt und die Einsparungen steigen. Wirtschaftlich funktioniert das sogar in effizienten Ein- und Mehrfamilienhäusern.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme. Das nutzt die eingesetzten Brennstoffe mit hohem Wirkungsgrad aus und kann zu sinkenden Heizkosten beitragen. Während sich BHKWs mit Verbrennungs- und Stirling-Motor meist nur dann lohnen, wenn ganzjährig ein hoher Wärmebedarf vorhanden ist, können Brennstoffzellen auch in effizienten Gebäuden wirtschaftlich arbeiten.

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