Brennstoffe

Das Prinzip der KWK kann mit jedem Brennstoff und jeder Wärmequelle mit einem Temperaturniveau ab ca. 200 °C genutzt werden. In Betracht kommen neben fossilen Energien wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas und Heizöl auch erneuerbare Energien wie Biogas, Klärgas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol, Solarthermie und Geothermie sowie Siedlungsabfälle (Müllverbrennung und Deponiegas) genauso wie die Kernenergie.

Ebenfalls möglich ist der Betrieb mit synthetischem Wasserstoff oder Methan aus dem Power-to-Gas-Prozess, mit dem sich Überschüsse aus erneuerbaren Energien langfristig speichern lassen. Da diese Art der Wärmeerzeugung aber recht verlustintensiv ist und deshalb insgesamt deutlich mehr Energie benötigt als beispielsweise die alternative Wärmeerzeugung mit Wärmepumpenheizungen, werden wärmegeführte KWK-Anlagen als weitgehend ungeeignete Technik für ein zukünftiges erneuerbares Energiesystem mit Sektorenkopplung angesehen. Hingegen gelten stromgeführte KWK-Anlagen als wichtige Techniken, um in einem solchen System den Energiebedarf bei der Rückverstromung niedrig zu halten.

Auslegung und Betriebsweise

Es wird zwischen strom- und wärmegeführter Auslegung von KWK-Anlagen unterschieden, je nach der Führungsgröße bzw. der Priorität, die einer der beiden Energieformen zugemessen wird. Stromgeführte Anlagen optimieren den Stromertrag, wärmegeführte Anlagen den Wärmeertrag. Der höchste Nutzungsgrad wird mit einer wärmegeführten Auslegung erzielt, weil dabei die geringsten Energieverluste entstehen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist jedoch die stromgeführte Fahrweise häufig attraktiver, da pro kWh Strom deutlich höhere Erträge erzielt werden als pro Kilowattstunde Wärme. Oft wird ein stromoptimierter, wärmegedeckelter Betrieb bevorzugt, um die Erträge auf der Stromseite zu optimieren, ohne die Wärme per Notkühler ungenutzt abführen zu müssen. In diesem Fall wird der Betrieb am elektrischen Energiebedarf ausgerichtet, wobei die KWK-Anlage bei fehlender Wärmeabnahme bzw. vollem Wärmespeicher heruntergefahren wird. Dabei kann die Wärmespeicherung durch Verwendung eines Fernwärmespeichers bewerkstelligt werden.

Die erzeugte Nutzwärme wird über Wärmenetze als heißes Wasser oder Wasserdampf über isolierte Rohrleitungen zur Gebäudeheizung und/oder für industrielle Zwecke (Prozesswärme) verwendet.

Bei hohen Anteilen von fluktuierenden erneuerbaren Energien im Stromsystem erschweren wärmegeführte KWK-Anlagen die Systemintegration von Wind- und Solarstrom, da sie zur Deckung des Wärmebedarfs auch dann elektrische Energie erzeugen, wenn bereits ein Überschuss von Wind- oder Solarenergie besteht. Derartige Anlagen bezeichnet man „Must-Run“-Kraftwerke. Im Sinne der Energiewende ist ein stromgeführter Betrieb deshalb deutlich zielführender. Um im Betrieb flexibler zu sein und die Preiselastizität zu erhöhen, können verschiedene Zusatzkomponenten wie Spitzenlastkessel, Wärmespeicher, Power-to-Heat-Anlagen, wie z. B. Elektrodenkessel oder große zentrale Wärmepumpen installiert werden. Diese können dann während Zeiten, in denen nur thermische Energie benötigt wird, aber keine elektrische, die Wärmeversorgung übernehmen, sodass die KWK-Anlage heruntergefahren werden kann. Die E-Kessel und Wärmepumpen können zudem etwaige Stromüberschüsse zur Wärmeerzeugung verwenden.

Durch Einsatz von großen Wärmespeichern kann die im KWK-Prozess zeitgleiche Produktion von Wärme und Strom zeitlich wieder entkoppelt werden, da sich thermische Energie günstiger als elektrische Energie speichern lässt. So kann eine KWK-Anlage stromgeführt betrieben werden und dennoch die Wärmeversorgung gewährleisten. In Zeiten von hoher Strom- und geringer Wärmenachfrage kann die Anlage unter Volllast laufen und die überschüssige Wärme in den Speicher laden. In Zeiten von geringer Strom- und dennoch hoher Wärmenachfrage kann die KWK-Anlage in Teillast betrieben oder ganz abgeschaltet werden, die restliche Wärme lässt sich durch den Wärmespeicher temporär bereitstellen. Diese ausgleichende Funktion eines Wärmespeichers in einem KWK-System auf den Stromsektor wird auch als funktionale Stromspeicherung bezeichnet.

Anlagenvarianten

Eine zunehmend verbreitete Variante sind so genannte Blockheizkraftwerke (BHKW). Dabei handelt es sich um kleine bis mittelgroße KWK-Anlagen auf Basis von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen in Modulbauweise. Während bei diesen Anlagen die Wärmeversorgung auf ein bestimmtes Objekt oder auf die nähere Umgebung (z. B. einen Wohn-„Block“) beschränkt ist, dienen die größeren Heizkraftwerke der flächigen Fernwärme-Versorgung oder der Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie. Bei Großanlagen zur Fernwärmeversorgung sind einerseits die Netzverluste höher als bei gebäudeintegrierten Blockheizkraftwerken, wodurch die Effizienz des Energieeinsatzes sinkt. Andererseits steigt mit zunehmender Leistung der Anlagen die Stromkennzahl (also das Verhältnis von Strom- zu Wärmeerzeugung) und somit die Exergieausbeute, was wiederum die Effizienz erhöht.

KWK-Anlagen können unter anderem sein:

• Entnahmedampfturbinen- oder Gegendruckturbinen,
• Gas- und Dampfturbinen (GuD),
• Gasturbinen- mit Abhitzekessel,
• Verbrennungsmotoren oder
• Brennstoffzellen-Anlagen

Man unterscheidet zwischen KWK-Anlagen mit fixer und variabler Stromkennzahl entsprechend der starren und lenkbaren Kuppelproduktion. Bei Anlagen mit fester Stromkennzahl liegt der elektrische und thermische Output in einem festen Verhältnis σ vor. Diese KWK-Anlagen, wie z. B. Verbrennungsmotoren, Gasturbinen und Gegendruckturbinen, kann man nur an- oder ausschalten bzw. in Teillast betreiben. Anlagen mit variabler Stromkennzahl, wie z. B. Entnahmedampfturbinen, sind flexibler im Betrieb, da sich das P/Q'-Verhältnis in einem weiten Bereich beeinflussen lässt, was bei wechselndem Bedarf an elektrischer und thermischer Energie Vorteile hat. Neben dem Teillastbetrieb kann man das Gewicht auf Produktion elektrischer oder thermischer Energie legen.

Bei den mit Wasser als Arbeitsstoff betriebenen Heizkraftwerken der öffentlichen Versorgung – das sind in der Regel Entnahmedampfturbinen – geht die Abgabe von Nutzwärme mit einer Verringerung der Stromproduktion (geringerer elektrischer Wirkungsgrad) einher. Der Dampf muss vor den letzten Turbinenstufen entnommen werden, damit seine Temperatur zum Heizen ausreichend hoch ist, was dann im Niederdruckteil weniger Arbeit erzeugt. Das Verhältnis von elektrischem Minderertrag und gewonnener Nutzwärme wird als Stromverlustkennziffer bezeichnet. Das Bild rechts zeigt im linken Teil vereinfacht das Prinzip der Entnahme. Der nach dem Mitteldruckteil (MD) der Turbine, also vor dem Niederdruckteil (ND) abgezweigte Dampf strömt in den Heizkondensator (HK), wo er sich unter Wärmeabgabe an den Fernwärmekreislauf (Temperaturniveau etwa 100 °C) verflüssigt. Von dort wird das Kondensat dem Speisewasserkreislauf zugeführt. Der restliche Dampf arbeitet im Niederdruckteil und wird dann im Kondensator (Ko) bei ca. 30 °C (abhängig vom Umgebungszustand) verflüssigt und über die Kondensatpumpe (KoP) dem (hier nicht abgebildeten) Speisewasserbehälter zugeführt. Die rechte Bildseite zeigt das zugehörige idealisierte T-s-Diagramm (vergl. Clausius-Rankine-Prozess) für einen Betriebszustand, in dem die Hälfte des Dampfes für Heizzwecke genutzt wird. Die gesamte rote Fläche entspricht der genutzten Wärme, der obere schraffierte Teil dieser Fläche dem Stromverlust in der Niederdruckstufe.

Von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) spricht man, wenn die Anlage zusätzlich Kälte erzeugen kann. Dabei wird die Nutzwärme des Prozesses genutzt, um eine Absorptionskältemaschine anzutreiben. Trotz der deutlich höheren Investition im Vergleich zu einer Kompressionskältemaschine lässt sich die KWKK-Anlage wirtschaftlich betreiben, weil sich durch die Wärmenutzung zur Klimatisierung im Sommer die Auslastung des KWK-Prozesses erhöht.

Förderung in Deutschland

In Deutschland wird die KWK allgemein durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) gefördert. Anlagen, die erneuerbare Energien in KWK nutzen (z. B. Biogas-BHKW mit Wärmenetzen), können wahlweise auch nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet werden.

Förderung in Österreich

In Österreich besteht für fossile Kraftwärmekopplungsanlagen eine Förderung in Art, dass die Energieabgaben für die Primärenergie nicht bezahlt werden müssen, sofern der elektrische Wirkungsgrad über 30 % liegt. Damit ist die Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen de facto steuerbefreit bzw. gefördert.

Fossile Kraft-Wärmekopplungen wurden in Österreich von 2004 bis 2010 mit einem Gesamtvolumen von rund 500 Mio. Euro in Form von Marktpreiszuschlägen zum Strompreis (Unterstützungstarifen) unterstützt; diese Form der Förderung ist jedoch ausgelaufen. 2014 wurde ein Gesetz erlassen, welches eine Förderung der Stromproduktion von fossilen Anlagen über KWK-Punkte vorsieht, deren Volumen jedoch nur mehr 38 Mio. Euro pro Jahr beträgt. Weiters erhielten Kraftwerke, wie das Kraftwerk Simmering Investitionsförderungen gemäß § 24 ff Ökostromgesetz 2012 für die Adaptierungsarbeiten.

Förderung in der Schweiz

In der Schweiz wird die Wärmekraftkopplung in Biomasse-, Abwasserreinigungs- und Kehrichtverbrennungsanlagen indirekt durch den Bund gefördert.