Kraft und Wärme sind elementare Lebensbedürfnisse. Schon seit Jahrmillionen setzt die Natur das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ein, also der Nutzung von Brennstoffen zur Erzeugung der zum Leben notwendigen Kraft und Wärme in einem einzigen, gekoppelten Prozess. Jede Muskelzelle arbeitet nach diesem Prinzip, was auch nahe liegt, weil so der Brennstoff in Form von oft knapper Nahrung mit größtmöglicher Effizienz genutzt wird. Der Mensch verschafft sich die zum Leben notwendige Kraft und Wärme jedoch nicht nur mit Hilfe seiner Körperzellen, sondern inzwischen auch durch Techniken, also mit Hilfe des Verstandes. Aber im Gegensatz zur Natur nutzt der Mensch in Kraftwerken zur Stromerzeugung die entstehende Wärme häufig nicht. Doch diese Verschwendung von nutzbarer Energie können wir uns nicht mehr leisten. Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung fordert und fördert daher den Ausbau der hocheffizienten KWK, unabhängig von der Art und der Größe der Anlagen, vom Einsatzbereich und vom verwendeten Energieträger.
Im Laufe der Entwicklung der menschlichen Kultur haben wir zur Befriedigung unserer Bedürfnisse nach Kraft, Mobilität und Wärme die verschiedensten Erfindungen gemacht, von der Kleidung und dem Feuer über die Nutzung der Körperkraft von Tieren bis zu Segelschiffen, Wind- und Wassermühlen sowie schließlich mechanischen Triebwerken. Diese Techniken wurden für Kraft und Wärme zunächst getrennt entwickelt: Früher waren es Ochsengespann und Herdfeuer, heute sind es Kraftwerk und Heizkessel. Das war zwar thermodynamisch gesehen eine enorme Energieverschwendung, aber dem menschlichen Verstand fiel bis vor relativ kurzer Zeit noch nichts Besseres ein. Das hat sich vor rund 200 Jahren geändert. Seit der Erfindung von Kraftmaschinen besteht nämlich im Prinzip die Möglichkeit, die bei der Krafterzeugung freiwerdende Wärme zu „recyceln“, also praktisch doppelt zu nutzen. Dass dies bis heute die Ausnahme ist, liegt daran, dass Energierohstoffe scheinbar grenzenlos verfügbar und entsprechend kostengünstig zu haben waren. Kurzzeitige Ausnahmen wie der Ölpreisschock der 1970er Jahre gerieten schnell in Vergessenheit.
Auch waren die Auswirkungen des drastischen Anstieges der Kohlenstoffverbrennung auf die ökologischen Systeme lange Zeit nicht bekannt. Heute aber wissen wir, dass fossile Energierohstoffe knapp sind und ihre Verbrennung die weltweiten Klimaverhältnisse mit dramatischen Folgen ändern kann. Dies zwingt uns, unser „virtuelles Organ“, unsere unerschöpfliche Ressource Verstand noch mehr und noch verantwortlicher ins Spiel zu bringen, zwingt uns zum Umdenken. Wenn unsere Welt auch in vielen Generationen noch lebenswert sein soll, müssen wir heute mit der Systemwende hin zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise beginnen. Sie besteht aus 3 Säulen:
Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung kann fast überall zum Einsatz kommen, wo Wärme gebraucht wird. Vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig ist es, wenn der erzeugte Strom direkt an Ort und Stelle auch verbraucht wird. Aufgrund ihrer schnellen und flexiblen Regelbarkeit bietet es sich nämlich an, KWK-Anlagen am lokalen Strombedarf auszurichten und somit nicht nur Brennstoffe hocheffizient zu nutzen, sondern zugleich auch die Stromnetze zu entlasten. Voraussetzung ist nur, dass mit Hilfe einer KWK-Anlage Wärme mit ausreichendem Temperaturniveau erzeugt werden kann. Diese Voraussetzung ist im Bereich der Gebäudebeheizung und bei der Warmwasserbereitung, aber auch in den meisten gewerblichen und industriellen Anwendungen erfüllt.
Bis vor wenigen Jahren wurde es aufgrund der relativ hohen Investitionskosten für eine KWK-Anlage als günstig angenommen, wenn diese möglichst viele Stunden im Jahr laufen kann. Deshalb werden sie bei der Gebäudebeheizung von vielen Planern so dimensioniert, dass sie zwar im Sommer den Warmwasserbedarf und im Winter während des größten Teils der Heizperiode den Wärmebedarf decken können, nicht jedoch während der sehr kalten Wintertage. Dann kommt zusätzlich ein so genannter Spitzenheizkessel zum Einsatz, der die Wärmelastspitzen an den kältesten Wintertagen abdeckt. Heute werden KWK-Anlagen hingegen häufig größer dimensioniert, um bei weniger Betriebsstunden pro Jahr immer dann gezielt eingesetzt zu werden, wenn lokal oder auf Netzebene ein entsprechender Strombedarf besteht.
Die Frage der Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage lässt sich nicht pauschal, sondern nur im Einzelfall beantworten. Denn selbstverständlich gibt es ungeeignete Standorte, können Anlagen mangelhaft geplant, falsch dimensioniert oder fehlerhaft in ein Heizsystem eingebunden werden. Solche Fehler beeinträchtigen unweigerlich die Wirtschaftlichkeit von KWK-Anlagen oder haben deren Unwirtschaftlichkeit zur Folge. Sie sind aber keineswegs KWK-spezifisch.
Richtig ist, dass Planung und Errichtung von KWK-Anlagen überdurchschnittlich viel Umsicht und Erfahrung erfordern. Unter dieser Voraussetzung gibt es bereits bei den derzeitigen Strom- und Brennstoffpreisen ein enormes wirtschaftliches Einsatzpotenzial. Und alle Prognosen sind sich darin einig, dass die Energiepreise weiter steigen werden. Das kommt Effizienztechnologien wie der KWK zugute. Denn je teurer Energie wird, desto günstiger wird es, sie durch Grips einzusparen.
Konkrete Zahlen zur Wirtschaftlichkeit von Blockheizkraftwerken erhebt seit Jahren die Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V. (ASUE) und veröffentlicht diese in der Broschüre „BHKW-Kenndaten„.
So rechnet sich eine KWK-Anlage
+ Durch Eigenerzeugung eingesparte Strombezugskosten
+ Erlöse durch den Stromverkauf an den Netzbetreiber oder Dritte
+ Vermiedene Netznutzungsentgelte (vNNE)
+ KWK-Zuschlag nach dem KWK-Gesetz
+ Erstattung der Energiesteuer auf den eingesetzten Brennstoff
+ Ersparte Aufwendungen für andere Effizienzmaßnahmen
– Brennstoffkosten
– Kosten für Investition und Instandhaltung
= Betriebsergebnis pro Jahr
Dividiert durch die Investitionskosten der Anlage
= Amortisationszeit in Jahren
Sobald die Anlage amortisiert oder die Fremdfinanzierung abbezahlt ist, sinken die Kosten der Eigenstromerzeugung drastisch. Die Kosten für die im Abstand von mehreren Jahren fälligen Generalüberholungen sind bereits in den Instandhaltungskosten enthalten. Nach der Amortisation der Anlage läuft diese nach praktischen Maßstäben unbegrenzt weiter und verdient über die Betriebsgewinne gutes Geld – eine hoch interessante Kapitalanlage.
KWK-Strom hat in Deutschland derzeit einen Anteil an der gesamten Stromerzeugung von rund 19 Prozent. Im Vergleich der europäischen Länder liegen wir damit etwa im Durchschnitt. Allerdings zeigen Länder wie Dänemark, die Niederlande und Finnland mit Anteilen zwischen 30 und 47 Prozent, dass viel mehr möglich ist. Dabei sind auch dort große Potenziale für die KWK in Industrie und Wohnungsbau noch bei weitem nicht vollständig erschlossen. Auch in Deutschland weisen manche Städte bereits heute KWK-Anteile von mehr als 50 Prozent auf. Zu diesen Vorreitern gehören die Städte Flensburg und Schwäbisch Hall.
Nach einer vorsichtigen Potenzialabschätzung des B.KWK könnten in Deutschland mindestens 270 TWh/a KWK-Strom und 450 TWh/a KWK-Wärme wirtschaftlich erzeugt werden. Dies entspricht einem Anteil von 50 Prozent der derzeitigen Stromerzeugung und rund 40 Prozent des fossilen Energiebedarfs der Wärmeerzeugung. Auch die Enquete-Kommission „Nachhaltige Energieversorgung“ des deutschen Bundestages schätzte bereits in einem Bericht aus dem Jahre 2002, dass die KWK-Stromerzeugung in Deutschland von rund 60 TWh auf 220 bis 380 TWh erhöht werden könnte. Aufgrund des technischen Fortschritts dürften inzwischen noch weit größere Potenziale wirtschaftlich erschließbar sein.
In herkömmlichen Kraftwerken werden nur 30 bis 40 Prozent der eingesetzten Primärenergie in Strom umgewandelt. 60 bis 70 Prozent bleiben ungenutzt oder wirken sich durch Bildung von Kondensationswolken oder die Aufheizung von Flüssen sogar negativ auf die Umwelt aus. Hingegen entstehen bei der Stromerzeugung in KWK-Anlagen nur rund 5 bis 10 Prozent Verluste, mit Brennwertnutzung sogar noch weniger. Auf diese Weise können die Treibhausgasemissionen pro Kilowattstunde Strom drastisch gesenkt werden. Bei Berechnungen nach GEMIS (Globales Emissions-Modell integrierter Systeme) werden nicht nur die unmittelbaren Emissionen aus der Verbrennung in der Anlage berücksichtigt, sondern auch die Vorstufen einschließlich Produktion und Transport der Brennstoffe sowie die Herstellung der Anlagen einbezogen (siehe Grafik).
Bemerkenswert bei den Ergebnissen nach GEMIS ist auch das deutlich günstigere Abschneiden eines Erdgas-BHKW im
Vergleich zu einem Rapsöl-BHKW. Die Erklärung dafür ist einfach: Die Raps- und Rapsölproduktion verursacht erhebliche Emissionen, die berücksichtigt werden müssen. Umweltpolitisch wichtiger ist allerdings der Abstand zwischen KWK und herkömmlicher Stromerzeugung. So können mit einem Erdgas-BHKW gegenüber Kohlekraftwerken 80 bis 90 Prozent an Treibhausgasemissionen eingespart werden und auch gegenüber modernen GuD-Kraftwerken ohne Wärmeauskopplung beträgt die Emissionsminderung nach GEMIS noch rund 70 Prozent.
So, wie bei der Stromerzeugung in Kondensationskraftwerken das Wärmepotenzial ungenutzt verloren geht, so wird bei der Wärmeerzeugung in Heizkesseln die im Brennstoff latent verfügbare Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, nicht verwertet. Welche Treibhausgaseinsparungen nach GEMIS beim Einsatz von KWK in Heizsystemen bestehen, ist in der rechts abgebildeten Grafik ersichtlich. Auf den ersten Blick überraschen dabei die negativen Emissionen der Wärmeerzeugung mit einem Erdgas-BHKW. Sie erklären sich daraus, dass die durch die verdrängte Stromerzeugung in einem herkömmlichen Kraftwerk eingesparten Emissionen höher sind als diejenigen, die das BHKW vor Ort selbst erzeugt. Faktisch wirkt sich unter den Verhältnissen des aktuellen Kraftwerksmixes der Betrieb eines Erdgas-BHKW wie eine sogenannte CO2-Senke aus. Bereits ein „Mikro-BHKW“ mit 5 kW elektrischer Leistung hat die gleiche Wirkung auf die CO2-Bilanz wie 3 Hektar Mischwald (1 ha Mischwald absorbiert jährlich 5,7 t CO2, ein Erdgas-BHKW spart pro MWh ca 0,6 t CO2 ein, ein 5 kW BHKW erzeugt bei 6000 h/a Laufzeit 30 MWh/a, spart also mindestens 18 t CO2 ein).
Inzwischen muss als gesichert gelten, dass die in den letzten Jahrzehnten gemessene Erwärmung zu einem erheblichen Teil durch Klimagase entsteht, also von Menschen gemacht ist. Diese Auffassung wird weltweit von mehr als 99 Prozent der Klimaforscher vertreten. Es ist notwendig, international eine Gegenstrategie zu organisieren und es ist wichtig, dass die Industrieländer bei der konkreten Umsetzung eine Vorreiterrolle übernehmen. Der KWK wird dabei zuweilen als “Brückentechnologie” fälschlich ein zeitlich nur befristetes Anwendungsfenster nachgesagt. Doch die KWK ist weit mehr als das, sie ist die “Schlüsseltechnologie” zur hocheffizienten Nutzung aktueller Brennstoffe wie auch von künftigen, synthetisch erzeugten, erneuerbaren Brennstoffen aus den Bereichen Power-to-Gas und Power-to-Liquid. Die Dekarbonisierung der Energieversorgung im Zuge der Energiewende sowie des Kohle- und Atomausstiegs stellt die KWK nicht vor eine Herausforderung, sie ist die Lösung zur Bewältigung der bestehenden Herausforderungen.
Etwa 38 Prozent des gesamten Primärenergieverbrauchs in Deutschland werden von der Stromerzeugung beansprucht, die zu rund 70 Prozent in fossilen und nuklearen Kondensationskraftwerken erfolgt. Dabei gehen fast zwei Drittel der eingesetzten Energie ungenutzt verloren. Gelänge es, diese enormen Verluste weitgehend nutzbar zu machen, so käme das praktisch der Erschließung einer gigantischen, neuen heimischen Energieressource gleich. Ihr Anteil an der Energieversorgung wäre vergleichbar mit der gesamten jährlichen Produktion an Kohle, Erdgas und Mineralöl in Deutschland. Der Schlüssel zu dieser virtuellen Energiequelle heißt Kraft-Wärme-Kopplung.
Die klimapolitischen Ziele der Bundesrepublik wie auch der Europäischen Union können nur durch einen massiven Ausbau der KWK erreicht werden. Die EU hat bereits 1997 eine Verdopplung des Anteils der KWK an der Stromerzeugung bis 2010 beschlossen. Auch in Deutschland wurde bereits Ende 1997 von einer interministeriellen Arbeitsgruppe zur CO2-Reduktion die herausragende Bedeutung eines KWK-Ausbaues erkannt. Er sollte nach dem damals vorgelegten und von der Regierung beschlossenen Konzept mit 30 bis 60 Millionen Tonnen CO2-Reduktion den größten Einzelbeitrag leisten, um das Ziel einer CO2-Reduktion um 25 Prozent bis 2005 bezogen auf 1990 zu erreichen. Im Jahr 2000 beschloss die Bundesregierung, dass die KWK bis 2010 einen Beitrag von 23 Millionen Tonnen CO2-Minderung im Rahmen des Kioto-Zieles erbringen soll.
Seit dem Inkrafttreten des ersten KWK-Gesetzes im Jahr 2002 wird der Ausbau der KWK auch von staatlicher Seite unterstützt. Die Ziele des Gesetzgebers veränderten sich über die Jahre von einer im Jahr 2002 für das Jahr 2010 vorgesehenen Einsparung “von bis zu 23 Millionen Tonnen CO2” durch KWK über einen Ausbau der Stromerzeugung aus KWK auf einen Anteil in Höhe von “25 Prozent bis zum Jahr 2020” mit dem KWKG 2012 zu einer Erhöhung der “Nettostromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf 110 Terawattstunden bis zum Jahr 2020” mit dem KWKG 2016. Dieses Ziel für das Jahr 2020 wurde gleichwohl bereits im Jahr 2016 mit einer Erzeugung von 117 TWh Strom aus KWK-Anlagen übertroffen, so dass zu konstatieren ist, dass es dem Gesetzgeber derzeit an einer Vision für die KWK zu fehlen scheint.
Nicht jeder, der eine KWK-Anlage wirtschaftlich betreiben könnte, muss das dazu erforderliche Know-how selbst aufbauen und die mit dem Betrieb einer KWK-Anlage verbundene Bürokratiebelastung selbst stemmen. Contracting heißt das inzwischen etablierte Zauberwort, durch das seit einigen Jahren mit stetigem Wachstum Investitionen in moderne KWK-Anlagen realisiert werden, die andernfalls mangels Know-how und/oder Finanzierungsmöglichkeiten nicht zu Stande gekommen wären. Contractingunternehmen sind Energielieferanten einer neuen Generation. Teilweise von öffentlichen Energieversorgern gegründet, teilweise aber auch in privater Initiative entstanden. Sie nehmen dem Eigentümer eines Gebäudes oder eines Grundstücks die oft schwierige Aufgabe ab, haustechnische Anlagen auf eigenes Risiko zu errichten und zu betreiben und übernehmen gestützt auf ihre Erfahrung und ihr Know-how Investition und Betrieb einer KWK-Anlage.
Diese errichten sie auf dem Grundstück oder dem Gebäude beispielsweise eines Industriebetriebes, eines Hotels oder eines Wohnhauses und verkaufen an den Grundstückseigentümer oder die Mieter das, worum es ihnen eigentlich geht: Strom und Wärme – oder auch Kälte. Zusätzlich lassen sich weitere Energieeinsparmaßnahmen im Rahmen des Contractings realisieren. Optimal ist es, in einem ganzheitlichen Ansatz Energieeinspar- und KWK-Anlagen-Contracting miteinander zu verknüpfen.
Bei einem Contracting-Projekt bringt also der Grundstückseigner das Verbrauchs- und Energieeinsparpotenzial ein sowie der Contractor das Know-how, die Finanzierung und erledigt die ausführenden Tätigkeiten. Durch diese Kooperation entsteht ein Win-Win-Win-Effekt: Aus der Realisierung des Energieeinsparpotenzials entsteht ein betriebswirtschaftlicher Gewinn, den sich beide Vertragspartner teilen. Und die Umwelt gewinnt ebenfalls.
Jeder Brennstoff und sogar jede andere Wärmequelle mit einem ausreichend hohen Temperaturniveau kann in KWK genutzt werden: Erdgas, Heizöl, Kohle, Biogas, Pflanzenöl, Biodiesel, sonstige Biobrennstoffe wie Holz oder organische Siedlungsabfälle, aber auch Geothermie und sogar Solarenergie. Nicht nur bei den endlichen fossilen Energien ist es wichtig, sie so effizient wie möglich zu nutzen. Auch das energetische Potenzial erneuerbarer Energien kann vergeudet werden. Der Einsatz in KWK stellt auch hier eine hocheffiziente Nutzung sicher. Regenerative Energien sparen in Verbindung mit KWK deutlich mehr fossile Energien und damit CO2 ein, als wenn sie getrennt zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt würden.
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme unter Anwendung des KWK-Prinzips. Unter einem Blockheizkraftwerk stellt man sich unweigerlich ein großes Kraftwerk zur Erzeugung von Industrie- oder Fernwärme vor. Tatsächlich waren die Großanlagen aber nur der Ausgangspunkt für einen bis heute andauernden Verkleinerungsprozess: Mit dem bekannten Mikro-BHKW „Dachs“ fanden ab den 1990er-Jahren sogenannte Mini- oder Mikro-BHKW zunehmend Einzug in die Heizungskeller von Mehrfamilienhäusern, und seit einigen Jahren sind selbst „Nano-BHKW“ für Ein- und Zweifamilienhäuser erhältlich.
Die Abgrenzung der verschiedenen Leistungsklassen ist nicht genau definiert. Die Unterscheidung erfolgt viel mehr nach dem Anwendungsfall für die Anlage. Basierend auf den unterschiedlichen Gebäudegrößen und verschiedenen Förderungstatbeständen lassen sich Nano-, Mikro- und Mini-BHKW unterscheiden. Dabei bilden die zumeist auf Basis von Brennstoffzellen betriebenen Nano-BHKW mit einer elektrischen Leistung bis etwa 2 Kilowatt die kleinste Klasse, welche für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern sowie auch in Niedrigenergiehäusern angepasst ist. Die nächst größere Klasse bilden Mikro-BHKW im Leistungsbereich von etwa 2 bis 20 kW elektrischer Leistung, welche zumeist in Mehrfamilienhäusern und kleineren Gewerbebetrieben zum Einsatz kommen. Darüber ist die Klasse der Mini-BHKW von über 20 bis 50 kW elektrischer Leistung angesiedelt, welche in größeren Immobilien wie auch Hotels und Altenheimen sowie zur Versorgung von kleinen Nahwärmenetzen geeignet sind.
Ein verstärkter KWK-Ausbau könnte Zehntausende neuer Arbeitsplätze in den Bereichen Anlagenbau, Energieberatung, Planung, Installation und Instandhaltung schaffen. Ein energie- und umweltpolitisch sinnvoller Strukturwandel also, der außerdem durch Investitionen in Tausende dezentrale Anlagen zur Belebung der Wirtschaft beiträgt und das zur Befriedigung eines realen und dringlichen Bedarfs: nachhaltige Energieversorgung. Motoren in modernen Blockheizkraftwerken (BHKW) zum Beispiel sind so umgerüstet oder konstruiert, dass sie nur alle 3.000 bis 8.000 Stunden gewartet werden müssen. Umgerechnet auf die Laufzeit eines PKW-Motors mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 50 km/h wäre die erste Wartung also erst nach 150.000 bis 400.000 Kilometern fällig. Dann hat der PKW-Motor bereits das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Bei BHKW-Motoren hingegen erfolgt die erste Generalüberholung erst nach 30.000 bis 40.000 Stunden, also umgerechnet nach 1,5 bis 2 Millionen Kilometern. Und danach läuft das BHKW wieder wie neu. Auch das ist ein Stück Nachhaltigkeit und sichert Arbeitsplätze.
Die Umstrukturierung unseres Strom- und Wärmeversorgungssystems in Richtung KWK kommt der Erschließung einer gewaltigen einheimischen Energieressource gleich. Diese ist weder gasförmig noch flüssig noch fest. Sie kommt nicht aus dem Boden, sondern aus den Köpfen unserer Ingenieure, Techniker, Handwerker und Kaufleute. Sie ist nicht nur unerschöpflich, sondern sogar ausbaubar. Nennen wir sie ganz einfach „Grips“. Grips ist nicht nur eine unerschöpfliche, ausbaubare Ressource, sondern auf Dauer die einzige verbleibende Ressource, die wir haben. Das gilt für unser rohstoffarmes Deutschland schon heute. Es gilt aber auf Dauer gesehen weltweit. Wir sollten nicht länger zögern, die Ressource Grips konsequent für die Energieversorgung und die Lösung unserer Umweltprobleme zu nutzen. KWK bedeutet Substitution von Energierohstoffen durch Grips.