Kraft-WÄRME-KOPPLUNG

Kraft-Wärme-Kopplung ist eine sehr sichere, flexibel einsetzbare sowie nachhaltige Technologie. Ihre Eigenschaften empfehlen sie als unverzichtbar für die Energiewende und sie ist bereits seit Langem im deutschen Strom- und Wärmesystem etabliert. Die Nettostromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung stieg von 2003 bis 2017 kontinuierlich auf rund 121 Terawattstunden und fiel bis 2019 auf 113 Terawattstunden leicht ab. Sie hat so zu fast 20 Prozent zur Nettostromerzeugung in Deutschland beigetragen. Der Zuwachs geht dabei insbesondere auf den verstärkten Zubau von Biomasse-KWK sowie auf eine bessere Auslastung erdgasbasierter KWK-Anlagen zurück. Die KWK-Stromerzeugung, die auf Steinkohle- und Mineralölen basiert, ist dagegen zurückgegangen. Die KWK-Nettowärmeerzeugung mit einem fast kontinuierlichen Anstieg seit 2003 auf ungefähr 224 Terawattstunden im Jahr 2019 zeigt ein nahezu identisches Bild. KWK besitzt gegenüber anderen Energieerzeugungsarten eine Vielzahl an Vorteilen und wird im künftigen Energiesystem daher eine wichtige Rolle einnehmen.

Vorteil Effizienz

Der Gesamtwirkungsgrad einer KWK-Anlage kann bis zu 97 Prozent betragen. Ein Kohle-Kondensationskraftwerk erreicht hingegen nur 30 bis 40 Prozent, ein Gaskraftwerk ohne Wärmenutzung nur geringfügig mehr. Gasturbinen ohne Wärmeauskopplung nutzen ihren Brennstoff ebenfalls nur bis zu 40 Prozent. Eine Stromerzeugung dieser Art heizt unweigerlich Luft oder Wasserläufe und somit das Klima auf.

Der Strom einer KWK-Anlage kann der Residual- oder Spitzenlastdeckung dienen. Mit der produzierten Wärme können Gebäude beheizt oder Warmwasser bereitgestellt werden. KWK-Wärme eignet sich sogar für Prozesse im industriellen Hochtemperaturbereich und stellt in der Fernwärme die Grundlage für Hocheffizienz dar.

Vorteil Flexibilität

Energieversorgungssysteme müssen heutzutage einer Vielzahl an Herausforderungen begegnen. Der starke Ausbau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen, Wetterextreme, Rohstoff- bzw. Brennstoffknappheiten durch internationale Konflikte und ungeeignete Infrastrukturen durch falsche Investitionsanreize. Sie alle haben Auswirkungen auf die Resilienz eines Energieversorgungssystems.

Um die Resilienz in einem Elektrizitätsversorgungssystem zu erhöhen, werden grundsätzlich zwei Maßnahmen ergriffen: das ist zum einen der Ausbau der Netze, zum anderen sind es Veränderungen im Betrieb. Im ersten Fall lässt sich die Resilienz eines Gesamtsystems erhöhen, wenn es als Summe einzeln funktionsfähiger Teilsysteme angelegt wird – zum Beispiel durch den massiven Zubau an Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Der zweite Fall beschreibt die Flexibilisierung bestehender Anlagen in einem Energieversorgungssystem, etwa durch die Änderung der Fahrweisen von Energieerzeugern oder die Integration von Energiespeichern. So wird in Deutschland schon länger die Umrüstung bestehender Biogas-KWK-Anlagen hin zu einem flexibleren Gebrauch mit Wärmespeichern betrieben. Heute sind Wärmespeicher in allen KWK-Anlagen zur Entkoppelung der Stromerzeugung vom Wärmeverbrauch üblich.

KWK-Anlagen können, müssen aber nicht im ständigen Grundlastbetrieb gefahren werden. Im Gegenteil: Im Hinblick auf die Resilienz von Stromnetzen wird es künftig auf Anlagen ankommen, die weniger laufen, aber hochflexibel einsetzbar sind. Die Flexibilität von KWK-Anlagen lässt sich vor allem in der sehr schnellen Anpassung der elektrischen Leistung an den Bedarf im Stromsystem festmachen, was notwendig ist für die Resilienz in einem Energieversorgungssystem. Mit Blick auf den Bedarf in einem Fernwärmesystem zeichnen sich KWK-Anlagen zudem durch eine hochflexible Fahrweise aus.

Denn je nach Bauform und Warmhaltung benötigen KWK-Anlagen nur einige Sekunden bis wenige Minuten, um ihr gesamtes Leistungspotenzial abzurufen. Darüber hinaus verfügen sie über eine sehr gute Teillastfähigkeit. So sorgen bei KWK-Anlagen oft mehrere Motor- oder Turbinen-KWK-Module je nach Standort für mehr Flexibilität. Zusätzlich geregelt werden kann die Stromleistung, indem Power-to-Heat-Systeme (PtH) und/oder Wärmepumpen verwendet werden und negative Residuallast bereitstellen. Durch die Umwandlung von Elektrizität in Wärme mit anschließender Speicherung in Wärmespeichern entkoppeln sie Erzeugung und Wärmebedarf zur Einspeisung in ein Wärmenetz. Denn Wärmespeicher nehmen KWK-Wärme in Zeiten einer Stromanforderung auf und geben sie wieder ab, wenn keine Strom- aber Wärmeanforderung besteht. Damit egalisieren Wärmespeicher die Ungleichzeitigkeit von Strom- und Wärmeanforderung sogar über Tage und verbinden Resilienz mit Effizienz.

Vorteil Netzstabilität

Stromnetze in Europa haben meist eine Netzfrequenz von 50 Hertz. In den Ländern Nordamerikas sind es dagegen 60 Hertz. Die Frequenz ist wichtig für die Spannungshaltung in einem Stromnetz. Sie wird unter anderem durch Angebot und Nachfrage in einem Stromnetz bestimmt und muss daher permanent ausgeglichen werden. Ein Mittel hierfür ist Regelenergie. Die Bereitstellung von Regelenergie wird mit zunehmender Einspeisung aus fluktuierender Stromerzeugung zusehends wichtiger. In Deutschland haben wir hierfür ein dreigliedriges Reservesystem mit Primär- und Sekundärregelung sowie der Minutenreserve.

KWK-Anlagen können auf unterschiedlichste Weise helfen, die Spannung in einem Stromnetz zu halten. So wandeln sie bei einem Überangebot an Strom im Netz die überschüssige Energie durch Power to Heat-Technik als speicherbare Wärme um. Der Wärmespeicher sorgt auch dafür, dass die KWK-Anlage trotz des Vorhandenseins eines Wärmebedarfs den Betrieb zeitweise einstellen kann, wenn es zu einem Überschuss an Strom im Netz kommt.

KWK-Anlagen können praktisch in allen Reservekategorien eingesetzt werden. Dabei eignen sich aber unterschiedliche Technologien, Anlagetypen und -konfigurationen besser als andere, da die einzelnen Regelenergiearten unterschiedliche Anforderungen stellen.

Vorteil Brennstoffvariabilität

KWK-Anlagen sind sehr brennstoffvariabel. Moderne Gasturbinen und Motoren in Blockheizkraftwerken (BHKW) setzen übergangslos Erdgas, biogene Gase oder Wasserstoff ein. Aus praktisch jedem Abfall oder Reststoff können Gase erzeugt werden, die sich als Brennstoff für eine KWK-Anlage eignen. Als Beispiele sind zu nennen: Biogas uns Biomethan, Holzgas, Klär- sowie Deponiegas. Werden biogene Gas aus Abfall- und Restsoffen eingesetzt wird nicht nur soviel CO2 produziert, wie vorher aufgenommen. KWK-Anlagen erfüllen durch ihre energetische Verwertung einen wertvollen Beitrag innerhalb der Kreislaufwirtschaft.