Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie und nutzbarer Wärme in einem Heizkraftwerk. Erstere wird in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt und die Wärme für Heizung und Warmwasserbereitstellung oder für Produktionsprozesse genutzt. Je nach Anlagenausprägung (Größe, Technologien) führt die Auskopplung und Nutzung der bei Stromerzeugung anfallenden Abwärme gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme zu einer Minderung des Energieträgereinsatzes sowie der CO₂-Emissionen. Die Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung hat sich im Zeitraum 2003 bis 2011 zwar leicht erhöht, ist jedoch noch deutlich von der Zielstellung der Bundesregierung entfernt. Danach ist ein Anteil von 25 % an der gesamten Nettostromerzeugung im Jahr 2020 vorgesehen.

KWK-Technologien

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist mittels verschiedener Technologien umsetzbar. Zu unterscheiden sind Dampfturbinen, Dampfmotoren, Gasturbinen, Gas- und Dampfturbinen (gekoppelt), verschiedene Motorenkonzepte (Otto, Diesel, Stirling) sowie Brennstoffzellen.

Die einzelnen Technologien decken sehr unterschiedliche Leistungsbereiche und Wärmebedarfstemperaturniveaus ab. Sie korrespondieren mit verschiedenen Einsatzbrennstoffen, haben ein differierendes Teillastverhalten und unterscheiden sich ebenfalls hinsichtlich des elektrischen sowie Gesamtwirkungsgrades. In Folge unterscheiden sie sich auch hinsichtlich der Stromkennzahl (siehe Tab. „Kennzahlen typischer KWK-Anlagen“). Als Stromkennzahl einer KWK-Anlage bezeichnet man den Quotient aus der KWK-Nettostromerzeugung und der KWK-Nettowärmeerzeugung.

Anwendungsfelder und Potenziale

Für die KWK gibt es verschiedenste Anwendungsfelder, die durch unterschiedliche Potenziale gekennzeichnet sind. Insbesondere zu unterscheiden sind KWK-Anlagen, die Fern- bzw. Nahwärmenetze speisen, die betrieblichen Prozesswärmebedarf decken oder die Objektwärmeversorgungen sowohl von Wohngebäuden als auch von gewerblichen Gebäuden (Krankenhäuser, Altenheime etc.) realisieren. Eine besondere KWK-Eignung liegt vor, wenn über das Jahr gleichmäßiger und hoher Wärmebedarf besteht. Zu den Potenzialen der KWK in Deutschland existieren zahlreiche Untersuchungen, die, je nach Analyserahmen und zugrundegelegten Annahmen TWh zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. So reicht die Spannbreite für die potentielle KWK-Stromerzeugung im Jahr 2020 von 55 TWh bis 351 TWh (siehe Abb. „Potenziale der KWK-Stromerzeugung 2009 bis 2050“).

KWK-Stromerzeugung im Zeitraum 2003 bis 2011

Die KWK-Stromerzeugung ist im Zeitraum 2003 bis 2011 insgesamt von knapp 76 TWh auf 91 TWh, also um fast 15 TWh bzw. 20 % angestiegen. Dieser Zuwachs wird insbesondere durch den durch das EEG angestoßenen Ausbau der Biomassenutzung und die Ausweitung der Erdgas-KWK getragen. Rückgänge sind dagegen bei den kohle- und mineralölgefeuerten Anlagen zu verzeichnen (siehe Abb. „KWK-Stromerzeugung nach Brennstoffarten“).

Die KWK-Stromerzeugung mittels Gasturbinen hat besonders im Zuge der Neuerrichtung zahlreicher GuD-Kraftwerke seit 2003 stark an Bedeutung gewonnen (2003: ca. 29 TWh, 2011: ca. 39 TWh). Die Stromerzeugung auf Basis von Dampfturbinen blieb im selben Zeitraum weitgehend konstant. Deutlich dagegen – jedoch auf geringem Niveau – erhöhte sich die Stromerzeugung auf Basis von Verbrennungsmotoren. Dies ist insbesondere Folge der Ausweitung der Biogasnutzung im Wesentlichen in gasmotorbasierten BHKWs, in geringerem Maße auch durch die zunehmende Nutzung fossil gefeuerter BHKWs (siehe Abb. „KWK-Stromerzeugung nach Anlagentypen“).

Betrachtet man ausschließlich die in der Jahreserhebung des Statistischen Bundesamtes für industrielle Stromerzeugungsanlagen gefassten KWK-Anlagen, so zeigte sich im Jahr 2003 eine gekoppelte Stromerzeugung von insgesamt 23,5 TWh und im Jahr 2011 von 28,4 TWh (ca. 31 % der KWK-Gesamtstromerzeugung). Es ist jedoch davon auszugehen, dass die KWK-Stromerzeugung im Kontext der industriellen (Prozess-) Wärmenutzung/-versorgung – insbesondere auch 2011 – deutlich höher lag. Dies begründet sich damit, dass KWK-Anlagen zur Wärmeversorgung von großen Industriegebieten, Chemieparks etc. und betriebliche Contactingprojekte nicht hier, sondern in der Statistik der allgemeinen Versorgung (066) gefasst sind.

Der Anteil der KWK-Nettostromerzeugung an der Gesamtnettostromerzeugung in Deutschland ist in den letzten Jahren langsam, aber stetig gestiegen (siehe Tab. „Anteil KWK-Nettostromerzeugung an der Gesamtnettostromerzeugung“). Lag er im Jahr 2003 bei etwa 13,4 %, so belief er sich 2011 auf ca. 15,9 %. Die KWK-Nettostromerzeugung war in dem Zeitraum um ca. 20 % und die gesamte Nettostromerzeugung um ca. 1 % angestiegen.

KWK-Wärmeerzeugung im Zeitraum 2003 bis 2011

Die KWK-Wärmeerzeugung ist in Korrespondenz zur KWK-Stromerzeugung im Zeitraum 2003 bis 2011 insgesamt von knapp 644 PJ auf 697 PJ, also um etwa 53 PJ bzw. ca. 8 % angestiegen. Die im Vergleich zur KWK-Stromerzeugung prozentual geringere Steigerung ist die Folge gestiegener Stromkennzahlen, insbesondere durch den Bau von zahlreichen GuD-Anlagen in den letzten Jahren. Analog zur KWK-Stromerzeugung erhöhte sich vor allem die KWK-Wärmenutzung aus Biomasse und Erdgas. Bezogen auf den Gesamteinsatz von Brennstoffen und Fernwärme zur Wärmeerzeugung in Deutschland belief sich der Anteil der in KWK bereitgestellten und genutzten Wärme im Jahr 2011 auf ungefähr 16 %.

Umweltentlastungen durch KWK

Neu errichtete Kraftwerke erreichen, je nach Brennstoff und Anlagengröße, elektrische Nettowirkungsgrade von bis zu 43 % (Braunkohle), 46 % (Steinkohle) bzw. 58 % (Erdgas-GuD) (siehe auch im Beitrag „Kraftwerke“ die Abb. „Wirkungsgrade und spezifische CO₂-Emissionen verschiedener Kraftwerkstypen“). Die dabei entstehende Wärme wird ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Dagegen wandeln Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen bis zu 90 % des eingesetzten Brennstoffs in Nutzenergie um und tragen somit zur ressourcenschonenden Energieversorgung bei. Die Höhe der gegenüber der getrennten Strom- und Wärmeerzeugung erzielbaren Einsparungen ist stark von der Ausprägung der KWK-Anlage (Größe, Brennstoff, Stromkennzahl) sowie von der Vergleichsbasis abhängig. Stellt man eine KWK-Anlage neu errichteten separaten Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung unter der Annahme desselben Brennstoffs für die Stromerzeugung gegenüber, sind im Ergebnis Primärenergieeinsparungen von bis zu 25 % möglich. Bei prozentualen Einsparungen an Primärenergie über 10 % gelten KWK-Anlagen mit einer Bruttobetriebsleistung größer 1 MW_el gemäß EU-KWK-RL als hocheffizient. Anlagen mit geringerer Leistung gelten als hocheffizient, wenn generell Primärenergieeinsparungen erfolgen.

Im Vergleich zu einem ungekoppelten Referenzsystem (Strom: 770 g CO₂/kWh_el, Wärme: 295 g CO₂/kWh_th) wurden durch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Jahr 2003 insgesamt 27,4 Mio. t CO₂ vermieden. Im Jahr 2010 (2011 existieren noch keine entsprechenden Berechnungen) erhöhte sich der Wert aufgrund des weiteren KWK-Ausbaus und der umfassenderen Verwendung kohlenstoffärmerer Brennstoffe auf 47,5 Mio. t CO₂. Bezogen auf die gesamten energiebedingten CO₂-Emissionen waren das 2003 etwa 3,3 % und 2010 ca. 6,2 %.

Förderung der KWK

Zur Förderung der Stromerzeugung in KWK-Anlagen kommen verschiedene Instrumente zum Einsatz. Die beiden wesentlichsten sind das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz für fossil gefeuerte KWK-Anlagen sowie das EEG für mit erneuerbaren Energieträgern (insbesondere Biomasse) gespeiste KWK-Anlagen. Das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz fördert den Neubau und die Modernisierung hocheffizienter KWK-Anlagen ohne Größenbeschränkung, indem für den erzeugten Strom nach Größe und Alter der Anlage gestaffelt ein Zuschlag gezahlt wird. Der Neu- und Ausbau von Wärmenetzen wird mit einer Investitionszulage gefördert. Insgesamt wird der Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung mit einer jährlichen Fördersumme in Höhe von maximal 750 Mio. EUR unterstützt. Davon sind bis zu 150 Mio. EUR für den Wärmenetzausbau vorgesehen. Mit der im August 2012 abgeschlossenen KWK-Novelle wurde in Fortsetzung der Änderungen im Sommer 2011 (Erweiterung des Förderzeitraums von 2016 auf 2020 und Aufhebung der bisherigen doppelte Deckelung durch die Begrenzung auf sechs Betriebsjahre bzw. vier für Industrie-KWK und zusätzlich jeweils höchstens 30 000 Vollbenutzungsstunden) die Förderung weiter verbessert. So wurde die Vergütung für sämtliche Anlagen um jeweils 0,3 ct/kWh erhöht. Anlagen, die unter den Emissionshandel fallen, erhalten weitere 0,3 ct/kWh zusätzlich. Des Weiteren wurde eine zusätzlich Vergütungsstufe eingeführt und die Anforderungen bei der Förderfähigkeit von Anlagen-Modernisierungen deutlich verringert. Weitere Änderungen sind die Neuaufnahme der Förderung von Wärme- und Kältespeichern von Kältenetzen sowie der KWK-Nachrüstung von Kondensationsanlagen, die Verbesserung der Förderbedingungen für Wärme- und Kältenetze mit kleinen Nennweiten sowie die Verfahrensvereinfachungen bei Wärmenetzen und KWK-Kleinanlagen.

Darüber hinaus wird die KWK auf Basis regenerativer Energieträger durch das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) unterstützt. Wurden im EEG 2004 und im EEG 2009 besondere KWK-Boni gezahlt (2 ct/kWh bzw. 3 ct/kWh für KWK-Strom), ist dies im EEG 2012 nicht mehr der Fall. Bei der Biogaserzeugung bestehen jedoch Mindestanforderungen mit KWK-Relevanz: Jede Biogasanlage muss entweder 60 % Wärmenutzung oder 60 % Gülleeinsatz nachweisen bzw. alternativ den Strom direkt vermarkten (Marktprämienmodell).

Neben dem KWK-Gesetz und dem EEG sind insbesondere das EnergieStG sowie das StromStG zu nennen, welche ebenfalls positiv auf den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung wirken.