Hocheffiziente Energietechnik für eine gelungene Energie- und Wärmewende
Strom und Wärme zur gleichen Zeit erzeugen
Als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet man Verfahren, die Strom und Wärme zur gleichen Zeit zu erzeugen. Übergreifend wird dafür auch der Begriff Blockheizkraftwerk (BHKW) verwendet. Mit dieser gekoppelten Betriebsweise wird die gesamte über den Brennstoff zugeführte Energie nahezu verlustfrei genutzt.
Während in der klassischen Energieversorgung Strom zentral erzeugt und der Wärmeanteil meist verworfen wird, wird die KWK-Anlage nahe des Wärmeverbrauchs errichtet. Der Strom kann dann selbst genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist werden. Durch diese dezentrale Stromerzeugung stützen KWK-Anlagen das Stromnetz und ermöglichen den Ausbau von Wind- und Solaranlagen. Zudem stellen sie mit ihrer Wärmeerzeugung die Heizung von Gebäuden und Wärmenetzen sicher.
KWK-Anlagen erreichen Gesamtwirkungsgrade über 90 % und reduzieren die spezifischen CO2-Emissionen. Die hoch-effiziente Kraft-Wärme-Kopplung leistet damit einen wesentlichen Beitrag zum Erreichen einer emissionsarmen Energieversorgung und wird unter anderem durch das KWK-Gesetz gefördert.
Erdgas wird in Deutschland durch das DVGW-Regelwerk G-260 spezifiziert. Denn je nach Ursprung schwankt die Zusammensetzung des aus unterirdischer, thermochemischer Zersetzung von Biomasse stammenden Gases stark. Es ist Aufgabe der Gasversorger sicherzustellen, dass im entnommenen Erdgas zwischen 80 und 96 % Methan (CH4) enthalten sind. Zudem dürfen mit Propan und Butan sowie Wasserstoff weitere brennbare Bestandteile enthalten sein.
Nachdem Erdgas ab ca. 1960 die vielfach genutzten Kohleöfen in Deutschland abgelöst hat, steht das Energiesystem heute vor einer weiteren Transformation. Denn bei der thermischen Nutzung von Erdgas werden große Mengen CO2, die maßgeblich für den globalen Klimawandel verantwortlich sind, frei. Deswegen arbeitet die Energiewirtschaft an Konzepten und Technologien, den Abschied vom fossilen Energieträger Erdgas bis 2045 voranzutreiben. Mit Biomethan und vor allen Dingen Wasserstoff stehen entsprechende Alternativen bereit.
In modernen Biogasanlagen zerlegen primitive Einzeller Biomasse in ihre Bestandteile. Ähnlich dem Magen-Darm-Trakt einer Kuh setzt eine vierstufige, mehrgleisige Kette verschiedener Bakterien-Spezies diesen Prozess um. Beinahe jegliche Art von Biomasse, von Ackerpflanzen über Grünschitt bis hin zur Biotonne kann Biogasanlagen energetisch genutzt werden. Und am Ende entsteht ein Gemisch von ca. 40 bis 60 % Methan, 50 % CO2 und einigen Spurengasen, welches zusammen mit Luft zündfähig ist und daher zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden kann.
Biogas ist ein klimaneutraler Energieträger. Dann bei seiner Nutzung wird nur so viel CO2 frei, wie die vergorenen Pflanzen vorher aus der Luft aufgenommen haben. Zusätzlich kann Biogas gespeichert und für eine spätere Nutzung vorgehalten werden. Des weiteren sind die im Biogasprozess übrig bleibenden Gärreste wertvolle Wirtschaftsdünger, die auf dem Feld aufgebracht einen Nährstoffkreislauf schließen. Im Umfeld einer Biogasanlage können Anwohner und Betriebe durch Wärmelieferung oder einer direkten Zuleitung von Biogas von den grünen Eigenschaften dieses Prozesses profitieren.
Biogas und Biomethan stammen beide aus Biogasanlagen. Allerdings kann Biogas mit seinen geringen Methangehalten nur in Ausnahmefällen in das Erdgasnetz eingespeist werden, da es die Technische Regel DVGW G 260 nicht erfüllt. Aus diesem Grund wird das im Biogas enthaltene Methan herausgefiltert werden und eingespeist. Bilanziell können Kunden dieses Biomethan einsetzen und die klimaneutralen Eigenschaften lokal anrechnen.
Für die Transformation des Gasnetzes steht mit Biomethan neben Wasserstoff ein weiterer, heimischer und speicherbarer Energieträger bereit. Wegen der beschränkten Mengen an Biomasse ist die Einsatzbreite limitiert, aber insbesondere in landwirtschaftlich geprägten Regionen können Gasnetze mit Biomethan langfristig klimaneutral betrieben werden. Ebenso sind einige industrielle Prozess auf die stofflichen Eigenschaften von Methan angewiesen, so dass sich auch hier und überregional Abnehmer für Biomethan finden.
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Bei der Nutzung verbrennt Wasserstoff zu Wasser. Grundsätzlich ist Wasserstoff elektrolytisch aus Wasser herstellbar: Damit ist das Gas ein Hoffnungsträger für eine langfristig erfolgreiche Energie- und Wärmewende. Die Umstellung des Gasnetzes auf den Transport von Wasserstoff ist deswegen in vollem Gange.
Wasserstoff unterscheidet sich in seinen Eigenschaften etwas von Erdgas. Er zündet schneller und die Flammen sind für das menschliche Auge unsichtbar. Wasserstoff ist so flüchtig, dass die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches in gelüfteten Räumen unwahrscheinlich ist. In einem Großteil des Gasnetzes kann Wasserstoff sicher transportiert werden, nur die insgesamt transportierbare Energiemenge reduziert sich wegen seiner geringen Dichte etwas.
Am Einsatzort angekommen, kann Wasserstoff lokal emissionsfrei genutzt werden. Die dafür nötige Anwendungstechnik ist am Markt verfügbar und regelmäßig veröffentlichen Hersteller neue, an Wasserstoff angepasste Gerätetechnik.
In kleinerem Umfang werden - je nach Verfügbarkeit - auch (Bio-)Diesel, (Pflanzen-)Öl und Sondergase wie Gruben-, Deponie- oder Klärgas eingesetzt. Insbesondere die Vermeidung klimaschädlicher Methanemissionen wird so mit der effizienten Erzeugung von Strom und Wärme gekoppelt.
Neben den gasförmigen Brennstoffen, die in BHKW, Brennstoffzellen und Gasturbinen eingesetzt werden, gibt es auch mit festen Brennstoffen betriebene KWK-Anlagen. Denn bei der Verbrennung oder thermischen Umwandlung von Holz oder Müll wird Hitze frei, die auf einen Dampfkreislauf übertragen und zur Stromgewinnung genutzt werden kann. Die danach übergebliebene Wärme wird dann in einem Fernwärmenetz genutzt. Eine so eingesetzte KWK-Anlagen wird auch Heizkraftwerk genannt.
Die Einsatzfelder von den KWK-Anlagen finden sich überall dort, wo viel Strom benötigt wird und gleichzeitig ein Wärmebedarf besteht. Denn mit KWK-Anlagen lässt sich sowohl Strom, als auch Wärme bedarfsgerecht erzeugen oder für eine spätere Weitergabe zwischenspeichern. Und so werden KWK-Anlagen in Mehrfamilienhäusern, Gebäudenetzen, Quartiersnetzen sowie städtischen und privatwirtschaftlichen Unternehmen vielfältig eingesetzt. Lesen Sie mehr über die Anwendungen von KWK-Anlagen auf den oben verlinkten Unterseiten.
Die zukünftige Rolle der KWK verschiebt sich von der Wärmeerzeugung immer mehr in Richtung der flexiblen Stromerzeugung. Denn KWK-Anlagen können mit teilweise wenigen Sekunden Startzeit schnell auf Stromnetzschwankungen reagieren. Und die Anzahl der Stromnetzschwankungen steigt mit der Anzahl der einspeisenden Wind- und PV-Anlagen, die von volatilen Verläufen gekennzeichnet sind. Und so ergänzen sich KWK-, Wind- und PV-Anlagen auf optimale Art und Weise.
