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Kraft-Wärme-Kopplung: Optionen für NRW

Konzepte zur kombinierten Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte gewinnen durch das gemeinsame Ziel von Politik, Wissenschaft und Industrie, die CO2-Emissionen bei der Energiebereitstellung zu reduzieren, immer mehr an Bedeutung. Denn gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme oder Kälte werden dadurch Primärenergie und somit CO2 eingespart.

Diese Konzepte laufen unter dem Begriff Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) oder Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Dazu gehören sowohl zentrale Versorgungssysteme, wie Kraftwerke mit Wärme- oder Dampf-Auskopplung, als auch dezentrale Versorgungssysteme, wie kleine und mittlere Blockheizkraftwerke, und Mikro-KWK-Anlagen für einzelne Haushalte.

  • Das KWK-Prinzip

    Die Grundidee der Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Nutzwärme aus der chemisch-gebundenen Energie eines Brennstoffes.

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Die Vorteile

Verglichen mit der getrennten Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie wird die vorhandene Primärenergie bei der KWK effizienter genutzt. Der Brennstoffnutzungsgrad von hocheffizienten Gas- und Dampfkraftwerken zur reinen Strombereitstellung beträgt heute über 60 %. Neue Braunkohle- und Steinkohlekraftwerke haben Brennstoffnutzungsgrade von 43 bis 46 %.

Die zusätzliche Nutzung der Wärme, die bei der Stromerzeugung anfällt, trägt zur Steigerung der Effizienz bei. Durch den Einsatz von KWK-Systemen für Wärme- und Kälteanwendungen können Brennstoffnutzungsgrade von über 90 % erzielt werden. Die gekoppelte Strom- und Wärmebereitstellung trägt so dazu bei, Ressourcen zu schonen und Treibhausgasemissionen zu reduzieren.

Neben den energetischen Vorteilen bietet KWK auch die Möglichkeit, durch flexible Betriebsweisen auf externe Lastanforderungen zu reagieren, um damit einen Beitrag zur Netzstabilität zu leisten.

  • KWK-Systeme

    Zu den KWK-Technologien zählen neben Verbrennungs-, Dampf- und Stirling-Motoren, Gas- und Dampfturbinen auch unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen. Aufgrund der technologischen Vielfalt können unterschiedlichste Brennstoffe zur KWK eingesetzt werden. Dazu gehören Erdgas, Kohle, Heizöl, Flüssiggas, Klärgas, Deponiegas, Kokereigas und Restgase aus Produktionsanlagen. Auch nachwachsende Rohstoffe, wie Biogas oder Biomasse, und synthetische Brennstoffe, die mit Hilfe von Wind- oder Solarstrom erzeugt werden, können in KWK genutzt werden.

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Das Leistungsspektrum der KWK reicht heute von Heizkraftwerken mit mehreren Megawatt elektrischer Leistung über den mittleren Leistungsbereich der Blockheizkraftwerke (BHKW) bis hin zu Mikro-KWK mit 1 kW elektrischer Leistung. Entsprechend vielfältig sind die Anwendungsgebiete. Sie umfassen die häusliche und gewerbliche Energieversorgung, die Bereitstellung von Prozesswärme für die Industrie sowie die Versorgung durch Fernwärmenetze. KWK kommt somit in dezentralen und zentralen Versorgungssystemen zum Einsatz.

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  • Moderne KWK-Systeme sind flexibel regelbar, sodass sich die Technologie besonders für den Einsatz in Smart Grids eignet. Einen vielversprechenden Ansatz stellt hier die Vernetzung und bedarfsgerechte Steuerung von dezentralen KWK-Anlagen in virtuellen Kraftwerken dar. Auf diese Weise kann eine intelligente Flexibilisierung des Energieversorgungssystems erzielt werden, welche eine kurzfristige Reaktion auf die schwankenden Angebots- und Nachfrage-situationen im Stromnetz ermöglicht. 

Motivation und Herausforderungen

Eine der großen Herausforderungen der Energiewende ist der Übergang von dem bestehenden Energieversorgungssystem zu einer klimafreundlichen, hocheffizienten und zugleich sicheren und bezahlbaren Energieversorgung.

Der erforderliche Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien wird mittelfristig dazu führen, dass das zeitliche und örtliche Stromangebot nicht zur Nachfrage passt. Das zukünftige Energieversorgungssystem muss daher flexibel gestaltet werden. Neben dem Netzausbau auf allen Ebenen und der Flexibilisierung des bestehenden Kraftwerksparks werden zunehmend Energiemanagementoptionen und Speicherkapazitäten benötigt. Diese können besonders umweltfreundlich durch KWK erbracht werden.

Ein flexibler Betrieb von KWK-Anlagen, der sich am Stromnetz orientiert, hat jedoch eine Fluktuation der bereitgestellten Wärme zur Folge. In wieweit KWK-Anlagen in Kombination mit Wärmespeichern in NRW als Regelmöglichkeit der Residuallast dienen können, stellt eine zentrale Frage beim Ausbau der KWK dar. Hier muss ein Optimum zwischen flexibler Stromeinspeisung und zuverlässiger Wärmebereitstellung gefunden werden.

  • Das VI | KWK.NRW

    Das Virtuelle Institut |KWK.NRW soll die in NRW vorhandenen Kompetenzen identifizieren, zusammenbringen und bündeln. Mit dem Begriff „virtuell“ ist gemeint, dass keine Strukturen – personeller oder materieller Natur – aufgebaut werden, sondern dass die in NRW vorhandenen Einrichtungen themenspezifisch effizient zusammenarbeiten.

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  • KWK-Potenziale in NRW

    Die Bevölkerungs- und Nutzungsstruktur in NRW ist durch den Ballungsraum Rhein-Ruhr im Zentrum des Landes und die vergleichsweise dünn besiedelten Regionen im Norden und Süden des Landes geprägt. Dem entsprechend liegen unterschiedlichste Bedarfsprofile vor, die mit verschiedenen KWK-Systemen abgedeckt werden können. Die möglichen Anwendungen reichen von Mikro-KWK-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäuser über größere Blockheizkraftwerke in den Sektoren Gewerbe, Handel und Dienstleistung sowie für industrielle Prozesse bis hin zur Strom- und Fernwärmeversorgung. In NRW besteht durch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ein erhebliches Potenzial, um mit hocheffizienten KWK-Systemen den Primärenergieeinsatz und CO2-Emissionen zu reduzieren.

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  • Initiatoren und Partner

    Um die vielfältigen Aufgaben zum Thema KWK wissenschaftlich zu bearbeiten, haben sich verschiedene Institute aus NRW zusammengetan.

    Initiatoren des Virtuellen Instituts | KWK.NRW sind das Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. (GWI) als Koordinator und der Lehrstuhl Energietechnik (LET) sowie der Lehrstuhl Umweltverfahrens- und Anlagentechnik (LUAT) der Universität Duisburg-Essen. Seit der zweiten Projektphase ist das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) ebenfalls Partner im Virtuellen Institut | KWK.NRW.

    Weitere Institutionen und Arbeitsgruppen werden nach und nach zur Bündelung und Erweiterung der Kompetenzen eingebunden.

  • Schnittstellen und Aufgaben

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