Doppelter Aufschlag

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist simpel: Einmal Energie aufwenden, zweimal profitieren. Die KWK ist eine Technologie, mit der die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme möglich ist.
Der Brennstoff, der zum Einsatz kommt, wird dabei über 85 %, teilweise über 90 %, ausgenutzt. Beispielsweise erreicht man mit einem Niedertemperatur-Gaskessel (Normnutzungsgrad 90 %) zusammen mit aus deutschem Strommix erzeugtem Strom (Normnutzungsgrad 38 %) einen Wirkungsgrad von lediglich 55 %. Durch den Einsatz von KWK wird die eingesetzte Energie also wesentlich effizienter umgesetzt und kann erheblich dazu beitragen, Primärenergie einzusparen und die anfallenden CO₂-Emissionen entsprechend zu vermindern. Besonders für Energieverbraucher, die ganzjährig viel Strom und Wärme benötigen, sind KWK-Anlagen interessant.
Die Bandbreite der Technologie, angefangen bei Mikro-KWK über dezentrale Blockheizkraftwerke (BHKW) bis hin zur Nutzung von Nah- und Fernwärme, ist enorm. Die Einsatzbereiche sind vielseitig und reichen von Einfamilienhäusern über Gewerbe- und Industriebetriebe bis hin zu öffentlichen Einrichtungen wie Schwimmbäder oder Krankenhäuser.

Brennstoffe und Anlagen
KWK-Anlagen können mit nahezu jedem Brennstoff und jeder anderen Wärmequelle genutzt werden, bei der das Temperaturniveau hoch genug ist. Sowohl fossile Brennstoffe wie Öl, Kohle, Flüssiggas oder Erdgas als auch Biobrennstoffe wie Biogas, Pflanzenöl, Biodiesel und sogar Holz, Stroh oder organische Siedlungsabfälle sind für einen KWK-Prozess geeignet. Selbst Geothermie und Solarenergie lassen sich damit effizienter nutzen.
Flüssige oder gasförmige Brennstoffe können direkt verfeuert werden und treiben optimierte Motoren aus dem Automobil-, Schiffs- oder Flugzeugbereich an. Diese kleineren Anlagen werden auch als Blockheizkraftwerke (BHKW) bezeichnet.
Bei größeren Anlagen kommen oft eigens angefertigte Gasturbinen zum Einsatz. Die heißen Abgase der Turbine können entweder genutzt werden, um über einen Wärmeübertrager Wärme auszukoppeln oder über einen Heizkessel Dampf zu erzeugen, der wiederum eine Dampfturbine antreibt. Im letzteren Fall spricht man von einer Gas- und Dampfturbine – kurz GuD.
Feste Rohstoffe werden normalerweise genutzt, um direkt über einen Heizkessel Dampf zu erzeugen, der dann eine Dampfturbine antreibt. Ein Teil des Dampfes wird in der Turbine, der sogenannten Entnahmeturbine, über einen Wärmeübertrager ausgekoppelt und kann so als Wärme genutzt werden.
Immer größere Anwendung für feste Rohstoffe wie Holzpellets, aber auch für Solarenergie und Geothermie, findet der Stirlingmotor. Er kann im Zusammenspiel mit einem Generator sowohl als Wärme- und Kältemaschine eingesetzt als auch umgekehrt durch Wärme betrieben werden und als Generator fungieren. Dieser Typ lässt sich auch in extrem kleinem Maßstab, z. B. für Mikro-KWK-Anlagen bauen, die sogenannte stromerzeugende Heizung.
Eine vielversprechende Technologie ist die Brennstoffzelle, die rein chemisch arbeitet und keine Verluste aufgrund von mechanischer Reibung aufweist. Während Brennstoffzellen in der Elektromobilität schon in Kleinserien verbaut werden, wird ihr Einzug in kleinere KWK-Anlagen erst in der nächsten Zeit erwartet.

Leistungsklassen
KWK-Anlagen werden oft nach ihrer elektrischen Leistung klassifiziert (Tabelle 1). Die Spanne reicht hier von 1 kW bis zu mehreren MW. Anlagen ab einer Leistung von 1 MW kommen typischerweise im industriellen Bereich infrage. In kleineren Anlagen werden heute fast ausschließlich BHKWs eingesetzt. Diese modularen KWK-Anlagen, die vorzugsweise in der Nähe der Wärmeabnehmer aufgestellt werden, ermöglichen durch ihre kompakte Bauform eine einfache Installation. BHKWs werden heutzutage in Serie produziert, sodass die Preise in den letzten Jahren deutlich reduziert werden konnten. Dadurch finden BHKWs immer mehr Anwendung auch in kleinen Unternehmen, in der Objektversorgung und in Ein- und Mehrfamilienhäusern.

Einsatz in Wohngebäuden
In Wohngebäuden werden überwiegend Mikro- bzw. Mini-BHKWs und Stirlingmotoren eingesetzt. Es gibt aber auch Brennstoffzellen.
Das Prinzip eines BHKWs beruht auf einem Generator zur Stromerzeugung, der meistens von einem mit Gas oder Öl betriebenen Motor angetrieben wird. Möglich sind aber auch regenerative Brennstoffe wie Biogas oder Pflanzenöl. Die Brennstoffenergie wird in elektrische Ener­gie umgewandelt. Gleichzeitig wird Abwärme, die im Motor entsteht, über Kühlwasser- und Abgaswärmeübertrager nutzbar gemacht. Gasbetriebene Motor-BHKWs haben einen elektrischen Wirkungsgrad zwischen
25 % (Mikro-KWK) und 40 % (kleine KWK). Bei ölbetriebenen BHKWs liegt der Wirkungsgrad um ca. 5 %-Punkte höher. Allerdings ist hier der thermische Wirkungsgrad geringer. Der Leistungsbereich beginnt bei 1 kW elektrisch.
Stirlingmotoren haben ein etwas anderes Funktionsprinzip. Ein Arbeitsgas, i. d. R. Helium oder auch Luft oder Wasserstoff, wird in einem abgeschlossenen Volumen von außen in einem Bereich erhitzt und in einem anderen Bereich gekühlt. Dadurch kann mechanische Arbeit geleis­tet werden. Der Vorteil beim Stirlingmotor liegt darin, dass er mit einer beliebigen äußeren Wärmequelle betrieben werden kann. Das Gas bleibt, anders als bei Verbrennungsmotoren, innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht (sogenannter Heißgas-Motor). Wenn die externe Wärmequelle auch keine Abgase erzeugt, gibt es keine materiellen Emissionen – allerdings Abwärme. Diese kann wiederum zu Heizzwecken genutzt werden, sodass dann auch hier das KWK-Prinzip gewährleistet ist.
Am Markt werden derzeit überwiegend Mikro-Anlagen im Bereich von 1 kW elektrisch angeboten. Die elektrischen Wirkungsgrade liegen nur im Bereich von 15 bis max. 20 %, der thermische Wirkungsgrad dagegen bei sehr guten 60 bis 70 %. Meist haben die Anlagen eine thermische Leistung von 6 kW und werden mit Zusatzbrennern bis 25 kW angeboten. Daher werden diese Anlagen überwiegend in Ein- und Zweifamilienhäusern eingesetzt.
Brennstoffzellen erreichen durch die direkte Energieumwandlung höhere elektrische Wirkungsgrade als bei BHKWs und Stirlingmotoren erreicht wird. Im 1-kW-Bereich liegen sie im Bereich von 40 %, größere Anlagen erreichen bis zu 60 %. Wird die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme genutzt, kommt man auf Gesamtwirkungsgrade bis zu 90 %. Brennstoffzellen eignen sich für Objekte, deren Fokus auf der Stromerzeugung liegt, z. B. Neubauten im Ein- und Zweifamilienhausbereich.

Wirtschaftlichkeit
Um eine KWK-Anlage wirtschaftlich betreiben zu können, sind einige Aspekte zu beachten. Bedingt durch den schlechteren thermischen Wirkungsgrad gegenüber einem Heizkessel ist für die Bereitstellung der gleichen Wärmemenge ein höherer Brennstoffeinsatz notwendig. Die höheren Brennstoffkosten und die Investitionskosten müssen über den eingesparten Strombezug und/oder die Einspeisevergütung refinanziert werden.
Die Auslegung einer KWK-Anlage sollte sich am Grundlastbedarf für Strom und Wärme orientieren. Eine möglichst hohe Benutzungsstundenzahl ist anzustreben. Sie kann umso wirtschaftlicher betrieben werden, je günstiger der Anschaffungs- und Instandhaltungspreis ist, je höher die verdrängten Arbeitspreise für Strom und je günstiger die Brennstoffpreise sind. Die thermische Leistung der KWK-Anlage sollte kleiner bzw. gleich dem Grundlastbedarf ausgelegt werden.
Die jährlichen Betriebsstunden einer KWK-Anlage sind das wichtigste Entscheidungskriterium für den wirtschaftlichen Einsatz. Bei Mini-KWK-Anlagen liegt dieser Wert erfahrungsgemäß bei 6000 Betriebsstunden. Da ein Jahr etwa 8760 Stunden hat, liegt die Hürde für eine Wirtschaftlichkeit relativ hoch. Für den von der KWK-Anlage erzeugten Strom ist i. d. R. innerhalb des Objektes immer ein Bedarf vorhanden. Wenn nicht, ist auch eine Einspeisung in das Netz des Energieversorgers mit einer entsprechenden Vergütung möglich. Problematisch wird es beim ganzjährigen Wärmebedarf.
In der Heizperiode von Oktober bis April sind Betriebsstunden von 20 bis 24 Stunden pro Tag für eine Mini-KWK-Anlage durchaus möglich, sodass in dieser Zeit eine Laufzeit von bis zu 4300 Stunden plausibel ist. Die verbleibenden 1700 Betriebsstunden müssten in den Sommermonaten erbracht werden. Bei Wohngebäuden wird der Wärmebedarf im Sommer fast ausschließlich von der Trinkwassererwärmung bestimmt. Da für die Erwärmung von 1 l Wasser von 10 auf 60 °C ca. 0,06 kWh benötigt werden, lassen sich über den täglichen Trinkwarmwasserbedarf ungefähr die Wärmegrundlast und somit die möglichen Betriebsstunden der Mini-KWK-Anlage für die Sommermonate bestimmen.

Förderung
Für KWK-Anlagen bis 20 kWel steht eine Förderung durch das Mini-KWK-Zuschuss-Programm des Bundesumweltministeriums zur Verfügung. Hier gibt es eine gestaffelte Basisförderung und eine Bonusförderung (Tabelle 2).
Die Förderung ist kumulierend aufgebaut. Für eine Anlage mit 12,5 kWel gibt es:
    1 x 1900 Euro
+ 3 x 300 Euro
+ 6 x 100 Euro
+ 2 x 10 Euro
+ 0,5 x 10 Euro
= 3425 Euro

Die Bonusförderung in Höhe von 25 % der Basisförderung gibt es für KWK-Anlagen, die über einen zu­sätzlichen Abgaswärmeübertrager zur Brennwertnutzung ausgestattet und an ein hydraulisch abgeglichenes Heizungssystem angeschlossen sind. Weiterhin gibt es einen Stromeffizienz­bonus in Höhe von 60 % der Basisför­derung für besonders stromeffiziente KWK-Anlagen, d. h. bei denen der ­elektrische Wirkungsgrad über 30 % liegt.
Für Brennstoffzellen gibt es das Zuschussprogramm der KfW (Förderbank des Bundes) „Energieeffizient
Bauen und Sanieren“ (Programm-Nr. 433).
Gefördert werden Anlagen im Leistungsbereich von 0,5 bis 5 kWel mit einem Grundbetrag von 5700 Euro zzgl. 450 Euro je angefangene 100 W elektrische Leistung.
Für den in der KWK-Anlage eingesetzten Brennstoff ist eine Rückerstattung der gezahlten Energiesteuer für den Brennstoff möglich. Dazu muss der Brennstoff­einsatz erfasst und ein Antrag beim zuständigen Hauptzollamt gestellt werden. Für Erdgas beträgt die Ener­giesteuer 0,55 Ct/kWh und für Heizöl 6,135 Ct/l. Zusätzlich ist eine Finanzierung der Investitionskos­ten über zinsgünstige Darlehen der NRW-Bank sowie der KfW möglich.
Aktuelle Informationen zur Förderung stehen im Förder-Navi der Energieagentur NRW (www.foerder-navi.de).

Zuschläge für KWK-Strom
Wird der von der KWK-Anlage erzeugte Strom selbst genutzt, gibt es eine Ver­gütung vom örtlichen Stromnetzbetreiber nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWK-Gesetz). Dieser liegt für
Mini-KWK-Anlagen mit einer elektrischen Leis­tung bis 50 kW bei 4 Ct/kWh für die Dauer von 60 000 Vollbenut­zungsstunden, wenn die Anlage bis zum 31. 12. 2022 ihren Dauerbetrieb aufgenommen hat.
Für den von der KWK-Anlage erzeugten und in das Netz der allgemeinen Versorgung eingespeisten Strom erfolgt eine Vergütung nach dem KWK-Gesetz vom örtlichen Stromnetzbetreiber in der Höhe von 8 Ct/kWh.
Zusätzlich erhält der Anlagenbetreiber für den verkauften Strom eine Vergütung nach KWK-Gesetz, die sich nach dem durchschnittlichen Baseload-Strom der Strombörse EEX (www.eex.de) in Leipzig im jeweils vorangegangenen Quartal richtet. Hinzu kommen die vermiedenen Netznutzungsentgelte. Hierzu sind weitere Informationen beim örtlichen Netzbetreiber erhältlich.

Autor: Matthias Kabus, Energieagentur NRW, Wuppertal

www.bafa.de
www.brennstoffzelle-nrw.de
www.energieagentur.nrw.de
www.kfw.de
www.foerder-navi.de
www.eex.de

Beispielrechnung

Zum Einsatz soll ein Erdgas-BHKW mit einer elektrischen Leistung von 5 kW, einer thermischen Leistung von 12 kW und einer Leistungsaufnahme von 20 kW kommen. Der Gaspreis liegt bei 6 Ct/kWh und der Strompreis bei 26 Ct/kWh. Die Eigennutzung des erzeugten Stromes liegt bei 70 %.

Betriebskosten
Brennstoff 20 kWth · 6 Ct/kWh
= 1,20 Euro/h
Wartung 5 kWel · 3 Ct/kWh
= 0,15 Euro/h
Summe = 1,35 Euro/h

Einsparungen
Strom Eigennutzung
5 kW · 0,7 · 26,0 Ct/kWh = 0,91 Euro/h
Strom Einspeisung
5 kW · 0,3 · 3,5 Ct/kWh = 0,05 Euro/h
Wärme
12 kW · 6 Ct/90% = 0,80 Euro/h
Energiesteuer
20 kW · 0,55 Ct/kWh = 0,11 Euro/h
KWK-Zuschlag (Eigennutzung)
5 kW · 0,7 · 4,0 Ct/kWh = 0,14 Euro/h
KWK-Zuschlag1 (Einspeisung)
5 kW · 0,3 · 8,0 Ct/kWh = 0,12 Euro/h
Summe = 2,13 Euro/h

Stündliche Einsparung: 0,78 Euro

Notwendige Betriebsstunden für den wirtschaftlichen Betrieb
Die Investitionskosten inkl. Förderung betragen ca. 30 000 Euro. Bei 10 Jahren technischer Nutzungszeit müssen mindestens pro Jahr 3000 Euro Gewinn eingefahren werden. Bei einem Gewinn von 0,78 Euro/h hat sich die Anlage nach rund 38 500 Vollbenutzungsstunden (Vbh) refinanziert. Danach wird ein Überschuss mit 0,78 Euro/h erwirtschaftet. Da der KWK-Zuschlag nur bis 60 000 Vbh gezahlt wird, verringert sich der Überschuss danach auf 0,52 Euro/h¹). Bei Einbeziehung der Kapitalkosten erhöhen sich die notwendigen Betriebsstunden entsprechend.
Pro Betriebsstunde werden durch die BHKW-Anlage 2,34 kg CO2-Emissionen eingespart. Bei 60 000 Vbh sind es rund 140 t pro Jahr.

EEG-Umlage
Für KWK-Anlagen über 10 kWel mit fossilen Brennstoffen ist für den Eigenverbrauch erzeugten Strom ab dem
1. August 2014 eine anteilige EEG-Umlage an den Netzbetreiber zu zahlen. Ab 2017 beträgt sie 40 % der jeweils fälligen EEG-Umlage. Da die EEG-Umlage immer erst Ende Oktober für das kommende Jahr festgelegt wird, ist hier eine Kostenabschätzung über mehrere Jahre nur schwer möglich. Der Satz erhöht sich auf 100 % der EEG-Umlage, wenn die KWK-Anlage weder hocheffizient ist und nicht einen Monats- oder Jahresnutzungsgrad von mindestens 70 % erreicht oder der Eigenversorger seine Meldepflicht bis zum 31. Mai des Folgejahres nicht erfüllt hat.
Anlagen bis 10 kWel sind für 10 000 kWh pro Jahr von der EEG-Umlage befreit. Ist der jährliche Eigenverbrauch von erzeugtem Strom höher, so sind die oben aufgeführten Umlagen für den Stromanteil über 10 000 kWh/a zu zahlen.

Beispielrechnung
Hat die KWK-Anlage eine elektrische Leistung über 10 kW, so sind die oben genannten Sätze für den selbst verbrauchten Strom zu zahlen und mit zu den Ausgaben zu addieren. Beispielsweise ist für eine Anlage mit 20 kWel und eine Eigennutzung des erzeugten Stromes von 70 % eine EEG-Umlage für 2017 in Höhe von ca. 0,38 Euro/h zu zahlen:
20 kW · 0,7 · 0,0688 Euro/kWh · 0,4 = 0,38 Euro/h
Für 2018 und Folgejahre kann eine Berechnung noch nicht erfolgen, da die Höhe der EEG-Umlage noch nicht feststeht.
Für Anlagen kleiner als 10 kWel muss die jährliche eigenverbrauchte Strommenge ermittelt und der Anteil über 10 000 kWh mit der EEG-Umlage belas­tet werden. Beispiel für 2017: BHKW
mit 5 kWel, jährliche Betriebsstunden 5000, Eigennutzung 70 %, EEG-Umlage 6,88 Ct/kWh.
   5 kW · 5000 h · 0,7 = 17500 kWh
– 10000 kWh
= 7500 kWh
7500 kWh · 0,0688 Euro/kWh · 0,4
= 206,40 Euro

¹) Alle Werte beziehen sich auf eine statische Berechnung ohne Energiepreissteigerungen.