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KWK, Wärmepumpen und Energiekonzepte für Immobilien

 

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

und Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG)

 

  1. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

KWK-Anlagen produzieren gleichzeitig Strom und Wärme und Stand 2020 haben sie etwa 20% der Stromerzeugung in Deutschland sichergestellt. Im Wettbewerb mit der Stromerzeugung in sogenannten Großkraftwerken (Kondensationskraftwerken, mit Kohle und Kernenergie) hatten KWK-Anlagen große Vorteile. Der Aufbau von Fernwärmenetzen war fast immer mit dem Bau von KWK-Anlagen verbunden. Nur dadurch konnte Fernwärme seine großen ökologischen Vorteile sicherstellen.

Wie der nachfolgenden Grafik über die KWK-Stromerzeugung in Deutschland der Jahre 2003 bis 2019 entnommen werden kann, konnte die KWK nicht den großen Durchbruch in der Stromversorgung der Bundesrepublik sicherstellen. Die Gründe lagen in dem politisch gewollten Vorrang für Kohle- und Kernkraftwerke.

Zukünftig werden KWK-Anlagen nur noch eine Berechtigung haben, wenn folgendes erfüllt wird:

  • Umstellung der Brennstoffe auf erneuerbare Brennstoffe, wie z.B. Grüner Wasserstoff, Grünes Methan und Grünes Ammoniak.
  • Kopplung mit Speichertechnologien wie z.B. Power-to-Heat.
  • Erweiterung der Wärmenetze um Kältenetze und Flexibilisierung der KWK-Stromerzeugung durch Absorptions- und Kompressionskältetechnik
  • Einkopplung von Niedertemperaturwärme aus Solarthermie
  • Einbeziehung von Industrieabwärme in die KWK-Wärmenetze
  • Beitrag zur Flexibilisierung der Stromerzeugung durch Einsatzoptimierung
  1. Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz – KWKG)

Das KWKG 2000 hieß nur: Gesetz zum Schutz der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung. Bei den nachfolgenden Änderungen und Erweiterungen ab dem Jahr 2002 wurde auch die Erhaltung, die Modernisierung und der Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung im Gesetz verankert.

Hintergrund für das KWKG 2000 war noch die wirksame Trennung von Stromerzeugung und Stromnetz. Die großen Stromverbundunternehmen in Deutschland wie E.ON, RWE und EnBW betrieben auch ihre lukrativen großen Kondensationskraftwerke mit Kohle und Kernkraft und hatten kein Interesse, dezentral erzeugten KWK-Strom in ihre Netze aufzunehmen. Um die effiziente und ressourcenschonende KWK zu schützen, wurde im KWKG 2000 die Abnahme des Stroms in die Netze und eine Mindestvergütung von 4,6 Cent pro Kilowattstunde aufgenommen.

Die großen Konflikte mit den großen Stromverbundunternehmen, aber auch der politische Wille, die KWK zum Durchbruch zu verhelfen führten zum KWKG 2002, KWKG 2009, KWKG 2012, KWKG 2016, KWKG 2017 und zum KWKG 2020. Von einstmals sieben Paragraphen beim KWKG 2000 ist die Regelungsdichte nicht nur auf 37 Paragraphen angewachsen, sondern es wurden auch eine Fülle weiterer Verordnungen erlassen, wie zum Beispiel:

  • Verordnung zur Einführung von Ausschreibungen zur Ermittlung der Höhe der Zuschlagszahlungen für KWK-Anlagen und innovative KWK-Systeme, vom 10.8. 2017.

Eine KWKG-Novelle zum KWKG 2020/2021 liegt jetzt vor, mit folgenden wesentlichen Eckpunkten:

  • Die Geltungsdauer des Gesetzes soll bis Ende 2029 verlängert werden.
  • Die KWK-Förderung soll auf 3500 Vollbenutzungsstunden/a begrenzt werden.
  • Bonusgewährung für innovative erneuerbare Wärme.
  • Bonusgewährung für elektrische Wärmeerzeuger
  • Bei der Wärmenetzförderung soll unabhängig vom Durchmesser der Fernwärmeleitungen ein Zuschlag von 40% der ansatzfähigen Investitionskosten von Wärmenetz und Tiefbaukosten gewährt werden.

Insbesondere der letzte Punkt ist sehr wichtig, um den weiteren Ausbau der KWK zu gewährleisten.

Innovative Kraft-Wärme-Kopplung bzw. iKWK-System

 

Im Rahmen des Änderungsgesetzes zum KWKG 2016 ist die Förderung von innovativen KWK-Systemen für Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 1-50 MW mit Wirkung zum 1.7. 2017 eingeführt worden.

Hintergrund des Gesetzes ist die Flexibilisierung von KWK-Anlagen und die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Wärmeproduktion.

Folgende Wärmetechniken gehören zu einem derartigen System:

  • Solarthermische und geothermische Systeme, wie in der Grafik abgebildet sind.
  • Elektrisch angetriebene Wärmepumpen.
  • Direkte Wärmeerzeugung durch Strom im Elektrokessel
  • KWK-Anlage
  • Zentrale Steuerung und Regelung des innovativen KWK-Systems

Grundlage für den Zuschlag von innovativen KWK-Systemen ist die Teilnahme an einer Ausschreibung der Bundesnetzagentur, wobei der Bieter ein Angebot für den KWK-Zuschlag unterbreitet.

Die nachfolgende Grafik zeigt ein Projekt, dass einen Zuschlag der Bundesnetzagentur erhielt.

    Intelligente KWK

     

    Die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme in einem Prozess, die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eines der effizientesten Verfahren, um kostengünstig und ressourcenschonend Strom und Wärme herzustellen. Insbesondere von den großen Stromverbundunternehmen E.ON, RWE und EnBW wurde die KWK bekämpft, weil sie die Stromerzeugung in großen Kondensationskraftwerken (Wirkungsgrad ca. 30 bis 36%) mit Steinkohle, Braunkohle und Kernenergie störte. Die KWK-Stromerzeugung (Grafik 1) konnte deshalb in den letzten 20 Jahren nie mehr als 15 – 20% an der gesamten Stromerzeugung in Deutschland erreichen.

    Aus der Grafik 2 wird deutlich, dass die hohen Verluste aus Kondensations-Stromerzeugung mit 60 bis 70% bei der KWK vermieden werden, weil hier die Abwärme aus der Stromerzeugung sinnvoll genutzt wird. Aus der Grafik wird aber auch deutlich, dass dann, wenn die großtechnische Stromerzeugung aus Kohle und Kernkraft endet, die großen Vorteile der KWK dann auch entfallen. Deshalb wird bereits die Frage diskutiert, ob wir die KWK zukünftig noch brauchen. Um diese Frage beantworten zu können, muss die zukünftige Energieversorgung in Deutschland betrachtet werden.

    Um die Vorgaben des Pariser Klimaschutzabkommen einhalten zu können, müssen wir in Deutschland bis 2040, spätestens bis zum Jahr 2045 klimaneutral sein, d.h. unsere Emissionen an Kohlendioxid auf annährend Null senken. Dies bedeutet ein massiver Ausbau der Erneuerbaren Stromerzeugung um mindestens das 4-fache und die Umstellung vieler fossilen Prozesse auf Erneuerbaren Strom bzw. Erneuerbare Kraftstoffe wie z.B. Wasserstoff und Bio-Methan (Grünes Erdgas).

    Nun wäre es für die KWK nicht damit getan, einfach nur fossile Kraftstoffe gegen Erneuerbare Kraftstoffe auszutauschen. Bei der Gebäudebeheizung stünde die KWK dann im Wettbewerb mit Wärmepumpen, die mit Erneuerbarem Strom betrieben würden. Diesen Wettbewerb könnte die KWK kaum gewinnen, weil die KWK in diesem Bereich eher in der Quartier- oder Fernwärmeversorgung eingesetzt wird.

    Ein erster Schritt in die zukünftige KWK-Stromerzeugung ist die Umsetzung von innovativen KWK-Systemen, sogenannte i-KWK-Systeme, die im Rahmen des KWK-Gesetzes zusätzlich gefördert werden (Grafik 3). In diese KWK-Systeme werden neben Solarthermie auch warme Erdquellen eingespeist und über zentrale Wärmepumpen für einen Teil der Wärmeversorgung verfügbar gemacht. In der Grafik ist aber auch ein Elektrokessel dargestellt, der überschüssigen Strom aus der Erneuerbaren Stromerzeugung aufnehmen kann und ihn direkt in Wärme umwandelt. Eine zentrale Steuerung und Regelung soll die Gesamtanlage optimieren.

    An dieser Stelle wird es jetzt spannend. Eine Vor-Ort-Optimierung von Systemen kann auf der Bundesebene kontraproduktiv sein.

    Die beigefügte Grafik 4 über Residuallast und Sektorenkopplung (Grafik 5) zeigen, dass wir durch den starken Anstieg der fluktuierenden Stromerzeugung, insbesondere aus Wind und Photovoltaik ein komplexes System bekommen, deren Stabilität entscheidend davon abhängig sein wird, wie dies bundesweit gesteuert und optimiert wird. Die KWK-Stromerzeugung kann darin eine wesentliche Rolle spielen, wenn die Flexibilitätsoptionen zukünftiger KWK-Anlagen folgendes erfüllen bzw. folgende Voraussetzungen erfüllt werden können:

    • Präqualifikation der KWK-Anlagen und bundesweite Vernetzung, damit auf Grund der bundesweiten Situation gezielt in die Anlagen eingegriffen werden kann.
    • Optimierungsoptionen wie Wärmepumpen, Spitzenkessel und Elektrokessel sowie insbesondere thermische Speicher müssen die Versorgung auch dann sicherstellen können, wenn z.B. das Blockheizkraftwerk für längere Zeit abgeschaltet würde.
    • Die Beiträge, die z.B. derartige KWK-Anlagen zur sicheren Stromversorgung in Deutschland beitragen, müssen durch ein transparentes System zum Einsatz von Stromspeichern und Anlagen zur Primär- und Sekundärregelung abgesichert werden.

    Diese zukünftigen KWK-Anlagen, die natürlich mit Erneuerbaren Kraftstoffen gefahren werden, werden durch diese Einsatzoptimierung und durch den Einsatz künstlicher Intelligenz zu intelligenten KWK-Anlagen.

    Die bevorzugten Einsatzbereiche für KWK-Anlagen zeichnen sich damit wie Folgt ab:

     

     

    1. Industrielle KWK-Anlagen mit Prozessdampferzeugung.

    Wie der Grafik 5 entnommen werden kann, gibt es eine Fülle von KWK-Konzepten für Gewerbe und Industrie. Zunächst steht immer die geforderte Prozesstemperatur im Vordergrund. Insbesondere in der Lebensmittelindustrie sowie bei Brauereien und in der Getränkeindustrie reichen Temperaturen bis 200 Grad C um z.B. mit Sattdampf Flaschen zu reinigen. Hier kommen noch Motorkonzepte mit nachgeschaltetem Dampferzeuger in Betracht. Bei höheren Temperaturen bis 550 Grad C sind Dampfturbinen, Gasturbinen und auch GuD-Kraftwerke im Einsatz.

    1. Quartiers- und Fernwärmeanlagen

    Bei Fernwärmeanlagen können Motor-KWK-Anlagen ihre ganzen Vorteile ausspielen, und damit einen großen Beitrag für die zukünftige Energieversorgung leisten. Dies aber nur in Zusammenhang mit den dargestellten Flexibilisierungsmaßnahmen wie z.B. Elektrokessel und auch Groß-Wärmepumpen. Folgende spezifische Vorteile zeichnen große Motor-KWK-Anlagen aus:

    • Motoren im kleinen und großen Leistungsbereich können aus dem kalten Zustand in der Regel in wenigen Minuten auf Volllast gefahren werden.
    • Große Motoren, ausgeführt mit Katalysator oder in Magermotortechnik haben sind in der Lage hohe Laständerungsgeschwindigkeiten zu realisieren, die gerade bei den zukünftigen Aufgaben im bundesdeutschen Last-Management gefordert sind.
    • Motor-KWK-Anlagen sind in der Regel modular aufgebaut, z.B. werden 2-4 Motoren zu einem Kraftwerk zusammengeschaltet. Diese Anlage können dann gezielt die geforderte elektrische Last über die einzelnen Motor-Module und über eigenes Lastmanagement ideal an die Anforderungen angepasst werden.

    Unter den dargestellten Voraussetzungen hat sie KWK insbesondere in den mittleren und großen Städten ihre Berechtigung, wenn dort in erheblichem Umfang die Städte mit Fernwärme erschlossen werden. Diese neuen Fernwärmeanlagen werden auch nach der KWKG-Novelle im Jahr 2021 mit 40% der ansatzfähigen Investitionskosten gefördert.

    Abschließend muss bezüglich der zukünftigen Entwicklung festgestellt werden, dass intelligente KWK-Anlagen für die neue Energiewirtschaft unverzichtbare Bestandteile sind, die insbesondere die notwendigen großen Investitionen in Stromspeicher deutlich reduzieren können.

      Grafik 1: KWK Stromerzeugung 2003 bis 2019

        Wärmeversorgung von Immobilien in Deutschland

         

        Die Bevölkerungsentwicklung und damit der Bedarf an Wohnungen und Energie spielen keine herausragende Rolle, müssen aber im Gesamtzusammenhang beachtet werden. Die nachfolgenden Daten sind der BDI-Studie „Klimapfade für Deutschland“ entnommen und Daten des Statistischen Bundesamtes wurden verwendet.

        2020 2030 2040 2050

        Bevölkerung in Mio. 83,2 83,1 80,7 77,6

        Haushalte in Mio. 41,6 42,1 42,2 41,4

        Wohnfläche in Mrd. qm 3,65 3,76 3,86 3,97

        Wohnfläche/EW in qm 41,47 45,25 47,83 51,16

        Beschäftigte in Mio. 45,6 43,2 40,8 39,1

        BSP in Mrd. Euro 2678 3092 3476 3835

        BSP Anstieg 100% 115,5% 129,8% 143,2%

         

        EW = Einwohner BSP = Bruttoinlandsprodukt

         

        Aus den vorgenannten Zahlen kann entnommen werden, dass die Bevölkerungszahlen tendenziell sinken und damit auch die Beschäftigungsentwicklung analog abnimmt.

        Nach wie vor steigen die spezifischen Wohnflächen pro Einwohner auf über 51 qm Wohnfläche pro Einwohner.

        Bei der Beheizung im Wohnungsneubau hat sich in den letzten 10 Jahren ergeben, dass die Fernwärme tendenziell zunimmt und die Elektro-Wärmepumpen zu Lasten der Erdgasheizung sich leicht verringert.

        Die aktuelle Beheizungsstruktur aller Wohnungen zeigt allerdings immer noch einen Heizöl-Anteil von fast 25%, der bis zum Jahr 2050 vollständig abgebaut wird.

        Nachfolgend ist dargestellt, dass wir in Deutschland nach einer Studie von „The Boston Consulting und Prognos“ im Auftrag des Bundesverbandes der deutschen Industrie (BDI) etwa 9,4 Mrd. qm zu beheizenden Flächen haben, die bei abnehmender Bevölkerung in etwa auch im Jahr 2050 beheizt werden müssen.

        In der Grafik der Beheizungsstruktur 2020 wird deutlich, dass die Energieträger Heizöl und Erdgas noch fast 75% zur Beheizung dieser Flächen beitragen und dafür ein Energiebedarf von über 700 TWh benötigt wird.

        Es darf sicherlich bezweifelt werden, wenn in vielen Studien prognostiziert wird, dass diese Struktur in 20 Jahren durch 20 Mio. Wärmepumpen ersetzt werden. Wie eine nachfolgende Grafik zeigt, sind in den letzten 5 Jahren bei Neubauten in Deutschland weniger als 20000 Wärmepumpen verbaut worden. Gegenüber den prognostizierten 20 Mio. Wärmepumpen sind das nur 0,1%.

        Einerseits befinden sich in vielen Gebäuden noch Hochtemperatursysteme mit typischerweise 70 bis 80 Grad Celsius Vorlauftemperaturen, so dass wahrscheinlich die Anzahl der prognostizierten Wärmepumpen nicht erreicht wird und dies zu Gunsten des Ausbaus der Fernwärme erfolgt. Damit verbunden wäre dann auch der Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung mit Wärmespeichern auf der Basis z.B. von Bio-Methan, so dass dadurch auch ein wesentlicher Beitrag zur Flexibilisierung der Stromversorgung erfolgen könnte. Bezüglich der Steuerung der elektrischen Last in Deutschland tragen Wärmepumpen nicht zur Flexibilisierung der Energieversorgung bei. Dafür liegen die Wirkungsgrade bzw. Nutzungsgrade von Wärmepumpen auf einem nicht zu schlagenden Niveau. Deshalb wird sich eine Mischung zwischen erneuerbaren und flexiblen Fernwärmesystemen und Wärmepumpensystemen sowie Heizungen mit grünem Erdgas ergeben.

        Die prognostizierte Halbierung des Endenergieverbrauches wird aber nur gelingen, wenn die Sanierungsraten bei Gebäuden zwischen 1 und 2%/a liegen und damit Mrd.-Investitionen für den Bereich der Alt-Immobilien in Deutschland notwendig werden. Dabei wird es ganz wesentlich darauf ankommen, wie die dafür notwendigen Förderprogramme gestaltet werden, um Erfolg zu haben.

          Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Immobilien

          Die KWK ist eine Effizienztechnologie, die etwa 20% der Stromerzeugung in Deutschland realisiert. Die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme bringt gegenüber den beherrschenden Kondensationskraftwerken von Kohle und Kernkraft, mit über 80% Gesamtwirkungsgrad, große Effizienzvorteile.

          Wenn jetzt die Großkraftwerke sukzessive vom Netz gehen, muss sich die KWK deutlich verändern, wenn sie ihre Berechtigung im Strom- und Wärmemarkt behalten will. In einem Strommarkt der fluktuierenden Erzeugung Erneuerbarer Energien kann die KWK eine große Rolle spielen, wenn sie mit erneuerbaren Brennstoffen betrieben wird und Flexibilitätsoptionen bei der Wärme- und Stromerzeugung anbietet. Die zukünftige Förderung der KWK wird auf diese flexiblen Fahrweisen abheben und dadurch wird die Fernwärme mit KWK in den Städten zukünftig eine bedeutende Rolle spielen. Außerdem wird das System KWK/Fernwärme zukünftig vermehrt Solarwärme und (industrielle) Abwärme integrieren.

            Geothermie

            Nachfolgend wird eine erneuerbare Wärmequelle am Beispiel der Erdwärme Grünwald GmbH dargestellt. Über eine Wärmetrasse von 5,3 km kann vom Standort der Geothermie-Anlage in Oberhaching-Laufzorn eine Fernwärmeleistung von rd. 20 MW transportiert werden. Seit dem Jahr 2013 wird die Fernwärmeversorgung betrieben und seit dem Jahr 2014 das ORC-Kraftwerk. Das Kraftwerk stellt eine elektrische Leistung von 3500 KW zur Verfügung.

            Mittlerweile werden in Grünwald mehr als 1100 Fernwärmekunden mit der umweltfreundlichen Wärme versorgt.

              Aufbau einer Fernwärmeversorgung im Rahmen einer Neugründung eines Stadtwerkeunternehmens in Bad Neuenahr-Ahrweiler

               

              Im Jahr 2010 wurde in der Stadt Bad Neuenahr-Ahrweiler mit den Ahrtal-Werken GmbH ein neues Stadtwerkeunternehmen gegründet, das sich neben der Übernahme der örtlichen Strom- und Gasnetze mit dem Aufbau eines Fernwärmenetzes beschäftigte. Folgendes wurde dabei realisiert:

              • Ein bestehendes und unwirtschaftliches Dampfnetz einschließlich Kesselhaus wurde von der ehemaligen Kur-Aktiengesellschaft übernommen. Das Dampfnetz wurde auf Fernwärme umgerüstet.
              • In der Kurstadt Bad Neuenahr-Ahrweiler konnten viele neue Fernwärmekunden aus dem Bereich REHA, Hotels, Bäder, kommunale Einrichtungen und Schulen gewonnen werden.
              • Im Rahmen der Landes-Gartenschau wird z.Z. ein zweites großes BHKW errichtet, um aus diesem Kraftwerk dann vorrangig die Innenstadt mit Fernwärme erschließen zu können.
              • Innerhalb von 8 Jahren wurde ein Fernwärmeabsatz von mehr als 35.000 MWh/a und eine Stromerzeugung von rd. 24.000 MWh erreicht.

              Flexible und effiziente Wärme- und Stromerzeugung mit Großwärmepumpen und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (KWK-Anlage).

               

              Eine Wärmepumpe bzw. ein Wärmetransformator kann ein niedriges Wärmeniveau auf ein Nutzwärmeniveau anheben und so ein Fernwärmenetz mit Wärme versorgen. Der Strom für die Verdichtung (Kompressor) wird insbesondere bei Stromüberschuss z.B. durch Windkraftanlagen aus dem Stromnetz zugeführt. Besteht kein Stromüberschuss wird die Wärme durch eine KWK-Anlage (Blockheizkraftwerk) geliefert und gleichzeitig wird Überschussstrom ins öffentliche Stromnetz eingeleitet. Natürlich können auch beide Wärmeerzeuger parallel und unter optimalen Bedingungen im Teillastbetrieb gefahren werden. Die Effizienzvorteile liegen bei über 60% gegenüber einer reinen Wärmeerzeugung in einer Kesselanlage.

              Diese technischen Lösungen sind insbesondere reinen Lösungen mit Wärmepumpen deutlich überlegen.

              ärme-, Kälte und Stromversorgung mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

               

              Der Energiebedarf in Verwaltungsgebäuden von z.B. Banken, Versicherungen und Verwaltungen ist sehr unterschiedlich, was den Betrieb im Winter oder im Sommer betrifft. Während der Strombedarf ganzjährig in etwa stabil ist, wird im Winter viel Wärme und im Sommer viel Kälte benötigt.

              Insbesondere bei den zukünftigen Anforderungen an die Energiesysteme, eine hohe Flexibilität sicherzustellen, bieten sich Systeme der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung an. In den nachfolgenden Grafiken sind Systeme dargestellt, wie Energieversorger mit unterschiedlichen Stromerzeugungsanlagen und unterschiedlichen Kälteerzeugungsanlagen hochflexible Systeme mit folgenden Vorteilen anbieten können:

              • Die unterschiedlichen Stromerzeugungsanlagen in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) können mit unterschiedliche Strom- und Wärmeerzeugungskennziffern flexibel sowohl die Sommerlast als auch die Winterlast beherrschen.
              • Die Kälteproduktion wird im Sommer tendenziell eher durch Absorptionskälteanlagen (AKA) oder bei Stromüberschuss durch Kompressionskälteanlage (KKA) sichergestellt.
              • Insbesondere durch die Einbindung dieses Systems in ein bundesweites Last-Managementsystem sind erhebliche Synergieeffekte möglich.
              • Der Kunde kann sowohl bei den Strompreisen als auch bei den Wärme- und Kältepreisen von dem System profitieren. 
              • Bei den flexiblen Systemen sind Optimierungen auf der Gebäudeebene vorgesehen.
              • Eine Integration der flexiblen Systeme in eine überörtliche Optimierung ist natürlich möglich.