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Kraft-Wärme-Kopplung

Von der fossilen Effizienztechnologie zu einer neuen Rolle in der Wärmewende

Autor:innen: ; Huber, Michael; Clausen, Jens; Ehrhardt, Helge; Gerhards, Christoph; Hoffmann, Rana; Klafka, Peter; Köhne, Anja; Linow, Sven; Seifert, Thomas

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung                                                                                                                4

2 Kernaussagen                                                                                                         5

3 Was ist eigentlich Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)?                                          6

4 Dezentrale KWK: Ist-Stand                                                                                   8

5 Dezentrale KWK – zukünftige Bedeutung                                                       10

6 KWK und Biogasanlagen                                                                                     11

7 Sonderfall Wasserstoff-Brennstoffzellen-KWK                                               13

8 KWK in einem regenerativen Energiesystem                                                  14

9 Was kann die Gemeinde unternehmen?                                                         16

10 Quellen                                                                                                                17

1 Einleitung

Von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) spricht man, wenn die Energie eines Energieträgers gleichzeitig für die Erzeugung von Elektrizität und Wärme genutzt wird. Es ist also eine Technologie zur effizienten Nutzung von Brennstoffen. Brennstoffe für KWK können fossil sein, wie Erdgas, Erdöl oder Kohle, sie können auch regenerativ sein, wie z. B. Biogas und biogene Feststoffe oder auch grüner Wasserstoff und grünes Methan.

KWK wird in Zukunft, in einem zu ca. 95% auf erneuerbaren Energien beruhenden Energieversorgungssystem, nur noch einen Bruchteil dieser Brennstoffe nutzen können. Damit wird sich die Rolle der KWK ändern müssen und KWK wird eher im Bereich der Reserve-Stromversorgung eine kleinere, aber nach wie vor wichtige Rolle spielen. Diese anstehenden Veränderungen betreffen unterschiedliche Anwendungen der KWK in unterschiedlichem Maße, je nachdem in welchen Leistungsklassen und für welche Zwecke KWK heute und zukünftig eingesetzt wird:

• Derzeit gibt es ca. 50 große Heizkraftwerke – also KWK-Kraftwerke – mit jeweils über 50 MW elektrischer Leistung (Umweltbundesamt, 2022) mit teils mehreren Kraftwerksblöcken. Diese werden überwiegend noch mit Steinkohle und Braunkohle betrieben, wenige arbeiten mit kombinierten Gas- und Dampfturbinen (GuD). Sie erzeugen Elektrizität für das Stromnetz und gleichzeitig Wärme für lokale, meist größere Fernwärmenetze.
• Es gibt mehr als 61.000 mittelgroße und kleinere Heizkraftwerke, sog. Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotor oder kleiner Gasturbine, die für einzelne Unternehmen, Gebäude oder Quartiere Strom und Wärme erzeugen (Statista, 2022). Viele dieser BHKW dienen in Industriebetrieben zur Eigenerzeugung von Elektrizität und Prozesswärme. Diese BHKW werden fast alle mit fossilem Erdgas betrieben. Nur etwa 700 oder etwa 1 % davon werden mit biogenen Feststoffen aller Art beheizt (Kirchner, 2015).
• Eine besondere Rolle spielen die ca. 9.000 Biogasanlagen in Deutschland mit BHKW mit einer durchschnittlichen elektrischen Leistung von knapp 0,5 MW, deren Abwärme größtenteils ungenutzt bleibt, da potenzielle Wärmekunden zu weit entfernt sind (FNR, 2021, 2022; Rutz, 2015).

Was geschieht nun mit diesen KWK-Anlagen, wenn es immer weniger Brennstoffe gibt, die in einem CO₂-freien Energiesystem genutzt werden können? Welche dieser Anlagen benötigen wir in einem regenerativen Energiesystem der Zukunft, z.B. zur Stabilisierung der Versorgung in Zeitabschnitten mit geringem Angebot an regenerativem Strom? Und in welchem Maße werden synthetische Brennstoffe wie grüner Wasserstoff oder grünes Methan einen Weiterbetrieb möglich machen? Müssen zusätzliche GuD und BHKW auf Basis CO₂-freier Brennstoffe zugebaut werden oder vorhandene umgerüstet oder abgebaut werden, da keine Brennstoffe für sie bereitgestellt werden können? Wie stark sind die Geschäftsmodelle der KWK-Betreiber betroffen? Dieses Policy Paper will diese Fragen beantworten.

2 Kernaussagen

Die effiziente, gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gehört seit den 1970er Jahren zum ökologischen Programm der Energiewende. Deshalb wurde KWK auch seit 2002 massiv gefördert. Zu diesem Zeitpunkt galt die relative Verminderung von CO₂-Emissionen noch als ein wirksamer Baustein der Klimapolitik. Heute müssen wir, um das 1,5 °C-Ziel zu erreichen, bis 2030 nicht nur die Kohleverstromung völlig einstellen, sondern den Erdgasverbrauch halbieren und in wenigen weiteren Jahren völlig beenden. Eine Neuinvestition in die Grundlasterzeugung von Strom und Wärme auf Erdgasbasis ist nicht mit den Klima-Regularien in Deutschland zu vereinbaren (Oei et al., 2019). Das heißt, durch das Pariser Klimaabkommen und die Weiterentwicklung zu einem regenerativen Energiesystem haben sich wesentliche Randbedingungen verändert, so dass KWK heute neu bewertet werden muss.

• Prinzipiell gilt: Wenn bei der Erzeugung von Elektrizität auch Wärme anfällt, sollte diese Wärme möglichst vor Ort genutzt werden. Unter diesem Aspekt bleibt KWK in einer CO₂-freien Zukunft sinnvoll, wenn auch in stark reduziertem Maßstab.
• Große, moderne GuD-Kraftwerke werden auch in Zukunft zur Erzeugung von Strom in Zeitabschnitten benötigt, in denen Windenergie und Sonnenstrom nicht in ausreichender Menge vorhanden sind (Dunkelflaute). Der Energiebedarf dieser Reservekraftwerke wird durch grünen Wasserstoff oder daraus hergestelltes synthetisches Methan gedeckt werden müssen. Ein Anschluss dieser großen Kraftwerke an geeignete Pipelines wird daher notwendig sein. Bei diesen dann strombedarfsgeführten Kraftwerken ist KWK nur noch zur temporären Einspeisung der Abwärme in Wärmenetze möglich. Zur Abdeckung der Wärmegrundlast der Wärmenetze können diese Reservekraftwerke zukünftig nicht sinnvoll eingesetzt werden. Für die Grundlast der Fernwärmenetze müssen neue, regenerative Wärmequellen erschlossen werden.
• Durch den zu erwartenden Rückbau großer Teile des Erdgas-Verteilnetzes werden etliche bestehende kleine, dezentrale KWK-Anlagen und BHKW keinen Zugang mehr zu Brennstoff haben. Dennoch können einige dieser BHKW (evtl. auch Brennstoffzellen-Anlagen) als Teil eines Energie-Insel-Konzepts weiterhin eine wichtige Rolle für die Netzstabilität und die Versorgungssicherheit mit Elektrizität spielen: Durch den Einsatz von lokal erzeugtem und gespeichertem Wasserstoff könnten sie sowohl lokale Spitzenlast bereitstellen als auch EE-Strommangelzeiten überbrücken.
  Derzeit erscheint dies oft noch unwirtschaftlich, ist aber bei sukzessiver Umsetzung in Zukunft realisierbar (siehe die weiter unten erwähnte Beispiele). Auch eine Gleichstellung von Privatpersonen, Energiegenossenschaften, sowie kleinen und mittleren Unternehmen mit Energieversorgungsunternehmen bei der Eigenstromerzeugung und -speicherung wird dies unterstützen.
• Auch die Funktion von biogas-basierter KWK wird sich ändern: Durch den Klimawandel und in Anbetracht der ökologischen Anforderungen an die Landwirtschaft mit dem Primat der Lebensmittelversorgung wird der Anbau von Energiepflanzen zurückgehen, so dass deutlich weniger Biogas zur Verfügung stehen wird. In den nächsten Jahren könnte sich allerdings der Betriebsmodus von Biogasanlagen von Grundlast- zu Mittellasterzeugung verschieben.
• KWK, die mit Gas aus Abfallbehandlung, Kläranlagen, Grubengasen oder industriellen Reststoffen versorgt wird, stellt eine eigene Gruppe dar. Ein Zubau von Anlagen auf der Grundlage dieser Gase kann dort sinnvoll sein, wo ungenutzte Abfall-Potenziale wie Faulschlamm aus Kläranlagen oder aus der anaeroben Kompostierung von Bioabfall bestehen.

Für die Kraft-Wärme-Kopplung kündigt sich also an, dass sich ihre in den letzten 40 Jahren etablierte Rolle in der Strom- und Wärmeversorgung grundlegend ändert. Das Ziel der Dienlichkeit für das Stromnetz wird für den Betrieb von KWK-Anlagen deutlich wichtiger werden als das Ziel der Maximierung der effizienten Nutzung von Brennstoffen. In Zukunft wird unausweichlich die Verbrennung nur noch eine begrenzte Rolle in der Stromversorgung spielen dürfen.

3 Was ist eigentlich Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)?

Grundprinzip: Eine Anlage der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt den eingesetzten Brennstoff zunächst zum Antrieb eines Generators, der Elektrizität erzeugt, und verwertet die unvermeidliche Abwärme für die Versorgung eines Wärmeabnehmers. Früher war Kraft-Wärme-Kopplung eine Möglichkeit, die Effizienz der Nutzung fossiler Energieträger, wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas oder Heizöl, in Kraftwerksanlagen zu verbessern. Die reine Erzeugung von Elektrizität in Kraftwerken erreicht einen energetischen Wirkungsgrad von 30 % bis ca. 45 %. Durch die zusätzliche Nutzung der Abwärme können weitere 40% oder mehr der Energie aus den Energieträgern genutzt werden. Damit wird insgesamt über 80 % der eingesetzten fossilen Energie nutzbar. Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. stellt den Unterschied zwischen einem KWK-Kraftwerk und der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme wie in Abbildung 1 gezeigt dar.

Eignung verschiedener Kraftwerkstypen für KWK: Bezüglich der Eignung für KWK unterscheiden sich die verschiedenen Kraftwerkstypen. Häufig genutzt werden Kohlekraftwerke, da sie mit Dampfturbinen arbeiten, die zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads (Stromwirkungsgrad bis 47%) den Dampf nach Durchströmen der Turbine kondensieren müssen. Statt diese Abwärme über Kühltürme in die Umgebung abzugeben ist die weitgehende Übernahme in ein Wärmenetz ohne besonderen Aufwand gut möglich. Gut geeignet sind auch besonders effiziente GuD-Kraftwerke (Stromwirkungsgrad bis zu 61 %), da sie die Abwärme der Gasturbine zur Dampferzeugung für eine nachgeschaltete Dampfturbine nutzen, deren Kondensator dann gleich zur KWK-Einspeisung ins Wärmenetz dienen kann (Gesamtwirkungsgrad mit Abwärmenutzung bis 90%). Auch die in kleineren BHKW oft verwendeten Gas-Motoren (Stromwirkungsgrad ca. 30% bis 40%) eignen sich gut für KWK, da ihre ohnehin nötigen Kühler ebenfalls gut als Wärmequelle für Wärmenetze dienen können.

KWK – ein altes Konzept: Das Konzept der Kraft-Wärme-Kopplung ist keineswegs neu und wurde schon 1882 von Thomas Alva Edison in seiner Pearl Street Electricity Station realisiert, dem ersten zentralen Kraftwerk in den USA. Die Anlage versorgte einen Teil der New Yorker Innenstadt mit Strom und Wärme (Kelly, 2016). Durch den Bau von Stromleitungen wurde dann eine Verlagerung der Kraftwerke aus den Städten in ländliche Gebiete möglich (TÜV-Nord, 2019). Die Verwendungsmöglichkeit für die Abwärme wurde so eingeschränkt und KWK kam aus der Mode.

Seit ca. 1960 wird KWK zunehmend für Fernwärme genutzt: Seit den 1960 Jahren erfolgte in der Bundesrepublik und in einigen Ballungsgebieten der DDR ein Ausbau der KWK und, damit verbunden, ein Ausbau der Fernwärme. Ein großer Anteil der in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Wärme wird – soweit nicht lokal als industrielle Prozesswärme genutzt – heute in der Heizsaison in Fernwärmenetze eingespeist. Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. (AGFW e.V., 2021) weist für die angeschlossenen 196 großen Wärmenetze einen Brennstoffeinsatz von 79 % Kohle, Erdgas und Öl sowie weitere 15 % aus der Müllverbrennung aus. 80 % dieser Energien werden in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt.

Erweiterter Einsatz von KWK durch Verbrennung von Müll und Nutzung von Biomasse: Im Zuge der Entwicklung und Markteinführung der erneuerbaren Energien kamen seit den späten 1970er Jahren weitere Energieträger für die Nutzung in KWK dazu. Biogas, Klärgas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol und vor allem Siedlungsabfälle („Müllverbrennung“) wurden zunehmend in KWK-Anlagen eingesetzt und zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt. Da die hierfür verwendeten Anlagen oft kleiner waren als die großen Kraftwerke, prägte sich für diese Anlagen der Begriff Blockheizkraftwerk oder BHKW.

Zubau vieler Erdgas-BHKW: Aufgrund des hohen Wirkungsgrades eroberte sich das mit fossilem Erdgas betriebene BHKW einen festen Platz unter den energiesparenden Technologien. Kleinere und mittlere Stadtwerke installierten BHKWs, um in Abhängigkeit vom jeweiligen Strompreis an der Börse ihre BHKWs als kostengünstigere Alternative zum Fremdstrombezug temporär zuschalten zu können. Für die Wärmeversorgung großer kommunaler Gebäude wie z. B. Schulen oder Verwaltungsgebäude wurden, begünstigt durch Förderzuschüsse, zunehmend BHKW installiert. Die Erzeugung von – bei den herkömmlichen Gaspreisen – vergleichsweise kostengünstigem Eigenstrom wurde als zusätzlicher Benefit gerne mitgenommen, so dass bislang die vergleichsweise teurere Umstellung der Heizung auf potenziell CO₂-freie Wärmepumpen unterblieb.

Alternative Brennstoffzellen: Die neueste Entwicklung der KWK sind Brennstoffzellen, die Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser umsetzen und so Strom erzeugen. Auch in diesen Anlagen wird Wärme frei, so dass Brennstoffzellen als KWK-Anlage dienen können. Seit den 1990er Jahren bekannt, werden solche Brennstoffzellen-Anlagen seit den 2010-er Jahren vereinzelt eingesetzt. Für Einzelgebäude in der Regel unwirtschaftlich, könnten sie wg. ihres zumindest theoretisch höheren Stromwirkungsgrads im Rahmen des oben erwähnten Energie-Insel-Konzepts an Bedeutung gewinnen.

4 KWK: Ist-Stand

Die KWK erfuhr in Deutschland bereits seit 2002 mit dem ersten KWK-Gesetz (Sitte & Glatzel, 2002) und dann nochmal seit 2010 dank des 2009 im EEG verankerten KWK-Bonus eine schnelle Verbreitung. Die Zahl der Anlagen im Bestand umfasste 2011 knapp 13.000 Anlagen, in 2020 waren es schon über 63.000 Anlagen (Statista, 2022). In 2020 verteilte sich die Leistung dieser Anlagen auf die in Abbildung 2 dargestellten Anlagentypen:

Große Anzahl von kleineren BHKW: Mengenmäßig ist der Anteil kleinerer BHKW von
1 kW bis 10 MW Leistung mit 61.000 Anlagen am höchsten. Sie nutzen fast alle fossiles Erdgas. Überall wo Gebäudeheizung oder Prozesswärme im Vordergrund steht, werden zunehmend auch kleinere Gasturbinen eingesetzt. Die in dieser Gruppe der KWK-Anlagen registrierten ca. 130 Stirlingmotoren und ca. 40 Brennstoffzellen sind für die gegenwärtige Praxis der KWK aufgrund ihrer geringen Anzahl unbedeutend.

Große GuD-Kraftwerke der Stromversorger: Die höchste Leistung entwickeln die etwa 130 GuD-Kraftwerke bzw. Kraftwerksblöcke der Stromversorger, die jeweils mehr als 50 MW Leistung aufweisen (Bundesnetzagentur, 2022a). Bei praktisch allen neueren GuD-Kraftwerken wird KWK auch zur Speisung von Wärmenetzen genutzt.

Erheblicher Beitrag zur industriellen Stromversorgung: KWK erwies sich auch für die Erzeugung von Prozesswärme in industriellen KWK-Kraftwerken als wirtschaftlich. So gibt es heute in der Industrie immerhin einen Bestand von ca. 250 Dampfturbinen- und ca. 20 Gasturbinen-Kraftwerken mit KWK.

Bislang noch überwiegend fossiler Betrieb: Die in der KWK eingesetzten Energieträger sind zu 52 % Erdgas und zu ca. 16 % Stein- und Braunkohlen sowie Mineralöle. Zu ca. 26 % dient Biomasse als Energieträger (Umweltbundesamt, 2020, S. 15). Ca. drei Viertel der eingesetzten Energieträger sind fossil.

Bislang Schwerpunkt effiziente Brennstoffnutzung: Solange fossile Brennstoffe genutzt werden, liegt der Vorteil von KWK im Vergleich zur reinen fossilen Stromerzeugung ohne Abwärmenutzung in der höheren Ausnutzung des Energieträgers. Mit Blick auf das Jahr 2030, in dem 80 % des Stroms regenerativ sein sollen, wird sich dieser Vorteil der KWK auf einen immer kleiner werdenden Anteil an fossilen Brennstoffen begrenzen. KWK wird also immer unwichtiger. Unter dem Aspekt klimafreundlicher Gebäude-Wärmeversorgung fällt der Vergleich von KWK zur Luft-Wasser-Wärmepumpe bereits beim Strommix 2020 (mit Treibhausgasemissionen der Stromerzeugung von 400 g CO₂/kWh) deutlich gegen die KWK und zu Gunsten der Wärmepumpe aus (Umweltbundesamt, 2020).

5 KWK und Biogasanlagen

Seit ca. 2010 ein wesentlicher Beitrag zur Energieversorgung: Schon seit den 1970er Jahren gehörten Biogasanlagen neben Wind und Sonne zum Technologiepaket der grünen Energiewende (Dokumentationsgruppe, 1978). Aber wie bei Windkraft und Photovoltaik begann auch bei der Bioenergie erst durch das EEG im Jahr 2000 allmählich die großskalige Anwendung. Die Bruttostromerzeugung aus Biogas wuchs von 0,001 TWh in 1990 über 0,445 TWh im Jahr 2000 auf 15,3 TWh im Jahr 2010 und 28,5 TWh im Jahr 2021 (AGEE-Stat, 2022). Die Erfassung des Endenergieverbrauchs erneuerbarer Energien für Wärme und Kälte weist erst 2003 die ersten Zahlen aus. Pro 100 kWh erzeugter elektrischer Energie aus Biomasse wurden damals nur 30 kWh Wärme einer Nutzung zugeführt. In 2010 wurden 7,4 TWh und in 2021 13,3 TWh erreicht. Erst durch den KWK-Bonus im EEG 2009 kam die Wärmenutzung letztlich in Fahrt.

Umstellung von Biogasanlagen auf Spitzenlast: Gegenwärtig laufen Bestrebungen, die Stromerzeugung von Biogasanlagen so umzustellen, dass sie ihre elektrische Leistung primär zu Zeiten hohen Strombedarfs bereitstellen. Das setzt zusätzliche Investitionen in die Flexibilisierung der Biogasanlagen durch den Zubau von Motoren und Generatoren sowie Erweiterung der Biogas-Speicher voraus. Technisch ist eine solche witterungsunabhängige Bereitstellung von Spitzenleistung durch flexibilisierte Biogasanlagen durchaus realisierbar (VisuFlex, 2023). Zwar liegen die Stromgestehungskosten dabei erheblich über denen von Wind und PV, letztlich konkurrieren flexibilisierte Biogasanlagen aber mit den Anbietern von Residuallast-Spitzenleistung und können zudem Minuten- und Stundenreserve bereitstellen so dass sie auch deutlich höhere Preise erzielen können. Alternativ wäre auch die Einspeisung von Biomethan ins Gasnetz möglich.

Biogas aus Energiepflanzenanbau ist heute teuer, klimaschädlich, umweltschädlich und nicht nachhaltig: Mengenmäßig werden in Biogasanlagen ca. 45 % eigens dafür angebaute nachwachsende Rohstoffe (NawaRo) und ca. 49 % Gülle eingesetzt. Nur zu ca. 6% werden organische Abfälle z. B. aus der Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft, kommunalem Biomüll u. ä. genutzt (FNR, 2023a). 2021 wurde in Deutschland auf 2,65 Mio. Hektar Mais angebaut, davon ca. ein Drittel (0,88 Mio. Hektar) für die Biogasproduktion (FNR, 2022b). Dafür wurden die Maisflächen zuungunsten von Lebensmittel- und Futtermittelanbau ausgeweitet, sowie auch bisheriges Grasland und Brachland in Ackerland umgewandelt. Aufgrund des beim Maisanbau aus der Stickstoffdüngung freigesetzten Treibhausgases N₂O (ca. 300-mal klimaschädlicher als CO₂), des ins Grundwasser auch durch Gülle eingetragenen Nitrats sowie des hohen Grundwasserverbrauchs durch Feldberegnung und der hohen Erosionsrate auf Maisfeldern ist Biogas auf Basis von Maisanbau klimaschädlich, umweltschädlich und nicht nachhaltig.

Alternativ zum Maisanbau ist auch die Erzeugung der Biomasse mittels Blühwiesen mit regionalen Wildpflanzen möglich: Ohne Pestizid- und Kunstdüngereinsatz kann so eine hohe Biodiversität erreicht werden, z.B. mit den von der Bayerischen Landesanstalt für Wein- und Gartenbau entwickelten Wildpflanzenmischung (Degenbeck, 2020). Der Biogasertrag liegt allerdings nur bei 35 – 50% im Vergleich zu Mais und der Subventionsbedarf würde sich deutlich erhöhen.

Energetische und wirtschaftliche Ineffizienz vom Energiepflanzenanbau: Auch energetisch ist Biogas ineffizient, denn Photovoltaik erbringt, bezogen auf die Fläche, heute den 32-fachen Energieertrag im Vergleich zu Mais (Fraunhofer ISI, 2022). Hinzu kommt, dass Stromerzeugung mit Biogas aus Energiepflanzenanbau sehr aufwendig ist, bei Auktionen regelmäßig Preise erzielt, die dreimal höher liegen als Wind- oder Solarstrom (Bundesnetzagentur, 2022c) und so den Strompreis nach oben treibt. Aufgrund steigender Kosten ist auch der Weiterbetrieb bestehende Biogasanlagen zumindest unsicher, da die Bauern im Zuge der Debatte über die Abschöpfung von Übergewinnen schon jetzt bis zu 25 Cent/kWh als kostendeckendes Minimum fordern (NDR, 2022).

Biogas ist bestenfalls eine Nischenlösung: Die von vielen Stadtwerken und Kommunen geäußerte Absicht, von Erdgas auf Biogas bzw. Biomethan umzustellen, ist – nüchtern betrachtet – nur eine Nischen-Lösung. Dies gilt nicht nur für die Stromerzeugung, sondern auch für Biogas-Einsatz in KWK-Anlagen. Eine Steigerung der Biomassenutzung ist aufgrund der Klima- und Umweltwirkungen des Energiepflanzenanbaus nicht realistisch (Scientists for Future, 2022d; Umweltbundesamt, 2019). 2020 betrug der Erdgasverbrauch in Deutschland 905 TWh (Scientists for Future, 2022f); demgegenüber steht eine heutige Produktion von Biomethan, also auf Erdgasqualität aufbereitetes Biogas, von 11 TWh. Mit Biomethan ist kein Ersatz des fossilen Erdgases in nennenswertem Umfang möglich. In den aktuellen Langfristszenarien für die Umstellung auf Treibhausgas-Null bis 2045 wird sogar erwartet, dass der Biomasseeinsatz für die Stromerzeugung langfristig gegen Null geht (Sensfuß, 2022). Sinnvoll ist der Einsatz von Biogas langfristig nur, wenn er strengen Nachhaltigkeitskriterien entspricht, indem z. B. ausschließlich Biomasse aus Abfall- und Reststoffen eingesetzt wird. Eventuell könnten die bereits vorhandenen, auf Basis nachwachsender Rohstoffe laufenden Biogasanlagen noch einige Jahre vermehrt zur Deckung von Spitzenlast genutzt werden, um den Ausgleich von Schwankungen bei Wind- und Solarstrom zu unterstützen (Fell und Welteke-Fabricius 2022).

6 Sonderfall Wasserstoff-Brennstoffzellen-KWK

Schon in den 1990er Jahren arbeiteten Unternehmen der Heizungsbranche an Brennstoffzellen-Heizgeräten, die neben Wärme auch Strom erzeugen sollten (Vaillant, 1999). Die Logik folgte der Erfahrung des Umgangs mit anderen fossilen Brennstoffen: aus einem Brennstoff so viel wie möglich wertvollen Strom herausholen und mit der unvermeidbaren Abwärme heizen.

Seit 2006 sind Mikro-KWK auf Brennstoffzellenbasis in Erprobung: Durch die Bundesregierung wurde 2006 das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie auf den Weg gebracht. Ein wesentliches Ziel des Programms war die technologische Entwicklung von Brennstoffzellen in den drei Dimensionen Wirkungsgrad, Lebensdauer und Kosten (BMVI & BMWi, 2017). In Europa war Deutschland am Ende des evaluierten Zeitraums der führende Markt für Brennstoffzellenheizgeräte für Haushalte. Die Evaluation des Programms dokumentiert 2.000 installierte Mikro-KWK-Anlagen (BMVI & BMWi, 2017). Die Bedeutung der Zahl relativiert sich allerdings vor dem Hintergrund, dass im selben Jahr der Bestand an Wärmepumpen die Marke von einer Million überschritt (Christian, 2018).

Für Heizungszwecke energetisch ineffizient und unwirtschaftlich: Ist es in einem regenerativen Energiesystem überhaupt sinnvoll, aus Strom Gas zu erzeugen, nur um dieses in einer KWK wieder in Strom zurück zu verwandeln? Perner, Unteutsch und Lövenich (2018, S. 13) dokumentieren die auf diesem Weg zu berücksichtigenden Wirkungsgrade der verschiedenen Prozesse. Zunächst gehen ca. 5 % der regenerativ erzeugten Primärenergie im Übertragungsnetz verloren, mindestens weitere 30 % treten als Abwärme in der Elektrolyse auf, so dass bestenfalls 67 % in Form von Wasserstoff verfügbar sind. Daraus macht die Brennstoffzelle ca. 24 % Wärme und 21 % Strom, die wieder ins Netz eingespeist werden. Ziehen wir diese 21 % von den ursprünglichen 100 % ab, so wurden durch den aufwändigen Prozess aus 79 % des regenerativ erzeugten Stroms 24 % Wärme gewonnen. Verluste durch die Speicherung von Wasserstoff sind dabei noch nicht berücksichtigt. Der Gesamtwirkungsgrad liegt damit bei ca. 30 %, etwa ein Zehntel des Wirkungsgrades einer Wärmepumpe, die auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom ca. 300 % Wärme bereitstellt. Beim Vergleich der Wärmepumpe mit einer mit grünem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenheizung erwarten Baldino et al. (2021, S. 7) für die Haushalte daher Heizkosten, die knapp um den Faktor acht höher liegen als im Fall der elektrischen Wärmepumpe. Hinzu kommt, dass Wasserstoff als möglicher klimaneutraler Energieträger vermutlich bis auf weiteres nur begrenzt verfügbar sein dürfte (Scientists for Future, 2022a) und daher nur in Anwendungen zum Einsatz kommen sollte, in denen er aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften unverzichtbar ist. Der Einsatz von Brennstoffzellen zur Wärmegewinnung über KWK ist daher bis auf Nischenanwendungen nicht sinnvoll.

Wasserstoff-Brennstoffzellen in Energie-Insel-Lösungen: BHKW auch in Form von Brennstoffzellen-Anlagen könnten u.a. bei Energie-Insel-Lösungen eine wichtige Rolle für die lokale Netzstabilität und die Versorgungssicherheit mit Strom spielen. KWK-Wärme fällt dann als Nebenprodukt ab. Ob dabei Brennstoffzellen die herkömmlichen Verbrennungsmotoren ersetzen können, hängt davon ab, ob ihr potenziell höherer Stromwirkungsgrad durch die Entwicklung preisgünstigerer Anlagen zum Tragen kommt.

7 KWK in einem regenerativen Energiesystem

Die fossile KWK hat in einem regenerativen Energiesystem keine Zukunft. Ihre undifferenzierte Förderung muss schnellstmöglich eingestellt werden (Oei et al., 2019, BEE, 2021). Die Kraft-Wärme-Kopplung wird aber auch mit regenerativen Brennstoffen in einem regenerativen Energiesystem nur eine beschränkte, wenn auch wichtige Rolle spielen. In einem Versorgungssystem mit einem Anteil von ca. 95 % an erneuerbaren Energien wird KWK primär ein sinnvoll genutztes Nebenprodukt der Stromnetzstabilität sein.

Überbrückung von EE-Stromschwankungen und Dunkelflauten durch Energiespeicher: Eine Verschiebung von Stromangebot und -nachfrage wird über Tage und Wochen über Elektrolyse zu Wasserstoff und/oder grünem Methan (Power-to-Gas-Technologien, PTG) ausgeglichen werden müssen. Der so gewonnene Brennstoff (Wasserstoff, Methan oder z. B. Methanol) kann lange Zeit gespeichert und dann teilweise unter Kraft-Wärme-Kopplung wieder in Strom und Wärme rückgewandelt werden (Kopernikus-Projekt Ariadne, 2021). Für diese Rückverstromung sind erhebliche Reservekraftwerks-Kapazitäten erforderlich. Ein Anteil dieses Reservestroms wird von großen Gasturbinen sowie Gas-und-Dampf-Kraftwerken und ein anderer Teil von BHKW mit Verbrennungsmotoren erbracht werden (Fraunhofer ISE, 2020).

Zukünftiger Bedarf an Gaskraftwerken: Nach Umstellung auf 100% CO₂-freie Energieversorgung wird für 2045 von einer Stromspitzenlast von ca. 160 GW ausgegangen, dies entspricht einer Verdoppelung gegenüber heute (Dena, 2018). Unter Berücksichtigung von steuerbaren Lasten, wie E-Auto und Wärmepumpen werden 2045 dann bis zu ca. 80 GW nach aktuellem Bedarf steuerbare Erzeugungskapazität nötig sein. Derzeit sind in Deutschland Gaskraftwerke mit ca. 32 GW Leistung installiert. Das heißt, um EE-Strommangelzeiten und vor allem Dunkelflauten überbrücken zu können, bräuchten wir bis 2045 weitere 30 GW bis 40 GW (also insgesamt ca. 80 GW) mit grünem Wasserstoff oder grünem Methan betriebene große und kleine Gaskraftwerke. Je nach Ausbau des innerdeutschen und europäischen Stromnetzes würde jedoch ggfs. ein Ausbau auf ca. 40 GW Reservekraftwerke genügen (50Hertz Transmission GmbH, Amprion GmbH, TenneT TSO GmbH & TransnetBW GmbH, 2021), da in einem solchen vernetzten System dann durch Importe zeitgleiche Überschüsse oder Reservekraftwerke aus Nachbarstaaten genutzt werden könnten. In jedem Falle sollten bestehende Gaskraftwerke für die zukünftige Spitzenlastdeckung weiter vorgehalten und je nach dem zukünftigen Angebot von Methan und Wasserstoff ggf. auf Wasserstoff-Einsatz umgerüstet werden.

Kraftwerke zur Wärmeversorgung mit KWK werden in Zukunft unwirtschaftlich: Die Betriebszeiten der Residuallast-Kraftwerke – also die Zeiten, wo bei Wind- oder Solarstrommangel diese Kraftwerke mit grünem Wasserstoff oder Methan einspringen müssen, werden sich im Schnitt über alle Kraftwerke auf weniger als ca. 1.500 Volllaststunden pro Jahr reduzieren. Die relativ hohen Kosten für die grünen Brennstoffe machen den Betrieb dieser Kraftwerke für eine Grundlastversorgung sowohl für Wärme als auch für Strom unwirtschaftlich (Bundesnetzagentur, 2022b; DWD, 2018; Grams, Beerli, Pfenninger, Staffell & Wernli, 2017). Auch während dieser kurzen Laufzeiten sollte die Abwärme der Kraftwerke aber genutzt werden.

Gaskraftwerke oder GuD zum Ersatz für Kohle sind für die Grundlast der Fernwärme ein Irrweg: Im Rahmen des gesetzlich geregelten Kohleausstiegs müssen alle Kohlekraftwerke bis spätestens 2038 stillgelegt werden. Diese Kohlekraftwerke werden derzeit neben der Grundlaststromversorgung vielerorts auch mithilfe von KWK zur Wärmeerzeugung für Fernwärmenetze eingesetzt. Oft wird geplant, sie durch Gaskraftwerke oder GuD-Kraftwerke zu ersetzen. Aufgrund der hohen Brennstoffkosten und eines in Zukunft strombedarfsgeführten Kraftwerkseinsatzes werden diese Residual-Gaskraftwerke nur noch einen stark reduzierten Beitrag zur Wärmeversorgung leisten können. Auch eine Umstellung der Erdgasnetze auf Wasserstoff würde für die Fernwärmeversorgung mittels KWK aus großen Gaskraftwerken nichts ändern. Wärme aus Wasserstoffverbrennung wäre zumindest für die Grundlast viel zu teuer. Stattdessen muss für die Wärmeversorgung in der Fernwärme ab sofort auf CO₂-freie Wärmequellen gesetzt werden. Das ist nicht nur klimapolitisch geboten; mit zunehmendem Ausbau der Erzeugung von erneuerbarem Strom wird zudem auch der Betrieb von Wärmenetzen auf Basis von Wärmepumpen zur mit Abstand kostengünstigsten Lösung werden (Scientists for Future, 2022a, 2022b, 2022c).

Auch der Weiterbetrieb kleiner, dezentraler, bislang fossiler KWK-Anlagen ist eventuell sinnvoll: Auch diese können zumindest mittelfristig zur Deckung von Spitzenlast von Strom oder Wärme beitragen. Ob ein langfristiger Weiterbetrieb der vorhandenen 63.000 kleinen BHKW wirtschaftlich sein kann, hängt von der zukünftigen Entwicklung des Strommarktdesigns ab und lässt sich gegenwärtig kaum vorhersagen. Hinzu kommt die Frage, ob sich die Gasversorgung der dezentralen KWK mit grünem Wasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas sicherstellen lässt. Der Rückbau der Erdgasnetze als Konsequenz aus dem Rückbau der Erdgasheizungen dürfte zahlreichen kleineren BHKW die Gasversorgung entziehen.

Fernwärme erfordert in Zukunft große Wärmespeicher: Wichtig ist auch der Zubau großer Wärmespeicher, denn der Bedarf an Reservestrom fällt zeitlich nur bedingt mit dem Wärmebedarf der Fernwärmekunden zusammen. Viele Fernwärmeversorger haben bereits begonnen, große Wärmespeicher zu bauen. Zum Beispiel bauen die Stadtwerke München für ihr aus Geothermie und GuD-KWK gespeistes Fernwärmenetz gegenwärtig einen zusätzlichen 45.000 m³ fassenden Warmwasserspeicher (Stadtwerke München, 2022).

Aufbau von dezentralen Energie-Inseln: Eine „Energie-Insel“ umfasst eine Kombination folgender Komponenten:

• lokale Stromversorgung aus lokal erzeugtem Wind- und/oder Solarstrom,
• CO₂-freies Wärmenetz, gespeist mittels Wärmepumpen aus Erdwärme, Abwasserwärme und/oder Flusswasserwärme und evtl. Solarthermie,
• Elektrolyseur und Wasserstoff-Speicher mit Abwärmenutzung zur Verwertung von lokalem EE-Überschussstrom und
• BHKW oder Brennstoffzellen-Kraftwerk zur Stromerzeugung bei EE-Strommangel.

Die Kraftwerks-Abwärme kann zur Einspeisung ins Wärmenetz genutzt werden. Da Strombedarf und Wärmebedarf nicht synchron sind, wird der Einsatz von Strom- und Wärmespeichern sinnvoll sein. Nachahmenswerte Beispiele solcher Konzepte sind z. B. die Stadtwerke Lemgo, das Projekt Weststadt Esslingen oder das Industrieunternehmen Max Bögl (Bayerische Staatszeitung, 2021; Maier-Solgk, 2022, Roider, 2022).

8 Was kann die Gemeinde unternehmen?

Gemeinden, in denen sich moderne GuD-Kraftwerke mit KWK befinden, sollten diese Kraftwerke als nützlich für ein zukünftiges, regeneratives Energiesystem beibehalten und ihre Betriebsfähigkeit langfristig sicherstellen. Allerdings muss bei der Planung berücksichtigt werden, dass diese Kraftwerke künftig für die Grundlastversorgung der Fernwärme ausfallen werden. Für die Fernwärme-Grundlast muss deshalb eine Umstellung auf CO₂-freie Wärmequellen in Angriff genommen werden. Langfristig wird ein GuD-Kraftwerk mit Wasserstoff oder synthetischem Methan als Residual-Kraftwerk nicht mehr primär wärmebedarfsgesteuert sondern strombedarfsgesteuert eingesetzt werden. Ob sich dann der Einsatz zur Spitzenlasterzeugung bei Wärme im Wettbewerb mit anderen Wärmequellen noch lohnt, wird sich zeigen müssen. Jedenfalls können moderne GuD-Kraftwerke mithilfe von KWK auch weiterhin einen gewissen Beitrag zur Fernwärmeversorgung leisten, während sie zur Stromerzeugung arbeiten. Ein Zubau neuer großer Gasheizwerke als Hauptwärmequelle für Fernwärmenetze passt dagegen nicht in ein zukunftssicheres Konzept einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energieversorgung.

Bei der Erstellung kommunaler Wärmepläne (Scientists for Future, 2022e) sollte kritisch hinterfragt werden, welche heute vorhandenen KWK-Anlagen langfristig weiter Zugang zu Brennstoffen haben werden. Wird – wie es einige Stadtwerke heute schon ankündigen – im Zuge des Rückbaus von Erdgasheizungen das Gasnetz zurückgebaut, werden mit Erdgas betriebene kleine KWK-Anlagen teilweise als Strom- wie auch als Wärmequelle ausfallen. Auch kurzfristig sind Änderungen des Betriebsmodus von BHKW aufgrund schwankender Gaspreise möglich.

Im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung muss die Umstellung der Wärmeversorgung auf CO₂-freie Wärmequellen zügig in Angriff genommen werden. Das gilt sowohl für bestehende Fernwärmenetze als für noch aufzubauende Nahwärmenetze

Ähnlich sollte in der langfristigen Planung die zukünftige Strom- und Wärmelieferung aus Biogasanlagen mit nachwachsenden Rohstoffen geprüft werden. Sollte im Strommarktdesign die Erzeugung von Biomethan und dessen Einspeisung in das Stromnetz höher priorisiert und höher vergütet werden, könnte an einigen Anlagen die lokale Wärmeverfügbarkeit sinken. Mittel- und langfristig wird der Anteil der EE-Stromerzeugung mittels Biogas voraussichtlich abnehmen.  

9 Quellen

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Impressum

Die Policy Paper-Reihe zur Wärmewende stellt knapp und evidenzbasiert relevante Fakten mit Bedeutung für die Wärmewende dar. Sie richtet sich an politische EntscheiderInnen auf kommunalpolitischer Ebene, aber auch an Akteure aus Wirtschaft, Journalismus und Zivilgesellschaft und die am jeweiligen Thema interessierte Öffentlichkeit.

Dieser Text wurde von Mitgliedern der „Scientists for Future” verfasst und durch Kollegen und Kolleginnen hinsichtlich der wissenschaftlichen Qualität (insbesondere der Belegbarkeit von Argumenten) ausführlich geprüft.

Dieses Projekt wurde unter dem Förderkennzeichen: 372223V284 gefördert durch das Umweltbundesamt und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz. Die Mittelbereitstellung erfolgt auf Beschluss des Deutschen Bundestages.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

An der Erstellung dieses Textes waren beteiligt: Huber, Michael; Clausen, Jens; Ehrhardt, Helge; Gerhards, Christoph; Hoffmann, Rana; Klafka, Peter; Köhne, Anja; Linow, Sven; Seifert, Thomas

Endredaktion: F. Ossing

Scientists for Future (S4F) ist ein überparteilicher und überinstitutioneller Zusammenschluss von Wissenschaftler:innen, die sich für eine nachhaltige Zukunft engagieren. Scientists for Future bringt als Graswurzelbewegung den aktuellen Stand der Wissenschaft in wissenschaftlich fundierter und verständlicher Form aktiv in die gesellschaftliche Debatte um Nachhaltigkeit und Zukunftssicherung ein.

Zitiervorschlag: Huber, Michael; Clausen, Jens; Ehrhardt, Helge; Gerhards, Christoph; Hoffmann, Rana; Klafka, Köhne, Anja; Peter; Linow, Sven; Seifert, Thomas (2023). Kraft-Wärme-Kopplung. Von der fossilen Effizienztechnologie zu einer neuen Rolle in der Wärmewende. Policy Paper der Scientist for Future. Berlin.

Veröffentlicht unter CC BY-SA 4.0

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