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Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) erzeugen mit Kraftmaschinen Strom dort, wo die beim Prozess anfallende Wärme genutzt werden kann, also in der Nähe von Industrie- oder Wohngebieten. Kleine Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (BHKWs) werden im Gebäude untergebracht und in das Heizungs- und Warmwassersystem des Gebäudes integriert. ("BHKW" = Blockheizkraftwerk: Kraftwerke erzeugen Strom, Heizkraftwerke Strom und Wärme. Blockheizkraftwerke erzeugen Strom und Wärme für einen Wohnblock. Mit "BHKW" bezeichnet man heute aber alle kompakten KWK-Anlagen, unabhängig davon, ob sie ein Einfamilienhaus versorgen oder ein Gewerbegebiet.)

Brennstoffausnutzungsgrad

Sie haben einen Gesamtwirkungsgrad von 85% und höher. Zu diesem Anteil wird die im Brennstoff enthaltene Energie in nutzbare Energie in Form von Wärme und Strom umgewandelt. Die entkoppelte Erzeugung von Strom (z.B. in herkömmlichen großen Kohlekraftwerken, ohne Fernwärmeanschluss) gibt dagegen größenordnungsmäßig 2/3 der im Brennstoff enthaltenen Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab und hat daher einen geringen Wirkungsgrad zwischen 30 und 40% bei modernen Kraftwerken. Auch die entkoppelte Erzeugung von Wärme in herkömmlichen Brennern entlässt ca. 1/3 der im Öl oder Gas enthaltenen Energie ungenutzt in die Umwelt.

Der Gesamt-Wirkungsgrad bei KWK-Anlagen setzt sich zusammen aus dem thermischen und dem elektrischen Wirkungsgrad. Diese einzelnen Wirkungsgrade liegen geringfügig unter den Einzel-Wirkungsgraden bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme (ohne Brennwerttechnik).

Ökologischer Nutzen

Durch die gekoppelte Nutzung beider Energieformen werden also nicht nur Ressourcen geschont, sondern auch CO₂- und andere Schadstoff-Emissionen wesentlich reduziert, indem die Stromerzeugung aus Kohle verdrängt wird. Würde der gleiche Brennstoffausnutzungsgrad nur durch Brennwerttechnik erreicht, also mit der ausschließlichen Erzeugung von Wärme, wäre der ökologische Nutzen dennoch nicht so hoch wie bei der Kraft-Wärme-Kopplung, da weiterhin zusätzlich an anderer Stelle ineffizient Strom erzeugt werden müsste mit den unveränderten Emissionen von Wärme und Schadstoffen und entsprechend hohem Ressourcenverbrauch.

Es ist daher auch anzustreben, KWK-Anlagen mit möglichst hohem elektrischem Wirkungsgrad einzusetzen. Sie stellen die notwendige Ergänzung zu einer Energieversorgung aus erneuerbaren Energien dar, da sie unter Einsatz von Wärmespeichern bei Bedarf eingesetzt werden und so in einem intelligenten Netz Stromlücken füllen können, denn Wärme lässt sich im Gegensatz zu Strom ohne Umwandlung speichern.

Bedeutung für die Energiewende

In Zukunft nutzt die Kraft-Wärme-Kopplung außerdem die im Gasnetz gespeicherte Energie aus EE-Gas wieder für die Erzeugung von Strom und Wärme ("EE-Gas", "Power-to-Gas", "Windgas": Dabei wird Wind- und Solarstrom verwendet, um aus Wasser durch Elektrolyse Wasserstoff herzustellen. Der Wasserstoff kann selbst wieder als Brennstoff für die Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt werden oder zusammen mit CO₂ methanisiert und wie mineralisches Erdgas in einer bestehenden Infrastruktur verteilt und genutzt werden. Siehe auch "Strom zu Gas").

Das Gasnetz und die Gasspeicher in Deutschland sind die einzigen existierenden und vorstellbaren Speicher, die Energie in einer Größenordnung aufnehmen können, wie es für die Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien erforderlich ist.

Technologien

Die meisten heute eingesetzten Blockheizkraftwerke sind Gas-Ottomotoren. Bei größeren KWK-Anlagen werden Turbinen eingesetzt. Brennstoffzellen haben einen vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad und einen geringeren thermischen Wirkungsgrad und sind daher für den Einsatz in Niedrigenergiehäusern geeignet. Außerdem schließen sie einen emissionsfreien Kreislauf, wenn sie mit solarem Wasserstoff betrieben werden und ermöglichen so Energieautarkie. Stirlingmotoren bieten die Möglichkeit, feste Brennstoffe einzusetzen.