Die Kraft-Wärme-Kopplung: 

(WK-intern) – Die Dekarbonisierung der Energieversorgung und der damit verbundene starke Ausbau erneuerbarer Energien stellen die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) vor neue Herausforderungen.

Vom 15. bis 18. November 2022 zeichnet die EnergyDecentral in Hannover ein Bild der aktuellen und zukünftigen Energieversorgung, in der flexible Blockheizkraftwerke dank innovativer Konzepte residualen Strom produzieren und gleichzeitig zur Wärmeversorgung beitragen.

Motoren, die sich mit CO2-neutralem Biogas oder wasserstoffreichen Brennstoffen betreiben lassen, sind dabei der Wegbereiter der Energiewende.

Die Anforderungen an die Energieerzeugung steigen: Einerseits kommt es mit Voranschreiten der Energiewende zu Schwankungen in der Stromproduktion, da erneuerbare Energiequellen nicht immer zur Verfügung stehen. Andererseits nimmt der Energiebedarf durch die wachsende Elektrifizierung fortwährend zu. Insofern wundert es nicht, dass der Anteil des von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen produzierten Stroms ist in Deutschland in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen ist. Im Jahr 2021 wurden hierzulande rund 117 Terawattstunden Strom mittels KWK erzeugt, was einen Anteil von rund 21 Prozent an der Nettostromerzeugung entspricht.

Strom-Wärme-Kopplung, flexibel und neu gedacht
Der zukünftige Energiemix wird allerdings noch stärker von regenerativen Energien geprägt sein, als es heute bereits der Fall ist. Im Zuge des weltweiten Ausbaus von Wind- und Sonnenenergie ändert sich damit auch die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung. „Auch wenn der Weg Richtung Klimaneutralität jetzt schneller beschritten wird, bleibt die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung zur Sicherstellung einer regenerativen Residuallast bestehen“, betont Marcus Vagt, Projektleiter der EnergyDecentral. Die Technik könne bedeutende Beiträge für die Verknüpfung der Verbrauchssektoren Strom, Wärme und Gas leisten. Eine Lösung hierfür ist der Einsatz hochflexibler stromgeführter Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung als Back-up-Systeme für Stromlücken, wenn Wind und Sonne als Hauptenergieträger nicht zur Verfügung stehen. Der technische Fokus der Aussteller auf dem Messegelände in Hannover liegt dabei auf der optimierten Einbindung thermischer Energiespeicher sowie innovativer Power-to-Heat-Technologien wie Großwärmepumpen oder Direkterhitzern.

Die Pluspunkte derartiger Blockheizkraftwerke bestehen nicht nur in der sehr schnellen Anpassung der elektrischen Leistung, sondern auch in einer flexiblen Fahrweise in Bezug auf den Bedarf in den angebundenen Nah- und Fernwärmenetzen. Marcus Vagt sieht hier noch weitere Vorteile, denn: „Die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung fördert die regionale Wirtschaftskreisläufe, weil sie den regional optimalen Brennstoff verwenden kann – egal ob es sich dabei um Biogas, Biomethan, Holzgas oder Wasserstoff handelt.“ Hinzu kommt, dass die Planungen für ein europäisches Wasserstoffnetz durch den Krieg in der Ukraine und die gestiegenen Erdgaspreise weiter an Fahrt aufnehmen. Absehbar sei, dass es „in naher Zukunft immer mehr lokale Netzgebiete geben wird, wo Wasserstoffanteile bis 20 Volumenprozent und darüber hinaus zum dauerhaften Betrieb realisiert werden“, so Vagt. Ein Grund, warum die gesamte Branche die diesjährige EnergyDecentral als B2B-Plattform nutzt, um sich für die Energieerzeugung aus Wasserstoff zu positionieren.

Grüner Wasserstoff als Alternative
Eine Pionierleistung konnte der BHKW-Hersteller 2G Energy bereits 2019 verkünden, als die Power-to-Gas-Anlage der Städtischen Betriebe Haßfurt um ein Wasserstoffblockheizkraftwerk zur Rückverstromung von regenerativ gewonnenem Wasserstoff erweitert wurde. Beim installierten BHKW handelt es sich um den Agenitor 406 H2 mit einer elektrischen Leistung von 140 Kilowatt beim Betrieb mit Wasserstoff. Das Blockheizkraftwerk ermöglicht – im Unterschied zur bisher praktizierten Beimischung von Wasserstoff in das Erdgasnetz mit Rückverstromung über konventionelle BHKW – einen Betrieb mit reinem Wasserstoff ohne fossile Brennstoffanteile. Das Beispiel demonstriert eindrucksvoll, wie sich die Energiewende mit flexiblen Blockheizkraftwerken umsetzen lässt.

Diese Entwicklung spiegelt sich auf der EnergyDecentral wider, denn immer mehr Motorenhersteller wie beispielsweise INNIO Jenbacher kündigen Lösungen an, die H2-ready sind und sich auf Wasserstoff umrüsten lassen. „Das bedeutet, dass Kunden, die heute in Jenbacher Erdgasmotoren investieren, auch in die Zukunft investieren“, sagt Carlos Lange, President und CEO von INNIO. Auch die jüngste Generation gasbetriebener Viertaktmotoren von MAN Energy Solutions folgt diesem Prinzip und kann im stationären Betrieb mit einem Wasserstoffanteil im Gasgemisch von bis zu 25 Volumenprozent arbeiten. Die adaptive Verbrennungssteuerung der Motoren reagiert dabei voll automatisiert auf variierende Wasserstoffanteile und ermöglicht einen Betrieb ohne Wirkungsgradverluste. „Noch ist grüner Wasserstoff ein knappes Gut und unsere Motoren bieten daher Betreibern volle Flexibilität im Rahmen der im bestehenden Gasnetz möglichen Beimischung. Zugleich arbeiten wir an Zukunftskonzepten, die Wasserstoffanteile von bis zu 100 Prozent möglich machen werden, sobald dieser in großen Mengen verfügbar ist“, sagt Dr. Gunnar Stiesch, Leiter Motorenentwicklung bei MAN Energy Solutions. Darüber hinaus sind auf dem Messegelände in Hannover zahlreiche Umrüstmöglichkeiten für Bestandsanlagen zu finden, die noch ausschließlich mit Erdgas betrieben werden. Voraussetzung bei der Wasserstofffähigkeit der Anlagen ist neben der Eignung des Verbrennungsmotors insbesondere die Abgasnachbehandlung, da sich mit steigendem Wasserstoffanteil die Emissionswerte und Wirkungsgrade verändern. Vorgestellt werden auf der EnergyDecentral deshalb auch neue Motormanagementsysteme, die deutliche Verbesserungen bei Wirkungsgrad, Emissionen und Wartungsfreundlichkeit versprechen.

Nachfrage nach Biogaswärme steigt
Gerade für die Dekarbonisierung des Wärmesektors werden große Mengen an klimafreundlichen Gasen benötigt. Auffällig ist in diesem Zusammenhang die starke Nachfrage nach Biogaswärme, die zu einem Anstieg der externen Wärmenutzung auf über 15 Terawattstunden geführt hat – was dem Bedarf von rund 1,3 Millionen Haushalten entspricht. „Die Bedeutung von Biogas als flexibler, verlässlicher und universell einsetzbarer regenerativer Energieträger wird in der aktuellen Krise besonders deutlich“, betont der Präsident des Fachverbandes Biogas, Horst Seide. Das lasse sich an den Zahlen zur Wärmenutzung, aber auch bei der Stromversorgung ablesen. Die installierte Leistung erhöhte sich im Jahr 2021 um 194 Megawatt auf 5.860 Megawatt, wovon 3.825 Megawatt arbeitsrelevant sind, was einen Zubau von knapp zehn Megawatt gegenüber 2020 bedeutet. Die Bruttostromproduktion beläuft sich auf etwa 33,5 Terawattstunden.

Ein Biogas-BHKW funktioniert nicht nur innerhalb einer Biogasanlage: Wird das Blockheizkraftwerk in der Nähe eines beliebigen Strom- und Wärmeverbrauchers platziert, kann es als Satelliten-BHKW problemlos auch diesen mit umweltfreundlicher Energie versorgen. Dabei fügen sich moderne Anlagen dank vielfältigen Ausstattungsoptionen perfekt in das Umfeld ein und eignet sich auch für stark frequentierte Räume. Die Kopplung von Biogasanlagen mit Power-to-Gas-Anlagen als Energiespeicher kann künftig dazu beitragen, volatil erzeugte Strommengen nutzbar zu machen. Welche vielversprechenden Optionen es für Biogas-Bestandsanlagen bis 2030 gibt, wird am 18. November im Biogasforum in Halle 25 auf der EnergyDecentral sowohl aus energiewirtschaftlicher Sicht als auch ökonomischer diskutiert.

Elementarer Baustein der Energiewende
Egal, ob 20 Kilowatt, 420 Kilowatt oder 4.200 Kilowatt, ob Biogas oder Wasserstoff, ob Standardmodell oder Sonderanfertigung: Die Technologieführer im Bereich Kraft-Wärme-Kopplung bieten auf der EnergyDecentral 2022 für jeden Bedarf die die optimale Lösung. Moderne Anlagen, wie sie vom 15. bis 18. November auf dem Messegelände in Hannover präsentiert werden, sind ein elementarer Baustein der Energiewende – denn sie zeichnen sich durch hohe Flexibilität bei den Einsatzzeiten und Schnelligkeit bei der Leistungszuschaltung entsprechend des Strombedarfs aus.

PM: DLG

PB: KWK / DLG, S.Pförtner