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Wärme-Kraft-Kopplung (WKK)

 

WKK – Wärme-Kraft-Kopplung

Ein Gebäude verbraucht Wärme und Strom. Vor allem an bedeckten oder extrem kalten Wintertagen ist der Bedarf an beiden gleichzeitig sehr hoch. Da im Winter die Sonne aber nicht so häufig scheint, können thermische Sonnenkollektoren und Photovoltaikanlagen die Sonnenenergie weniger oft nutzen. Der Winter ist auch die Jahreszeit, in der unsere Wasserkraft- und Atomkraftwerke nicht ausreichen, um den erhöhten Strombedarf zu decken: Die Schweiz muss Elektrizität aus dem Ausland importieren (hauptsächlich aus Deutschland), die vorwiegend in thermischen Kraftwerken produziert wird, welche fossile Brennstoffe verbrennen und deshalb einen grossen Schadstoff- und CO2- Ausstoss verursachen. Hinzu kommt, dass aufgrund der langen Strecken, die dieser Strom zurücklegt bis er endlich bei uns ist, eine beträchtliche Menge über die Stromleitungen verloren geht.

Principe du couplage chaleur-force

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Eine Wärme-Kraft-Kopplungsanlage (WKK) produziert gleichzeitig Wärme und Strom. Auf dem Bild wird die Wärme des Motors sowie der Abgase zurückgewonnen, um das Wasser im Heizungskreislauf zu erwärmen; ein vom Motor angetriebener Generator erzeugt Strom für das Gebäude und/oder das öffentliche Stromnetz.

Gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom

In der Schweiz wird ein Grossteil aller Gebäude mit Öl- oder Gasheizungen geheizt. Um die Brennstoffenergie bestmöglich auszunutzen, sind diese Heizungen in den letzten Jahren technisch zwar ständig weiterentwickelt und verbessert worden. Aber aus thermodynamischer Sicht bleibt die Verbrennung von Heizöl, Erdgas – und sogar auch von Holz – trotzdem eine Verschwendung, denn der Verbrennungsprozess mittels einer Flamme von mehr als 1000°C produziert viel mehr Energie als nötig ist, um das Wasser für einen Heizungskreislauf zu erhitzen – das je nach Gebäude auf nicht mehr als 30 bis 70°C erwärmt werden muss.

Damit der Brennstoff vollständig genutzt werden kann, wäre es theoretisch besser, ihn in einer Anlage zu verbrennen, welche gleichzeitig Wärme und Strom erzeugt (Wärme-Kraft-Kopplungsanlage WKK), und einen Teil des Stroms zum Betrieb einer oder mehrerer Wärmepumpen zu verwenden. Denn dann würde der Heizkessel im Endergebnis zusätzlich zur Heizwärme auch einen Drittel kostenlosen Strom erzeugen.

Eine WKK-Anlage kann deshalb eine viel bessere Energie- und Umweltbilanz aufweisen, als wenn Wärme mit einem Brennstoffkessel in der Schweiz und Elektrizität am anderen Ende von Europa mit einem Heizkraftwerk produziert wird. In der Praxis fällt der Bedarf an Wärme und Strom jedoch nicht immer gleichzeitig an, so dass eine WKK-Anlage nur selten eine geeignete individuelle Lösung darstellt. Bei einem guten Energiemanagement in einem Gebäudepark, der an ein Fernwärmenetz angeschlossen ist, kann sie hingegen sehr effizient sein.

Mit der gebietsabhängigen Energieplanung die WKK voll ausnutzen

Das Prinzip der "Wärme-Kraft-Kopplung" (WKK) ist seit langem bekannt, und in der Schweiz sind rund eintausend verschieden grosse Anlagen mit unterschiedlichen Technologien in Betrieb. Ihre Kolbenverbrennungsmotoren oder Dampfturbinen (die mit Heizöl, Diesel, Holz, Erd- oder Biogas betrieben werden) sind an einen Stromgenerator gekoppelt. Die Wärme des Motors und der Auspuffgase werden zurückgewonnen, um damit Gebäude zu heizen, Brauchwarmwasser herzustellen oder industrielle Prozesse zu tätigen. WKK-Anlagen sind vorwiegend in Abwasserreinigungs- oder Kompostierungsanlagen installiert: sie nutzen das Biogas, welches bei der Fermentation von Schlamm und organischen Abfällen anfällt. Um wirtschaftlich zu sein, muss eine grosse WKK-Anlage mindestens 3000-5000 Stunden pro Jahr laufen, also weit länger als die Heizperiode dauert. Sie wird in der Regel so dimensioniert, dass sie nur den Grundwärmebedarf, nicht aber den vollen Wärmebedarf der Gebäude deckt, was einen durchgehenden Betrieb ermöglicht. Zur Deckung des Spitzenbedarfs sind jedoch andere Wärmequellen notwendig.

Damit die Vorteile einer WKK-Anlage voll zum Tragen kommen, wird eine gute Energieplanung des Standortes benötigt, welche nicht nur den Wärme- und Strombedarf, sondern gleichzeitig auch die Auswirkungen auf die Umwelt berücksichtigt. Eine Gesamtvision ist umso notwendiger, als dass im Handel von jetzt an kleine, mit Erd- bzw. Biogas oder mit Holzpellets betriebene WKK-Anlagen für Ein- und kleine Mehrfamilienhäuser angeboten werden: die Stromerzeugende Heizung (SeH). Sie produziert Strom entweder mit Brennstoffzellen oder mit einem Motor, dessen mechanische Kolbenbewegungen einen Stromgenerator antreiben. Wird der Strom nicht im Gebäude benötigt, kann er je nach Abnahmevertrag mit der lokalen Elektrizitätsgesellschaft ins öffentliche Stromnetz eingespiesen werden, so wie bei Photovoltaikanlagen.

Jalon chaleur-force

 

Eine WKK-Anlage ist am geeigneten Ort :

  • Wenn sie mit der Energieplanung des Gebiets in Einklang steht.
  • Wenn ihre Wärme und Elektrizität vollständig genutzt werden.
  • Wenn zusätzlich zu der für ein oder mehrere Gebäude erzeugten Heizwärme mit einem Teil des Stroms eine Öl- oder Gasheizung durch eine Wärmepumpe ersetzt werden kann; denn dies erhöht den Wirkungsgrad des Brennstoffs für die Heizung und senkt gleichzeitig auch den Gesamtausstoss von Schadstoffen und CO2.
  • Wenn durch die Nutzung oder den Verkauf ihrer Wärme die Verbesserung der Wärmedämmung des oder der Gebäude sowie die Installation von Sonnenkollektoren nicht vernachlässigt werden.

 

www.v3e.ch, V3E (Verband Effiziente Energie Erzeugung)

www.biomasseschweiz.ch, Biomasse Schweiz

www.svgw.ch, Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches (SVGW)