Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ist die gleichzeitige Umwandlung von Primärenergie in mechanische oder elektrische Energie und Nutzwärme. Sie ist das effizienteste Prinzip zur energetischen Nutzung von fossilen oder erneuerbaren Brennstoffen. Denn im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken, welche die bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen unweigerlich entstehende Wärme über Kühltürme oder durch die Einleitung in Gewässer ungenutzt entsorgen, wird bei Einsatz von KWK die entstehende Wärme sinnvoll genutzt.
Viele große Kraftwerke erzeugen Strom, bei denen von der eingesetzten Primärenergie im Schnitt nur 38 % in Strom umwandelt werden. 62 % der Ursprungsenergie fallen als Wärme an, die oftmals nicht genutzt wird und z. B. über Kühltürme abgeführt wird. Um neben dem Strom auch die Wärme nutzen zu können, braucht man kleinere Kraftwerkseinheiten, die dezentral in der Nähe der Wärmeabnehmer arbeiten.
Typische Einsatzgebiete von KWK-Anlagen sind:
- Mehrfamilienhäuser
- Wohnsiedlungen
- Bürogebäude
- Krankenhäuser
- Industrie- und Gewerbebetriebe
Nicht nur zur Gebäudeversorgung mit Heizwärme und Warmwasser, sondern auch als Prozesswärme, zur technischen Kälteerzeugung (wärmebetriebene Kälteanlage - KWKK) und zur Druckluftversorgung kann die Wärme eingesetzt werden. Eine KWK bzw. WKK kann durch viele Technologien realisiert werden. Das Hauptprinzip ist dabei die dezentrale Nutzung der (gleichzeitig) bereitgestellten Elektrizität und Wärme im näheren Umkreis.
Die Verbrennungskraftmaschinen (Motor, Gasturbine) unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Art der Abwärme. Während bei Verbrennungsmotoren der größte Teil der Abwärme im Kühlwasser anfällt, wird die Wärme beim Gasturbinenprozeß in einem höheren Temperaturbereich durch das Abgas abgegeben. Daraus resultieren u. a. auch die unterschiedlichen Anwendungsfelder dieser beiden Technologien. So werden Gasturbinen insbesondere im Bereich der Industrie zur Bereitstellung von Niedertemperatur-Prozeßwärme (bis 500°C) eingesetzt, während die Motorenanlagen vor allem im Bereich der Raumwärmetemperatur-Bereitstellung ihre Anwendung finden.
In den meisten Fällen setzt sich eine BHKW-Anlage aus folgenden Hauptkomponenten zusammen:
- Motor, Gasturbine oder Stirlingmotor als Generatorantrieb / Brennstoffzelle
- Generator zur Stromerzeugung
- Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus Abgas, Motorabwärme und Ölkreislauf
- Diverse elektrische Schalt- und Steuereinrichtungen zur Stromverteilung bzw. zum Kraftmaschinenmanagement
- Hydraulische Einrichtungen zur Wärmeverteilung
Insbesondere im Bereich der Raumwärmebereitstellung wird das BHKW-System meistens durch einen Spitzenkessel sowie einen Wärmespeicher ergänzt.
Markus Gailfuß, BHKW-Infozentrum Rastatt
Mit einer Brennstoffzelle kann eine andere Art der KWK umgesetzt werden. In einer Brennstoffzelle wird die Enthalpie des Brennstoffes direkt in elektrische und thermische Energie gewandelt. Sie vermeidet damit Zwischenschritte bei der Energiewandlung und unterliegt nicht den Beschränkungen durch den Carnot-Wirkungsgrad, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.
Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Während bei der Elektrolyse durch Zufuhr von elektrischer Energie das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H2 und O2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer Energie zu Wasser.