Wärme-Kraft-Kopplung: Wärme und Strom von der gleichen Anlage

Bei der Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) liefert das Heizsystem nicht nur Wärme, sondern auch Strom. Die eingesetzte Energie wird dadurch besonders effizient genutzt. Deshalb spielt die Wärme-Kraft-Kopplung eine wichtige Rolle für eine nachhaltige Energiezukunft. Sie gehört zu den Standardlösungen der aktuellen Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn 2014).

Die Idee klingt bestechend. WKK-Anlagen produzieren gleichzeitig Wärme und Strom. So wird die Heizung im Keller zum Kraftwerk. Das dient sogar der Stabilisierung des Stromnetzes und der Versorgungssicherheit in der Schweiz. Denn im Winter liefern die neuen erneuerbaren Energien wie zum Beispiel die Solarenergie weniger Strom als im Sommer. Die Wärme-Kraft-Kopplung kann dazu beitragen, diese Lücke zu füllen, und ergänzt die erneuerbaren Energien ideal. Schliesslich muss im Winter sowieso geheizt werden. Umso besser, wenn als Nebenprodukt Strom entsteht.

Die Wärme-Kraft-Kopplung erreicht einen hohen Wirkungsgrad, nutzt die eingesetzte Energie also sehr effizient. Deshalb gehört sie zu den Standardlösungen der aktuellen Mustervorschriften der Kantone im Energiebereich (MuKEn 2014). Wer die Heizung ersetzen muss und dabei eine Standardlösung wählt, investiert zukunftssicher. Bei der Wärme-Kraft-Kopplung machen die MuKEn 2014 zwei Vorgaben. Die WKK-Anlage hat erstens einen elektrischen Wirkungsgrad von mindestens 25% zu erreichen und zweitens mindestens 60% des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser abzudecken.

Strom erzeugende Gasheizung

In Einfamilienhäusern und kleinen Mehrfamilienhäusern werden für die Wärme-Kraft-Kopplung meist Strom erzeugende Gasheizungen eingesetzt. Bei solchen WKK-Anlagen produziert ein Verbrennungsmotor aus Erdgas und Biogas Strom. Diesen nutzen die Bewohnerinnen und Bewohner des Gebäudes in erster Linie selbst. Der überschüssige Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist und vom lokalen Energieversorger mit einem Rückliefertarif entschädigt. Die Abwärme des Verbrennungsmotors dient zum Heizen und fürs Warmwasser.

Eine Strom erzeugende Gasheizung erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von über 90%. Das bedeutet, dass nahezu so viel Energie, wie in Form von Erdgas und Biogas eingesetzt wird, anschliessend als Nutzenergie zur Verfügung steht. In der Regel liefert die Strom erzeugende Gasheizung etwa zwei Drittel Wärme und einen Drittel Strom. Zusätzlich zur hohen Energieeffizienz punktet das Heizsystem mit einer sehr guten CO2-Bilanz, wenn es mit Biogas betrieben wird.

stromerzeugende Gasheizung, Quelle: Viessmann Werke

Eine Strom erzeugende Gasheizung liefert in der Regel etwa zwei Drittel Wärme und einen Drittel Strom. (Quelle: Viessmann Werke)

Stirling-Motor oder Otto-Motor

Bei Strom erzeugenden Gasheizungen gibt es zwei unterschiedliche Technologien. Ein Stirling-Motor funktioniert besonders leise und wartungsarm, weil die Verbrennung ausserhalb des Zylinders abläuft. Allerdings produziert er vergleichsweise wenig Strom und erreicht den von den MuKEn 2014 vorgegebenen elektrischen Wirkungsgrad nicht. Deutlich mehr Strom stellt der klassische Otto-Motor her, wie man ihn von Autos kennt. Damit lässt sich je nach Gebäude ein grosser Teil des Strombedarfs decken. Der Otto-Motor verursacht aber einen höheren Geräuschpegel.

«Der Schall ist bei WKK-Anlagen immer ein Thema», sagt Andreas Peter, Experte für Anwendungstechnik beim Schweizerischen Verein des Gas- und Wasserfaches (SVGW). «Um die Geräusche möglichst gering zu halten, sollte der Heizungsinstallateur erstens starre Verbindungen der WKK-Anlage zum Gebäude vermeiden. Zweitens muss das Abgassystem schalldämpfend montiert sein.»

WKK-Anlage richtig dimensionieren

Wie gut die Wärme-Kraft-Kopplung bei der Wirtschaftlichkeit abschneidet, hängt laut Andreas Peter einerseits vom Rückliefertarif des lokalen Energieversorgers und andererseits von den Wartungskosten ab. «Eine Revision kann bei dieser Technologie teuer werden.» Wichtig ist zudem, das Heizsystem passend zu dimensionieren. «In der Schweiz werden WKK-Anlagen wärmegeführt geplant», sagt Andreas Peter. «Die Leistung richtet sich nach der benötigten Wärme.»

Strom erzeugende Gasheizungen für Einfamilienhäuser und kleine Mehrfamilienhäuser haben eine elektrische Leistung bis 5 Kilowatt. Bei Anlagen mit einer höheren elektrischen Leistung spricht man von Blockheizkraftwerken. Sie kommen vor allem im Gewerbe zum Einsatz. «In grossen Hotels mit eigenem Hallenbad und hohem Wärmebedarf etwa sind Blockheizkraftwerke eine sinnvolle Lösung.» Schon Hunderte von Blockheizkraftwerken verrichten im Schweizer Gebäudepark zuverlässig ihren Dienst.

Hingegen haben sich Strom erzeugende Gasheizungen noch nicht durchgesetzt. Erste solche WKK-Anlagen wurden hierzulande zwar realisiert, doch die Nachfrage ist gering. Deshalb bieten die Hersteller über ihre offiziellen Schweizer Vertriebskanäle zurzeit keine Strom erzeugenden Gasheizungen an.


Brennstoffzelle zum Heizen

Neben Strom erzeugenden Gasheizungen und Blockheizkraftwerken arbeitet noch eine weitere Technologie nach dem Prinzip der Wärme-Kraft-Kopplung: die Brennstoffzelle. Trotz des Namens findet in solchen WKK-Anlagen keine Verbrennung mit offener Flamme statt. Eine Brennstoffzellen-Heizung wandelt zunächst Erdgas oder Biogas in Wasserstoff um, der dann in einem chemischen Prozess Strom und Wärme produziert.

Brennstoff-Zellen Heizung, Bildquelle: Viessmann Werke

Trotz ihres Namens findet in einer Brennstoffzellen-Heizung keine Verbrennung statt, sondern ein elektrochemischer Prozess. Der dafür benötigte Wasserstoff entsteht direkt in der Heizungsanlage aus Erdgas und Biogas. Bildquelle: Viessmann Werke

Brennstoffzellen-Heizungen sind klein und arbeiten – anders als sonstige WKK-Anlagen – fast geräuschlos. Wegen ihrer hohen Energieeffizienz gilt die Brennstoffzelle als eine Schlüsseltechnologie der Zukunft. Je nach Haushaltsgrösse reicht der produzierte Strom für den gesamten eigenen Bedarf.

Hingegen liefern heutige Brennstoffzellen-Heizungen vergleichsweise wenig Wärme. Sie erfüllen die Vorgabe der MuKEn 2014 an WKK-Anlagen nicht, mindestens 60% des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser abzudecken.

Laut Andreas Peter eignen sich Brennstoffzellen-Heizungen aber trotzdem für einen Heizungsersatz gemäss den MuKEn 2014: «Erreicht ein Gebäude bei der Gesamtenergieeffizienz mindestens die Klasse D, bestehen gemäss den MuKEn 2014 keine zusätzlichen Vorgaben an das Heizsystem. Um die Effizienz zu ermitteln, lässt die Hauseigentümerin oder der Hauseigentümer einen Gebäudeenergieausweis der Kantone (GEAK) erstellen. Dabei wird der selbst produzierte Strom angerechnet. Folglich trägt die Brennstoffzellen-Heizung dazu bei, die erforderliche Effizienzkategorie zu erreichen.»

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