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Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme für Heizzwecke oder für Produktionsprozesse in einem Heizkraftwerk. Es ist somit die Auskopplung von Nutzwärme insbesondere bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen. In den meisten Fällen stellen KWK-Kraftwerke Wärme für die Heizung öffentlicher und privater Gebäude bereit, oder sie versorgen als Industriekraftwerk Betriebe mit Prozesswärme (z.B. in der chemischen Industrie). Die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird dabei weitestgehend vermieden. Zunehmend an Bedeutung gewinnen kleinere KWK-Anlagen für die Versorgung einzelner Wohngebiete, bzw. einzelner Mehr- und sogar Einfamilienhäuser, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW).

Vorteil der KWK ist der verringerte Brennstoffbedarf. Eine Förderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) bzw. das Enereuerbare Energien Gesetz (EEG) soll den Ausbau beschleunigen.

Das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (genauer: Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung) ist am 1. April 2002 in Kraft getreten. Ihm voraus ging das Gesetz zum Schutz der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung vom 12. Mai 2000 als Vorschaltgesetz zur Bestandssicherung von KWK-Anlagen. Am 6. Juni 2008 wurde die erste größere Novellierung des Gesetzes beschlossen. Die KWKG-Novelle (KWKG 2009) trat am 1. Januar 2009 in Kraft und weist erhebliche Veränderungen in Bezug auf das bisherige KWK-Gesetz (KWKG 2002) auf.

Im Mai 2012 wurde erneut eine Novellierung des KWKG vom Bundestag beschlossen (KWKG 2012). Kernpunkte der Novelle sind die Verbesserung der Förderung von KWK-Anlagen durch höhere KWK-Zuschlagsätze, flexiblere Laufzeitmodelle, Entbürokratisierung, neue Modernisierungsoptionen sowie eine neue Anlagenkategorie für Anlagen von 50 bis 250 kW elektrischer Leistung. Zudem wurde die Förderung von Wärme- und Kältespeichern sowie von Kältenetzen (zur Nutzung von Kraft-Wärme-Kälte Kopplung) erstmals in das KWK-Gesetz zu implementiert.

Der Zweck des Gesetzes ist in § 1 (neue Fassung ab 1. Januar 2009) definiert:

„Zweck des Gesetzes ist es, einen Beitrag zur Erhöhung der Stromerzeugung aus Kraft-Wärme-Kopplung in der Bundesrepublik Deutschland auf 25 Prozent durch den befristeten Schutz, die Förderung der Modernisierung und des Neubaus von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen), die Unterstützung der Markteinführung der Brennstoffzelle sowie die Förderung des Neu- und Ausbaus von Wärmenetzen, in die Wärme aus KWK-Anlagen eingespeist wird, im Interesse der Energieeinsparung, des Umweltschutzes und der Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung zu leisten.“

Ähnlich wie beim Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird die Förderung (bzw. Vergütung), die Betreiber von testierten KWK-Anlagen erhalten, auf den gesamten Stromverbrauch, also auf jede in Deutschland verbrauchte Kilowattstunde umgelegt. Ferner hat Strom, der in KWK-Anlagen erzeugt wird, nach § 8 Abs. 1 EEG denselben Einspeisevorrang in das öffentliche Stromnetz wie Strom aus Anlagen, die nach dem EEG gefördert werden.

Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) ist eine Erweiterung der Kraft-Wärme-Kopplung(KWK): Die von einem Blockheizkraftwerk, einer Thermischen Solaranlage, oder einer Geothermieanlage erzeugte Wärme wird zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine für die Klimatisierung verwendet. Als Kältetransportmedium dient üblicherweise aufbereitetes Wasser mit einer Vorlauftemperatur von ca. 6 °C. Die Kälteerzeugung kann im Sommer ergänzend zur Wärmeerzeugung im Winter oder in wärmeren Ländern im Ganzjahresbetrieb erfolgen. In einigen Städten, z. B. Chemnitz und Wien, wird KWKK auch großtechnisch betrieben, indem große Absorptionskältemaschinen mit Wärme aus dem vorhandenen Fernwärmenetz gespeist werden. Erfolgt die Kälteerzeugung zentral, wird sie über ein Fernkältenetze an die Abnehmer verteilt. In solche Netze sind zumeist auch Kältespeicher integriert, um Spitzenlasten abdecken zu können.

Obwohl die Absorptionskältemaschine im Gegensatz zu einer elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschine höhere Investitionskosten verlangt und auf Grund der größeren Bauvolumina anlagentechnisch schwieriger zu integrieren ist, hat die KWKK ihre Vorteile. Im Sommer dient nicht nur die Warmwasserbereitung als Wärmesenke der KWKK, sondern auch der Verdampfer der Absorptionskältemaschine. Dadurch kann die Zahl der jährlichen Betriebsstunden der KWKK-Anlage deutlich gesteigert und deren Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Durch KWKK werden im Vergleich zu KWK und dem zusätzlichen Betrieb von Kompressionskältemaschinen die eingesetzten Primärenergieträger effizienter genutzt und somit Emissionen reduziert.

Das deutsche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Kurztitel: Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG) regelt die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien ins Stromnetz und garantiert deren Erzeugern feste Einspeisevergütungen. Der Fördermechanismus des deutschen EEG diente bis zum Jahr 2011 für mindestens 61 Staaten sowie 26 Bundesstaaten bzw. Provinzen als Vorlage für ähnliche Gesetze.

Das EEG trägt zum Klimaschutz und zur Luftreinhaltung bei. 2006 seien durch das EEG beispielsweise der Ausstoß von 45 Millionen Tonnen CO² verhindert worden. Dadurch führe das EEG zu einer Verringerung von externen Kosten, wie unter anderem im Zuge der globalen Erwärmung. Die vermiedenen Folgeschäden werden auf 3,4 Mrd. € geschätzt. Laut BMU ergab sich für 2006 insgesamt ein volkswirtschaftlicher Nutzen des EEG von rund 9,3 Mrd. €.

Klimaschutz ist der Sammelbegriff für Maßnahmen, die einer durch den Menschen verursachten globalen Erwärmung entgegen wirken und mögliche Folgen lindern (Mitigation) oder sogar verhindern sollen. Weil die Erderwärmung aus Sicht vieler Forscher bereits nicht mehr völlig zu stoppen, sondern nur noch abzumildern und zu begrenzen sei, wären neben der Verringerung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und Geo-Engineering Maßnahmen zur Anpassung an den unabwendbaren Klimawandel nötig.

Hauptansätze des Klimaschutzes sind zum einen die Verringerung des Ausstoßes von Treibhausgasen, die durch industrielle und landwirtschaftliche Produktion, durch Energieverbrauch im Verkehr, in Privathaushalten und im öffentlichen Raum freigesetzt werden. Zum anderen geht es um die Erhaltung und um die gezielte Förderung solcher Naturbestandteile, die das mengenmäßig bedeutsamste Treibhausgas Kohlenstoffdioxid aufnehmen. Dabei handelt es sich – neben den Ozeanen – zum einen um große Waldareale, namentlich tropische Regenwälder und boreale Wälder, aber auch um Feuchtgebiete wie Moore, Sümpfe und Flussauen.

Zum Klimaschutz gehören neben großtechnischen Maßnahmen und makroökonomischen Ausrichtungen sowie der staatlichen und internationalen Klimaschutzpolitik auch Aufklärung und Verhaltensänderung der Individuen vor allem in Industriestaaten mit einem vergleichsweise hohen Energiekonsum und entsprechenden Verursacheranteilen an den weltweiten Treibhausgas-Emissionen.

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine modular aufgebaute Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme, die vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben wird, aber auch Nutzwärme in ein Nahwärmenetz einspeisen kann. Sie setzt dazu das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ein. Als Antrieb für den Stromerzeuger können Verbrennungsmotoren, d.h. Diesel- oder Gasmotoren, aber auch Gasturbinen verwendet werden.

Der höhere Gesamtnutzungsgrad gegenüber der herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Kraftwerk resultiert daraus, dass die Abwärme der Stromerzeugung direkt am Ort der Entstehung genutzt wird. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt dabei, abhängig von der Anlagengröße, zwischen 25% und 50%. Durch die ortsnahe Nutzung der Abwärme wird die eingesetzte Primärenergie aber zu 80% bis über 90% genutzt. Blockheizkraftwerke können so bis zu 40% Primärenergie einsparen.

Übliche BHKW-Module haben elektrische Leistungen zwischen fünf Kilowatt (kW) und fünf Megawatt (MW). Unter 50 Kilowatt spricht man auch von Mini-Kraft-Wärme-Kopplung (Mini-KWK), unter 15 Kilowatt von Mikro-KWK. Mini- und Mikro-KWK werden in Ein- und Mehrfamilienhäusern, in Betrieben und im Siedlungsbau verwendet. Die Kraft-Wärme-Kopplung wird ebenfalls in Heizkraftwerken genutzt, dort typischerweise mit elektrischen Leistungen von einigen hundert MW.

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) in Eschborn bei Frankfurt am Main ist eine Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie; es übt auch Aufgaben für andere Bundesministerien aus. Das BAFA ist mit der Umsetzung von Programmen etwa im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative beschäftigt, die konkrete Ziele wie beispielsweise die vermehrte Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) verfolgt. Dazu gehören auch die Marktanreizprogramme für Erneuerbare Energien, mit denen Maßnahmen im Bereich Solarthermie, Biomasse oder Wärmepumpen gefördert werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Zertifizierung von KWK-Anlagen und in der Förderung kleiner Blockheizkraftwerke (BHKW). Schließlich richten sich die Maßnahmen auch an Berater, die Vor-Ort-Beratungen für private Verbraucher zur Energieeinsparung anbieten (Energiesparberater), oder an energieintensive Verbraucher, denen für ihre Bemühungen bei der Kraft-Wärme-Kopplung finanzieller Ausgleich zusteht.

Beim Viertaktmotor sind Ein- und Auslasstakt getrennt und in jedem Zylinder gibt es nur alle zwei Umdrehungen einen Arbeitstakt. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eine Ventilsteuerung notwendig, die meist über Nockenwellen realisiert wird, die mit halber Motordrehzahl laufen. Das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als beim Zweitakter – was aber meist durch den niedrigeren Kraftstoffbereich gerechtfertigt wird. Weiterhin lassen sich Viertakter besser auf ein breiteres Drehzahlband abstimmen.
Im Bereich der Blockheizkraftwerke kommen bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Geräten, aus den obengenannten Gründen, nur 4-Takt Motoren zum Einsatz. Für den Service bedeutet das auf jeden Fall die Kontrolle des Ventilspiels bei jeder Wartung.

4-Takt Prinzip eines Ottomotors:

Smart Metering ist der in der Versorgungsbranche übliche Ausdruck für Übertragungsvorgänge und die damit verbundenen Prozesse und Systemlösungen des Einsatzes Intelligenter Zähler, die über die reine Energieverbrauchsmessung hinaus mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet sind.

Smarte Messgeräte können verbrauchte Mengen sowie die Verbrauchszeiträume messen, speichern und diese Daten an Kunden oder Dritte kommunizieren. Neben dem Smart Metering sollen auch das sogenannte Smart Grid sowie der smarte Kunde den Wandel in der Energieversorgung kennzeichnen bzw. vorantreiben.

Der Begriff intelligentes Stromnetz (englisch smart grid) umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. Diese ermöglicht eine Optimierung und Überwachung der miteinander verbundenen Bestandteile. Ziel ist die Sicherstellung der Energieversorgung auf Basis eines effizienten und zuverlässigen Systembetriebs.

Während bislang Stromnetze mit zentraler Stromerzeugung dominieren, geht der Trend hin zu dezentralen Erzeugungsanlagen, sowohl bei der Erzeugung aus fossiler Primärenergie durch kleine KWK-Anlagen als auch bei der Erzeugung aus erneuerbaren Quellen wie bei Photovoltaikanlagen, solarthermischen Kraftwerken, Windkraftanlagen und Biogasanlagen. Dies führt zu einer wesentlich komplexeren Struktur, primär im Bereich der Lastregelung, der Spannungshaltung im Verteilnetz und zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität. Kleinere, dezentrale Erzeugeranlagen speisen im Gegensatz zu mittleren bis größeren Kraftwerken auch direkt in die unteren Spannungsebenen wie das Niederspannungsnetz oder das Mittelspannungsnetz ein.
Generell werden Netze, auch elektrische Energieversorgungsnetze, auf die mögliche Höchstbelastung ausgelegt. Die Reduktion jener Höchstbelastung und die zeitliche Verlagerung der zu übertragenden Energie in Zeiten mit geringerer Auslastung ermöglicht die notwendige Netzinfrastruktur kleiner auszulegen und führt dadurch zu Kostenvorteilen auf Betreiberseite. Hierbei bleibt die insgesamt übertragene Energiemenge in etwa gleich, es wird nur die Auslastung der Netze optimiert. Beispielsweise waren im Jahr 2009 Stromnetze in der Schweiz im Jahresdurchschnitt nur zwischen 30 bis 40% ausgelastet. Kostenvorteile und Versorgungssicherheit sind daher Anreize für die Netzbetreiber, teure Lastspitzen zu vermeiden und im theoretischen Idealfall nur einen möglichst zeitlich konstanten Lastanteil, welcher über dem so genannten Grundlastanteil liegt, zu haben. Diese Nivellierung der Last kann mittels intelligenter Netze durch automatische Steuerungen und Kontrolle von Verbrauchsanlagen im Rahmen einer Laststeuerung erfolgen.

Eine Eigenschaft jener Netze ist die Möglichkeit, Zustandsinformationen und Lastflussdaten aus den einzelnen Netzelementen, wie z.B. Erzeugungsanlagen, Verbrauchern (Haushalte oder Industrieanlagen) oder auch Transformatorenstationen in Echtzeit abrufen und verarbeiten zu können. Ein intelligentes Stromnetz bezieht neben den Produktionsanlagen auch größere Verbraucher wie Wärmepumpen, Warmwasserspeicher, Tiefkühler, Autobatterien usw. in das Netzmanagement mit ein.

Ein intelligentes Stromnetz integriert sämtliche Akteure auf dem Strommarkt durch das Zusammenspiel von Erzeugung, Speicherung, Netzmanagement und Verbrauch in ein Gesamtsystem. Kraft- und Speicherwerke werden bereits heute so gesteuert dass stets nur so viel Strom produziert wird wie benötigt. Intelligente Stromnetze beziehen in diese Steuerung die Verbraucher sowie dezentrale kleine Energielieferanten und -speicherorte mit ein, sodass einerseits ein zeitlich und räumlich homogenerer Verbrauch entsteht und andererseits prinzipiell inhomogene Erzeuger (z.B. Windkraft) und Verbraucher (z.B. Beleuchtung) besser integriert werden können.

Die Stromspeicherung, welche aufgrund der schwankenden Erzeugung erneuerbarer Energien an Bedeutung gewinnt, wird seit langem mit Hilfe von Speicherkraftwerken realisiert. Hinzu kommen beispielsweise dezentrale Speicher wie Fahrzeugakkumulatoren, was jedoch derzeit noch fernab der Kostendeckung ist.

Für die Verbraucher ist eine wesentliche Änderung der Einbau von Intelligenten Zählern (auch smart meter). Ihre Kernaufgaben sind Fernauslesung und die Möglichkeit, kurzfristig innerhalb eines Tages schwankende Preise realisieren zu können. Alle Stromzähler müssen also gegen solche mit Datenfernübertragung ausgetauscht werden. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten läuft in Pilotprojekten meist über Telefon-Modem – das smart power Projekt in der Schweiz arbeitet dagegen bereits mit ASDL Verbindungen.

Der Verbraucher kann jedoch nur dann ohne Komfort-Einbußen Preisvorteile realisieren, wenn er auch über Geräte verfügt, die automatisch vorzugsweise während Niedertarif-Zeiten arbeiten. Dabei handelt es sich um zeitunkritische Prozesse wie Tiefkühlen, Heizen (Elektroboiler), Waschen oder Geschirrspülen. Mit Nachtspeicheröfen und festen Nachttarifen wurde dies bereits vor Jahrzehnten realisiert, moderne Systeme können jedoch flexibler und intelligenter arbeiten, was insbesondere für die Einbeziehung erneuerbarer Energien wichtig ist.

Die Messinformationen stehen hierbei dem Energielieferanten zu, d.h. sie dürfen derzeit nicht frei zugänglich gemacht werden, insbesondere nicht einem Wettbewerber. Weiterhin ist bei den gewonnenen Messdaten der Datenschutz zu beachten (denn dadurch lässt sich z.B. anhand des Stromverbrauches der Kaffeemaschine erkennen, wann jemand morgens aufsteht).

Problematisch ist weiterhin, dass es noch keine überall anerkannten Standards gibt, was gemessen wird, und wie die Daten an ein Ziel übertragen werden. Deshalb werden derzeit in Versuchsanlagen proprietäre Messsysteme eingesetzt, die nicht einfach miteinander kombinierbar oder austauschbar sind. Nach der Einführung von Standards ist möglicherweise ein aufwändiger Wechsel der Systeme notwendig. Beim Projekt smart power wird mit in der IKT üblichen Protokollen gearbeitet. Dadurch lassen sich beliebige nicht proprietäre Systeme kombinieren.

Um das Problem der unterschiedlichen Standards zu vermeiden, kommen häufig unterschiedliche Gateways zum Einsatz. Ein populärer Ansatz zur Harmonisierung einer offenen Gateway-Plattform ist OSGi.

Obwohl die Entwicklung und Standardisierung noch läuft, kann man bereits heute ein einfaches eigenes “SmartGrid” bei sich zu Hause installieren. Ein schönes Beispiel hierfür sind Verbrauchsanzeigegeräte und “StandBy Killer” eines Kantonswerkes der Schweiz. Mit diesen Geräten, die über eine Funkverbindung kabellos arbeiten, kann der Kunde den Stromverbrauch sehen die aktuelle Leistung und er kann abends seine Verbraucher (Fernseher, Video usw.) vom Stromnetz trennen (damit spart man zwischen 20 und 30 Euro pro Jahr).

Ein virtuelles Kraftwerk ist eine Zusammenschaltung von dezentralen – im Allgemeinen relativ kleinen – Stromerzeugungseinheiten, wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen, Kleinwasserkraftwerken und Biogasanlagen, aber auch von kleinen Windenergieanlagen und Mini- bzw. Mikro- Blockheizkraftwerken zu einem Verbund, der nachfragegeführt elektrische Leistung bereitstellen und damit dargebotsunabhängige Leistung aus Großkraftwerken ersetzen kann. Virtuell heißt das Kraftwerk nicht, weil es keinen Strom erzeugt, sondern weil es mehr als einen Standort besitzt. Andere gebräuchliche Begriffe sind Schwarmkraftwerk und DEA-Cluster (= Cluster aus Dezentralen Erzeugungsanlagen).

Aufgrund ihrer Struktur mit kleinen Erzeugern können virtuelle Kraftwerke die bestehenden Netzstrukturen mit zentralen Großkraftwerken nicht vollständig ersetzen. Vielmehr eröffnet das Konzept des virtuellen Kraftwerks die Möglichkeit zur Ergänzung und Optimierung der bestehenden Strukturen des Energieversorgungssystems.

Virtuelle Kraftwerke setzen sich gegenüber ungekoppelten dezentralen Einspeiseanlagen schwer durch, weil bei ihnen Kosten für Kommunikation und den Aufwand der zentralen Steuerung hinzukommen. Daher werden auch virtuelle Kraftwerke diskutiert, bei denen die einzelnen dezentralen Einspeiser nicht über eine ständige informationstechnische Kopplung verfügen.

Die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (Mikro-KWK) steht für eine Klasse von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), die das unterste Leistungssegment der KWK abdeckt. Sie ist vor allem für den Gebäude-integrierten Einsatz bei Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie im Kleingewerbe geeignet. Die Mikro-KWK findet hauptsächlich im Heizungskeller durch Mikro-Block-Heiz-Kraftwerke (Mikro-BHKW) mit Abwärmenutzung in Form von Nächst-Wärme statt. Sie verringert durch dezentrale Energiewandlung elektrische und vor allem thermische Übertragungsverluste.

Zu dieser Themengruppe gehören auch die Geräte von Senertec und Kirsch HomeEnergy, sowie das kleinste Gerät aus der Palette der Firma ESS/Viessmann.

Als Primärenergie bezeichnet man in der Energiewirtschaft die Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energieformen oder Energiequellen zur Verfügung steht, etwa als Kohle, Gas oder Wind. Im Gegensatz dazu spricht man von Sekundärenergie oder Energieträgern, wenn diese erst durch einen (mit Verlusten behafteten) Umwandlungsprozess aus der Primärenergie gewandelt werden. Die nach eventuellen weiteren Umwandlungs- oder Übertragungsverlusten vom Verbraucher nutzbare Energiemenge bezeichnet man schließlich als Endenergie.

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