Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen können Fernwärme und Strom liefern.

Wärme-Kraft-Kopplung für eine sichere Stromversorgung im Winter?

06. April 2023

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Technologie & Anlagen

Die Stromproduktion muss klimaneutral werden. Damit es im Winter nicht zu Engpässen bei der Versorgung kommt, braucht es neben sicher verfügbarer erneuerbarer Energie auch Back-up-Lösungen.

Mehr Wasserkraft, viel mehr Photovoltaikanlagen: Darauf setzt die Schweiz beim Umbau der Stromversorgung auf erneuerbare Quellen. Doch der Stromertrag aus Sonne und Wind schwankt. Im Sommer wird die Schweiz mehr erneuerbaren Strom erzeugen als im Winter.

Einer der zentralen Punkte bei der Umstellung auf ein klimaneutrales Energiesystem ist daher, auch im Winter eine sichere Stromversorgung zu gewährleisten. Deshalb soll die Speicherwasserkraft ausgebaut werden. Sie kann ihre Produktion rasch dem Bedarf anpassen – sofern die Speicherseen genügend gefüllt sind. Trockenperioden in den letzten Jahren haben aber deutlich gezeigt, dass wir auch mit der Ressource Wasser haushalten müssen.

Strategien für die Winterstromversorgung

Eine jederzeit autarke Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen, also ohne Kernkraft, erachtet der Bund als zu teuer und volkswirtschaftlich nicht tragbar. Daher wird die Schweiz im Winter wohl weiterhin Strom importieren, während das jährliche Importsaldo bis 2050 ausgeglichen sein soll.

Sollte dereinst ganz Europa in einer Energiekrise stecken, sind die erforderlichen Importe während des Winters allerdings nicht gesichert. Neben der Wasserkraftreserve setzt der Bund daher (vorerst bis 2026) auf Reservekraftwerke, die mit Gas oder Öl betrieben werden können.

Diese Reservekraftwerke werden nicht erst hochgefahren, wenn akut Strom fehlt, sondern schon vorbeugend, um eine Mangellage zu verhindern. Der zusätzlich zur Verfügung stehende Strom entlastet die Speicherwasserkraft. Weil aber bei den Reservekraftwerken keine Wärme ausgekoppelt wird, verpufft ein Teil der eingesetzten Energie als Abwärme.

Strom und Wärme aus einer Anlage

Hier setzt der Vorschlag an, vermehrt auf Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) setzen. In Erfüllung eines Postulats vom Januar 2020 hat sich auch der Bundesrat damit beschäftigt und eine Zukunftsstrategie für die Wärme-Kraft-Kopplung ausgearbeitet.

Der Vorteil von WKK-Anlagen ist, dass sie gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen – mit einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90 Prozent. Der elektrische Wirkungsgrad ist abhängig von der Technik und liegt zwischen 10 und 60 Prozent. Liegt der Fokus auf dem Stromertrag respektive der Stromproduktion, spricht man von einer stromgeführten Anlage. Bei wärmegeführten Anlagen steht die Produktion von Wärme im Vordergrund.

Effizient sind WKK-Anlagen, wenn Strom und Wärme gleichzeitig genutzt werden respektive die Wärme für eine spätere Nutzung gespeichert werden kann. Daher eignen sich WKK-Anlagen nicht als Reservekraftwerke, die bei drohendem Strommangel hochgefahren werden. Für einen effizienten Betrieb müsste der Absatz der Wärme gesichert sein, oder eine andere Wärmequelle müsste während des Betriebs der WKK-Anlage heruntergefahren werden.

Ein Blockheizkraftwerk mittlerer Leistung, das Strom und Wärme erzeugt. Quelle: iStock/imantsu

Wärmegeführte WKK-Anlagen sind effizienter

Aus diesem Grund sind WKK-Anlagen in der Regel wärmegeführt. Sie gehen also dann in Betrieb, wenn die Wärme gebraucht wird. Deshalb haben sie geringere Energieverluste und höhere Wirkungsgrade als stromgeführte Anlagen.

Integriert in thermische Netze können WKK-Anlagen zur Spitzenlastabdeckung für Wärme dienen und gleichzeitig Strom ins Netz einspeisen. Spitzenlasten werden im Winter erreicht, vor allem an sehr kalten Tagen – dann sind sowohl der Wärme- als auch der Strombedarf hoch. WKK-Anlagen sind also zusätzliche Wärmequellen, die gleichzeitig einen Beitrag zur Sicherstellung der Stromversorgung im Winter leisten.

Monatliche Stromerzeugung von WKK-Anlagen 2050 im Szenario ZERO Basis.

Für die Energieperspektiven 2050+ hat das Bundesamt für Energie im Szenario Netto-Null (ZERO) Varianten analysieren lassen, die sich im Mix an Technologien und der Geschwindigkeit des Ausbaus erneuerbarer Energien im Stromsektor unterscheiden. Die Grafik links zeigt die monatliche Stromerzeugung von WKK-Anlagen im Jahr 2050 im Szenario ZERO Basis. Quelle: Exkurs WKK, Prognos et al.)

Monatliche Stromerzeugung von WKK-Anlagen 2050 im Szenario ZERO B.

Für die Energieperspektiven 2050+ hat das Bundesamt für Energie im Szenario Netto-Null (ZERO) Varianten analysieren lassen, die sich im Mix an Technologien und der Geschwindigkeit des Ausbaus erneuerbarer Energien im Stromsektor unterscheiden. Die Grafik rechts zeigt die monatliche Stromerzeugung von WKK-Anlagen im Jahr 2050 im Szenario ZERO B, Quelle: Exkurs WKK, Prognos et al.)

Die Bedeutung von Strom nimmt zu

In Zukunft wird trotz Effizienzsteigerungen wohl mehr Strom gebraucht werden, etwa für Elektroautos und Wärmepumpen. Sowohl der Bedarf als auch die Produktion von Strom werden grösseren Schwankungen unterliegen als bisher. Weil sich WKK-Anlagen sehr flexibel betreiben lassen, können sie eine wichtige Rolle im Energiesystem der Zukunft übernehmen. In diesem wächst die Bedeutung thermischer Netze auf Basis erneuerbarer Energien für eine treibhausgasarme Wärmeversorgung. Auch die Sektorkopplung wird immer wichtiger, um mehr erneuerbaren Strom in den Sektoren Verkehr (Elektroantriebe) und Wärme (Wärmepumpen) nutzen zu können sowie um Strom aus erneuerbaren Quellen mit schwankendem Ertrag zu speichern (Batterie- und andere Speicher, Power-to-X).

Knacknuss klimaneutrale Brennstoffe

In seiner Zukunftsstrategie für die WKK anerkennt der Bundesrat, «dass wärmegeführte, mit erneuerbaren oder klimaneutralen Brennstoffen betriebene WKK-Anlagen eine wichtige Ergänzung zur Sicherstellung der Stromversorgung im Sinne der Winterspeicher durch Grosswasserkraft leisten können.» Die Knacknuss ist die Verfügbarkeit von erneuerbaren oder synthetischen klimaneutralen Brennstoffen, denn heutige Anlagen haben meistens einen Verbrennungsmotor. In grossen Leistungsklassen kommen Gas- oder Dampfturbinen zum Einsatz.

Aus Klimaschutzgründen dürfen in WKK-Anlagen zukünftig keine fossilen Brennstoffe, sondern ausschliesslich Biogas, grüner Wasserstoff oder andere klimaneutrale Brennstoffe verbrannt werden. Diese sind jedoch momentan noch rar und teuer. WKK-Verfahren, die nicht auf Verbrennungsprozessen basieren, wie etwa Geothermiekraftwerke sind technisch noch nicht ausgereift und wohl auch mittelfristig noch sehr teuer.

Zunächst keine Fördermittel vom Bund

Für den Bundesrat hat die Wärme-Kraft-Kopplung zwar Potenzial, ihr Ausbau aber keine Priorität. Dennoch skizziert er in seiner Zukunftsstrategie Eckpunkte für ein Fördermodell, falls das Parlament ein solches wünscht. Der Bundesrat würde ein jährliches Zubauziel von maximal 50 Megawatt elektrischer Leistung festlegen. Dabei würde er den voraussichtlichen Wärmebedarf berücksichtigen, um die Abnahme der gekoppelten Wärme sicherzustellen. Gefördert würden ausschliesslich wärmegeführte WKK-Anlagen, die in einen Wärmeverbund integriert sind. Die Wärme müsste zwingend genutzt und die Anlagen mit erneuerbaren oder klimaneutralen Brennstoffen betrieben werden.

Das Thema bleibt politisch auf der Traktandenliste: Im Februar 2023 brachten zwei Nationalräte eine Motion ein, die den Bundesrat beauftragen möchte, «in den Gesetzesentwurf zu den Reservekraftwerken als Teil der Energiereserve eine Bestimmung aufzunehmen für eine Massnahme zur Sicherung der Winterstromversorgung durch WKK-Anlagen.» Darin soll auch geklärt werden, in welchen Fällen WKK-Anlagen wärme- respektive stromgeführt werden.

Auch verschiedene Stimmen aus der Energiebranche fordern eine Stärkung der Wärme-Kraft-Kopplung. Neben der Jokerrolle im Energiesystem der Zukunft können WKK-Anlagen dank ihres hohen Wirkungsgrades auch helfen, die aktuell vorhandenen Ressourcen an Erdgas sowie Biogas effizienter zu nutzen als dies bei der separaten Produktion von Strom und Wärme möglich ist.