Heizkraftwerk: Wärme und Strom zentral erzeugen

Deutsche-Thermo.de informiert über den Aufbau sowie die Funktion von Heizkraftwerken und zeigt, warum mobile Heizcontainer vorteilhaft für die Absicherung sind.

Die Themen im Überblick

Was ist ein Heizkraftwerk und wozu ist es nötig?

Bei einem Heizkraftwerk handelt es sich um eine Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung. Diese erzeugt Strom (Kraft) und nutzt die dabei entstehende Abwärme technisch weiter, anstatt sie aufwendig zu kühlen. Diese Doppelnutzung ermöglicht es, die in den eingesetzten Brennstoffen gespeicherte Energie besonders gut auszunutzen und hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Während konventionelle Kraftwerke, die allein Strom erzeugen, Wirkungsgrade von etwa 45 Prozent erreichen, nutzen Heizkraftwerke die Energie der eingesetzten Brennstoffe zu über 85 Prozent aus. Sie sind damit nicht nur wirtschaftlicher, sondern auch umweltfreundlicher im Betrieb. Denn Heizkraftwerke schonen fossile Rohstoffe und emittieren insgesamt weniger Treibhausgase sowie Luftschadstoffe. Besonders günstig für das Klima sind dabei sogenannte Biomasse Heizkraftwerke, die meist Holz, Pellets oder Hackschnitzel aus der Region verarbeiten, um Strom und Wärme zu erzeugen.

Kraft und Wärme für mehrere Anschlussnehmer

Heizkraftwerke versorgen meist zahlreiche Anschlussnehmer mit thermischer Energie. Diese verteilen sie dabei über sogenannte Nah- und Fernwärmenetze. Während beide im Prinzip gleich aufgebaut sind, versorgen Nahwärmenetze eher kleinere Gebäudekomplexe, Quartiere oder Siedlungen mit thermischer Energie. Fernwärmenetze sind flächenmäßig größer angelegt und verteilen Wärme in Städten, Industriegebieten oder großen Ballungsräumen. Abhängig von der Größe des Verteilnetzes und dem Wärmebedarf der Anschlussnehmer kommen dabei Großkraftwerke, kleine Heizkraftwerke, Blockheizkraftwerke oder Micro-BHKWs zum Einsatz. Das Äquivalent in der Kälteerzeugung ist die Fernkälte, hier wird zentral Kälte erzeugt und über ein ausgebautes Kältenetz an mehrere Verbraucher verteilt. Die folgende Übersicht zeigt, was die verschiedenen Arten voneinander unterscheidet

Heizkraftwerk – Art	Beschreibung
Großkraftwerk	Großkraftwerke dienen vor allem der Stromerzeugung. Sie liefern aber auch mehrere Gigawatt Wärme, die Großstädte und Ballungsräume versorgt. Da die Abnahme der immensen Wärmemengen nicht immer sichergestellt ist, arbeiten Anlagen in dieser Größe häufig ohne Wärmeauskopplung als reine Kraftwerke.
Kleine und mittlere Heizkraftwerk	Heizkraftwerke für kleine und mittlere Leistungsbereiche liefern Strom und Wärme im Megawattbereich. Sie basieren auf dem gleichen Funktionsprinzip wie Großkraftwerke, haben aber Vorteile bei der Verteilung der Wärmemengen. Da sich diese in Nah- und Fernwärmenetzen besser nutzen lassen, arbeiten die Anlagen zuverlässig mit hohem Wirkungsgrad.
Blockheizkraftwerk	Blockheizkraftwerke setzen ebenfalls auf die Kraft-Wärme-Kopplung. Sie erzeugen Strom und Wärme im oberen Kilowattbereich und sind daher vor allem für Gebäudekomplexe, Quartiere oder kleinere Siedlungen geeignet.
Mikro-Blockheizkraftwerk	Bei dem Mikro-BHKW handelt es sich um ein kleines Heizkraftwerk für zuhause. Es erzeugt Strom und Wärme meist im einstelligen Kilowattbereich und arbeitet zusammen mit einem Spitzenlastkessel als sogenannte „stromerzeugende Heizung“.

Geht es um die Funktionsweise der Heizkraftwerke, finden sich Unterschiede vor allem im Vergleich von großen sowie mittleren Anlagen und kleinen Heizkraftwerken. Während Erstere zumeist auf Gas- und/oder Dampfturbinen zur Stromerzeugung setzen, arbeiten Blockheizkraftwerke üblicherweise mit Motoren für Gas, Diesel oder Holzgas. Mikro-BHKWs funktionieren zusätzlich auch mit Stirlingmotoren oder Brennstoffzellentechnik.

Einfach erklärt: Wie funktioniert ein Heizkraftwerk?

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Funktionsweisen der Heizkraftwerke je nach Größe. So gibt es:

• Dampfturbinenanlagen
• Gasturbinenanlagen
• Gas- und Dampfturbinenanlagen
• BHKWs mit interner Verbrennung
• BHKWs mit externer Verbrennung
• Brennstoffzellenheizgeräte

Doch wie funktioniert ein Heizkraftwerk? Eine Antwort auf diese Frage geben wir in den folgenden Abschnitten.

Dampfturbinenanlagen betreiben Turbinen mit heißem Dampf

Weit verbreitet im Bereich der Heizkraftwerke sind die sogenannten Dampfturbinenanlagen. Diese nutzen einen Kessel, um Wasser zu verdampfen. Ein Überhitzer sorgt für einen zusätzlichen Temperaturanstieg und der Heißdampf strömt zur Turbine. Diese beginnt sich dadurch zu drehen. Sie treibt einen Generator an, der wiederum Strom erzeugt. Der Dampf entspannt sich dabei und geht allmählich in die flüssige Phase über. Er strömt durch einen Kondensator, verflüssigt vollständig und wird dem Kessel anschließend erneut zugeführt. Am Kondensator ist es möglich, Wärme aus dem Prozess auszukoppeln, welche über ein Nah- oder Fernwärmenetz zahlreiche Anschlussnehmer versorgt. Um dabei ausreichend hohe Vorlauftemperaturen zu erreichen, entspannt die Turbine den Dampf nicht vollständig. Alternativ ist es möglich, heißen Dampf flexibel vor dem Niederdruckteil der Turbine zu entnehmen, um diesen dem Kondensator zuzuführen.

Gasturbinen sind flexibel und besonders schnell in Betrieb

Ein Heizkraftwerk mit Gasturbine arbeitet ohne Dampfkessel. Es saugt Luft über einen Verdichter an und führt diese der Brennkammer zu. Hier verbrennt ein Luft-Gas-Gemisch sauber und effizient. Die Abgase treiben daraufhin eine Turbine an, die wiederum mit dem Verdichter am Lufteintritt sowie einem Generator gekoppelt ist. Die entstehenden Abgase sind sehr heiß und lassen sich als Wärme auskoppeln oder zur Dampferzeugung weiter nutzen, um den Wirkungsgrad des Heizkraftwerks zu steigern. Während Dampfturbinenanlagen eine vergleichsweise lange Anlaufzeit haben, lassen sich Gasturbinenanlagen innerhalb weniger Minuten in Betrieb nehmen. Sie sind daher besonders wichtig, um flexibel auf die fluktuierenden Anforderungen am Stromnetz zu reagieren.

GuD-Kraftwerke nutzen die Gasturbine für die Dampfanlage

Gas- und Dampfheizkraftwerke (GuD-Heizkraftwerke) kombinieren die beschriebenen Lösungen in einer Anlage und erreichen dadurch höhere Wirkungsgrade. Dazu nutzen sie die heißen Abgase der Gasturbine, um Dampf zu erzeugen. Dieser strömt dabei durch eine weitere Turbine, an der sich ein stromerzeugender Generator befindet. Ein Kondensator koppelt Wärme aus, verflüssigt das Arbeitsmedium (aufbereitetes Wasser) und ermöglicht damit, dass der Prozess erneut beginnen kann.

Blockheizkraftwerke mit interner Verbrennung für Gas und Öl

Heizkraftwerke mittlerer und kleinerer Größe setzen häufig auf Blockheizkraftwerke mit interner Verbrennung. Diese bestehen aus einem Motor, der Heizöl, Erdgas oder Holzgas verbrennt. Der Motor im Heizkraftwerk funktioniert dabei wie in einem Auto. Er treibt über mehrere Hubkolben eine Welle an, um mechanische Energie zu generieren. Diese geht auf einen Generator über, der wiederum Strom erzeugt. Die im Prozess entstehende Abwärme lässt sich dabei mit Wärmeübertragern nutzen und beispielsweise an ein Nah- oder Fernwärmenetz auskoppeln.

Blockheizkraftwerk mit externer Verbrennung für alle Brennstoffe

Blockheizkraftwerke mit externer Verbrennung bestehen im Kern aus einem Stirling-Motor. Dieser besitzt miteinander verbundene Zylinder, in denen sich ein Arbeitsgas befindet. Thermische Energie, die von einem Brenner oder einer Solaranlage kommen kann, erhitzt das Arbeitsgas. Es dehnt sich aus, bewegt einen Kolben und strömt in einen anderen Bereich des Zylinders. Hier kühlt sich das Arbeitsgas ab, wobei sein Volumen wieder schrumpft und sich der Kolben in die andere Richtung bewegt. Die entstehende Bewegungsenergie geht auf eine Welle über, die einen Generator antreibt. Stirlingmotoren lassen sich mit unterschiedlichsten Wärmequellen betreiben, erreichen im Vergleich zu anderen Anlagen aber eine geringe Leistung. Sie kommen daher vor allem im Heizkraftwerk für zuhause zum Einsatz.

Brennstoffzellenheizgeräte nutzen eine elektrochemische Reaktion

Brennstoffzellen nutzen die Kraft-Wärme-Kopplung ebenfalls, basieren aber auf einem ganz anderen Funktionsprinzip. Denn diese nutzen eine elektrochemische Reaktion mit Wasserstoff und Sauerstoff. Dazu bringen die Anlagen beide Stoffe in den sogenannten Brennstoffzellen zusammen. Die Zellen bestehen einfach beschrieben aus zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Gelangt Wasserstoff zur ersten Elektrode, teilt ein Katalysator diesen in positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen. Letztere wandern über einen Leiter zur zweiten Elektrode und Strom fließt. Die Elektronen verbinden sich daraufhin mit Sauerstoff, wodurch negativ geladene Sauerstoffionen entstehen. Diese treten durch den nur für sie durchlässigen Elektrolyt auf die andere Seite der Zelle, wo sie sich mit den positiv geladenen Wasserstoffionen verbinden. In der Folge entsteht Wasser, welches die bei dem Elektrolytdurchgang frei werdende Wärme abführt. Genau wie Stirlingmotoren erreichen auch Brennstoffzellen eine eher geringe Leistung, wodurch sie überwiegend in Heizkraftwerken für zuhause zum Einsatz kommen.

Verschiedene Energieträger stehen zur Verfügung

Abhängig von der Größe und der Bauart der Heizkraftwerke kommen heute verschiedenste Energieträger zum Einsatz. Während Großanlagen zum Teil noch auf Stein- oder Braunkohle setzen, sind Heizöl, Erdgas oder Holz typisch für den Betrieb von Heizkraftwerken mittlerer Größe. Letztere arbeiten dabei teilweise auch mit sogenannten Zweistoffbrennern, die bei Bedarf von Gas auf Öl umschalten können.

Kohle versorgt große Heizkraftwerke mit der nötigen Energie

Dampfturbinenanlagen großer Heizkraftwerke, die Energie bis in den Gigawattbereich liefern, setzen häufig auf Stein- oder Braunkohle. Die Energieträger sind günstig, im eigenen Land verfügbar und somit ohne politische Abhängigkeiten nutzbar. Da es sich bei der Kohle um einen fossilen, endlich vorhandenen Energieträger mit einer ungünstigen Treibhausgasbilanz handelt, werden diese Anlagen in den kommenden Jahren abgeschaltet. Aktuell laufen in Deutschland noch rund 60 Heizkraftwerke komplett oder teilweise mit Kohle, die bis 2038 überwiegend vom Netz gehen oder auf andere Energieträger umgestellt werden. Das größte Kohle-Heizkraftwerk befindet sich in Mannheim und koppelt bei einer elektrischen Leistung von 2.146 MW insgesamt 1.500 MW Wärme aus.

Erd- und Flüssiggas für den effizienten Heizkraftwerk-Betrieb

Erdgas befeuert den größten Teil deutscher Heizkraftwerke. Der Energieträger ist ohne Lagerkapazitäten verfügbar und für den Einsatz in allen Kraftwerksarten geeignet. Auch wenn Erdgas als Import-Produkt mit entsprechenden Abhängigkeiten verbunden ist, hat es zahlreiche Vorteile. Dazu gehört die saubere und schadstoffarme Verbrennung. Steht der leitungsgebundene Energieträger nicht zur Verfügung, lassen sich Heizkraftwerke mittlerer und kleinerer Leistung auch mit Flüssiggas betreiben. Beide, Flüssig- und Erdgas, sind dabei heute aus biologischen Quellen herstellbar. Sie lassen sich daher weitestgehend CO2-neutral und umweltfreundlich nutzen.

Heizöl häufig als kurzzeitiges Ersatzprodukt für den Erdgasbetrieb

Genau wie Kohle und Erdgas gehört auch Heizöl zu den fossilen Energieträgern, die nur begrenzt auf der Erde verfügbar sind. Erdöl reicht bei gleichbleibendem Verbrauch noch etwa 140 Jahre, bevor es endgültig zur Neige geht. Geht es um den Einsatz in Heizkraftwerken, sind für Heizöl große Lagertanks erforderlich. Der Energieträger ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten aktuell nicht komplett biologisch herstellbar und mit höheren Schadstoffemissionen verbunden. Heizöl treibt zuverlässig Dampf, Gasturbinen wie auch Blockheizkraftwerke an und ist ein gefragter Ersatzbrennstoff. Steht Erdgas nicht zur Verfügung oder dann, wenn die Preise wie im Herbst 2021 stark ansteigen, können Kraftwerksbetreiber zeitweise auf den flüssigen Brennstoff umsteigen.

Biomasse-Heizkraftwerke für Holzpellets oder Holzhackschnitzel

CO2-neutral, förderlich für die eigene Region und nachhaltig: Das zeichnet den Einsatz von Holz in sogenannten Biomasse- oder Bio-Heizkraftwerken aus. Der Energieträger eignet sich für Anlagen kleiner bis mittlerer Größe, die dazu mit einem Holzgas-BHKW ausgestattet sind. Der Festbrennstoff gast dabei in einem ersten Schritt unter großer Hitze aus. Die entstehenden Brenngase geben anschließend thermische Energie an ein Wärmeträgermedium ab, bevor sie in einem Motor verbrennen. Letzterer treibt daraufhin einen stromerzeugenden Generator an. Zum Einsatz kommt Holz in Form von Pellets oder Hackschnitzeln. Während Pellets durch einen aufwendigeren Herstellungsprozess mehr Energie beinhalten, eignen sich vor allem Hackschnitzel für das Bio-Heizkraftwerk. Denn dazu sind getrocknete Holz- und Rindereste lediglich zu zerkleinern.

Auch Müll kommt als Energieträger für Heizkraftwerke infrage

Interessant für die Strom- und Wärmeerzeugung mit regionalen Ressourcen ist außerdem Müll, der in großen Anlagen verbrannt wird. Die dabei entstehende Wärme lässt sich zur Dampferzeugung nutzen und mit Dampfturbinenanlagen in elektrische und thermische Energie umwandeln. Voraussetzung für den Einsatz von Müll ist, dass sich eine Müllverbrennungsanlage in unmittelbarer Nähe zum Heizkraftwerk befindet.

Viele Heizkraftwerke setzen auf mehrere Energieträger

Nicht unüblich ist, dass konventionelle und Bio-Heizkraftwerke heute auf mehrere Energieträger zurückgreifen. Wie beschrieben, lassen sich Gasanlagen dabei vorübergehend mit Heizöl betreiben, um Lieferengpässe oder steigende Preise zu kompensieren. Biomasse-Heizkraftwerke verfügen darüber hinaus auch oft über eine Ersatz- oder Spitzenlastanlage für den Einsatz fossiler Rohstoffe. Letztere sichern den Betrieb bei Störungen oder Lieferengpässen ab. Außerdem können Sie flexibel auf veränderliche Netzanforderungen reagieren, wohingegen Bio-Heizkraftwerke für Holzpellets oder Holzhackschnitzel allein eher schlecht regelbar sind. Die Bioanlagen arbeiten somit dauerhaft in einem günstigen Leistungsbereich, wobei sich Lastspitzen mit fossilen Energieträgern effektiv und zuverlässig abfangen lassen.

Redundante Wärmeerzeugung für Nah- und Fernwärmeanlagen

Fallen Heizkraftwerke wegen einer Störung oder geplanten Umbauarbeiten (Beispiel Netzumstellung) aus, bekommen zahlreiche Anschlussnehmer keine Wärme. Vor allem im Winter kann das verheerende Folgen haben und sogar Menschenleben kosten, wenn beispielsweise Krankenhäuser oder Pflegeheime die Wärme der Heizkraftwerke beziehen. Um das zu vermeiden, rüsten Betreiber ihre Anlagen teilweise mit redundanten Wärmeerzeugern aus. Diese springen im Ernstfall ein, um zumindest die Wärmeversorgung sicherstellen zu können. Nachteil einer solchen Lösung: Auch wenn redundante Wärmeerzeuger nahezu nie zum Einsatz kommen, verursachen sie doch hohe Kosten. Sie verbrauchen wertvollen Platz und müssen ständig gewartet und getestet werden. Andernfalls ließe sich nicht sicherstellen, dass die Anlagen im Ernstfall tatsächlich zur Verfügung stehen.

Heizcontainer zur Versorgung bei einem Ausfall

Anfang Februar 2021 verdunkelten schwarze Wolken den Himmel über Nürnberg: Grund dafür war ein Brand im Heizkraftwerk, durch den der Betreiber Uniper alle Blöcke schnell herunterfahren ließ. Bei winterlichen Temperaturen bekamen mehr als 15.000 Haushalte daraufhin keine Wärme mehr. Darunter auch ein Krankenhaus und zwei Pflegeheime. Während ein Block nach kurzer Zeit wieder hochgefahren werden konnte, blieb der für die Fernwärme wichtige Teil des Heizkraftwerks erst einmal vom Netz und die Stadt Nürnberg rief den Katastrophenfall aus. Die Lösung brachten letztlich mobile Heizcontainer, die Wärme in das städtische Fernwärmenetz einspeisten. Die Anlagen, die insgesamt rund 9 MW lieferten, waren binnen eines Tages am Einsatzort, fertig installiert und betriebsbereit.

Mobile Heizcontainer für viele Einsatzbereiche geeignet

Bei den installierten Notheizungen handelte es sich um mobile Heizcontainer, die thermische Energie erzeugen und über flexible Schläuche in Gebäude, Anlagen oder Wärmenetze einspeisen. Die Frachtcontainer sind dazu voll ausgestattet. Sie sind transportabel, schnell verfügbar und in verschiedenen Leistungsbereichen erhältlich. Neben Erdgas- und Heizölanlagen können Interessenten dabei sogar mobile Pelletheizungen ordern. Die Anlagen eignen sich unter anderem für:

• den Ersatz bei einer Störung wie dem Kraftwerksbrand in Nürnberg 2021
• den Ersatz geplanter Wartungs-. Reparatur- oder Umrüstarbeiten
• das dauerhafte oder vorübergehende hochskalieren der Heizleistung
• das Aufbauen von Nah- und Fernwärmenetzen mit Heizkraftwerken

Vor allem Letzteres ist besonders günstig, da für die Installation der Containeranlagen keine zusätzlichen Bauwerke zu errichten sind. Heizcontainer und Container-BHKWs ermöglichen damit eine effiziente Energieversorgung.

Mietgeräte sind schnell und günstig am Einsatzort

Während mobile Heizcontainer zum Kaufen für die Installation neuer Nahwärmenetze infrage kommen, können Anlagenbetreiber auch mobile Heizcontainer mieten. Sie erhalten die Anlagen für die Dauer der Reparatur-, Wartungs- oder Umrüstarbeiten, müssen jedoch keine hohen Investitionen stemmen. Wie das Beispiel aus Nürnberg zeigt, sind die mobilen Heizcontainer schnell an Ort und Stelle. Sie lassen sich über flexible Schläuche an das vorhandene Netz anschließen und benötigen lediglich einen Strom- sowie Brennstoffanschluss. Mit Stromerzeugern sowie mobilen Heizöltanks, mobilen Flüssiggastanks oder Biomasse-Heizcontainern ist der Betrieb bei Bedarf aber auch autark möglich.

Diese Vorteile haben mobile Heizcontainer zum Mieten

Vorgefertigt, top gewartet und schnell verfügbar: Das sind nur drei Vorteile mobiler Heizcontainer. Günstig ist außerdem, dass die Anlagen ohne große Investitionen nutzbar sind. Kunden bekommen ein umfangreiches Service-Angebot und müssen sich bei Bedarf um nichts weiter kümmern. Vermieter sorgen mit einer Fernüberwachung mobiler Heizzentralen für ausreichend Sicherheit und kümmern sich im Störungsfall schnell um die passende Lösung.

Große Auswahl mobiler Heizkraftwerke und Heizcontainer

Hier sind neben Erdgas- und Heizölanlagen beispielsweise auch Bio-Heizcontainer für den Einsatz von Pellets verfügbar. Einen detaillierten Überblick geben wir im Beitrag Heizcontainer mieten oder kaufen.

Angebot informiert über Kosten der Heizcontainer

Wie viel mobile Heizcontainer kosten, hängt von deren Größe und Ausstattung ab. Auch die Mietdauer spielt eine Rolle. So sind die Konditionen in der Regel besser, je länger Betreiber die Technik nutzen. Zuverlässige Informationen zu den Preisen mobiler Heizcontainer liefert dabei nur das Angebot eines Vermieters.

FAQ: Häufig gestellte Fragen

Was macht ein Heizkraftwerk?

Ein Heizkraftwerk kombiniert die Strom- und Wärmeerzeugung in einer technischen Anlage. Es versorgt einzelne Häuser, Gebäudekomplexe, Quartiere, Siedlungen oder ganze Ballungsgebiete mit Nah- sowie Fernwärme und speist Strom in das öffentliche Netz ein. Die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung sorgt dabei für hohe Wirkungsgrade im Heizkraftwerk und dafür, dass der Betrieb umweltfreundlicher als bei reinen Kraftwerken ist.

Welche Arten von Heizkraftwerken gibt es?

Heizkraftwerke lassen sich nach ihrer Größe in Großanlagen, Anlagen mittlerer Größe und Heizkraftwerke für zuhause unterscheiden. Geht es um die Technologie, stehen dabei Dampfturbinen, Gasturbinen, Gas- und Dampfturbinenanlagen sowie Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen zur Verfügung.

Welche Energieträger eignen sich für Heizkraftwerke?

Großanlagen arbeiten zum Teil noch mit Kohle, welche sie in Dampfanlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung nutzen. Mittelgroße Anlagen setzen hingegen überwiegend auf Erdgas, welches in Gasturbinen oder GuD-Anlagen besonders sauber und effizient verbrennt. Bio- oder Biomasse-Heizkraftwerke setzen zudem auf Holz aus der Region. Möglich ist das mit sogenannten Holzgas-BHKWs, die Altholz, Pellets oder Hackschnitzel verarbeiten. Einige wenige Heizkraftwerke erzeugen Dampf außerdem mit der Abwärme nahegelegener Müllverbrennungsanlagen.

Was passiert bei einer Störung im Heizkraftwerk?

Heizkraftwerke werden 24 Stunden am Tag und 7 Tage in der Woche überwacht. Es finden regelmäßige Inspektionen und Wartungen statt und rund um die Uhr sind Mitarbeiter der Betreiber vor Ort oder zumindest in der Nähe. Unstimmigkeiten im Betrieb lassen sich dadurch schnell erkennen und beseitigen. Kommt es doch einmal zu einem Ausfall, sichern redundante Wärmeerzeuger die Versorgung ab. Eine Alternative stellen mobile Heizcontainer dar, die schnell am Einsatzort verfügbar und in Betrieb zu nehmen sind. Dass Anschlussnehmer längere Zeit auf Wärme verzichten müssen, lässt sich damit ausschließen.