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Energieausnutzung deutlich steigern
basisEnergie Nr. 21
 

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung.
© Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V.(BKWK)

Kraft und Wärme koppeln

Eine Fahrradfahrt bietet zweifachen Nutzen: man ist mobil und fördert die Fitness. Doppelten Nutzen verspricht auch die Kraft-Wärme-Kopplung. Diese Kraftwerkstechnik gewinnt in einem Prozess sowohl Strom als auch Wärme. Das spart Energie und entlastet die Umwelt.

In Deutschland werden derzeit etwa 90% des Stroms in großen Wärmekraftwerken erzeugt und über Fernleitungen verteilt. Diese Großkraftwerke müssen kontinuierlich mit Brennstoffen versorgt werden und benötigen viel Wasser für die Kühlung. Daher sind wichtige Faktoren bei der Standortwahl eines Großkraftwerks beispielsweise die Nähe zu Kohlenlagerstätten und zu Flüssen sowie die Verkehrsinfrastruktur (z. B. Häfen). Derartige Kraftwerke wandeln von der eingesetzten Primärenergie im Schnitt nur 38% in Strom um. Aber etwa 62% der Ursprungsenergie fallen als Wärme an. In der Umgebung der Kraftwerke besteht für derartige Wärmemengen meist zu wenig Nachfrage und Wärme lässt sich nicht wirtschaftlich über große Entfernungen transportieren. Großkraftwerke geben diese Wärme meist ungenutzt an die Umwelt ab. Nur die – meist in städtischen Ballungsräumen zu findenden – Heizkraftwerke mit angeschlossenen Fernwärmenetzen nutzen beide Energieformen.

Um neben dem Strom auch die Wärme nutzen zu können, braucht man kleinere Kraftwerkseinheiten, die dezentral in der Nähe der Wärmeabnehmer arbeiten. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte die Wärmenachfrage während des ganzen Jahres möglichst gleichmäßig sein. Derartige Anlagen fallen unter den Begriff „Kraft-Wärme-Kopplung“ (KWK).

Bild 1 - basis21internetx:
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Bild 2 - BasisEnergie21 2006 01: Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung.
Copyright: Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V.(BKWK)
Bild 3 - BasisEnergie21 2006 02: Um einen Verbraucher mit 28 kWh Strom und 62 kWh Wärme zu versorgen, muss man in einem Blockheizkraftwerk 100 kWh Primärenergie einsetzen. Bei getrennter Erzeugung in einem Kondensationskraftwerk (mit Wirkungsgrad 35%) und einer Heizung fallen 153 kWh Primärenergie an. Im Vergleich spart also die KWK 35% Energie und verursacht 29% geringere CO2-Emissionen (abhängig von den verwendeten Brennstoffen).
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Bild 4 - BasisEnergie21 2006 03: Wichtige Merkmale von BHKW mit verschiedenen Antriebsaggregaten (* Mikrogasturbinen bis ca. 200 kWel).
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Bild 5 - BasisEnergie21 2006 03a: Formel für Gesamtnutzungsgrad.
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Bild 6 - BasisEnergie21 2006 04: Oben: Schnitt durch ein kleines Motorheizkraftwerk mit einer Leistung von 2,0 – 4,7 kWel und 6 – 12,5 kWtherm. Unten: Schematischer Aufbau einer netzgekoppelten BHKW-Anlage.
Copyright: O:Vaillaint Deutschland GmbH & Co. KG; U:ASUE
Bild 7 - BasisEnergie21 2006 05a: Ein Mini-BHKW mit 5,5 kWel.
Copyright: Senertec, KOOB
Bild 8 - BasisEnergie21 2006 05b: Ein größeres Aggregat aus dem Leistungsbereich 50 – 120 kWel.
Copyright: Communa Metall GmbH
Bild 9 - BasisEnergie21 2006 06: Beispiel für eine geordnete Jahresdauerlinie.
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Bild 10 - BasisEnergie21 2006 07: Prinzipieller Aufbau einer Brennstoffzelle am Beispiel der PEM-FC.
Copyright: DLR
Bild 11 - BasisEnergie21 2006 08: Prototyp eines Hausenergiesystems auf Basis einer PEM-FC. Im abgebildeten Entwicklungsstand von 2004 würde das Modul eine Leistung von 2 kW Strom und 5 kW Wärme erbringen. Mit einer Markteinführung ist ab 2010 zu rechnen.
Copyright: Viessmann Werke
Bild 12 - BasisEnergie21 2006 09: Hochtemperaturbrennstoffzelle auf Basis SO-FC. Das Modul erbringt typischerweise eine Leistung von 245 kW Strom und 180 kW Wärme. Bis Sommer 2006 wurden 35 Module installiert.
Copyright: MTU
Bild 13 - BasisEnergie21 2006 10: Schnitt durch eine Mikrogasturbine.
Copyright: E-Quad Power Systems GbR
Bild 14 - BasisEnergie21 2006 11: Turbolader der Mikrogasturbine im Panoramabad Frankfurt-Bornheim. Diese Anlage ging 2002 mit einer elektrischen Leistung von 100 kW und einer thermischen Leistung von 152 kW in Betrieb. Weitere Informationen unter: www.energie-projekte.de.
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Bild 15 - BasisEnergie21 2006 12a: Stirlingmotor - der β-Typ.
Copyright: www.peterfette.gmxhome.de
Bild 16 - BasisEnergie21 2006 12b: Stirlingmotor - der α-Typ
Copyright: www.peterfette.gmxhome.de
Bild 17 - BasisEnergie21 2006 13: Stirling BHKW. Die elektrische Leistung liegt bei 2 – 7,5 kW und die thermische Leistung bei 8 – 22 kW. Damit wird ein Gesamtwirkungsgrad von 92 – 96% [Hu] erreicht.
Copyright: Solo Stirling GmbH
Bild 18 - BasisEnergie21 2006 14: Beim EuroDish-Stirling System konzentrieren die Spiegel das einfallende Sonnenlicht auf den im Brennpunkt befindlichen Stirling.
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Typische Einsatzgebiete von KWK sind: Krankenhäuser, Bürogebäude, Industrie- und Gewerbebetriebe sowie Wohnsiedlungen und Mehrfamilienhäuser. Die Wärme kann nicht nur zur Gebäudeversorgung mit Heizwärme und Warmwasser, sondern auch als Prozesswärme, zur technischen Kälteerzeugung sowie zur Druckluftversorgung eingesetzt werden. In Deutschland waren Ende 2004 mehr als 13.000 Aggregate mit einer elektrischen Leistung von ca. 3.000 MW in Betrieb. Nachfolgend im Mittelpunkt steht die „kleine“ KWK – die Blockheizkraftwerke (BHKW). Zu diesen gehören die Motorheizkraftwerke, von denen bereits seit Jahren mehrere tausend Aggregate in Deutschland in Betrieb sind.

Weiterhin zählen auch BHKW mit Brennstoffzellen, Mikrogasturbinen und Stirlingmotoren dazu. Diese sind teilweise in der Phase der Markteinführung bzw. noch in einer sehr hoffnungsvollen Entwicklungsphase. Alle diese Aggregate bieten Umweltvorteile: sie können mehr als 85% der eingesetzten Brennstoffenergie nutzen, weisen vergleichsweise günstige Emissionswerte auf, bieten auch die Chance, Bioenergie in Form von Biogas, Bioölen oder Holz einzusetzen und lassen sich in Kombination mit thermischen Solaranlagen betreiben. Projekte und Demonstrationsvorhaben zur Entwicklung und Optimierung der KWK wurden auch mit Mitteln der Energieforschung gefördert.