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Das Heizkraftwerk Berlin-Mitte versorgt das Regierungsviertel nicht nur mit Strom, sondern auch mit Wärme (Quelle: G. Slickers, CC BY-SA 3.0)
Energietechnik | Regenerative/Alternative Energien | Energieerzeugung

Aus dem Facharchiv: Elektropraxis

Energie – Erzeugung, Handel und Transport (8)

08.12.2022

Dieser Teil unser Energieserie stellt zunächst den Weg von Großkraftwerken ohne Nutzung der Abfallwärme hin zu kleineren Kraftwerkseinheiten, zu BHKWs, dar. Dann wird die häufig zutage tretende Überschätzung der Vorteile der KWK-Technologie und die Klassifizierung und Betriebsarten von KWK-Anlagen thematisiert. Zur Sprache kommen ferner sowohl Arbeitsmaschinen, die Festbrennstoffe nutzen, als auch solche, die gasförmige Stoffe verarbeiten.

Von Großkraftwerken zu Blockheizkraftwerken

Seit Jahren ist anhaltend eine steigende Nachfrage nach kleineren und doch effizienteren Kraftwerkseinheiten zu beobachten. Große Wärmekraftwerke, zum Beispiel Dampf- und Gasturbinen-Kraftwerke, wandeln die eingesetzte Primärenergie nur zu maximal 45 % in Strom um. Besser sieht es bei den GuD-Kraftwerken aus, denn für sie stehen 61,5 % zu Buche. Allerdings haben beide Kraftwerkstypen einen Nachteil: Sie entlassen die anfallende Abwärme in den meisten Fällen ungenutzt in die Umwelt. Als alternative Technologie bietet sich die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) an. Technisch läuft das so ab, dass der Umwandlung des festen oder gasförmigen Brennstoffs in heißes Rauchgas und der sich anschließenden Stromerzeugung ein dritter Schritt folgt, nämlich die Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken oder anderen Wärmeanwendungen (Bild). Diese Alternative kommt für Großkraftwerke allerdings nicht immer in Frage, weil sie in der Regel abseits von Verbrauchszentren betrieben werden, wo die Nachfrage nach thermischer Energie gering und der Transport über weite Strecken unrentabel ist. Anders sieht es bei Blockheizkraftwerken (BHKW) aus, die in der Nähe oder in Gebäuden von potentiellen Abnehmern errichtet werden. Der Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung resultiert aus der effizienteren Brennstoffausnutzung. Auf eine umfassendere Behandlung dieses Vorgangs soll hier verzichtet werden, weil sie den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde. Das Gleiche gilt für die thermodynamische Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung. Aber auch bei der Aufzählung wirtschaftlicher Vorteile der KWK ist eine kritische Betrachtung geboten. So werden bei Systemvergleichen häufig unangemessene Voraussetzungen verwendet, was dann zur Überschätzung der Vorteile der KWK-Technologie führt. Auch die schon fast zur Gewohnheit gewordene Methode, alte Anlagen zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme zum Vergleich heranzuziehen, ist nicht korrekt. Richtiger wäre, Neuanlagen mit Neuanlagen zu vergleichen. Ein letzter Kritikpunkt: Es werden oft Anlagen gegenübergestellt, die völlig unterschiedliche Primärenergieträger nutzen, zum Beispiel Kohle im Großkraftwerk und Erdgas im BHKW.

Betriebsarten und Klassen

KWK-Anlagen und damit auch Blockheizkraftwerke (BHKWs) können entweder nach dem Strombedarf eines Objekts (stromgeführt) oder nach dem Wärmebedarf (wärmegeführt) ausgelegt werden. Die Abstimmung auf den Wärmebedarf ist die häufigste Form und zur Gebäudeversorgung üblich. Dabei startet die KWK-Anlage nur bei Wärmenachfrage, produziert dann aber auch Strom, der direkt verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist werden muss. Eine Orientierung nach dem Strombedarf ist seltener und eher in Industriebetrieben zu finden. Meist geht es in solchen Fällen darum, teuren Fremdstrombezug zu reduzieren. Die gleichzeitig erzeugte Wärme lässt sich – wie bei der wärmegeführten Variante der Strom – vor Ort nutzen oder aber in Pufferspeichern für eine spätere Verwendung einlagern. Auf dem Markt angeboten werden motorgetriebene BHKWs mit Leistungen zwischen 100 W und mehreren 100 MW. Im unteren Leistungsbereich ist eine Einteilung als Nano-BHKW (0–2,5 kWel), Mikro-BHKW (2,5–20 kWel) und Mini-BHKW (20–50 kWel) üblich. Damit kommen sie vor allem für die Versorgung von Wohn-, Büro- und Gewerbegebäuden in Frage.

KWK mit Festbrennstoffen

Von den KWK-Technologien, die Festbrennstoffe nutzen, sollen hier nur der Stirlingmotor und der Dampfmotor behandelt werden. Zu Dampfturbinen wurde das Nötige bereits im vierten Teil dieser Serie (ep 10/2019, S. 812–816) ausgeführt. Auch der ORC-Prozess, (Organic-Rankine-Cycle), bleibt an dieser Stelle unberücksichtigt, da er in Teil 7 (ep 4/2020, S.  303–308) besprochen wurde.

BHKW mit Stirlingmotor

Zum Teil immer noch in der Probephase sind BHKWs mit Stirlingmotor, einer Maschine, die Wärme unterschiedlicher Temperatur – also ein Wärmegefälle – in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Dabei wird die Wärme von außen an die Zylinder des Stirlingmotors herangeführt, muss also nicht im Innern durch Verbrennung von Brennstoffen erzeugt werden, wie das beim Benzin- oder Dieselmotor der Fall ist. Damit öffnet sich eine Reihe von vorteilhaften Möglichkeiten: Es lassen sich beliebige Wärmequellen nutzen, zum Beispiel Sonnenenergie, Abwärme technischer Prozesse oder Wärme aus Gasen, die aus der Verfeuerung von Festbrennstoffen stammen. Weitere Vorteile: Stirlingmotoren verursachen verhältnismäßig wenig Emissionen; sie arbeiten geräuscharm und vibrationsfrei, was sie für die Verwendung auch im Wohnbereich qualifiziert; und nicht zuletzt kann ihr fast verschleißfreier Lauf die Wartungskostenstark stark reduzieren. Zwar betragen die elektrischen Wirkungsgrade nur etwa 15 %; doch diesem Manko stehen durch die geringen Wärmeverluste hohe thermische Wirkungsgrade gegenüber, sodass sich Gesamtwirkungsgrade von über 90 % einstellen können, abhängig von den Konstruktionsvarianten, der Konfiguration der Gesamtanlage und anderen Prämissen Die Funktion eines Stirlingmotors folgt einem Kreisprozess, der durch vier Zustandsänderungen gekennzeichnet ist. Diese erfolgen abwechselnd isothermen (ohne Temperturveränderung) und isochor (ohne Volumenänderungen):
  1. In einem Zylinder wird Gas mit der Temperatur T1 Wärme zugeführt. Das Gas expandiert isotherm unter Verrichtung mechanischer Arbeit vom Volumen V1 auf das Volumen V2.
  2. Das Gas wird isochor unter Abgabe von Wärme auf die Temperatur T2 abgekühlt.
  3. Am Gas wird mechanische Arbeit verrichtet. Dabei wird es solange komprimiert, bis es das Ausgangsvolumen V1 wieder erreicht hat. Bei der isothermen Kompression muss es Wärme an die Umgebung abgeben.
  4. Durch Zufuhr von Wärme wird das Gas isochor auf die Anfangstemperatur T1 erwärmt. Damit ist der Ausgangszustand wieder erreicht.
Autor: W. Wilming Literatur: [1] Karl, Jürgen: Dezentrale Energiesysteme. Neue Technologien im liberalisierten Energiemarkt. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2006. [2] Suttor, Wolfgang: Blockheizkraftwerke. Ein Leitfaden für den Anwender. FIZ Karlsruhe GmbH 2014. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart. Bine Fachbuch. [3] Fernuniversität Hagen & Fraunhofer UMSICHT: Umweltwissenschaften – infernum. Energiekonversionstechnologien. Hagen und Oberhausen 2018. Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.