Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Energie – Erzeugung, Handel und Transport (8)
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.
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):
- 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.
- Das Gas wird isochor unter Abgabe von Wärme auf die Temperatur T2 abgekühlt.
- 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.
- 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.
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