Die Energieeffizienten

Verschiedene Arten von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen

Bei der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird die im Brennstoff chemisch gebundene Energie zeitgleich in mechanische und in thermische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie wird meistens in elektrischen Strom umgeformt, da dieser gut verteilt und universell eingesetzt werden kann. Mit Hilfe einer integrierten Absorptionskälteanlage lässt sich aus der thermischen und mechanischen Energie Prozesskälte gewinnen.

Die Wärme, die bei der Erzeugung von hochwertiger mechanischer bzw. elektrischer Energie anfällt, wird hierbei in weiteren Prozessschritten genutzt. Diese parallele Nutzung von Strom und Wärme führt zu einer hohen Primärenergieausbeute. Die Arbeitsfähigkeit (Exergie) der eingesetzten Brennstoffenergie wird im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Kraft und Wärme daher wesentlich effizienter genutzt.

Eine wesentliche Voraussetzung für einen sinnvollen Einsatz einer KWK-Anlage in industriellen Betrieben sind Verbrauchsstrukturen, die entweder einen zeitgleichen Bedarf an thermischer und elektrischer Energie aufweisen oder die Speicherung von thermischer Energie, beispielsweise durch einen Wasser- oder Dampfspeicher, jeweils in Kombination mit einer hohen Jahresnutzungsdauer ermöglichen. Die innerbetriebliche Energieverteilung ist für den Energieträger Strom selbst über große Entfernungen kostengünstig möglich. Für den Wärmetransport sind jedoch oft erhebliche Investitionen in Heiznetze mit Wasser oder Dampf als Wärmeträger zu tätigen.

Die Gesamtleistung der KWK-Anlage wird aus Gründen der Versorgungssicherheit und der besseren Bedarfsanpassung i.d.R. auf mehrere Einheiten aufgeteilt. Bei der Anlagenauslegung muss zudem eine Entscheidung über die Fahrweise getroffen werden. Drei verschiedene Betriebsarten werden unterschieden:

1. Beim stromgeführten Anlagenbetrieb wird die Anlage anhand des elektrischen Energiebedarfs ausgelegt und betrieben. Zusätzlich benötigte Wärme wird durch eine Kesselanlage erzeugt. Überschüssige Wärme muss durch Rückkühlung abgeführt werden. Aufgrund des zeitweisen Kondensationsbetriebs verschlechtert sich jedoch der Gesamtwirkungsgrad.
2. Für den wärmegeführten Anlagenbetrieb wird die KWK-Anlage anhand des thermischen Energiebedarfs ausgelegt und betrieben. Die je nach Betriebszustand zu hohe oder zu niedrige elektrische Energieerzeugung wird durch Stromabnahme bzw. -einspeisung aus dem bzw. in das öffentliche Netz ausgeglichen.
3. Die KWK-Anlage wird in einem Wechsel zwischen strom- und wärmegeführtem Betrieb gefahren. Diese Betriebsart wird bei stark schwankenden Energieverbraucherstrukturen und bei KWK-Anlagen mit zusätzlichen Aufgaben (z. B. als Notstromaggregat) angewendet.

Da eine Stromversorgung ganzjährig aus dem übergeordneten Netz gewährleistet ist und stromgeführte Systeme Zusatzinvestitionen für Kühlaggregate erfordern, werden KWK-Anlagen überwiegend anhand des Wärmebedarfs (Fall 2) ausgelegt.

Für die sinnvolle Auslegung einer KWK-Anlage sind genaue Kenntnisse über die zeitlichen und quantitativen Energieverbräuche unabdingbar. Daher sollten charakteristische Jahres- und Tagesverläufe des Wärme-, Kälte-, Kraft- und Strombedarfs für die Dimensionierung zugrunde gelegt werden. Sind der Strom- und der Wärmebedarf bei gleichzeitig hoher Anlagenauslastung regelmäßig zeitlich versetzt, so ist der Einsatz einer Wärmespeicheranlage zum Ausgleich der Erzeugungs- und Bedarfszyklen in Betracht zu ziehen.

Im Folgenden werden 3 wesentliche KWK-Anlagenmodelle kurz beschrieben.

 

Abb. 1: Schaltbild eines Blockheizkraftwerks

Blockheizkraftwerke

Unter der Bezeichnung „Blockheizkraftwerk“ (BHKW) wird eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage verstanden, bei der Verbrennungsmotoren oder Microgasturbinen zur dezentralen Energieumwandlung eingesetzt werden. Das Motoraggregat des BHKW treibt häufig einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrischen Strom umwandelt, wobei die mechanische Energie auch direkt als Antriebsmaschine (z. B. für Pumpen) genutzt werden kann. Die thermische Energie des Motor-, Ladeluft-, und Ölkühlers sowie der Motorabgase wird mit Hilfe von Wärmetauschern dem Heizkreislauf zugeführt (i.d.R. handelt es sich um bereitgestellte Niedertemperaturwärme bis etwa 110°C). Das Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild eines BHKW. Bei Microgasturbinen kann Wärme auch bei höheren Temperaturen ausgekoppelt und zur direkten Dampferzeugung genutzt werden.

Als Verbrennungsmotoren werden üblicherweise Gas-Otto-, Gas-Diesel- und Diesel-Motoren eingesetzt. Als Brennstoff dienen je nach Motortyp Diesel- bzw. Heizöl oder Brenngase, wie Flüssig-, Klär-, Deponie- oder Restgase aus Produktionsanlagen, meistens jedoch Erdgas.

Gas-Otto-Motoren arbeiten auch im Teillastbereich ohne erhebliche Wirkungsgradeinbußen. Gas-Diesel-Motoren unterscheiden sich wiederum von reinen Diesel-Motoren durch das Brennstoffgemisch. Das Zweistoffgemisch erlaubt auch einen reinen Dieselbetrieb, das Aggregat muss dafür nicht heruntergefahren werden. Bei einem Erdgasbezug mit unterbrechbaren Lieferverträgen bleibt hier eine kontinuierliche Strom- und Wärmeerzeugung gewährleistet. Die Fahrweise im Teillastbereich ruft bei Diesel-Motoren eine Verschlechterung des Verbrennungsablaufs und somit eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades hervor.

Übliche Leistungsgrößen von BHKW-Modulen liegen in einem Bereich von wenigen Kilowatt bis mehreren Megawatt elektrischer Leistung.

Die Nutzungsgrade weisen eine Abhängigkeit von der Leistungsgröße der Aggregate auf. Module mit kleiner Leistung < 500 kWel haben einen höheren thermischen, jedoch einen kleineren elektrischen Wirkungsgrad als Anlagen mit großer Leistung. Der Gesamtwirkungsgrad ändert sich jedoch nur in geringem Maße, da einer Verringerung der elektrischen Leistung im Regelfall eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads gegenübersteht.

Die Vorlauftemperaturen von BHKW liegen üblicherweise bei bis zu 110°C, diese können aber auch noch mit zusätzlicher Anlagentechnik etwas angehoben werden. Mit Hilfe der Abgase, die Temperaturen bis 600°C aufweisen, kann bei sehr großen Anlagen zudem eine Dampfproduktion erfolgen.

Ein Inselbetrieb der BHKW, getrennt vom öffentlichen Stromnetz, ist aufgrund der Leistungsvorhaltung und der hohen Investitionskosten im Allgemeinen unwirtschaftlich. Daher wird ein BHKW in der Regel netzparallel und wärmegeführt betrieben, damit für den Einsatz eines Asynchrongenerators (geringere Investitionskosten als ein Synchrongenerator) die notwendige Blindleistung aus dem öffentlichen Netz bezogen werden kann. Ist jedoch eine Notstromversorgung des Betriebs erforderlich, so kann die Anschaffung eines BHKW mit Synchronmotor anstelle eines separaten Notstromaggregats eine interessante Alternative darstellen.

Heizkraftwerke mit Gasturbinen oder GuD-Prozess

Das Kernstück dieses KWK-Anlagentyps bildet eine Gasturbine, die durch Antreiben eines Generators elektrische Energie erzeugt. Darüber hinaus werden die heißen Abgase thermisch genutzt. Der prinzipielle Aufbau eines Heizkraftwerks mit Gasturbine ist in Bild 2 dargestellt. In der Gasturbineneinheit wird zunächst Frischluft angesaugt, im Verdichter komprimiert und der Brennkammer zugeführt. Der dort eingebrachte Brennstoff wird unter Druck verbrannt. Die Abgase expandieren in der Arbeitsturbine, die sowohl den Verdichter als auch den Generator antreibt. Von der Gasturbine gelangen die Abgase mit einer Temperatur von 450° bis 600°C in einen nachgeschalteten Abhitzekessel. Dieser erzeugt entweder Heißwasser mit Vorlauftemperaturen bis zu 200°C oder Dampf mit einem Druck von bis zu 80 bar. Um einen temporär erhöhten Wärmebedarf zu decken oder höhere Überhitzungstemperaturen bis rd. 700°C und Dampfdrücke größer 200 bar zu erreichen, kann im Dampferzeuger eine Zusatzfeuerung integriert werden.

 

Der elektrische Leistungsbereich von Gasturbinen reicht von rd. einem halben bis zu mehreren hundert Megawatt. Ist die Gasturbine für einen Zweibrennstoffbetrieb ausgelegt, so ist ein ununterbrochener Übergang zwischen den Brennstoffen möglich.

In sogenannten Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerken (GuD oder auch Kombikraftwerke genannt) wird der im Abhitzekessel erzeugte Dampf neben der direkten Prozessdampfnutzung in einer angeschlossenen Dampfturbine zusätzlich zur Stromerzeugung genutzt. Der elektrische Wirkungsgrad wird dadurch gesteigert.

Während bei der Gasturbine als Brennstoff in der Regel Erdgas oder Heizöl eingesetzt wird, können in der Zusatzfeuerung im Abhitzekessel alle verfügbaren festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffe verbrannt werden. Die elektrischen Anlagenteile des Heizkraftwerks werden bei großen Anlagen für einen Inselbetrieb ausgelegt, so dass ein Betrieb unabhängig vom öffentlichen Stromnetz möglich ist.

Heizkraftwerke mit Gasturbinen weisen eine Vielzahl von Prozessvarianten, Brennstoffen und Anlagentechniken auf und können bei reiner Stromerzeugung im GuD-Kraftwerksprozess elektrische Wirkungsgrade bis 60 Prozent realisieren.

Durch die variable Auslegung von Heizkraftwerken mit Gasturbinen ergibt sich in der Industrie ein weites Feld an Einsatzmöglichkeiten. Im Teillastbereich verfügen sie jedoch über einen schlechten Wirkungsgrad. Daher sind für einen wirtschaftlichen Betrieb Wärmebedarfsstrukturen notwendig, die eine hohe Auslastung der Anlage gewährleisten.

Heizkraftwerke mit Dampfturbinen

Bei Heizkraftwerken mit Dampfturbinen wird Frischdampf in einem Dampferzeuger erzeugt und anschließend den Dampfturbinen zugeleitet. Die Wärmeauskopplung erfolgt entweder im Entnahme-Kondensations-Betrieb oder im Gegendruck-Betrieb. Beim Entnahme-Kondensations-Betrieb wird an verschiedenen Anzapfstellen der Turbine ein Teil des Dampfstroms zur Wärmenutzung entnommen. Beim Gegendruck-Betrieb wird Dampf auf einem niedrigen Druckniveau ausgekoppelt. Es ist möglich, hinter der Turbine Heißwasser in einem Heizkondensator zu erzeugen. Der Aufbau dieses Anlagentyps mit Heißwassererzeugung ist in Bild 3 dargestellt.

 

Die Anlagentechnik ist vielfältig in ihren Varianten und kann somit gut an die örtlichen Randbedingungen und Anforderungen angepasst werden. Ein Hauptvorteil der Heizkraftwerke mit Dampfturbine liegt in den variablen Einsatzmöglichkeiten der unterschiedlichen Brennstoffarten. Daher können alle günstig verfügbaren bzw. in der Produktion anfallenden festen, flüssigen oder gasförmigen Energieträger und Reststoffe oder auch nachwachsende Brennstoffe (z. B. Holzschnitzel) zur Feuerung des Dampferzeugers eingesetzt werden.

Heizkraftwerke mit Dampfturbinen liegen in der Regel in einem thermischen Leistungsbereich von einigen Megawatt bis etwa 200 MW. Sie werden meist in Großbetrieben eingesetzt, in denen durch einen hohen Strom- und Wärmebedarf eine gute Auslastung der Anlage erzielt werden kann. Die Frischdampfparameter weisen bei kleinen Anlagen etwa 25 bar und 250°C, bei großen Heizkraftwerken 125 bar und 530°C auf. Der Dampfturbinenwirkungsgrad, besonders von Gegendruckturbinen, sinkt im Teillastbereich stark ab.

Neben den beschriebenen KWK-Anlagen gibt es weitere Modelle zur gekoppelten Produktion und Nutzung von Wärme und Strom. Brennstoffzellen können hierfür eingesetzt werden oder auch Stirlingmotoren.