Einführung & Grundlagen

Einführung und Grundlagen

KWK im Vergleich

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bezeichnet die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärmeenergie. Die Erzeugung der Elektrizität erfolgt über einen motorgetriebenen Generator oder eine Brennstoffzelle. Die gleichzeitig entstehende Wärme wird über einen Wärmeübertrager für die weitere Nutzung zur Verfügung gestellt.

Der wesentliche Vorteil der KWK-Technologie ist die gesteigerte Energieeffizienz. Bei einer konventionellen getrennten Energieerzeugung liegt diese zwischen 60 und 65 %. Durch die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung ergibt sich eine Primärenergieeinsparung von 15 bis 30 %. Weitere Vorzüge sind die Reduktion von Emissionen, die Einsparung von Energieressourcen, die Vermeidung von Übertragungsverlusten sowie die Entlastung der Stromnetze durch dezentrale Erzeugung.

Jahreslinie Wärmebedarf

Einsatzbereich

Der ideale Einsatzbereich für dezentrale KWK sind Objekte mit einem ganzjährigen Wärmebedarf, denn die KWK-Anlagen können nur sinnvoll betrieben werden, wenn ein Abnehmer für die entstehende Abwärme zur Verfügung steht. Die Sicherstellung der regelmäßigen Wärmenutzung ist das entscheidendste Kriterium für den sinnvollen Einsatz des KWK-Gerätes.

Üblicherweise erfolgt die Nutzung für die Gebäudeheizung sowie die Trinkwassererwärmung. Aufgrund des zeitlich variierenden Wärmebedarfs, werden KWK-Anlagen hier i.d.R. mit 15 % bis 30 % der Gesamtheizleistung installiert, decken aber durch die hohe Betriebsstundenzahl ca. 50 bis 70 % des Jahreswärmebedarfs im Objekt.

Im Gewerbe bietet sich als weitere Möglichkeit der Einsatz im Bereich von technologischer Prozesswärme an. Die wesentliche Bedingung ist erneut, dass die thermische Energie über einen sehr großen Zeitraum im Jahr benötigt wird. Je nach eingesetzter KWK-Technologie muss das jeweilige Temperaturniveau der Abwärme beachtet werden. Bei Verbrennungsmotoren werden bei der Wärmeentnahme mittels Öl- und Kühlwasserwärmeübertragern Temperaturen zwischen 60 und 90 °C erreicht, Stirlingmotoren realisieren Temperaturen bis 85 °C. Zum Erreichen höherer Temperaturniveaus bis 140 °C, ist eine Heißkühlung der Motoren erforderlich, die aufgrund gleichzeitiger elektrischer Wirkungsgradverluste selten genutzt wird. Alternativ ermöglichen Mikrogasturbinen konstant hohe Temperaturen von 200 bis 400 °C. Anwendungsmöglichkeiten sind z.B. Heizprozesse in lebensmittelverarbeitenden Gewerben sowie Trocknungsprozesse von Holz, Textilien oder anderen Gütern.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Klimatisierung mittels Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Hierbei wird die KWK-Abwärme mittels Adsorptions- oder Absorptionskälteanlagen für die Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung genutzt.

Um eine KWK-Anlage wirtschaftlich betreiben zu können, muss diese in der Regel eine hohe Laufzeit von mindestens 5.000 bis 6.000 Betriebsstunden pro Jahr erreichen, wobei eine hohe Eigenverbrauchsquote des erzeugten Stroms anzustreben ist.

Daher ist eine Anpassung an den Strom- und Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher erforderlich, der als Führungsgröße für die Auslegung und den Betrieb der Anlage auszuwählen ist. Der erzeugte Strom wird in der Regel von den angeschlossenen Verbrauchern zunächst selbst genutzt und kann bei nachlassendem Strombedarf in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die erzeugte Wärme kann jedoch bei zurückgehendem Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher nicht oder nur in begrenztem Umfang, z. B. in einem Wärmespeicher, zwischengespeichert werden. Daher wird in den meisten Fällen der Wärmebedarf der Verbraucher als Führungsgröße für den Betrieb einer KWK-Anlage gewählt. Bei dieser wärmegeführten Betriebsweise bestimmt die Wärmenachfrage die Laststufe der KWK-Anlage bzw. den Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt. [1]

Betriebsweise von BHKW-Anlagen

	Wärmegeführt	Stromgeführt	Kombiniert
Stromverwendung	ohne Einschränkung (Eigenutzung und / oder Netzeinspeisung)	nach Bedarf der Verbraucher, nach wirtschaftlichen Erwägungen	nach Bedarf der Verbraucher, nach wirtschaftlichen Erwägungen
Wärmeverwendung	nach Bedarf der Verbraucher	ohne Einschränkungen ggf. Zwischenspeicherung	nach Bedarf der Verbraucher ggf. Zwischenspeicherung ggf. stromseitige Einschränkungen
Anwendungs-beispiele	Energieversorgung von Gebäuden	Einbindung in Ferwärmesysteme	Energieversorgung von Krankenhäusern

[1]

KWK ist sowohl bei Neuerrichtungen als auch im Sanierungsfall aufgrund seiner Vielseitigkeit geeignet. Übliche Brennstoffe sind Erdgas, alternativ Flüssiggas, Heizöl und Diesel. Ferner können erneuerbare Energieträger, wie Pflanzenöl, Biodiesel, Holzpellets und Biogas, gegebenenfalls Klär- oder Deponiegas eingesetzt werden. Für Brennstoffzellen ist der Einsatz von Wasserstoff möglich. Bei einer Ersatzinvestition kann somit die Infrastruktur des Energieträgers beibehalten werden.

Zitierte Quellen:

[1] BHKW-Fibel - Wissen in kompakter Form, ASUE – Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.

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