äußere Verbrennung

Ausbildung
Fachbericht (Beschreibung/Skizze) Nr.:2
Woche: 8
Thema: Heizkraftwerksysteme
Die Energiereserven der Erde sind beschränkt. Nach Meinung von Experten wird das Erdöl noch ca. 40 Jahre reichen, Gas
66 Jahre, Steinkohle 250 Jahre. Die Kernenergie birgt noch viele Gefahren, wobei auch hier die Uranvorräte begrenzt sind.
Ebenso sind die Belastungen durch klimaschädliche „Abgase“ wie CO2 zu verringern.
Dies erfordert den sparsameren Verbrauch der noch vorhandenen
Energieträger und die Entwicklung alternativer, erneuerbarer (regenerativer) umweltfreundlicher Energieträger. Sonnenenergie-, Windkraft-,
Photovoltaik- und nicht zuletzt Kraft-Wärme-Kopplungssysteme wie
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind Bestandteile dieser Entwicklung.
Grundsätzlich ist „Energie“ beim Antrieb von Motoren oder ­Turbinen
erforderlich, die ihrerseits einen Stromgenerator antreiben. Die entstehende Prozess- bzw. Abwärme wird zu Heizzwecken und zur Warmwasserbereitung verwendet.
•hohe Emissionen durch Verbrennung,
•Lärm, Schwingungen.
Stirlingmotor (äußere Verbrennung)
•Betrieb auch mit Pellets möglich,
•geringe Emissionen,
•geräuscharm,
•Wartung geringer (kein Ölwechsel),
•elektrischer Wirkungsgrad geringer als bei einem Verbrennungsmotor.
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Dampfmotor (äußere Verbrennung)
Die „Energieumwandlungsanlagen“ mit Motor erzeugen mithilfe eines
Energieträgers (Brennstoff) mechanische Kraft, mit der Strom erzeugt
wird. Die anfallende Abwärme (Kühlwasser) wird in der Industrie oder
zu Heizzwecken weiter verwendet.
Die zugeführte Primärenergie kann je nach Anlagenbauart aus fossilen
Brennstoffen wie Heizöl, Erdgas Pellets, Hackschnitzeln usw. gewonnen
werden. Zurzeit werden Versuche mit aus der nahen Erdoberfläche gewonnenem Heißwasser von ca. 160 °C durchgeführt. Die Primärenergie
wird z. B. mithilfe eines geschlossenen Wasser-/Dampf-Kreislaufs in
Elektrizität umgewandelt.
Durch die Verbrennung wird dem Wasser Wärme zugeführt. Im Kessel
wird dieses bei 520 - 560 °C und einem Druck von ca. 160 - 250 bar
verdampft und überhitzt. Der Dampf wird nun entspannt, wobei die
Dampfturbine (Generator) angetrieben wird. Danach wird der Dampf
kondensiert. Das Kondensat fließt in den Kondensatbehälter und wird
mit Pumpen zum Speisewasserbehälter weitergeleitet, wo es sich mit
demineralisiertem Nachspeisewasser vermischt. Dieses Wasser wird
erhitzt und thermisch entgast und gelangt über Speisewasserpumpen
wieder zum Kessel. Die Anlagen können 10 bis 25 % (40 %) Primär­
energie einsparen.
Trotz der sehr aufwendigen Technik werden Anlagen von wenigen kW bis
mehrere 100 MW gebaut und eingesetzt. Für den Kleinbedarf wurden
Mikro-KWK entwickelt und angeboten.
•Betrieb auch mit Pellets möglich,
•geringe Emissionen,
•geringe Wartungskosten,
•elektrischer Wirkungsgrad geringer als bei einem Verbrennungsmotor.
Antriebsarten
•Verbrennungsmotor (innere Verbrennung),
•Betrieb nur mit Erdgas, Flüssiggas, Pflanzenöl, Heizöl,
•hoher Wirkungsgrad,
•hohe Wartungskosten durch Ölwechsel,
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Brennstoffzelle
•Umwandlung der Primärenergie direkt in elektrische Energie
­(elektrochemisch),
•bisher höchster elektrischer Wirkungsgrad,
•noch in der Erprobung,
•besonders wartungsarm
•leise im Betrieb,
•noch hohe Entwicklungskosten.
Heizkraftwerk (HKW)
Ein Heizkraftwerk ist eine industrielle Anlage zur Erzeugung von
Elektrizität und Wärme. Typische Heizkraftwerke speisen ihre Wärme in
ein Fernwärmenetz ein oder dienen der Erzeugung von Prozesswärme in
der Industrie. Sie werden zur Vermeidung langer Transportwege nahe von
Wohn- oder Industriezentren erstellt.
BHKW/Blockheizkraftwerk
Seit einigen Jahren kommen zunehmend BHKWs für den Einsatz auch
als Kleinanlage in Wohngebäuden und kleineren Gewerbebetrieben sowie
Hotels zum Einsatz. Diese Anlagen arbeiten mit Verbrennungsmotoren
oder Turbinen zur Stromerzeugung. Dem Kühlwasserkreislauf wird die
Wärme zur Heizungswasser- und Trinkwassererwärmung entzogen. In
der Regel ist die thermische Leistung ca. 2- bis 4-mal so groß wie die
elektrische Leistung.
ikz-praxis · Heft 2/2008
Ausbildung
Fachbericht (Beschreibung/Skizze) Nr.:2
Die Anlagen werden direkt am Ort des Wärmeverbrauchs betrieben. Zur
Optimierung der Laufzeit wird überschüssige Wärme von Pufferspeichern aufgenommen. Die Nutzwärme kann jedoch auch in ein Nahwärmenetz einspeist werden. Blockheizkraftwerke können bis zu 40 %
Primärenergie einsparen.
Die Auslegung richtet sich nach der erforderlichen elektrischen und
thermischen Leistung. Dazu sind der Wärme- und Strombedarf zu
erfassen.
Aufbau eines Mini-BHKWs
Mithilfe von Kolben treibt der Verbrennungsmotor eine Kurbelwelle
an, die die Antriebsachse des stromerzeugenden Generators dreht. Die
Abgase der Verbrennung werden über die Abgasanlage ausgepresst.
Kühlwasser durchströmt den Motorblock und den um die Abgasanlage
geführten Wärmetauscher. Hierbei wird die Abwärme aufgenommen und
der Motor gekühlt.
Woche: 8
Netzgeführter Betrieb
Das Leistungsniveau der Anlage wird von einer zentralen Stelle für
mehrere Anlagen vorgegeben. Diese steuert bedarfsgerecht die gesamte
Anlage.
Betrieb als Heizungsanlage
Bei Kleinanlagen ist für eine ausgeglichene Arbeitsweise der Anlage
zu sorgen. Dies wird mithilfe von Pufferspeichern oder dem Einbau von
Spitzlastkesseln erreicht.
Pufferspeicher sorgen dafür, dass auch zu Zeiten hohen Energiebedarfes
kein Spitzenlastkessel benötigt wird (monovalent). Die Zuheizung kann
jedoch auch mit einem Spitzenlastkessel betrieben werden (bivalent).
BHKWs können wie eine herkömmliche Heizungsanlage ausgelegt
werden. Bei hohem Heizwärmebedarf wird der erzeugte Strom über das
Einschalten von Heizpatronen direkt zu Heizzwecken verwendet.
Nutzungsgrad
Der Nutzungsgrad ist gegenüber dem „normalen“ Betrieb von Heizungsanlagen und zentraler Stromversorgung deutlich höher. Durch die kombinierte Nutzung von Wärme und Strom direkt am Ort der Entstehung
wird ein Wirkungsgrad von bis zu 90 % erreicht. Der Wirkungsgrad der
Stromerzeugung liegt zwischen 25 und 50 %.
Bei Anlagen, die als Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen betrieben
werden, fällt Abwärme an. Über Wärmetauscher wird diese in die
Heizungsanlage übertragen. Dies erhöht nochmals den Nutzungsgrad, der
dann bis zu 95 % betragen kann.
Betriebsarten
Wärmegeführter Betrieb (vorwiegend Wärmebedarf)
Die erzeugte Wärme soll vollständig genutzt werden. Der erzeugte
Strom wird möglichst vor Ort sofort verbraucht oder ins Stromnetz
gegen Entgelt eingespeist. Bei modularen Anlagen werden einzelne
Aggregate nach der erforderlichen Heizleistung stufenweise ab- oder
zugeschaltet. Es werden Laufzeiten von 3000 bis 4000 Jahresbetriebsstunden angestrebt.
Stromgeführter Betrieb (vorwiegend Strombedarf)
Dieser Betrieb ist dann sinnvoll, wenn das Stromnetz nicht an das
öffentliche Netz angeschlossen ist. Die Leistung richtet sich nach
dem Strombedarf. Überschüssige Wärme wird in einen Pufferspeicher
eingebracht. Wird bei hohem Strombedarf zuviel Wärme erzeugt, muss
sie über ein Kühlsystem an die Umgebung abgegeben werden. Ein
Spitzenlastbrenner kann zugeschaltet werden, wenn die Wärmeleistung
nicht ausreicht.
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