Blockheizkraftwerke - e
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Blockheizkraftwerke Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds Blockheizkraftwerke (BHKW) erzeugen nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gleichzeitig Wärme und Strom und können Brennstoffe daher effizient nutzen. Wie ein BHKW funktioniert, wie es dimensioniert und geplant wird und wann es wirtschaftlich sinnvoll ist, wird in diesem Lernfeld beschrieben. Verschiedene Umwandlungstechnologien und Brennstoffe, die für BHKW verwendet werden können, werden dargestellt. Ein zusätzlicher Fokus liegt auf innovativen BHKW-Technologien wie Stirlingmotoren, Brennstoffzellen, Mikrogasturbinen und Dampfkolbenmotoren. 1 Inhaltsverzeichnis BLOCKHEIZKRAFTWERKE .................................................................................................................. 1 1. LERNZIELE ..................................................................................................................................... 4 2. ZUM NACHDENKEN ... .................................................................................................................. 4 3. EINLEITUNG ................................................................................................................................... 5 3.1. Zum Üben... ............................................................................................................. 7 4. FUNKTIONSWEISE EINES BHKWS ............................................................................................. 8 4.1. Woraus setzt sich ein BHKW zusammen? ............................................................... 8 4.2. Welche Umwandlungstechnologien können eingesetzt werden? ............................10 4.3. Welche Brennstoffe können verwendet werden? ....................................................10 4.4. Strom- oder wärmegeführter Betrieb? .....................................................................11 4.5. Zum Üben... ............................................................................................................12 5. DIMENSIONIERUNG BHKW ........................................................................................................ 13 5.1. Wie wird eine BHKW-Anlage geplant? ....................................................................13 5.2. Wann rechnet sich ein BHKW? ...............................................................................15 5.3. Zum Üben... ............................................................................................................16 6. EINSATZ VON BHKW AUCH BEI EINFAMILIENHÄUSERN? ................................................... 17 6.1. Zum Üben... ............................................................................................................19 7. INNOVATIVE BHKW-TECHNOLOGIEN ...................................................................................... 20 7.1. Stirlingmotoren ........................................................................................................20 7.1.1. Aufbau ............................................................................................................20 7.1.2. Funktionsprinzip ..............................................................................................21 7.1.3. Vorteile und Nachteile .....................................................................................21 7.1.4. Entwicklungsstand ..........................................................................................22 7.2. Brennstoffzellen ......................................................................................................22 7.2.1. Aufbau ............................................................................................................22 7.2.2. Funktionsprinzip ..............................................................................................23 7.2.3. Vorteile und Nachteile .....................................................................................25 7.2.4. Entwicklungsstand ..........................................................................................25 7.3. Mikrogasturbinen.....................................................................................................25 2 7.3.1. Aufbau ............................................................................................................25 7.3.2. Funktionsprinzip ..............................................................................................26 7.3.3. Vorteile und Nachteile .....................................................................................27 7.3.4. Entwicklungsstand ..........................................................................................27 7.4. Dampfkolbenmotor ..................................................................................................27 7.4.1. Aufbau ............................................................................................................27 7.4.2. Funktionsprinzip ..............................................................................................28 7.4.3. Vorteile und Nachteile .....................................................................................29 7.4.4. Entwicklungsstand ..........................................................................................29 7.5. Zum Üben... ............................................................................................................31 8. AUSBLICK .................................................................................................................................... 32 8.1. Zum Üben... ............................................................................................................33 9. QUELLEN...................................................................................................................................... 34 10. ÜBERSICHT AUFGABEN ........................................................................................................ 36 11. ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................................................. 37 12. IMPRESSUM ............................................................................................................................. 38 3 1. Lernziele Grundzüge eines Blockheizkraftwerks (BHKW) benennen sowie Einsatzmöglichkeiten aufzählen Das Prinzip Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) erklären Die Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Betrieb argumentieren Den „Economies-of-Scale-Effekt” darstellen Den Unterschied zwischen strom- und wärmegeführtem Betrieb darstellen Das Modell eines Mikro-/Mini-BHKW zeichnen 2. Zum Nachdenken ... Aufgabe 1: Wofür stehen die Abkürzungen BHKW, KWK und HWB? Abbildung 1: Abkürzungen unter Energie-ExpertInnen (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) 4 3. Einleitung Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) ist eine Anlage, mit der Wärme und Strom nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) erzeugt werden können. BHKW stellen daher eine Art Untergruppe im Anwendungsbereich von KWK-Anlagen dar. Ein Vorteil der KWK und damit bei BHKW ist, dass die verwendeten Brennstoffe hocheffizient verwertet werden. BHKW werden überwiegend in größeren Anlagen wie Krankenhäusern, Bürogebäuden, Industrie- und Gewerbebetrieben, Wohnanlagen, bei Mehrfamilienhäusern, aber auch zunehmend auch in Einfamilienhäusern eingesetzt. Blockheizkraftwerke werden von verschiedenen Herstellern im Leistungsbereich von 3 bis 6.800 kW el (Kilowatt elektrisch) verkauft. Für Ein- und Zweifamilienhäuser wurden sogenannte Mikro-KWK-Anlagen mit entsprechend geringer Leistung im Bereich von 1 bis 5 kW el entwickelt. Eine Abgrenzung verschiedener KWK-Bezeichnungen in Abhängigkeit von der Leistungsgröße wird in Tabelle 1 dargestellt. Bezeichnungen Leistungsbereiche Anwendungsbereiche Nano-KWK 1 bis 5 kW el Mikro-KWK ≤ 10 kW el Stromerzeugende Heizung für Ein/Zweifamilienhäuser Mehrfamilienhäuser; Kleingewerbe KWKKleinstanlagen „microcogeneration“ ≤ 50 kW el Gewerbe, Krankenhäuser, Hotels; Bereitstellung und Verbrauch ist meist noch in einem Gebäude KWKKleinanlagen „small scale cogeneration“ ≤ 1 MW el Heizkraftwerke; werden als eigene Gebäude (Kraftwerke) mit Wärmeverteilnetz betrieben Tabelle 1: Abgrenzung verschiedener KWK-Technologien (Quellen: IBS 2011, DENA 2012, Directive 2004) Nach der KWK-Richtlinie 2004 wird Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) folgendermaßen definiert: „‚Kraft-Wärme-Kopplung‘ ist die gleichzeitige Erzeugung thermischer Energie und elektrischer und/oder mechanischer Energie in einem Prozess“ (Directive 2004). Die KWK-Richtlinie soll der Förderung einer „am Nutzwärmebedarf orientierten hocheffizienten“ KWK dienen. Eine KWK gilt dann als hocheffizient, wenn eine Primärenergieeinsparung zum Beispiel durch Reduzierung von Netzwerkverlusten erreicht wird. Dadurch ergibt sich eine Emissionsreduktion und bei dezentralen KWK-Anlagen eine Erhöhung der Versorgungssicherheit von Wärme und Strom. 5 Vergleicht man die Erzeugung von Strom und Wärme in Abbildung 1, so liegt bei der getrennten Erzeugung der Wirkungsgrad für die Erzeugung von Strom bei etwa 38 % und der für die Erzeugung von Wärme mit modernen Kesseln bei etwa 90 %. In BHKW können hingegen bis zu 87 % der eingesetzten Primärenergie in Strom und Wärme umgewandelt werden, wodurch nicht nur Ressourcen gespart, sondern auch der Ausstoß von klimaschädlichem CO2 reduziert werden kann. Da die Wärme in konventionellen Kraftwerken nicht mehr genutzt wird, fallen hier die meisten Verluste an. Bei der Verwendung der Kraft-Wärme-Kopplung ergibt sich ein Potenzial der Primärenergie-Einsparung von circa 36 %. Abbildung 2: Effizienz der Kraft-Wärme-Kopplung (Quelle: ASUE) Diese Vorteile sind nicht nur auf BHKW beschränkt, sondern gelten auch für Großkraftwerke, sofern sie Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien einsetzen und die Wärme zum Beispiel über Fernwärmeleitungen sinnvoll genutzt werden kann. Ein Unterschied liegt allerdings darin, dass Mikro-/Mini-BHKW-Anlagen bei entsprechender Auslegung ganzjährig hohe Nutzungsgrade erzielen können. (Simader et al. 2004) Wesentliche Grundvoraussetzungen, damit ein BHKW wirtschaftlich und sinnvoll ist, sind unabhängig von der Dimensionierung der gleichzeitige Bedarf an Strom und Wärme, wie dies z. B. bei Krankenhäusern gegeben ist. 6 3.1. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 2: Welchen Leistungsbereich deckt Mikro-KWK ab? Aufgabe 3: Wie wird Kraft-Wärme-Kopplung definiert? 7 4. Funktionsweise eines BHKWs Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht in der Regel aus einem Motor, einem Generator, Abgaswärmetauscher sowie einem schall- und wärmegeschützten Gehäuse. Wenn ein Verbrennungsmotor verwendet wird, so beruht das Grundprinzip darauf, dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme aus dem Abgas (Abgaswärme) und dem Kühlwasserkreislauf verwendet wird, um Wasser für verschiedene Verwendungszwecke aufzuheizen. Der Motor treibt dabei einen elektrischen Generator an. Die Abwärme vom Abgas, des Kühlmittels für den Motor (circa 80 °C) und die Generatorabwärme können über einen oder mehrere Wärmetauscher zu Heizzwecken genutzt werden. Bei Blockheizkraftwerken wird die Wärme in der Regel bei einer Temperatur von 70 °C bis 90 °C abgegeben und kann somit für viele Heizungsanwendungen genutzt werden. Bei Niedertemperaturwärmeverteilsystemen, zum Beispiel einer Fußbodenheizung, würde ein Temperaturlevel von 50 °C ausreichen. Abbildung 3: Schema einer Motor-BHKW-Anlage (Quelle: Lehmacher 2005; http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Bhkw_schema.png) 4.1. Woraus setzt sich ein BHKW zusammen? Für die Umwandlung von chemisch gespeicherter Brennstoffenergie in nutzbare elektrische Energie und Wärme in einem Block werden folgende Komponenten benötigt: Brennstoffaufbereitung (z. B. Kraftstofffilter, Vergaser,…) Kraftmaschine für die Umwandlung chemisch gespeicherter Energie in kinetische Energie und Wärme (z. B. Verbrennungsmotor, Gasturbine, Dampfmotor, Stirlingmotor) 8 Generator für die Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie und Wärme (Stromgewinnung). Die Brennstoffzelle wandelt den Brennstoff direkt in elektrische Energie und Wärme um. Bei dieser Technologie wird kein Generator benötigt. Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie zum Beispiel aus Motorabwärme, Ölkreislauf, Abgas usw. Diverse elektrische Schalt- und Steuereinrichtungen zur Stromverteilung bzw. zum Motormanagement Hydraulische Einrichtungen zur Wärmeverteilung In Abbildung 4 sind technologieunabhängig die Systemgrenzen und die Energieströme beschrieben. Innerhalb der Systemgrenzen befinden sich die Komponenten einer KWKAnlage. Abbildung 4: Schematische und technologieunabhängige Darstellung von KWK-Anlagen (Quelle: Bioenergy2020+ GmbH) In Abbildung 5 ist eine KWK-Anlage mit Diesel- oder Gasmotor als Kraftmaschine, einem Dampf- oder Heißwassererzeuger, einem Generator zur Stromgewinnung, einer Speisewasserpumpe, einem Vorwärmkreis und einem Wärmeverbraucher dargestellt. 9 Abbildung 5: Schematische Darstellung einer KWK-Anlage mit Verbrennungsmotor (Quelle: Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics) 4.2. Welche Umwandlungstechnologien können eingesetzt werden? Die meisten BHKW-Anlagen arbeiten mit einem Otto- oder Dieselmotor. Sie können aber auch mittels einer Mikro-Gasturbine, eines Stirlingmotors, eines Dampfmotors, einer Dampfturbine oder mit einem ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) betrieben werden. BHKW-Technologien, die ohne bewegte Teile arbeiten und direkt die chemisch gespeicherte Energie in Strom und Wärme umwandeln, sind zum Beispiel die Brennstoffzelle, die Thermoelektrik oder die Thermophotovoltaik. BHKW-Anlagen mit Otto- oder Dieselmotor sind technologisch ausgereift und werden bereits seit Jahrzehnten in einem breiten Leistungsspektrum vertrieben. Mikrogasturbinen, Stirlingmotoren, ORC-Prozess oder Linearkolben-Dampfmotoren sind im Demonstrationsstadium oder befinden sich teilweise in der Phase der Markteinführung. Die Brennstoffzelle, thermoelektrische Generatoren oder die Thermophotovoltaik werden als Prototypen untersucht und befinden sich im Laborstadium. Diese Technologien haben das Potenzial, im sehr kleinen Leistungsbereich (Nano-KWK) wirtschaftlich eingesetzt zu werden. 4.3. Welche Brennstoffe können verwendet werden? Die meisten Anlagen arbeiten immer noch mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Heizöl oder Diesel. Zunehmend werden aber auch Biomasseprodukte wie Hackschnitzel, Pellets, Pflanzenöle oder Biogas (siehe Beispielbox) eingesetzt, was zu einer Verringerung der CO2Emissionen beiträgt. 10 Biomassebefeuerte Mikrogasturbine Hersteller: Talbotts Bezeichnung: BG25 TCS - Elektrische Leistung: 25 kW el (Kilowatt elektrisch) für die Einspeisung oder zur Abdeckung des Eigenbedarfs - Thermische Leistung: 80 kW th (Kilowatt thermisch) als Heißwasser mit 80 °C Vorlauftemperatur - Verbrauch: ca. 25 kg Hackgut/h - Brennstoff: verschiedene Biomasse als Hackgut G50 oder Pellets - Brennkammer mit Stufenrost und automatischer Ascheausführung - Mikrogasturbine: Turbolader Radial Turbine - Synchrongenerator 35 kVA Abbildung 6: Biomasse-BHKW (Quelle: Talbott’s Biomass Generators LTD) Funktionsweise: Die Biomasse wird in der Brennkammer mit Stufenrosttechnologie verbrannt. Das Abgas wird durch einen für Biomasse-Heißlufterzeuger typischen Luft/LuftWärmetauscher mit Edelstahl-Kassetten geführt. Die vom Kompressor angesaugte frische Außenluft wird verdichtet und durch den Wärmetauscher erwärmt. Im Turbolader wird die thermische Energie der heißen Luft in kinetische Rotationsenergie und schließlich mittels Synchrongenerator in Strom umgewandelt. Ein Teil der Rotationsenergie wird für den Betrieb des Kompressors verwendet. Die verbleibende Wärme im Abgas wird an einem Luft/WasserWärmetauscher abgegeben und kann als Nutzwärme verwendet werden. In der schallgedämpften Abgasanlage wird das Abgas gefiltert an die Umgebung abgegeben. Quelle: Talbotts 2012 4.4. Strom- oder wärmegeführter Betrieb? BHKW können entweder strom- oder wärmegeführt sein. Von wärmegeführt spricht man, wenn das BHKW entsprechend dem Wärmebedarf eines Gebäudes betrieben wird. Die Leistungsmodulation bzw. die Starts/Stopps einer BHKW-Anlage richten sich nach der 11 aktuellen Wärmebedarfsleistung eines Gebäudes. Vielfach wird dann auch von Wärme-KraftKopplung gesprochen. Bei stromgeführten Anlagen wiederum richtet sich der Betrieb des BHKW nach dem Strombedarf. Bei erhöhter Stromnachfrage wird bei modulierenden BHKW die Leistung erhöht, und zwar unabhängig davon, ob die Abwärme genutzt werden kann oder nicht. Dadurch sinkt jedoch der Gesamtwirkungsgrad, weswegen ExpertInnen diese Betriebsweise als ökologisch nicht sinnvoll sehen. Stromgeführte BHKW werden aus wirtschaftlichen Gründen zum Beispiel in Gewerbebetrieben eingesetzt. In der Regel werden BHKW wärmegeführt. Dies ist auch die ökologisch sinnvollere Variante, weil nur bei dieser Betriebsweise ein hoher Jahresnutzungsgrad bzw. eine hohe Brennstoffersparnis erreicht werden kann. 4.5. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 4: Nach welchem Grundprinzip funktioniert ein BHKW mit Verbrennungsmotor? Aufgabe 5: Mit welchen Brennstoffen können BHKW betrieben werden? Aufgabe 6: Was ist der Unterschied zwischen wärme- und stromgeführtem Betrieb eines BHKWs? 12 5. Dimensionierung BHKW Die Grundlage jeder BHKW-Planung ist der jährliche Wärme- und Strombedarf des betrachteten Gebäudes und die Energiemengenverteilung übers Jahr. Die Wärme- oder Stromverteilung kann über eine Jahresdauerlinie oder über eine Energiebedarfsstruktur im Verlauf eines Jahres dargestellt werden. Bei wärmegeführten BHKW-Anlagen wird nach dem Wärmebedarf und bei stromgeführten Anlagen in Abhängigkeit vom Strombedarf dimensioniert. Mit der Jahresdauerlinie kann ermittelt werden, wie viele Stunden pro Jahr eine bestimmte Leistung im Gebäude benötigt wird. 5.1. Wie wird eine BHKW-Anlage geplant? Um einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb durch viele Jahresbetriebsstunden einer wärmegeführten BHKW-Anlage zu erlangen, sind Gebäude mit hoher Wärmegrundleistung entscheidend. Die Wärmegrundleistung definiert jene Leistung, die ein ganzes Jahr durchgehend von einem Gebäude benötigt wird. Andererseits ist für die wirtschaftliche Auslegung auch eine Mindestnennleistung des BHKWs entscheidend, da die spezifischen Investitionskosten in €inv/kW el steigen, je kleiner die Nennleistung ist („Economies of Scale“). Die Wärmegrundlast von Ein- oder Mehrfamilienhäusern wird durch den relativ geringen Warmwasserwärmebedarf bestimmt. Eine wirtschaftliche Auslegung durch viele Jahresbetriebsstunden ist deshalb im privaten Sektor schwieriger als im gewerblichen Sektor, wo zum Beispiel auch ganzjährig Prozesswärme benötigt wird. Stromgeführte BHKW-Anlagen sind nur dann wirtschaftlich, wenn zum Beispiel im gewerblichen Betrieb teurer Spitzenstrombedarf substituiert werden kann. In Abbildung 7 sind verschiedene Möglichkeiten der Auslegung der Nennwärmeleistung von wärmegeführten BHKW dargestellt. 13 Abbildung 7: Energiebedarfsstruktur im Verlauf eines Jahres für einen Gewerbebetrieb (Quelle: Bioenergy2020+ GmbH) 1. Auslegung nach der Wärmegrundleistung: Bei dieser Auslegung mit maximaler Auslastung des BHKWs bei Volllastbetrieb wird der höchste Jahresnutzungsgrad erreicht. Die gesamte elektrische Energieausbeute ist in diesem Auslegungsfall am niedrigsten. Für die Bereitstellung des Heizwärmebedarfs muss zusätzlich in einen Wärmeerzeuger (z. B. Heizkessel) investiert werden. Diese Auslegungsvariante kann auch mit einem SpitzenlastBHKW kombiniert werden. 2. Auslegung mit Spitzenlast-BHKW: Diese Auslegung ermöglicht es in Zeiten mit hohem Wärmebedarf (Wintermonate), auch hohe Stromerträge zu erzielen. In Zeiten mit geringem Wärmebedarf muss das Spitzenlast-BHKW abgeschaltet werden, da die überschüssige Wärme nicht genutzt werden kann. Für diesen Schwachlastbetrieb muss zusätzlich in einen Wärmeerzeuger investiert werden. 3. Auslegung mit einem modulierenden BHKW: Manche BHKW-Technologien können die Wärmeleistungsbereitstellung modulieren. Je nach Mehrkosten für die Modulationsfähigkeit und dem Wirkungsgrad in der Teillast kann auch diese Auslegungsvariante wirtschaftlich sein. Für diese Auslegungsvariante ist kein zusätzlicher Wärmeerzeuger notwendig. Für die wirtschaftliche Berechnung können Berechnungstools verwendet werden, wie zum Beispiel die Software-Tools „BHKW Plan“, „Berechnung der Wirtschaftlichkeit von BHKWs in Krankenhäusern“ oder „BHKW-Checkliste“ (ASUE 2012). Bei dem Tool „BHKW Plan“ werden ein BHKW-System und eine konventionelle Heizung miteinander verglichen und eine dynamische Simulation der Strom- und Wärmebedarfsdaten des Gebäudes und der Betriebsdaten der Erzeugungsanlagen durchgeführt. Um diese 14 Analyse durchführen zu können, sind charakteristische Mindestangaben zum Objekt notwendig, wie beispielsweise: Wie viel Wärme wird benötigt? Warmwasserbedarf in kWh/a Prozesswärmebedarf in kWh/a Heizwärmebedarf in kWh/a Maximale Wärmeleistung in kW Thermische Jahresdauerlinie Brennstoffverbrauch der bestehenden Heizungsanlage Wie viel Strom wird benötigt? Stromverbrauch in kWh/a Spitzenstromleistung in kW Jahresdauerlinie des Strombedarfs Wie hoch sind die derzeitigen Energiebezugspreise? Durchschnittlicher Brennstoffpreis (Hackgut, Erdgas,…) Durchschnittlicher Strompreis, mit dem der produzierte Überschuss verkauft werden kann Durchschnittlicher Strompreis, der durch den Betrieb des BHKWs substituiert werden kann Diese Analysen stellen eine erste Entscheidungsgrundlage dar, sie ersetzen jedoch keinesfalls eine Detailplanung durch den Fachmann. (Austrian Energy Agency 2012) 5.2. Wann rechnet sich ein BHKW? Die beste Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie wird erzielt, wenn die thermische Leistung des BHKWs nach der Höhe und Energiebedarfsstruktur des Wärmebedarfs eines Objekts ausgelegt wird. Das bedeutet, das BHKW ist nur dann in Betrieb, wenn ein Wärmebedarf da ist und der erzeugte Strom im Objekt genutzt oder auch ins öffentliche Netz eingespeist wird. In diesen Fällen erreicht das BHKW die höchsten technisch möglichen Wirkungsgrade. Auf der Ausgabenseite müssen die sehr hohen Anschaffungskosten und Kosten für Wartungen, Reparaturen und für den Brennstoff berücksichtigt werden. Damit ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist, muss das Gebäude über das ganze Jahr einen hohen Wärmebedarf haben. Das BHKW sollte im Jahr mindestens 5.000 Stunden in voller Leistung betrieben werden. Das trifft derzeit auf Einfamilienhäuser und kleinere Mehrfamilienhäuser nicht zu. Für österreichische Klimaverhältnisse sind für die Bereitstellung von Heiz- und Warmwasserwärme circa 1.500 bis 2.000 Volllastbetriebsstunden üblich. 15 In der Heizperiode senkt ein BHKW die eingekaufte Stromleistung und die Stromkosten des Gebäudes entsprechend ab. Mangels Wärmebedarf im Sommer kann ein stromgeführter BHKW-Betrieb die Stromlieferung gerade in den wichtigsten Tagesstunden reduzieren und damit die Strom-Leistungskosten für das ganze Jahr gering halten. Für solche Fälle wird die Anlage mit einem Pufferspeicher (oder Hilfskühler) ausgestattet. Ein Pufferspeicher ist besonders dann aus betrieblichen Gründen sinnvoll, wenn ein BHKW eine bestimmte Volllaststundenanzahl (4.000 bis 6.000 Stunden) im Jahr nicht überschreitet und wenn eine hohe Schalthäufigkeit vorliegt. Ein Hilfskühler dagegen ist vorwiegend eine Maßnahme, die von der Strompreisstruktur bzw. Tarifsituation bestimmt wird, obwohl er aus ökologischen Gründen nicht sinnvoll ist. (Simader et al. 2004) Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit und eine kurze Amortisationszeit von BHKW-Anlagen ist die Entwicklung der Energiepreise. Der produzierte und verkaufte Strom und die nutzbare Wärme müssen im Verhältnis zum eingekauften Brennstoff über die Betriebslaufzeit des BHKWs einen Mehrertrag einbringen, um auch andere Betriebskosten wie Wartung und Instandhaltung sowie die Abschreibung abzudecken. Da Biomasse im Vergleich zu fossilen Brennstoffen günstiger ist und nicht wie Erdgas unmittelbar an den Strompreis gekoppelt ist, ist der Betrieb von kleineren, dezentralen BHKW-Anlagen zum Beispiel mit Holzhackgut wirtschaftlicher. Kleinere, dezentrale BHKW-Anlagen können auch in die Nähe von Siedlungs- oder Gewerbegebieten gebaut werden, wodurch auch die entstehende Wärme effizient genutzt werden kann. Welche Kosten sind auf der Ausgabenseite für ein BHKW zu veranschlagen? Anschaffungskosten, Kosten für Wartungen und Reparaturen und Kosten für den Brennstoff. Welche Faktoren können einen Mehrertrag eines BHKWs bringen? Die nutzbare Wärme sowie der produzierte (und verkaufte) Strom. Der Mehrertrag hängt auch von den Energiepreisen und den Kosten für den Brennstoff ab. 5.3. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 7: Welcher Wert ist für die Auslegung eines wärmegeführten BHKWs entscheidend? Aufgabe 8: Wieso ist die Mindestnennleistung eines BHKWs relevant? Aufgabe 9: Diskutieren Sie, wann ein BHKW wirtschaftlich ist. Welche Rahmenbedingungen müssen dafür berücksichtigt werden? 16 6. Einsatz von BHKW auch bei Einfamilienhäusern? In den vergangenen Jahren wurden gerade für Ein- und Zweifamilienhäuser BHKWs oder Mikro-KWK-Anlagen mit einer geringeren thermischen Leistung entwickelt. Weitere Synonyme sind Mikro-Blockheizkraftwerke, Motor-Heizkraftwerke oder Heizkraft-Anlagen. Wichtig dabei war auch, dass die Anlagen geräuscharm und in kompakter Form angeboten werden können. Mikro-KWK-Anlagen sind kleine, kompakte, anschlussfertige, standardisierte und meist wärmegeführte Technologien zur Bereitstellung von Wärme und Strom. Vereinfacht werden sie auch als Heizanlagen bezeichnet, die als Nebenprodukt Strom erzeugen. Mikro-KWKAnlagen werden anschlussfertig für Brennstoffzuführung, Vor- und Rücklaufanschluss für Heizungswasser und Strombereitstellung für Netzeinspeisung angeboten und verkauft. Beispielhaft ist in Abbildung 8 ein Stirlinggenerator dargestellt, der die charakteristischen Merkmale einer Mikro-KWK-Anlage erfüllt. Abbildung 8: Darstellung einer Mikro-KWK-Anlage (Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co KG) Auch diese kleinen, kompakten KWK-Anlagen weisen einen sehr hohen Wirkungsgrad (85 bis 93 %) auf. Vorausgesetzt, dass entsprechende Strom- und Heizlasten gegeben sind, können durch Mikro-BHKW die Betriebskosten von Gebäuden reduziert und der Ausstoß von CO2-Emissionen vermindert werden. Am Markt sind inzwischen schon Anlagen mit einer elektrischen Leistung zwischen 0,25 und 2,2 kW und einer thermischen Leistung zwischen 2,5 und 16 kW erhältlich. Die Anlagen sind hinsichtlich ihrer Leistung so ausgelegt, dass sie den durchschnittlichen Grundlastbedarf an Strom und Wärme eines Einfamilienhauses decken können. Lastspitzen müssen von sekundären Systemen abgedeckt werden. Zur Deckung eines zeitweise höheren Warmwasser- oder Heizwärmebedarfs empfiehlt sich beispielsweise die Kombination mit einem Gas-Brennwertgerät. Strombedarfsspitzen übernimmt eine 17 Verbindung mit dem öffentlichen Netz. Dort wird auch der Überschuss an erzeugtem Strom eingespeist. Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines Mikro-BHKWs (wie auch bei größeren Anlagen) sind a) möglichst gleichzeitiger Bedarf an Wärme und Strom, b) möglichst ganzjährige thermische Grundlasten (für die Erreichung hoher Volllaststunden), und c) möglichst hohe Eigennutzung des erzeugten Stroms, falls kein geförderter Einspeisetarif in das öffentliche Netz genutzt werden kann (in Österreich zum Beispiel bei der Verwendung von fossilen Energieträgern). (Simader et al. 2004) Einspeisetarife Der Einspeisetarif von BHKW-Anlagen, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, richtet sich in Österreich nach der aktuellen Ökostromverordnung und dem aktuellen Ökostromgesetz. (Ökostromgesetz 2012) In der Ökostromverordnung 2011 steht: „Als Preise für die Abnahme elektrischer Energie aus Stromerzeugungsanlagen, die unter ausschließlicher Verwendung von fester Biomasse […] betrieben werden, werden folgende Beträge festgesetzt: 1. bis zu einer Engpassleistung von 500 kW: 14,98 Cent/kWh 2. bis zu einer Engpassleistung von 500 kW bis 1 MW: 13,54 Cent/kWh.“ Falls das Effizienzkriterium nach KWK-Gesetz 2008 erfüllt wird, bekommt der Betreiber einen Zuschlag von 2 Cent/kWh (KWK-Bonus). (Ökostromgesetz 2012) Im österreichischen KWK-Gesetz werden unabhängig vom Brennstoff die Investitionskosten von BHKW-Anlagen mit 100 Euro/kW Engpassleistung bis zu einer Engpassleistung von 100 MW gefördert. Ein Mikro-KWK in Einfamilienhäusern ist vor allem auch dann rentabel, wenn thermische und elektrische Speicher eingesetzt werden. Oft ist es vorteilhaft, wenn eine zentrale Anlage mehrere Ein- und Zweifamilienhäuser oder eine komplette Siedlung versorgt, um eine kontinuierliche Wärmenachfrage zu garantieren. Derartige Nahwärmenetze sind auch gut geeignet, größere Solarkollektorfelder zu integrieren und damit solare Wärme zu nutzen (solarunterstützte Nahwärme). Wichtig im Sinne von Wirtschaftlichkeit ist hierbei auch, dass die Entfernung zwischen Erzeuger (BHKW) und Endverbraucher möglichst gering ist, um die Wärmeverluste des Nahwärmenetzes gering zu halten. 18 6.1. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 10: Wie können Strombedarfsspitzen bei Mikro-BHKW abgedeckt werden? Aufgabe 11: Stellen Sie ein Mini-BHKW grafisch dar. 19 7. Innovative BHKW-Technologien Neben den Motor-BHKW-Anlagen mit Otto- oder Dieselmotor kommen zunehmend auch andere Technologien zum Einsatz, die bestimmte Vorteile, aber auch (noch) Nachteile gegenüber konventionellen Technologien aufweisen. Zu nennen sind Stirlingmotoren, Brennstoffzellen-Systeme, Mikro-Gasturbinen und Dampfkolbenmotor. Als Brennstoffe werden bislang hauptsächlich fossile Brennstoffe wie Erdgas oder Heizöl eingesetzt. Der Trend geht aber auch hier zur Biomasse. 7.1. Stirlingmotoren Im letzten Jahrhundert bis zur Gegenwart wurde der Stirlingmotor vom Verbrennungsmotor als Kraftmaschine in vielen Anwendungsbereichen nicht zuletzt wegen seiner Trägheit beim Lastwechsel und dem höheren Leistungsgewicht verdrängt. Am jungen Markt der dezentralen, stationären Erzeugungsanlagen, wo das hohe Leistungsgewicht und die Lastwechselträgheit des Stirlingmotors nur eine untergeordnete Rolle spielen, gewinnt die Technologie wieder an Bedeutung. Ein entscheidender Vorteil des Stirlingmotors ist die hohe Brennstoffflexibilität. 7.1.1. Aufbau Der Stirlingmotor besteht aus zwei Kolben, den Expansionskolben und den Kompressionskolben, die gemeinsam an einem Kurbeltrieb verbunden sind. Im Expansionsraum, Kompressionsraum und der Verbindung dazwischen befindet sich das Arbeitsgas mit unterschiedlichem Temperaturniveau. Mithilfe des Erhitzer-Wärmetauschers und des Kühler-Wärmetauschers kann das Arbeitsgas von außen (extern) erwärmt und abgekühlt werden. Der Regenerator ist ein Wärmetauscher, der beim Gasaustausch vom Expansionsraum zum Kompressionsraum die Wärme aufnimmt und bei der Rückströmung wieder abgibt. Im Idealfall kann die Wärme im Arbeitsgas zu 100 % regeneriert werden, wodurch theoretisch keine externe Wärmezu- und -abfuhr mehr nötig wäre. Der Regenerator ist deshalb wesentlich für den Wirkungsgrad des Stirlingmotors. Abbildung 9: Aufbau eines Stirlingmotors (Quelle: Thomas 2007) 20 7.1.2. Funktionsprinzip Der Stirlingmotor ist wie der Verbrennungsmotor eine Expansionsmaschine. Die Kolbenbewegung erfolgt allerdings nicht durch Expansion der Verbrennungsgase infolge einer inneren Verbrennung, sondern durch die Expansion eines im Zylinderraum des Stirlingmotors eingeschlossenen Arbeitsgases durch externe Wärmezufuhr. Als Arbeitsgas kann Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff eingesetzt werden. Zur Erklärung des Funktionsprinzips wird der Stirlingprozess in vier Phasen unterteilt: Verdichten, Erwärmen, Entspannen und Kühlen. Verdichten: Während des Verdichtungsvorganges wird mechanische Energie, z. B. einer Schwungscheibe oder eines weiteren Stirlingmotors, der sich zu diesem Zeitpunkt phasenverschoben im Expansionsvorgang befindet, auf die Kolben ausgeübt. Beide Kolben bewegen sich zum oberen Totpunkt und komprimieren so das Verbrennungsgas. Die Drehrichtung des Kurbeltriebs ist mit einem Pfeil in Abbildung 10 eingezeichnet. Die entstehende Verdichtungswärme wird durch den Kühler abgeführt. Bei ausreichender Kühlung erfolgt dieser Arbeitsschritt ideal bei konstanten Temperaturen (isotherm). Erwärmen: Beim Erwärmen strömt das Arbeitsgas aufgrund der Kolbenbewegungen vom Kompressionsraum in den Expansionsraum, wobei das Volumen im gesamten Arbeitsraum annähernd konstant bleibt (isochor). Dem Arbeitsgas wird die im Regenerator gespeicherte Wärme zugeführt. Durch die isochore Erwärmung wird der höchste Druck im Prozess erreicht. Entspannen: Durch die Entspannung baut sich der entstandene Druck im Arbeitsgas über den Expansionskolben ab, wobei Arbeit an die Kurbelwelle verrichtet wird. Die bei der Entspannung benötigte Wärme wird dem Prozess extern über den Erhitzer zugeführt. Bei ausreichender Erhitzung erfolgt dieser Arbeitsschritt ideal bei konstanten Temperaturen (isotherm). Kühlen: Beim Kühlen strömt das Arbeitsgas aufgrund der Kolbenbewegung vom Expansionszylinder zurück in den Kompressionszylinder und gibt dabei Wärme an den Regenerator ab. Der Regenerator speichert die Wärme für die nächste Erwärmung des Arbeitsgases. Das Volumen des Arbeitsraums bleibt während dieses Arbeitsschrittes annähernd konstant. Zusammenfassend wird ein Teil der Wärmezufuhr in mechanische Energie umgewandelt und an der Kurbelwelle beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Die restliche Wärmeenergie verlässt den Stirlingmotor durch den Kühler bei niedrigerem Temperaturniveau. Diese Energie wird in Mikro-KWK-Anlagen für Heizzwecke genutzt. 7.1.3. Vorteile und Nachteile Gegenüber Verbrennungsmotoren hat der Stirlingmotor folgende Vorteile und Nachteile: Vorteile: Hohe Brennstoffflexibilität (feste Biomasse ist als Brennstoff möglich) Potenziell geringerer Wartungsaufwand 21 Nachteile: Geringe Betriebserfahrungen Hohe Investitionskosten Niedriger Wirkungsgrad 7.1.4. Entwicklungsstand Neben Demonstrationsanlagen und Feldtestversuchen zahlreicher Entwickler von Stirlingmotoren für Mikro-KWK-Anlagen haben bisher zwei Hersteller kurzfristig den Markteintritt in Europa geschafft. Im Jahr 2006 gab es weltweit etwas mehr als 20 Hersteller von Stirlingmotoren. Die kommerziell verfügbaren Mikro-KWK-Anlagen mit Stirlingmotoren werden derzeit mit Erdgas oder Flüssiggas betrieben. Feste Biomasse als Wärmequelle für Stirlingmotoren wird derzeit in Pilotanlagen untersucht. Der Markteintritt ist in den nächsten Jahren zu erwarten. Der Entwicklungsstand von Stirlingmotoren ist zwischen Demonstrationsstadium und Marktreife, wobei die preisoptimierte Serienfertigung noch in der Anfangsphase steht. (Haas et al. 2010) 7.2. Brennstoffzellen Der intensive Entwicklungsaufwand für Brennstoffzellen seit Ende der 80er-Jahre liegt unter anderem darin begründet, dass die Brennstoffzelle als emissionsarme und effiziente Energieversorgung in vielen Anwendungsbereichen interessant ist. Neben dem stationären spielt der mobile Anwendungsbereich eine große Rolle, wobei eine wesentliche Triebfeder die Automobilindustrie ist. Ab dem Jahr 2000 wurden Forschungsgelder auch für stationäre Kleingeräte zur Strom- und Wärmeversorgung von Wohngebäuden freigegeben. Für einen Marktdurchbruch von Brennstoffzellen-Heizgeräten sind noch Optimierungsmaßnahmen im Bereich Lebensdauer, Wirkungsgrade und vor allem bei den Kosten notwendig. 7.2.1. Aufbau Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei voneinander getrennten Gasräumen, in denen Elektroden angeordnet sind, die als Kontaktstelle für den Elektronenfluss dienen. Die Elektroden sind meist katalytisch beschichtet, um die jeweils ablaufende Reaktion zu ermöglichen. Die Elektroden werden als Anode und Kathode bezeichnet. Die Trennung der Gasräume und der Elektroden erfolgt durch den Elektrolyt. Der Elektrolyt ist wesentlich für die Funktion der Brennstoffzelle verantwortlich. Der Elektrolyt erfüllt die Aufgabe einer Membran, wobei eine Überführung der positiv geladenen Wasserstoff-Ionen H+ ermöglicht werden soll. Im Gegensatz dazu muss der Elektrolyt für die eingesetzten Gase Wasserstoff und Sauerstoff undurchlässig sein. Art und Aufbau der Membran unterscheidet verschiedene Brennstoffzellentypen. Der Elektronenfluss findet über einen externen Stromkreis statt. 22 Abbildung 10: Aufbau einer Brennstoffzelle mit Proton-Exchange-Membran (PEM) (Quelle: Bioenergy2020+ GmbH) 7.2.2. Funktionsprinzip Das Wirkungsprinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von Sir William Grove beschrieben. Im Unterschied zur Strombereitstellung mittels thermischer Prozesse und eines Generators wandeln Brennstoffzellen die chemische Energie eines Brennstoffes in einer Reaktion direkt in elektrische Energie um. Wasserstoff und Luft werden getrennt jeweils einem Gasraum der Brennstoffzelle zugeführt. An der Elektrode auf der Seite des Wasserstoffes bewirkt der Elektrolyt, dass sich die Elektronen e– und die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen H+ abtrennen. Die Elektronen werden von der Elektrode aufgenommen. Diese Elektrode ist wegen des Elektronenüberschusses negativ geladen und wird Anode genannt. Die Oxidation an der Anode findet gemäß folgender Gleichung statt: 2H 2 4 H 4e Gleichung 1: Anodenreaktion Der positiv geladene Wasserstoff H+ wandert durch den Elektrolyten hindurch und verbindet sich an der Kathode mit dem Sauerstoff zu Wasser. Dem so entstandenen Wassermolekül fehlt damit ein Elektron, wodurch zwischen Anode und Kathode eine elektrische Spannung entsteht. Wird ein Stromverbraucher an den beiden Elektroden angeschlossen, so fließt ein elektrischer Strom. Die Elektronen gelangen so über den externen Stromkreis zur Kathode. An der Kathode findet dann die Reduktion statt: O2 4 H 4e 2 H 2O Energie Gleichung 2: Kathodenreaktion 23 Die Gesamtreaktion (auch Redoxreaktion) ergibt demnach die Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und Energieabgabe. 2 H 2 O2 2 H 2O Energie Gleichung 3: Redoxreaktion Brennstoffzellen mit einem solchen Aufbau und den beschriebenen Reaktionen heißen Polymer-Elektrolyt-Membran-Fuel-Cells (PEMFC) oder auch Proton-Exchange-Membran (PEM). Die Gesamtreaktion und der externe Elektronenfluss treffen auf alle Brennstoffzellentypen zu. Je nach verwendetem Brennstoff sind die Einzelreaktionen an den beiden Elektroden und die durch den Elektrolyten transportierten Ionen verschieden. In Tabelle 2 sind die für Mikro-KWK-Anlagen geeigneten Brennstoffzellentypen mit speziellen Eigenschaften und Betriebsdaten zusammengefasst. PEMFC PAFC PolymerPhosphoric ElektrolytAcid Fuel Cell Membran Protonleitende Phosphorsäure Membran MCFC Molten Carbonate Fuel Cell Karbonatschmelze SOFC Solide Oxid Fuel Cell Ionenleitung durch H+ H+ CO32- O2- Betriebstemperatur 60–80 °C 160–220 °C 800–1000 °C Nutzbare Wärme bis ca. 80 °C bis 120 °C 600–660 °C ca. 400 °C nein ja ja Bezeichnung Elektrolyt Interne nein Reformierung möglich Brennstoff zur Zelle H2, reformiertes H2-reiches Gas, Methanol Leistungsbereiche 2 bis 250 kW el Keramischer Festkörper 450–500 °C H2, reformiertes H2, Erdgas, H2, Erdgas, H2-reiches Gas, Biogas, Biogas, Methanol Kohlegas Kohlegas 200 kW el 250 kW el 1 bis 10 MW el Tabelle 2: Brennstoffzellentypen (Quelle: Pehnt/Traube 2004) Die Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle liegt unter 1 Volt. Um ein Spannungspotenzial von 230 V zu erreichen, müssen etwa 300 Zellen als Brennstoffzellenstapel hintereinandergeschaltet werden. Ein Brennstoffzellenstapel wird auch als Stack bezeichnet. 24 7.2.3. Vorteile und Nachteile Gegenüber Verbrennungsmotoren weist die Brennstoffzelle folgende Vorteile und Nachteile auf: Vorteile: Keine Schadstoffemissionen Sehr leiser Betrieb Potenziell hoher elektrischer Wirkungsgrad Sehr gutes Teillastverhalten Nachteile: Höhere spezifische Investitionskosten Höhere Betriebskosten Geringere Brennstoffflexibilität Wenig Betriebserfahrungen Geringe Lebensdauer 7.2.4. Entwicklungsstand Der Entwicklungsstand von Brennstoffzellenheizgeräte im Leistungsbereich < 50 kW el befindet sich zwischen Pilotstadium und Demonstrationsstadium. Einerseits müssen bei der Brennstoffzellenentwicklung noch funktionelle Fragen, wie zum Beispiel die Materialauswahl von Hochtemperaturbrennstoffzellen, geklärt werden, und andererseits befinden sich bereits über 5.000 Brennstoffzellenheizgeräte weltweit im Demonstrations- und Feldversuch. Zukünftige Herausforderungen der Entwickler sind, die Lebensdauer, den elektrischen Nutzungsgrad und den Gesamtnutzungsgrad zu erhöhen. Entscheidend für den kommerziellen Erfolg ist eine Reduktion der Kosten durch Integration und Systemvereinfachung (Reformer, Wasseraufbereitung, hydraulische Einbindung,…). (Haas et al. 2010) 7.3. Mikrogasturbinen Mikrogasturbinen arbeiten nach der Funktionsweise von Gasturbinen. Der Unterschied zu Gasturbinen aus der Kraftwerkstechnik ist neben der geringeren elektrischen Leistungsgröße auch ein niedrigeres Druckverhältnis zwischen unverdichteter und verdichteter Luft (< 5) und ein kleineres Temperaturniveau (< 1.000 °C). Neben der ausgereiften Technologie der Gasturbinen zur reinen Stromerzeugung im Megawattbereich werden derzeit auch Mikrogasturbinen zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung im Leistungsbereich ab 25 kW el angeboten. Durch die kompakte Bauweise werden serienreife Mikrogasturbinen anschlussfertig verkauft. 7.3.1. Aufbau Typisch für den Aufbau von Mikrogasturbinen ist, dass sich der mit einem Permanentmagnet erregte, luftgekühlte Generator direkt auf der Antriebswelle des Verdichters und der Turbine 25 befindet (siehe Abbildung 11). Durch die Luftlager ist ein schmierölloser Betrieb möglich. Vor der Brennkammer wird die Verbrennungsluft mit einem Rekuperator (Wärmetauscher) vorgewärmt. Abbildung 11: Schnittzeichnung einer Mikrogasturbine (Quelle: Weaver 2003; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:GasTurbine.svg&filetimestamp=20071119234544) 7.3.2. Funktionsprinzip Die durch den Verdichter angesaugte Umgebungsluft kühlt direkt bei Eintritt in die Mikrogasturbine den Generator. Nach der Kompression durch den Verdichter wird die Luft vor Eintritt in die Brennkammer durch einen Rekuperator vorgewärmt. Mit der komprimierten und vorgewärmten Luft und der Zugabe eines gasförmigen Brennstoffes findet in der Brennkammer die Verbrennungsreaktion statt. Das verdichtete und auf circa 1.000 °C erhitzte Verbrennungsgas wird in einer Turbine entspannt, die wiederum den Verdichter und den zur Stromerzeugung notwendigen Generator antreibt. Das ausströmende, entspannte Verbrennungsgas gibt Wärme über den Rekuperator ab und verlässt die Mikrogasturbine mit einer Temperatur von 270–680 °C. In der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung kann die Abgaswärme wegen des hohen Temperaturniveaus neben der Warmwasserbereitung auch zur industriellen Wärmenutzung bei höheren Temperaturen (z. B. Dampf- und Kälteerzeugung, Trocknung) eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Drehzahl der Antriebswelle entstehen im Vergleich zum Verbrennungsmotor keine niederfrequenten Schallemissionen. Die Leistungsregelung der Mikrogasturbine erfolgt einerseits elektronisch über den digitalen Leistungsregler durch Anpassung der Drehzahl und andererseits durch einen Bypass. Turbinengase können durch einen Bypass am Rekuperator vorbeigeleitet werden, sodass der Anteil der nutzbaren Wärme erhöht wird und aufgrund der geringeren Luftvorwärmung der elektrische Wirkungsgrad sinkt. Durch den Rekuperator-Bypass kann sich die Mikrogasturbine in einem gewissen Bereich an den Wärmebedarf anpassen. 26 7.3.3. Vorteile und Nachteile Gegenüber Verbrennungsmotoren weist die Mikrogasturbine folgende Vorteile und Nachteile auf: Vorteile: Geringere Wartungskosten bei Wartungsintervallen von 6.000 bis 8.000 Betriebsstunden Niedrigere Schadstoffemissionen – bei Volllast im Erdgasbetrieb Geringere Schall-Emissionen 65–70 dB(A) in 1 m Abstand Geringes Gewicht und geringe Abmessungen Kein Einsatz von Schmierstoffen Nachteile: Höhere spezifische Kosten Niedrigerer elektrischer Wirkungsgrad Größere Minderung der Leistung ab einer Aufstellungshöhe von rund 400 m über NN Da ein hoher Brennkammerdruck des Brennstoffes erforderlich ist (3,5–6 bar), ist der Einsatz eines Verdichters notwendig, wodurch der elektrische Wirkungsgrad um rund 1,7 % sinkt. 7.3.4. Entwicklungsstand Der Einsatz von Mikrogasturbinen ab einer elektrischen Leistung von 28 kW el zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung ist technologisch fortgeschritten. Eine Marktdurchdringung vergleichbar mit dem Verbrennungsmotor ist allerdings nicht zu erkennen. Die Recherche zeigt, dass insgesamt drei Hersteller Mikrogasturbinen für MikroKWK-Anwendungen im Leistungsbereich von 28 bis 50 KW el am Markt anbieten. Mikrogasturbinen im Leistungsbereich bis 28 kW el befinden sich noch im Pilotstadium. 7.4. Dampfkolbenmotor Abgeleitet von der Kraftwerkstechnik wird der Dampfkraftprozess auch für kleinste Leistungsgrößen entwickelt. Die Skalierbarkeit nach unten ist wie bei Mikrogasturbinen aufgrund hoher Wirkungsgradverluste und hoher spezifischer Kosten beschränkt. Bei Verwendung anderer Expansionsmaschinen wie zum Beispiel einem Kolben kann der Dampfprozess auch in Mikro-KWK-Anlagen sinnvoll eingesetzt werden. Derzeitige Entwicklungen und Demonstrationsanlagen reichen von Doppelkolben mit Lineargenerator bis zu rotierenden Expansionsmaschinen. Der Austrittsdruck des Dampfes ist so gewählt, dass eine Nutzung der Wärme für Heizzwecke möglich wird. 7.4.1. Aufbau Die Komponenten des Dampfkraftprozess sind der Vorwärmer, der Verdampfer, der Überhitzer, die Dampfexpansionsmaschine, der Kondensator und die Speisewasserpumpe. Der Dampfkolbenmotor als Expansionsmaschine besteht aus der Einlass- und 27 Auslassöffnung für den Dampf, dem Regel- und Dampfkolben, dem Zylinder und einer Kurbelwelle zur Kraftübertragung (siehe Abbildung 12). Abbildung 12: Aufbau und Funktionsprinzip des Dampfkraftprozesses mit Dampfkolbenmotor (Quelle: Thomas 2007) 7.4.2. Funktionsprinzip Dampfkraftprozess: Das Arbeitsmedium Wasser wird im flüssigen Zustand durch die Speisewasserpumpe verdichtet (Abbildung 12; 1 > 2). Das Arbeitsmittel wird unter hohen Druck erwärmt, verdampft und überhitzt (2 > 3). Dabei durchströmt das bei einer externen Verbrennung entstehende Rauchgas in einen Dampfkessel, in dem der Dampf erzeugt wird. Anschließend wird der überhitzte Dampf in der Expansionsmaschine unter Abgabe von mechanischer Arbeit entspannt (3 > 4). Im Kondensator erfolgt die Kühlung des Niederdruckdampfes, der dadurch kondensiert und Wärme an den Heizkreislauf abgibt. Das Arbeitsmedium Wasser hat danach wieder den Ausgangszustand erreicht, und der Dampfkraftprozess beginnt von vorne (4 > 1). Dampfkolbenmotor: Ein Dampfkolbenmotor besteht aus mindestens einem Zylinder. Die mechanisch bewegten Komponenten des Zylinders sind der Arbeitskolben (Dampfkolben) und der Regelkolben. Während der in Abbildung 13 dargestellten Kolbenstellung strömt überhitzte Dampf durch die Einlassöffnung in den Zylinder. Der Einlassvorgang wird durch Rechtsbewegung des Regelkolbens in die Mittelstellung unterbunden. Der Dampf entspannt sich und gibt mechanische Energie über den Kolben und die Pleuelstange an die Kurbelwelle frei. Bis zum Erreichen des unteren Totpunktes des Arbeitskolbens vergrößert sich das Volumen, und der Dampfdruck nimmt ab. Beim unteren Totpunkt bewegt sich der Regelkolben noch weiter nach rechts, wodurch die Auslassöffnung freigegeben wird. Der Niederdruckdampf strömt durch Hochbewegung des Arbeitskolbens aus dem Zylinder in den Kondensator. Am oberen Totpunkt des Dampfkolbens wird durch den Regelkolben die Einlassöffnung wieder freigegeben, und der Vorgang beginnt von neuem. 28 Die Leistungsregelung des Dampfkolbenmotors erfolgt über den Hub des Regelkolbens, der die eintretende Dampfmenge bestimmt. 7.4.3. Vorteile und Nachteile Der Vorteil von Dampfmotoren gegenüber Mikrogasturbinen liegt in der geringeren Verdichtungsarbeit des Arbeitsmediums. Im Gegensatz zu Mikrogasturbinen wird bei Dampfkolbenmotoren das Arbeitsmedium im flüssigen Aggregatszustand mit geringerem Energieaufwand verdichtet. Dadurch bleibt eine höhere Nettoenergie bei der Entspannungsarbeit erhalten. Weitere Vorteile des Dampfkolbenmotors sind die Robustheit und Langlebigkeit, gutes Teillastverhalten und der modulare Aufbau. Gegenüber der Turbine ist der Dampfkolbenmotor bezüglich der Temperatur und des Volumenstroms des Dampfes unempfindlicher. Schwankungen der Dampfqualität, zum Beispiel bei der Verbrennung von Biomasse mit unterschiedlichem Wassergehalt, können durch Dampfkolbenmotoren besser verarbeitet werden als durch Dampfturbinen. Ein geringer elektrischer Wirkungsgrad, hohe Wartungskosten und ein hoher Lärmpegel sind als Nachteile des Dampfkolbenmotors zu bezeichnen. 7.4.4. Entwicklungsstand Durch die Anwendung und Erfahrungen in der Kraftwerkstechnik ist der Dampfkolbenmotor eine marktreife Technologie. Als Kraftmaschine für Mikro-KWK-Anlagen ist der Dampfkolbenmotor jedoch im Gegensatz zum Verbrennungsmotor kaum verbreitet. Seit 2006 ist ein Dampfkolbenmotor kombiniert mit einem Lineargenerator auf Basis eines geschlossenen Prozessdampfbetriebs am Markt präsent. Aufgrund seiner Leistungsgröße von 0,2 bis 3 kW el kann diese Entwicklung im Einfamilienbereich als stromerzeugende, wärmegeführte Heizung eingesetzt werden. (Haas et al. 2010) 29 Mikro-KWK mit Dampfkolbenmotor Bei der Mikro-KWK-Anlage der Firma Button Energy Energiesysteme GmbH handelt es sich um eine Pellets- oder Feinhackgutfeuerung, die mittels Dampfmotor und Lineargenerator gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen kann. Die Anlage wird auch als stromerzeugende Heizung bezeichnet, die mit Holzpellets oder Feinhackgut betrieben werden kann. Die technischen Daten sind Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 3: Technische Daten des BISON (Quelle: Button Energy Energiesysteme GmbH, http://www.buttonenergy.at) In Abbildung 13 ist das Funktionsprinzip des Dampfkolbenmotors mit Lineargenerator grafisch dargestellt. Der Biomassebrenner (5) erhitzt Wasser in einem Rohrverdampfer (4) zu Prozessdampf von ca. 350 °C mit einem Druck von 25–30 bar. Der Dampf tritt wechselweise in den linken und rechten Arbeitszylinder (3, 10) des Lineargenerators (1) ein, expandiert und erzeugt dabei Strom, indem er die mit dem Doppelkolben (7) fest verbundene Ankerspule (9) durch ein starkes Magnetfeld treibt. Der in der Spule erzeugte elektrische Strom wird über einen Wechselrichter ins Netz gespeist (6). Der Kühlkreislauf führt die Wärme aus dem Lineargenerators über einen Plattenwärmetauscher (8) ab und übergibt diese an den Heizungs- und Brauchwasserkreislauf. 30 Abbildung 13: Vereinfachtes Funktionsschema des Dampfkolbenmotors mit Lineargenerator (Quelle: Button Energy Energiesysteme GmbH, http://www.buttonenergy.at) 7.5. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 12: Was sind Vorteile von Stirlingmotoren für die Anwendung in BHKW? Aufgabe 13: Erklären Sie das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen. Aufgabe 14: Was sind Vorteile der Mikrogasturbine gegenüber Verbrennungsmotoren? 31 8. Ausblick Gemeinsame Ziele der KWK-Forschung sind niedrigere Anlagenkosten und höhere elektrische Wirkungsgrade. Hier muss man Nachteile gegenüber großen Kombikraftwerken wettmachen. Dagegen weisen hohe Gesamtnutzungsgrade, Wartungsfreiheit und Brennstoffflexibilität in die Zukunft der KWK. Die Kosten für Mikro-KWK-Anlagen in zukünftigen Anwendungsbereichen sind dann ein limitierender Faktor, wenn die Kosten alternativer Systeme bei gleichem Leistungsumfang geringer sind. Die technologischen Kenngrößen von Mikro-KWK-Anlagen, die zukünftige Anwendungsfelder erschließen oder ausschließen, sind in Tabelle 4 aufgelistet. Kenngröße Thermische Leistung Beschreibung Eine Entwicklung von Mikro-KWK-Anlagen mit möglichst kleiner thermischer Leistung ermöglicht den Einsatz in Einfamilienhäusern zur Deckung der Wärmegrundlast (z. B. Warmwasser). Brennstoffzellensysteme besitzen den Vorteil des modularen Aufbaus, der eine sehr flexible Anpassung der Leistungsgröße der Anlage an den tatsächlichen Bedarf gestattet. Teillastverhalten, Eine gutes Lastwechsel- und Teillastverhalten sowie Anfahrtszeit, rasche Anfahrts- und Abstellzeiten sind für zukünftige Abstellphase, Anwendungsbereiche entscheidend, die Lastwechsel unregelmäßige und stark schwankende Lastprofile aufweisen. Vorlauftemperatur Mikro-KWK-Anlagen mit hoher Vorlauftemperatur (Temperaturniveau der eignen sich für den Einsatz in: Wäschereien, auskoppelbaren Brauereien, Keramikindustrie (Trocknungsprozesse), Wärme) Krankenhäusern, Altenheimen, Gartenbaubetrieben/Gewächshäusern, Hallenbädern oder großen Schulkomplexen. Weiters besteht durch die Ankopplung einer Absorptionskältemaschine die Möglichkeit zur Gesamtenergieversorgung eines Gebäudes (Strom, Wärme und Kälte). Eine solche Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung eignet sich in gewerblich genutzten Hochhäusern, Banken, größeren Verwaltungsgebäuden, großen Supermärkten, Krankenhäusern oder in Gewerbeeinheiten und größeren Mehrfamilienhäusern. Brennstoffflexibilität Abhängig von den zu Verfügung stehenden Infrastrukturen der Brennstoffversorgung besteht für Mikro-KWK-Technologien mit hoher Brennstoffflexibilität ein größeres Anwendungspotenzial als für Anlagen, die nur mit einem Brennstoff betrieben werden können. Tabelle 4: Kenngrößen, die zukünftige Anwendungsbereiche für Mikro-KWK-Anlagen bestimmen (Quelle: Bioenergy 2020+ GmbH; Sander 2006) 32 Die Verbraucherseite bestimmt den Anwendungsbereich von Mikro-KWK-Anlagen durch die Höhe des Wärmegrundbedarfs (z. B. Warmwasser) und bei Mikro-KWK-Anlagen im Inselbetrieb durch die Übereinstimmung des thermischen und elektrischen Lastprofils. Um zukünftig das Verhältnis von Wärme- und Strombedarf zugunsten hoher Betriebsstunden von Mikro-KWK-Anlagen zu ändern, ist eine Substitution von elektrischen Verbrauchern, die als Nutzenergie Wärme erzeugen, durch Verbraucher, die direkt mit thermischer Energie angetrieben werden können, nötig. 8.1. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 15: Welche Vorteile sprechen für eine zukünftig verstärkte Anwendung der KWK, welche Faktoren müssen hingegen noch verbessert werden? 33 9. Quellen ASUE (2005): BHKW-Kenndaten 2005. Module, Anbieter, Kosten. Dezentrale Stromerzeugung mit Erdgas in Einfamilienhäusern; Fachtagung in Essen; November 2005. ASUE (2012): BHKW-Tools. URL: http://asue.de/themen/blockheizkraftwerke/bhkwtools/index.html. Dezentrale Stromerzeugung mit Erdgas in Einfamilienhäusern; Fachtagung in Essen; März 2012. Austrian Energy Agency (2012): URL: http://www.energyagency.at/energietechnologien/aktuelle-projekte/mikro-kwk.html (03. 03. 2012). Capstone (2008): Capstone Turbine Corporation. Capstone C30 Liquid Fuels. DENA (2012): Deutsche Energie-Agentur. URL: Fehler! Hyperlink-Referenz ungültig.http://www.thema-energie.de/energieerzeugen/blockheizkraftwerke/groessenklassen/mikro-bhkw.html (13. 01. 2012). Directive (2004): DIRECTIVE 2004/8/EG of the european parliament and of the council of 11 February 2004 on the promotion of cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC. Energytech (2008): Mikrogasturbinen; Österreichische Energieagentur. URL: http://energytech.at/%28de%29/kwk/portrait_kapitel-2_7.html (09. 10. 2008). Haas, R./Rezania, R./Prüggler, W./Glatz, M./Friedl, G./Aigenbauer, S./Beer, M./Corradini, R./Vogler, G. (2010): Mikro-KWK. Langfristige Szenarien der gesamtwirtschaftlich optimalen Integration von Mikro-KWK Anlagen in das österreichische Energiesystem. Energy Economics Group, TU Wien. URL: http://eeg.tuwien.ac.at/eeg.tuwien.ac.at_pages/research/downloads/PR_176_Mikro_KWK_E ndbericht_814138.pdf (06. 05. 2012). IBS (2011): IBS Ingenieurbüro für Haustechnik Schreiner. URL: http://energieberatung.ibshlk.de/planbhkw_grundl.htm (10. 12. 2011). Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology (2010): Technologie Portrait Kraft-Wärme-Kopplung. Berichte aus Energie- und Umweltforschung 34/2010. Wien. KWK-Gesetz (2008): Bundesgesetzblatt Ökostromgesetz – Erlassungen von Bestimmungen auf dem Gebiet der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Gesetz). URL: http://www.oemag.at/fileadmin/user_upload/Dokumente/gesetze/kwk-gesetz-bgbl1-111-2008.pdf (14. 04. 2014). Ökostromgesetz (2012): Bundesgesetzblatt Ökostromgesetz – ÖSVO 2012 Teil I. URL: http://www.oemag.at/fileadmin/user_upload/Dokumente/gesetze/oekostromgesetz_2012_bgbl_75_2011.pdf (14. 04. 2014). 34 Ökostromverordnung (2011): Bundesgesetzblatt Ökostromverordnung 2011 – ÖSVO 2011 Teil II. URL: http://www.bmwfj.gv.at/EnergieUndBergbau/Energieversorgung/Documents/%C3%96kostro mverordnung%20BGBl%20%20II%20Nr%20%2025_2011%20vom%2028%201%202011.pdf (10. 01. 2011). Pehnt, M./Traube, K. (2004): Stand und mittelfristige Perspektiven stationärer Brennstoffzellen. Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. (BKWK). Sander, T. (2006): Kraft-Wärme-Kopplung. Technische Entwicklung und zukünftige Anwendungsbereiche. TU Dresden; Zukunft Haus Kongress. Simader, G.R. et al. (2004): Mikro- und Mini-KWK-Anlagen in Österreich. OPET Network; Energie Verwertungsagentur, Wien. Talbotts (2012): Talbott’s Biomass Generators; http://www.biomassgenerators.com/; Talbott´s Biomass Generators Ltd. Tollgate Industrial Estate, Stafford, ST16 3HS. Thomas, B. (2007): Mini-Blockheizkraftwerke. Vogel Buchverlag. 35 10. Übersicht Aufgaben Aufgabe 1: Wofür stehen die Abkürzungen BHKW, KWK und HWB? .................................... 4 Aufgabe 2: Welchen Leistungsbereich deckt Mikro-KWK ab? ............................................... 7 Aufgabe 3: Wie wird Kraft-Wärme-Kopplung definiert? .......................................................... 7 Aufgabe 4: Nach welchem Grundprinzip funktioniert ein BHKW mit Verbrennungsmotor? ...12 Aufgabe 5: Mit welchen Brennstoffen können BHKW betrieben werden? .............................12 Aufgabe 6: Was ist der Unterschied zwischen wärme- und stromgeführtem Betrieb eines BHKWs? .......................................................................................................................12 Aufgabe 7: Welcher Wert ist für die Auslegung eines wärmegeführten BHKWs entscheidend? ...............................................................................................................16 Aufgabe 8: Wieso ist die Mindestnennleistung eines BHKWs relevant? ...............................16 Aufgabe 9: Diskutieren Sie, wann ein BHKW wirtschaftlich ist. Welche Rahmenbedingungen müssen dafür berücksichtigt werden? ...........................................................................16 Aufgabe 10: Wie können Strombedarfsspitzen bei Mikro-BHKW abgedeckt werden? ..........19 Aufgabe 11: Stellen Sie ein Mini-BHKW grafisch dar. ...........................................................19 Aufgabe 12: Was sind Vorteile von Stirlingmotoren für die Anwendung in BHKW? ..............31 Aufgabe 13: Erklären Sie das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen. ..................................31 Aufgabe 14: Was sind Vorteile der Mikrogasturbine gegenüber Verbrennungsmotoren? .....31 Aufgabe 15: Welche Vorteile sprechen für eine zukünftig verstärkte Anwendung der KWK, welche Faktoren müssen hingegen noch verbessert werden?.......................................33 36 11. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Abkürzungen unter Energie-ExpertInnen (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) ...... 4 Abbildung 2: Effizienz der Kraft-Wärme-Kopplung (Quelle: ASUE) ........................................ 6 Abbildung 3: Schema einer Motor-BHKW-Anlage (Quelle: Lehmacher 2005; http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Bhkw_schema.png) .................................................... 8 Abbildung 4: Schematische und technologieunabhängige Darstellung von KWK-Anlagen (Quelle: Bioenergy2020+ GmbH) ................................................................................... 9 Abbildung 5: Schematische Darstellung einer KWK-Anlage mit Verbrennungsmotor (Quelle: Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics) .....................................10 Abbildung 6: Biomasse-BHKW (Quelle: Talbott’s Biomass Generators LTD) .......................11 Abbildung 7: Energiebedarfsstruktur im Verlauf eines Jahres für einen Gewerbebetrieb (Quelle: Bioenergy2020+ GmbH) ..................................................................................14 Abbildung 8: Darstellung einer Mikro-KWK-Anlage (Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co KG)................................................................................................................................17 Abbildung 9: Aufbau eines Stirlingmotors (Quelle: Thomas 2007) ........................................20 Abbildung 10: Aufbau einer Brennstoffzelle mit Proton-Exchange-Membran (PEM) (Quelle: Bioenergy2020+ GmbH) ................................................................................................23 Abbildung 11: Schnittzeichnung einer Mikrogasturbine (Quelle: Weaver 2003; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:GasTurbine.svg&filetimestamp=2007111 9234544) .......................................................................................................................26 Abbildung 12: Aufbau und Funktionsprinzip des Dampfkraftprozesses mit Dampfkolbenmotor (Quelle: Thomas 2007) ..................................................................................................28 Abbildung 13: Vereinfachtes Funktionsschema des Dampfkolbenmotors mit Lineargenerator (Quelle: Button Energy Energiesysteme GmbH, http://www.buttonenergy.at) ................31 37 12. Impressum Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich: GrAT – Gruppe Angepasste Technologie Technische Universität Wien Wiedner Hauptstraße 8-10 1040 Wien Austria T: ++43 1 58801-49523 F: ++43 1 58801-49533 E-Mail: contact(at)grat.at http://www.grat.at Projektleiterin und Ansprechperson: Dr. Katharina Zwiauer E-Mail: katharina.zwiauer(at)grat.at AutorInnen: DI (FH) Stefan Aigenbauer, DI Dr. Christoph Strasser, Dr. Katharina Zwiauer Fachdidaktisierung: Dr. Katharina Zwiauer Lektorat: Magdalena Burghardt MA, Mag. Silvia Grillitsch Finanziert durch: Nutzungsbedingungen: Alle Inhalte sind unter folgender Creative-Commons-Lizenz lizensiert: e-genius steht unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Austria Lizenz. 38 Das bedeutet: Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, Abwandlungen und Bearbeitungen des Werkes bzw. Inhaltes anfertigen. Zu den folgenden Bedingungen: Namensnennung — Sie müssen den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. Keine kommerzielle Nutzung — Dieses Werk bzw. dieser Inhalt darf nicht für kommerzielle Zwecke verwendet werden. Weitergabe unter gleichen Bedingungen — Wenn Sie das lizenzierte Werk bzw. den lizenzierten Inhalt bearbeiten oder in anderer Weise erkennbar als Grundlage für eigenes Schaffen verwenden, dürfen Sie die daraufhin neu entstandenen Werke bzw. Inhalte nur unter Verwendung von Lizenzbedingungen weitergeben, die mit denen dieses Lizenzvertrages identisch oder vergleichbar sind. Hinweise zur Namensnennung/Zitierweise: Texte: AutorInnen des Lernfelds, Titel des Lernfelds. Hrsg.: GrAT, www.e-genius.at Bilder: Nennung der Rechteinhaberin/des Rechteinhabers und www.e-genius.at Haftungsausschluss: Sämtliche Inhalte auf der Plattform e-genius wurden sorgfältig geprüft. 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