Seite auswählen

KWK – Kraft-Wärme-Kopplung

Fälschlicherweise wird oft von Energiegewinnung gesprochen. Tatsächlich handelt es sich aber um eine Umwandlung von Energieformen. KWK Anlagen nutzen, bis auf eine Ausnahme, entweder überschüssige Wärme, um Turbinen anzutreiben oder die Abwärme von Motoren, um zu heizen. Das Wort „Kraft“ ist aus physikalischer Sicht nicht korrekt, denn es geht um mechanische Energie. Kraft ist die Wirkung auf einen Körper und wird in Newton (N) gemessen, Energie ist eine Fähigkeit eines Körpers und wird in J = Nm gemessen.

Die Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung

Laut §2.14 KWKG zählen sehr unterschiedlich Systeme zu diesen KWK-Anlagen.

Die Wärme von Feuerungsanlagen treibt beispielsweise Dampfturbinen oder Dampfmotoren an. Andere Anlagen nutzen die Abwärme für den Betrieb von Gasturbinen oder Dampfturbinen. Dies sind also Anlagen, die primär Wärme erzeugen und statt die Abwärme ungenutzt in die Atmosphäre zu geben, diese in Bewegungsenergie verwandeln.

Alle Turbinen besitzen Räder auf denen sich Schaufeln befinden. Über diese strömt ein gasförmiger Stoff, um sie in Rotation zu versetzen. Je nach Medium, das für dem Antrieb dient, ist es eine Gas- oder Dampfturbine beziehungsweise eine Organic-Rankine-Cycle-Anlage. Gasturbinen nutzen heiße Luft oder ein anderes heißes Gas, um eine Turbine zu betreiben. Bei Dampfturbine wird Wasser verdampft. Organic-Rankine-Cycle-Anlagen wandeln geringe Tempearturdifferenzen in mechanische Energie um, in dem Sie statt Wasser ein organisches Lösungsmittel verdampfen und diesen Dampf nutzen. Diese Anlagen können auch mit  Erdwärme oder anderen natürlichen Wärmequellen eingesetzt werden.

Völlig anders geartet sind KWK-Anlagen in denen ein Verbrennungsmotor für Bewegungsenergie sorgt. Diese nutzen die Abwärme, die beim Erzeugen von Strom entsteh,t zum Heizen.

Weit verbreitet sind auch Stirling-Motoren, die unterschiedliche Wärmequellem nutzen können. Bei diesen wird thermische Energie in Bewegunsgenergie umgewandelt, in dem heiße heiße Luft den Motor antreibt. Diese Heizungen haben oft eine Brennkammer, in welcher Gas oder ein Holzbrennstoff verbrennt, um die Wärme zu erzeugen. Diese steht sowohl für das Heizen als auch für den Betrieb des Motors zur Verfügung.

Anlagen mit Verbrennungs oder Stirlingmotir werden häufig als Block-Heizkraftwerke (BHKW) bezeichen. Sie eignen sich auch zum Beheizen von Wohnräumen und sind als kleine Ausführungen sogar für Einfamilienhäuser geeignet.

Die erwähnte Ausnahme sind Brennstoffzellen. Sie sind komplexer aufgebaut als andere KWK-Anlagen. In Ihnen ist in der Regel ein Gasbrenner, der normales Erdgas verbrennt, um Hitze zu erzeugen. Diese dient als Heizenergie und um einen chemischen Prozess in Gang zu halten. Dabei spalten sich kurzkettiges Alkane, meist Methan, Ethan und Propan in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid auf. Der Wasserstoff wird in der eigentichen Brennstoffzelle zu Wasser oxidiert aber nicht mit einer Flamme verbrannt. Bei diesem chemischen Prozess entsteht Gleichstrom. Die bei den Umwandlungen freigesetzte Wärme freigesetzt dient ebenfalls Heizzwecken. Die Brennstoffzelle erzeugt als einzige KWK-Anlage Strom ohne zuvor Wärmeenergie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Auch Brennstoffzellen eignen sich um kleinere Häuser zu beheizen.

KWK-Anlagen, die der Raumheizung dienen im Vergleich

Die Anlagen werden in der Regel nach dem Wärmebedarf geführt. Das heißt die Betriebszeiten richten sich nach der benötigten Wärme. Dies hat einen einfachen Grund. Wenn die Heiozung mehr Strom erzeugt, als im Haus Bedarf besteht, kann dieser über das öffentiche Stromnetz abgeführt werden. Ein Überschuss an Wärme lässt sich dagegen meist nicht sinnvoll nutzen.

Anlagen mit Verbrennungsmotor

Ein BHKW mit Verbrennungsmotor basierte früher in der Regel auf einen Diesel-Motor. Der traditionelle Brennstoff ist daher Heizöl. Heute gibt es Anlagen, in denen Gas und auch Holz als Energiequelle dienen. Um den Motor mit einem Festbrennstoff zu betreiben ist es nötig das Material zunächst in einem Vergaser zu vergasen.

Bei diesen Anlagen ist eine erhebliche Schalldämmung nötig, da Verbrennungsmotoren genau genommen Explosionsmotoren sind. Der Lärm der Explosion muss gedämpft werden. Bei den meisten BHKWs mit diesen Motoren ist ein deutliches Dröhnen in Räumen, die nahe am Heizungsraum liegen zu vernehmen.

Je Kilowattstunde elektrischer Energie produzieren diese Anlagen 3 Kilowattstunden Wärme. Die Ausbeute an Strom ist daher gering. Ein optimaler wirtschaftlicher Betrieb ist nur bei ausreichend großem Wärmebedarf möglich. Dafür sind diese Heizungen recht günstig in der Anschaffung.

Heizungen mit Stirlingmotoren

Der Motor braucht Wärme egal welcher Herkunft. Er lässt sich mit allen Heizungen verbinden. Denkbar ist beispielsweise, wenn im Sommer eine Solarthermienanlage mehr Wärme erzeugt als zum Erhitzen des Wasser nötig ist, den Überschuss an Wärme durch den Motor in Strom zu verwandeln.

Der große Vorteil von Sirlingmotoren ist die Laufruhe. Allerdings ist das Verhältnis von thermischer zu elektrischer Energie 5 zu 1. Der Einsatz ist daher eher sinnvoll, wenn es darum geht vorhandene Abwärme oder überschüssige Erd- beziehungsweise Solarwärme sinnvoll zu nutzen.

Heizen mit Brennstoffzellen

Im Idealfall wird eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff betrieben. Dieser steht allerdings meist nicht zur Verfügung. Beim Betrieb mit Erdgas ist eine normale Verbrennung des Gases nötig, aus diesem Brennstoff den erforderlichen Wasserstoff zu gewinnen. Beim Heizungsbetrieb mit Brennstoffzellen ist pro Kilowatt elektrischer Energie mit 1 bis 2 Kilowatt Wärmeenergie zu rechnen.

Durch den integrierten Gasbrenner, ist es möglich die Heizenergie bei Bedarf zu erhöhen, ohne zusäzlichen Strom zu erzeugen. Es besteht also die Option Strom und Wärme in Grenzen getrennt zu steuern.

Brennstoffzellen enthalten keine beweglichen Teile, daher sind die wartungsärmer als ein BHKW und sehr leise. Ein effizienter Betrieb ist jederzeit möglich. Allerdings sind die Anschaffungskosten sehr hoch. Diese lassen sich jedoch durch Fördermittel und eine optimale Nutzung des erzeugten Strom kompensieren.

Please follow and like us: