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Was ist WKK?
Wärme-Kraft-Kopplung ist die kombinierte Erzeugung von Nutzwärme und mechanischer Energie. In technischen wie in biologischen Systemen entsteht bei der Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie auch Wärme. Aus thermodynamischen und konstruktiven Gründen kann bei der Verbrennung nur rund 1/3 der Brennstoffenergie in mechanische Energie umgewandelt werden. Wenn die restlichen 2/3 Wärme genutzt werden, spricht man von WKK. Bei der Nutzung dieser Wärme niedriger Wertigkeit sind Gesamt-Wirkungsgrade ähnlich denjenigen von Heizkesseln erreichbar. Die mechanische Energie wird in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt oder direkt zum Antrieb einer Wärmepumpe verwendet. Es gibt verschiedene Ausführungsformen:
- Thermisches Kraftwerk 1 bis 1000 MW(el), Fernheiznetz
- BHKW (Blockheizkraftwerk) 5 bis 5000 kW(el), Gas- oder Dieselmotor mit Generator
- Gas- oder Diesel-Wärmepumpe
- Brennstoffzellen
WKK mit Gas- oder Dieselmotor
Die durch Motor- und Abgaskühlung anfallende Wärme wird ins Heizsystem eingespeist (Bilder 2.41, 2.42). Auf diese Weise ergibt sich ein Jahresnutzungsgrad (bezüglich Brennwert) des BHKW-Speicher-Systems von 80 bis 90 % (Wärme + Strom). Dieser Nutzungsgrad lässt sich durch Abgaskondensation und Strahlungswärmerückgewinnung mit Wärmepumpe erreichen. Wird mit dem erzeugten Strom eine Wärmepumpe angetrieben, so ergibt sich ein Nutzungsgrad von etwa 1,4 (Bild 2.43), d.h. etwa die Hälfte mehr als mit einem Kessel.
Bild 2.41 Prinzipschema eines BHKW
Bild 2.42 BHKW in der Gesamtanlage
Bild 2.43 Energieflussbild eines BHKW (bezüglich Brennwert), dessen Strom für eine WP verwendet wird
Das BHKW wird normalerweise nach dem Wärmebedarf betrieben, sodass der Strom vorwiegend im Winter anfällt. Andernfalls braucht es eine Notkühlung für den Motor (z.B. bei Notstromaggregat). Mit der produzierten Elektrizität wird in erster Linie der Eigenbedarf gedeckt. Der Überschuss wird ins öffentliche Netz eingespeist. Die Dimensionierung des BHKW hat (wie bei Wärmepumpen) einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Wird das BHKW zu gross dimensioniert, so erreicht es die vorgesehene Volllast-Laufzeit (> 4000 h/a) und Stromproduktion nicht. Das BHKW wird auf 15 bis 35 % des Wärmeleistungsbedarfs bei der massgebenden Aussentemperatur ausgelegt (Bild 2.44). Kurve m stellt die Temperaturhäufigkeit, Kurve q den Heizleistungsbedarf gemäss Anhang 11.4 dar. Ein BHKW mit 300 kW Wärmeleistung deckt den Heizenergiebedarf entsprechend der grauen Fläche. Das BHKW liefert zwar nur 30 % des Leistungsbedarfs, aber fast 60 % des Energiebedarfs des Gebäudes. Die Volllast-Laufzeit des BHKW kann mit 4300 h/a abgelesen werden. Die Volllast-Laufzeit erhöht sich, wenn das BHKW ganzjährig die Wassererwärmung übernimmt.
Bild 2.44 Temperaturhäufigkeitsdiagramm für ein Gebäude mit Wärmeleistungsbedarf 1 MW
Ein kleines BHKW weist 20 kW elektrische und 40 kW thermische Leistung auf. Eine Anlage mit zwei solchen Modulen ist somit geeignet für Gebäude mit einem Wärmeleistungsbedarf ab etwa 240 kW. Noch kleinere Anlagen sind bisher ökonomisch und ökologisch etwas fraglich. Im Übrigen wird die untere Leistungsgrenze wesentlich durch die Betreuung mitbestimmt.
Günstige Voraussetzungen für WKK-Anlagen sind:
- gleichzeitiger Wärme- und Strombedarf
- Stromproduktion > 50 kW
- gleichmässiger Wärmebedarf (Prozesswärme)
- Notstromanlage erforderlich
- preisgünstiges Gas: Biogas, Erdgas
- hoher Stromtarif im An- und Verkauf
- eigener technischer Dienst
Brennstoffzellen
Mit Brennstoffzellen kann chemische Energie, ohne Umweg über mechanische Energie, direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Umwandlung in Elektrizität ist somit nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Der elektrische Anteil kann theoretisch höher sein als beim BHKW. Der gesamte Nutzungsgrad (Wärme + Strom) entspricht auch hier demjenigen eines Kessels. Die Verbrennung in Brennstoffzellen emittiert relativ wenig Schadstoffe, da sie, wie bei Kesseln, hauptsächlich stationär erfolgt.