Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung: Was ist sie und wie funktioniert sie?

Der Begriff Kraft-Wärme-Kopplung bezieht sich auf die kombinierte Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie, wodurch eine bessere Energieeffizienz im Vergleich zu separaten Produktionen gewährleistet wird.

Traditionell wird:

• elektrische Energie in thermoelektrischen Kraftwerken erzeugt, die überschüssige Niedertemperaturwärme in die Umwelt abgeben;
• thermische Energie mit Heizanlagen wie Kesseln erzeugt, die die Energie des Brennstoffs in thermische Energie umwandeln.

In einem Blockheizkraftwerk (BHKW) erfolgt diese Produktion kombiniert aus einer einzigen primären Energiequelle, die ein Brennstoff wie Erdgas, Flüssiggas, Diesel oder Biomasse sein kann.

In diesem Artikel untersuchen wir alle Merkmale einer Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung, die Vorteile, die sie bietet, und vor allem wie man bewerten kann, ob sie die geeignete Wahl für Ihr Gebäude darstellt.

Was ist ein Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung und wie funktioniert sie?

Eine Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung ist eine Maschine, die elektrische und thermische Energie aus organischen Materialien, also Biomasse, erzeugt.

Biomasse ist definiert als „der biologisch abbaubare Anteil der Reststoffe aus der Landwirtschaft (einschließlich tierischer und pflanzlicher Stoffe) und der Forstwirtschaft und verwandter Industriezweige sowie der biologisch abbaubare Anteil von Industrie- und Siedlungsabfällen“.

Ausgehend von der Energie, die von Motoren erzeugt wird, die mit landwirtschaftlichen Abfällen, Waldabfällen, Holzschnitzeln nach verschiedenen Verfahren betrieben werden, kann eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen die abgegebene Wärme wiederverwenden, zurückgewinnen und so thermische Energie erzeugen.

Der Prozess der Kraft-Wärme-Kopplung beginnt mit einem Brennstoff, in diesem Fall Biomasse, der eine Turbine antreibt, die mechanische Energie erzeugt.

Die erzeugte mechanische Energie erzeugt:

• elektrische Energie durch die Umwandlung der mechanischen Energie durch einen Generator;
• Restwärme, die durch einen Wärmetauscher zurückgewonnen wird. Die zurückgewonnene Wärme kann für Heizzwecke oder die Warmwasserbereitung genutzt werden.

Auf dem gleichen Prinzip basieren Biomasse-Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die in den letzten Jahren in Wohngebäuden und öffentlichen Einrichtungen wie Büros, Hotels, Restaurants, Sportzentren weit verbreitet sind, da sie auch eine unabhängige Stromversorgung bieten und somit eine effektive Alternative zur herkömmlichen Heizanlage darstellen.

Dadurch wird eine direkte Erzeugung von thermischer Energie vor Ort erreicht, was zu Energie- und Kosteneinsparungen führt.

Schema einer Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Wie wird Biomasse in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage genutzt?

In einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann Biomasse in roher Form verwendet werden, wenn die Biomasse direkt in den Brenner eingebracht wird, sei es getrocknet, gepresst und zerkleinert, oder sie kann verarbeitet werden, um Biogas oder Pflanzenöl zu erzeugen.

Die rohe feste Biomasse wird im Allgemeinen nur bevorzugt, wenn sie direkt vor Ort verfügbar ist. In rohem Zustand hat Biomasse einen geringen Energiegehalt pro Volumen, da sie eine komplexe Zusammensetzung aufweist und Feuchtigkeit enthält, was zu weit höheren Transportkosten und -problemen im Vergleich zu anderen Lösungen führen würde.

Deshalb wird in der Regel in einem KWK-Anlage Biomasse nur nach einem chemisch-physikalischen Prozess bevorzugt, der den energetischen Träger umwandelt: Durch einen Verdauungs- oder Gärungsprozess kann Biogas erzeugt werden, eine Mischung hauptsächlich aus Methan und CO2. Das Biogas kann wiederum gereinigt werden, um Biomethan zu erhalten, das zu etwa 95% aus Methan besteht und eine höhere Effizienz als Biogas aufweist und mit Erdgas vergleichbar ist.

Darüber hinaus kann durch Pressen und chemische Extraktion einiger öliger Biomassen auch Pflanzenöl gewonnen werden, das ebenfalls als Brennstoff verwendet werden kann.

Was sind die Haupttypen von Biomasse-KWK-Anlagen?

Wir haben gesehen, dass eine Biomasse-KWK-Anlage mit fester Biomasse, Pflanzenöl, Biogas oder Biomethan betrieben werden kann.

Lassen Sie uns nun gemeinsam die Haupttypen von Biomasse-KWK-Anlagen und ihre Eigenschaften analysieren. Im Allgemeinen können wir haben:

1. KWK-Anlage mit Gasturbine: In dieser Anlage wird das Biogas oder Biomethan verwendet, um eine Gasturbine anzutreiben, die als Primärmotor fungiert. Die Rotationsbewegung wird an einen elektrischen Generator übertragen, um elektrische Energie zu erzeugen, während die Abgase zu einem Wärmetauscher für die Erzeugung von thermischer Energie geleitet werden;
2. KWK-Anlage mit Dampfturbine: Diese können Überdruckanlagen sein, wenn die Wärme aus dem von der Turbine abgelassenen Dampf zurückgewonnen wird, oder Entspannungsanlagen, wenn die Wärme aus dem in einem Zwischenstadium der Turbine extrahierten Dampf gewonnen wird;
3. Verbrennungsmotoren (Diesel- oder Ottomotor): Die Wärme stammt hauptsächlich aus den Abgasen und der Kühlflüssigkeit des Motors;
4. Anlagen mit kombiniertem Gas- und Dampfturbinenzyklus.

Dampfturbinen und Anlagen mit kombiniertem Gas- und Dampfturbinenzyklus werden hauptsächlich für industrielle Anwendungen mit hoher Leistung eingesetzt. Verbrennungsmotoren und Gasturbinen werden sowohl in Anlagen mit hoher Leistung als auch in Mini- und Mikro-KWK-Systemen eingesetzt.

Vor- und Nachteile einer Biomasse-KWK-Anlage

Eine Biomasse-KWK-Anlage ermöglicht es, die im Gebiet vorhandenen Ressourcen zu nutzen, die immer verfügbar sind, und tatsächlich wird durch die Verwendung von Abfallmaterialien die übermäßige Abfallproduktion vermieden.

Darüber hinaus gewährleistet sie einen geringeren Verbrauch an Primärenergie, reduziert Emissionen und senkt die Kosten für den Energietransport, da die Energie am selben Ort erzeugt wird, an dem sie verwendet wird.

Gleichzeitig muss jedoch gesagt werden, dass die Vorbehandlungen zur Reduzierung der intrinsischen Feuchtigkeit der Biomasse oder die chemisch-physikalischen Prozesse zur Umwandlung in Biogas ziemlich teuer sind und auch eine gewisse Energiemenge erfordern, um sie durchzuführen.

Daher ist es immer erforderlich, im Vorfeld die tatsächliche technische und wirtschaftliche Machbarkeit sowie die Erzielung langfristiger Energieeinsparungen zu bewerten.