Home » BIM und Energieeffizienz » Effiziente Energieerzeugung mit BHKW Anlage

Effiziente Energieerzeugung mit BHKW Anlage

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) produziert gleichzeitig elektrische Energie und Wärme. Anwendungen, Vorteile und Grenzen

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist ein effizientes und nachhaltiges System zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme. Dieser Prozess wird durch die Verwendung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ermöglicht, die darauf ausgelegt ist, die Energie im Brennstoff optimal zu nutzen und Verschwendungen zu minimieren.

Die Entscheidung für eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage muss technisch und wirtschaftlich sorgfältig geprüft werden, mit einer eingehenden Analyse der Verbraucher (zeitlicher Verlauf des elektrischen und thermischen Energiebedarfs) und der verfügbaren Motorensysteme (jeder Verbraucher kann besser zu einer Technologie passen als zu einer anderen).

Die Kraft-Wärme-Kopplung kann die Effizienz bei der Nutzung fossiler Brennstoffe erheblich steigern, indem sie einerseits dazu beiträgt, die Kosten der Energierechnung zu senken und andererseits zu geringeren Emissionen von Schadstoffen und Treibhausgasen führt.

Um das richtige Blockheizkraftwerk für die Lasten des Gebäudes zu ermitteln und die Energieeffizienz zu steigern, kann Ihnen eine führende Software für die Thermotechnik von Vorteil sein, die auf dem neuesten Stand der Normen und Technologien ist.

Kraft-Wärme-Kopplung: Bedeutung

Bevor wir im Detail analysieren, was Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind, müssen wir mit der Bedeutung der Kraft-Wärme-Kopplung beginnen. Die Kraft-Wärme-Kopplung ist ein Prozess, der es ermöglicht, gleichzeitig thermische Energie (Wärme) und elektrische Energie aus einer einzigen Energiequelle zu erzeugen.

Dieser Ansatz ermöglicht es, die Energieeffizienz zu maximieren, indem die überschüssige Wärme optimal genutzt wird, die sonst bei anderen Energieerzeugungsformen verloren gehen würde.

Was ist eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, auch als BHKW (Blockheizkraftwerk), ist ein System, das das energetische Potenzial einer einzigen Energiequelle maximal nutzt, Verschwendungen reduziert und zur Kosteneffizienz beiträgt. Diese Anlage entsteht in dem Bestreben, die abgegebene Wärme aus einem Kraftwerk zur Stromerzeugung zu nutzen.

In einem Kraftwerk wird die Wärme durch einen thermodynamischen Zyklus zuerst in mechanische Energie und dann in elektrische Energie umgewandelt. Während dieses Prozesses geht ein signifikanter Teil der Wärme (30-45%) in die Umwelt verloren.

Mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage hingegen wird die überschüssige Wärme zurückgewonnen und für Heizzwecke oder zur Versorgung genutzt.

Es ist erwähnenswert, dass nicht die gesamte abgegebene Wärme effektiv zurückgewonnen werden kann. Ein Teil bleibt zwangsläufig auch im Kontext des KWK-Zyklus verloren.

Wie funktioniert eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Um das Funktionsprinzip einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie die herkömmliche Stromerzeugung funktioniert. Der Betrieb eines konventionellen thermoelektrischen Kraftwerks umfasst 4 Phasen:

  • Beschaffung eines Brennstoffs;
  • Verwendung im Kraftwerk;
  • Stromerzeugung;
  • Entsorgung der abgegebenen Wärme.

Die abgegebene Wärme wird in die Atmosphäre abgegeben und verursacht erhebliche Umweltschäden, wenn fossile Brennstoffe wie Öl oder Gas verwendet werden, was zur Verstärkung des Treibhauseffekts beiträgt. Bei der Kraft-Wärme-Kopplung hingegen wird die abgegebene Wärme zurückgewonnen.

Der Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage basiert auf folgenden Elementen:

  • Primärmotor, der auf verschiedene Weisen betrieben werden kann;
  • Generator, der von dem Motor angetrieben wird und in der Lage ist, Elektrizität zu erzeugen;
  • Wärmetauscher, die die zurückgewonnene Wärme ermöglichen.

Was die Primärmotoren betrifft, unterscheiden sich die Hauptvarianten von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gerade durch die Art des verwendeten Primärmotors. Die heute am häufigsten verwendeten Grundtechnologien sind:

  • Gasturbinen (die im einfachen Zyklus mit Wärmerückgewinnung für die Kraft-Wärme-Kopplung direkt aus den Abgasen oder im Kombinationszyklus verwendet werden, Wärmerückgewinnung für die Kraft-Wärme-Kopplung nach Verwendung der Abgase auch für die Dampferzeugung für eine Dampfturbine);
  • Dampfturbinen (können Überdruckturbinen sein, wenn die Wärme aus dem von der Turbine abgelassenen Dampf zurückgewonnen wird, oder Entspannungsturbinen, wenn die Wärme aus dem in einem Zwischenstadium der Turbine entnommenen Dampf gewonnen wird);
  • Verbrennungsmotoren (Diesel- oder Ottomotoren; in beiden Fällen stammt die Wärme hauptsächlich aus den Abgasen und der Kühlflüssigkeit des Motors);
  • Kombinierte Gasturbinen-/Dampfturbinen-Anlagen.

Dampfturbinen und kombinierte Gasturbinen-/Dampfturbinen-Anlagen werden hauptsächlich für industrielle Anwendungen mit hoher Leistung eingesetzt. Während Verbrennungsmotoren und Gasturbinen sowohl in Großkraftwerken als auch in Mini- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungssystemen eingesetzt werden.

Zu den oben genannten können jedoch auch einige innovative Technologien hinzugefügt werden, die heute noch nicht vollständig auf dem Markt etabliert sind, wie:

  • Mikroturbinen;
  • Stirlingmotoren;
  • Brennstoffzellen.

Daher gliedert sich der KWK-Prozess in 4 Hauptphasen:

  • Energieerzeugung: Eine Turbine erzeugt mechanische Kraft durch die Verbrennung eines Brennstoffs;
  • Elektrizitätserzeugung: Die mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, indem ein Generator verwendet wird. Das Endprodukt ist bereit für den Einsatz in den Stromnetzen;
  • Rückgewinnung der Abwärme: Die Turbine erzeugt eine erhebliche Menge an überschüssiger Wärme. Diese kann durch einen Wärmetauscher zurückgewonnen werden, der die Wärme vom Erzeugungssystem zur gewünschten Verwendung überträgt;
  • Nutzung der zurückgewonnenen thermischen Energie: Die zurückgewonnene Wärme wird genutzt, um die thermischen Anforderungen der Struktur zu erfüllen. Zum Beispiel kann sie verwendet werden, um das Wasser für die Haushaltsgeräte zu erwärmen.

Schema einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Hier ist das Schema einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.

Schema eines Blockheizkraftwerks

Schema eines Blockheizkraftwerks

Kraft-Wärme-Kopplungsanlage: Wie wird sie betrieben

In Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen können verschiedene Arten von Primärenergieträgern, auch als Primärenergie bezeichnet, eingesetzt werden. Diese Anlagen können sowohl mit traditionellen fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas, Diesel und Heizöl als auch mit erneuerbaren Energiequellen wie Biomasse betrieben werden:

  • Kraft-Wärme-Kopplung mit Erdgas: Dies ist die häufigste Art von Kraft-Wärme-Kopplungsanlage. Sie verwendet Erdgas als Primärenergiequelle, um einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Die erzeugte überschüssige Wärme wird eingefangen und für die Beheizung von Gebäuden, die Warmwasserbereitung oder andere thermische Zwecke genutzt;
  • Kraft-Wärme-Kopplung mit Biomasse: In diesem Fall wird Biomasse wie Holz, landwirtschaftliche Abfälle oder organische Abfälle verbrannt, um Wärme zu erzeugen, die hauptsächlich zur Versorgung einer Dampfturbine oder eines Verbrennungsmotors zur Stromerzeugung genutzt wird;
  • Hochwirkungsgrad-Kraft-Wärme-Kopplung: Diese Art von Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nutzt fortschrittliche Technologien wie Brennstoffzellen oder kombinierte Zyklusmotoren, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Diese Anlagen können die Primärenergie effizienter nutzen und sowohl Wärme als auch elektrische Energie mit geringen Verlusten erzeugen.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit hohem Wirkungsgrad

Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) sind so konzipiert, dass sie die Nutzung von Primärenergieressourcen optimieren und eine wesentlich effizientere Umwandlung in Nutzenergie gewährleisten als herkömmliche Systeme. In der Regel liegt der Wirkungsgrad solcher Anlagen bei über 90 %, ganz im Gegensatz zu den 30-40 % herkömmlicher Systeme.

Anlagen mit hohem Wirkungsgrad integrieren oft fortschrittliche Technologien wie hoch effiziente Gasturbinen, modernste Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen. Diese technologischen Lösungen ermöglichen es, die Umwandlung primärer Energie in Elektrizität und Wärme zu maximieren.

Diese Art von Anlagen gewinnen nicht nur im industriellen Sektor, sondern auch in anderen Bereichen wie dem kommerziellen, Hotel-, Krankenhaus- und allgemein in allen Einrichtungen, die elektrische und thermische Energie benötigen, an Popularität.

Wann ist die Kraft-Wärme-Kopplung wirtschaftlich: die Vorteile

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, wie zuvor erwähnt, wurden entwickelt, um die Effizienz der Stromerzeugungsprozesse zu optimieren.

Eine Verbesserung der Energieeffizienz führt zu erheblichen Einsparungen bei den Energiekosten für Unternehmen. Durch die Nutzung der durch die Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten thermischen Energie zur Beheizung von Gebäuden oder zur Versorgung industrieller Prozesse können Unternehmen ihre Energierechnungen erheblich senken. Diese Unternehmen könnten sogar teilweise oder vollständig autark gegenüber dem öffentlichen Stromnetz werden.

Der Ansatz zur Kraft-Wärme-Kopplung kann an die spezifischen Anforderungen jedes Unternehmens angepasst werden, was eine flexible Nutzung ermöglicht und sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet macht.

Unter dem Gesichtspunkt der ökologischen Nachhaltigkeit gilt die Kraft-Wärme-Kopplung als saubere Energiequelle, da sie die primäre Energiequelle effizienter nutzt. Dies führt zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen und der gesamten CO2-Bilanz des Unternehmens.

Schließlich stellen geringere Verbrauchsmengen an Primärenergie einen signifikanten wirtschaftlichen Vorteil dar. Dieser Vorteil kann durch die Inanspruchnahme von Anreizen verstärkt werden, die bei Investitionen in ein KWK-System genutzt werden können.

Insgesamt lassen sich die Vorteile in 3 Kategorien einteilen: energetische, umweltbezogene und wirtschaftliche.

Was sind die Grenzen einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Es ist jedoch wichtig, auch die Hauptgrenzen zu betonen, die bei der Bewertung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage berücksichtigt werden müssen. Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ist zwar im Allgemeinen gültig, kann jedoch manchmal nicht auf energetisch und wirtschaftlich sinnvolle Weise angewendet werden, wenn die folgenden Bedingungen nicht erfüllt sind:

  • Vorhandensein und Nähe des Wärmebedarfs: Damit eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage realisiert werden kann, muss in der Nähe eine Wärmeabnehmer vorhanden sein, sei es industriell oder zivil. Diese Notwendigkeit steht im Konflikt mit dem Trend, thermische Kraftwerke zur Energieerzeugung an entfernten Orten von städtischen Zentren oder Arbeitsplätzen zu platzieren, um die Bevölkerung vor Luftemissionen zu schützen;
  • Gleichzeitigkeit der Verbraucher: Eine weitere Bedingung für eine angemessene Nutzung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist, dass der Bedarf an thermischer und elektrischer Energie gleichzeitig besteht. Eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann typischerweise gleichzeitig Wärme und elektrische Energie bereitstellen, daher ist es erforderlich, dass die Verbraucher gleichzeitig diese Energie aufnehmen. Aus diesem Grund sind Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen häufig an das nationale Stromnetz angeschlossen, um überschüssige elektrische Energie an dieses abzugeben, und die Anlage wird betrieben, um den Bedarf an thermischer Energie der Verbraucher zu erfüllen;
  • Kompatibilität der Temperaturen: Nicht alle Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen stellen Wärme bei derselben Temperatur zur Verfügung. Es kann daher vorkommen, dass ein KWK-System nicht geeignet ist, um einen Wärmeverbraucher zu bedienen, weil dieser Wärme mit einer zu hohen Temperatur benötigt
  • Anlagenflexibilität: Obwohl der Bedarf an thermischer und elektrischer Energie eines Verbrauchers gleichzeitig besteht, kann das Verhältnis zwischen der in den beiden Formen benötigten Energie variieren. Es kann also vorkommen, dass zu bestimmten Zeiten der Bedarf an elektrischer Energie proportional höher ist als der an thermischer Energie oder umgekehrt.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen: In welchen Bereichen können sie eingesetzt werden

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind sowohl für Wohnanwendungen als auch für Industrieanwendungen geeignet. Die Kraft-Wärme-Kopplung ist besonders vorteilhaft in Umgebungen mit einem hohen und konstanten Bedarf an Strom oder Wärme, wie:

  • Krankenhäuser und Kliniken;
  • Schwimmbäder und Sportzentren;
  • Einkaufszentren;
  • Papierfabriken;
  • Lebensmittelindustrie;
  • Erdölraffinerien;
  • Chemische und pharmazeutische Industrie;
  • Keramikindustrie;
  • Textilindustrie;
  • Industrie zur Herstellung von Kunststoffmaterialien.

Kraft-Wärme-Kopplung, Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, Haus-Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen unterscheiden sich sowohl in der Größe (Leistung) als auch in den Eigenschaften des primären Verbrennungsmotors.
Hinsichtlich der Größe spricht man von:

  • Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung: elektrische Leistung < 50 kW;
  • Kleine Kraft-Wärme-Kopplung: elektrische Leistung < 1 MW;
  • Kraft-Wärme-Kopplung: elektrische Leistung > 1 MW.

Der Begriff Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (oder kleine Kraft-Wärme-Kopplung) bezieht sich auf Systeme, bei denen die elektrischen Leistungen von Kilowatt bis Megawatt reichen, mit Anlagen, die für den Einsatz in Haushalten (auch bekannt als Haus-Kraft-Wärme-Kopplung) und kleinen bis mittleren Unternehmen entwickelt wurden.
Der Hauptunterschied zwischen Kraft-Wärme-Kopplung und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung liegt also in der Verwendung: Bei der Haus-Kraft-Wärme-Kopplung liegt der Schwerpunkt auf der Wärmeerzeugung, während die elektrische Komponente im Vergleich zu den unmittelbaren Bedürfnissen im Übermaß vorhanden ist und an das Stromnetz abgegeben werden kann.

Unterschied zwischen Kraft-Wärme-Kopplung und Dreikraft-Kälte-Kopplung

Der Unterschied zwischen Dreikraft-Kälte-Kopplung und Kraft-Wärme-Kopplung basiert auf den Funktionen der jeweiligen Systeme. Die Dreikraft-Kälte-Kopplung kann als eine Erweiterung der Kraft-Wärme-Kopplung betrachtet werden und ermöglicht deren Nutzung auch während warmer Perioden.
Während sich die Kraft-Wärme-Kopplung auf die kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom aus einer einzigen Energiequelle konzentriert (wie Erdgas), geht die Dreikraft-Kälte-Kopplung darüber hinaus und ermöglicht es, nicht nur Wärme und Strom, sondern auch kühle Luft oder Wasser für Klimaanlagen zu erzeugen, indem die verfügbare thermische Energie optimal genutzt wird.

Es reicht aus, dem Kraft-Wärme-Kopplungssystem eine Absorptionskältemaschine anzuschließen, die zur Strom- und Wärmeerzeugung auch Kälte erzeugen kann. Diese Kälte kann sowohl für Prozessaktivitäten als auch zur Raumkühlung genutzt werden.

Kosten einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

Die Kosten einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage können je nach einer Reihe von Variablen variieren, wie:

  • Größe der Anlage;
  • verwendete Technologie;
  • installierte Leistung;
  • Anlagenkonfiguration;
  • Verfügbarkeit von Brennstoff;
  • Marktpreise.
termus-plus
termus-plus