KWK-Technologien

Dampfturbinen und Dampfmotoren, waren die ersten Stromerzeugungsaggregate überhaupt. Bekanntlich war die erste Kraftmaschine eine Dampfmaschine. Sie wurde nicht nur mobil in Lokomotiven, sondern auch stationär in der Industrie zur Stromerzeugung oder zur direkten Nutzung der mechanischen Energie eingesetzt. Dabei wurde die Abwärme in der Regel ebenfalls genutzt. Bei den ersten stationären Kraftmaschinen handelte es sich also um KWK-Anlagen. In solchen Anlagen wird zunächst in einem Kessel hoch gespannter Dampf erzeugt, der dann in einer Kolbenmaschine oder einer Dampfturbine in mechanische Energie  umgewandelt wird. Festbrennstoffe wie Kohle oder Holz lassen sich bis heute praktisch nur mittels Dampfturbinen oder -motoren zur Stromerzeugung nutzen, wenn man von den noch nicht marktreifen Versuchen mit der Vergasung von Festbrennstoffen absieht, die dann eine effizientere Energieumwandlung in modernen Verbrennungsmaschinen erlaubt. Dampfturbinen kommen meist in großen Heizkraftwerken für Fernwärmenetze sowie  in Kohle- und Atomkraftwerken zum Einsatz. Dampfmotoren und -turbinen  gibt es aber auch schon ab ca. 80 kW elektrischer Leistung für gewerbliche Anwendungen.

Gasturbinen sind insbesondere als Flugzeugtriebwerke bekannt. Tatsächlich wurden sie aber in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zunächst für den stationären Einsatz zur Stromerzeugung entwickelt. Zum Durchbruch gelangten sie erst nach dem 2. Weltkrieg. Ihr großer Vorteil gegenüber den bis dahin gebräuchlichen Dampturbinen ist vor allem ihre extrem kurze Anfahrzeit, die sie für den Einsatz zum schnellen Ausgleich von Strombedarfsschwankungen geeignet machte. Der zunächst noch recht geringe elektrische Wirkungsgrad von unter 20% spielte dabei keine Rolle. Mit Gasturbinen werden inzwischen jedoch Wirkungsgrade von 30 bis 40% erreicht, so dass sie sich auch für den Dauerbetrieb eignen. Ein großer Vorteil sind die hohen Abgastemperaturen von ca. 600 °C, die sich für eine nachgeschaltete Erzeugung von hochgespanntem Dampf mittels Abhitzekessel in der Industrie eignen. Gasturbinen gibt es im Größenspektrum von 30 kW bis zu mehreren hundert Megawatt. Kleinst-Anlagen bis zu einigen hundert kW, so genannte Mikro-Gasturbinen, werden erst  seit wenigen Jahren auf dem Markt angeboten.

Den hoch gespannten Dampf aus dem Abhitzekessel kann man auch mittels einer Dampfturbine  zur weiteren Stromerzeugung nutzen. Eine Kombination von Gas- und Dampfturbine bezeichnet man im Fachjargon als GuD-Anlage (engl. Combined Cycle). Dabei kann man den Dampf zur Maximierung des Stromertrages soweit entspannen, dass die restliche Abwärme mit einer Temperatur unter 30 °C praktisch nicht weiter genutzt werden kann. Dies geschieht in so genannten GuD-Kondensationskraftwerken, also "Nur-Strom-Kraftwerken". Alternativ kann man aber auch bewusst darauf verzichten, das Maximum an Strom aus der Einsatzenergie zu gewinnen, und dafür noch ein nutzbares Temperaturniveau der Abwärme zu erhalten. Dies geschieht in zwei Varianten: entweder in einer so genannten Gegendruck-Dampturbine, bei welcher der Dampf immer bei einem bestimmten Temperaturniveau von z.B. 130 °C entnommen wird.  Das Verhältnis von Strom- zu Dampferzeugung (=Stromkennzahl) ist dabei fest vorgegeben. Oder der Dampf kann zur weiteren Nutzung an verschiedenen Stufen der Dampfturbine entnommen werden, mit je nach Bedarf unterschiedlichen Temperaturniveaus. In der Fernwärmeversorgung wird in der Übergangszeit oder im Sommer, wenn also kein Wärmebedarf abzudecken ist, aber Strombedarf besteht, der gesamte Dampf zur Stromerzeugung eingesetzt. Bei dieser Anlagenbauart, dem so genannten Kondensations-Entnahme-Heizkraftwerk (Kond-Entnahme-HKW), ist also die Stromkennzahl variabel. Natürlich muss die Auskopplung von Wärme aus einer Dampfturbine immer durch eine Verringerung der Stromerzeugung erkauft werden. Dies ist jedoch energiewirtschaftlich immer ein guter Tausch, sofern die Wärme genutzt wird. Denn für jede eingebüsste Kilowattstunde Strom werden bis zu 7 Kilowattstunden Nutzwärme gewonnen. Den Kehrwert dieses "Tauschverhältnisses" bezeichnet man als Stromverlustkennzahl, sie liegt typischer Weise bei  0,15.

Blockheizkraftwerke, abgekürzt BHKW, sind kleine bis mittlere KWK-Anlagen auf Basis von Otto- oder Dieselmotoren und kleineren Gasturbinen- oder GUD-Anlagen (s. unten). Der Begriff BHKW ist nicht verbindlich definiert. Ursprünglich bezeichnete man damit ein (relativ) kleines Heizkraftwerk zur Beheizung eines einzelnen Wohnblocks. Klein heißt: im Vergleich zu den früher ausschließlich eingesetzten großen Heizkraftwerken zur Beheizung ganzer Stadtviertel mit Fernwärme. Heute wird  der Begriff BHKW auch für Kleinst-KWK-Anlagen bis in den Mikro-KWK-Bereich (s. unten) hinein verwendet. BHKWs werden seit etwa Ende der Achzigerjahre eingesetzt. Heute sind in Deutschland über 30 Tausend BHKW-Anlagen in Betrieb, die Statistiken sind hier leider unterentwickelt. Zum Einsatz kommen ausschließlich gasförmige und flüssige Brennstoffe auf fossiler und zunehmend biogener Basis, also Erdgas/Biomethan, Heizöl, Biogas und Pflanzenöl. Die elektrischen Wirkungsgrade reichen von ca. 10 % bei Mikro-Anlagen bis annähernd 50% bei Groß-BHKWs mit mehreren Megawatt elektrisch. Der Gesamtwirkungsgrad aus Strom + Wärme liegt bei 80% bis über 100%* (bei Brennwertnutzung).

Brennstoffzellen stellen eine völlig neue Technologie der Stromerzeugung dar. Hier wird der Strom nicht aus mechanischer Energie elektromagnetisch mittels eines Generators erzeugt, sondern wie in einer Batterie auf elektrochemischem Weg. Von den verschiedenen Varianten erscheinen solche am Erfolg versprechendsten, bei denen Erdgas nicht zuerst noch über einen Energie aufwändigen Vorprozess in Wasserstoff umgewandelt werden muss, sondern die Erdgas direkt für den Prozess verwenden. Solche Brennstoffzellen sind in der Lage bis zu 60% der eingesetzten Primärenergie in Strom umzuwandeln - und dazu noch weitere Energie als Nutzbare Wärme zu erzeugen.

ORC-Anlagen (Organic-Rankine-Cycle) verwenden in einer Turbine statt Dampf ein Kohlenstoff haltiges ("organisches") Fluidum in einem geschlossenen Kreislauf. Sie sind in der Lage, aus relativ geringen Abwärmetemperaturen weiteren Strom zu erzeugen, wenn auch - thermodynamisch unvermeidlich - nur mit einem geringen Wirkungsgrad.

Mikro-KWK ist ein neuer Begriff, der sich erst nach der Jahrtausendwende gebildet hat. Damit werden meist Kleinst-Anlagen bis ca. 10 kW elektrisch bezeichnet. Für die Krafterzeugung verwenden sie meist Otto- oder Stirling-Motoren. Ebenso stehen erste Brennstoffzellen vor der Markteinführung. Als Brennstoffe kommen sowohl Erdgas (auch als Biomethan), wie auch Flüssiggas oder Heizöl in Betracht. Mehr oder weniger als Synonym wurde von der Gaswirtschaft  der Begriff "Strom erzeugende Heizung" (SEH) eingeführt. Er soll gegenüber der neuen Käuferzielgruppe der privaten Haushalte der Veranschaulichung dienen. Entsprechend dieser Zielsetzung werden teilweise auch nur Anlagen bis ca. 5 kW in die Begriffe Mikro-KWK oder SEH einbezogen, weil bei der klassischen Auslegung von KWK-Anlagen (auf möglichst viele Betriebsstunden pro Jahr)  größere Anlagen als ca. 5 kW in der Regel nicht für Einfamilienhäuser in Betracht kommen. Auf der weltgrößten Heizungsfachmesse ISH im März 2011 in Frankfurt haben erstmals alle großen Heizungshersteller Mikro-KWK-Anlagen präsentiert.

Übrigens: Der erste "Aufschlag" in Deutschland, mit dem gegenüber der Öffentlichkeit auf den bevor stehenden Technologiesprung in der Haustechnik aufmerksam gemacht wurde,  erfolgte schon auf der ISH 2005 mit einem vom Autor dieser Zeilen  organisierten Mikro-KWK-Gemeinschaftsstand und einer Pressekonferenz, die bundesweit bei Presse und Fernsehen große Resonanz erzeugte. Kernaussage war: Die Mikro-KWK hat das Potenzial, in einigen Jahren den Brennwertkessel als effizienteste Heiztechnik für Privathäuser abzulösen. Die damalige Pressemeldung und weitere Unterlagen zur Pressekonferenz finden Sie hier

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 * Es handelt sich dabei nicht um ein "Perpetuum mobile". Definitionsgemäß bezieht sich der Wirkungsgrad immer auf den sog. Heizwert (Hu). Beim  Brennwert (Ho) wird durch Abkühlung des Abgases bis unter den Wasserdampftaupunkt über den Heizwert hinaus zusätzlich auch die bei der Kondensation frei werdende Kondensationswärme genutzt, wodurch sich nominal ein Wert über 100% ergeben kann.

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Letzte Änderung: Saturday, 16.01.2016-
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