Hallo, in diesem Video geht es um
Kraft-Wärme-Kopplung und zwar um
die Technologien, mit denen man
Kraft-Wärme-Kopplung umsetzen kann.
Auf der ersten Folie hier ein kurzer Überblick.
Was ist Kraft-Wärme-Kopplung überhaupt?
Es ist die gleichzeitige Erzeugung von
Strom (sprich: Kraft) und Wärme.
Hier ein weit verbreitetes Beispiel,
nämlich ein sogenanntes
Blockheizkraftwerk mit einem Hubkolbenmotor.
Da führt man Brennstoff-Luft-Gemisch
in den Motor.
Hier in den Zylindern verbrennt
dieses Brennstoff-Luft-Gemisch.
Der Motor wird so angetrieben.
Und es tritt Abgas aus.
Das wird katalytisch behandelt
und nach draußen abgeführt.
Der Motor treibt eine Welle an,
das ist die Kraft, die produziert wird.
Und diese Welle treibt dann einen Generator,
in dem Strom erzeugt wird.
Gleichzeitig wird Wärme produziert.
Der Generator wird warm,
da wird ein Teil Wärme abgeführt.
Der Motor erwärmt sich
und muss gekühlt werden.
Da wird also wiederum Wärme abgeführt und
das austretende Abgas ist auch noch heiß,
da kann nochmal Wärme ausgekoppelt werden.
Diese eingesammelten Wärmemengen
werden dann einem Wärmeabnehmer,
einem Gebäude zum Heizen oder einem
Fern- oder Nahwärmenetz zur Verfügung gestellt.
Ja, und das abgekühlte
Kühlwasser läuft hier im Kreis
und sammelt immer diese Abwärmen ein.
Ja, welche Technologien kann man einsetzen?
Wir haben hier diese Kategorie
der Blockheizkraftwerke, BHKW abgekürzt.
Am weitesten verbreitet sind diese
Hubkolbenmotoren, wie man sie aus dem
Standard-PKW, dem Verbrennungsmotor kennt.
Es gibt aber auch andere Motoren,
nämlich Stirlingmotoren, die dazu
verwendet werden können und noch Brennstoffzellen.
Und davon abgesetzt, die Technologie
der Turbinen als Gasturbine
oder als Dampfturbine,
in klassischen stromerzeugenden Kraftwerken,
großen Kraftwerken eingesetzt,
wo dann auch noch Wärme
ausgekoppelt wird.
Und das Interessante an dieser
Technologie ist, dass man sehr hohe
Gesamtwirkungsgrade erreichen kann,
nämlich elektrischer plus thermischer Wirkungsgrad zusammen,
in Summe bis zu 100 %.
Also man verbrennt
einen Brennstoff, Erdgas,
Dieselkraftstoff oder ähnliches,
und nutzt dabei nicht nur die Wärme, die man
zu 100 % nutzen könnte,
sondern erzeugt gleichzeitig Strom damit
und hat dennoch einen solch hohen
Wirkungsgrad bis zu 100 %.
Ja, und diese einzelnen Technologien
sehen wir uns jetzt der Reihe nach an
und erläutern sie,
beginnend mit dem Hubkolbenmotor.
Das ist eine sehr bewährte Technik,
die gibt es schon sehr lange.
Es wird von vielen Herstellern
in vielen Leistungsbereichen angeboten,
von kleinen Blockheizkraftwerken
im Kilowatt-Bereich bis hin zu
sehr großen im Megawatt-Bereich.
Die elektrischen Wirkungsgrade
schwanken zwischen 25 %
bei kleineren Aggregaten und
bis zu 50 % bei sehr großen Aggregaten.
Und das Nutzwärme-Temperaturniveau,
auf dem die Wärme ausgekoppelt wird,
liegt so zwischen
80 und 130 Grad Celsius.
Das ist die Betriebstemperatur
eines normalen Motors.
Hier zwei Beispiele:
Ein kleines Blockheizkraftwerk,
marktführend in Deutschland
bei diesen kleinen Aggregaten,
ist der Dachs der Firma Senertec.
Hier das Aggregat selbst
mit der Hülle und danebenstehend
ein Pufferspeicher, mit dem man dann
zum Beispiel Trinkwarmwasser erzeugen kann.
Das wäre ein typisches Gerät vielleicht
für ein Mehrfamilienhaus.
Das hat 5,5 kW elektrische Leistung
und 14,8 kW thermische Leistung -
bei einem elektrischen Wirkungsgrad
von 27 % und einem thermischen Wirkungsgrad von 73 %.
Wenn man Brennwertnutzung betreibt, d.h.
wenn man das Abgas des Blockheizkraftwerkes
sehr stark abkühlt,
d.h. bis 20°C oder 30°C oder 40°C abkühlt,
dann kann man solch hohe
thermische Wirkungsgrade erreichen.
Und das gibt es in zwei verschiedenen Varianten
als Erdgas-Ottomotor und
auch als Diesel-Motor.
Im Gegensatz dazu
hier ein sehr großes Aggregat
im Megawatt-Bereich, von der Firma MWM.
Da liegen drei Zehnerpotenzen dazwischen,
(d.h.) das Aggregat hat drei Zehnerpotenzen größere Leistung
mit 4,3 MW elektrisch und 3,7 MW thermisch.
Wobei der elektrische Wirkungsgrad deutlich höher ist.
Das kann man allgemein sagen,
dass der elektrische Wirkungsgrad steigt,
wenn die Leistungen der Geräte steigen.
Entsprechend geringer ist
der thermische Wirkungsgrad
weil sich beides zusammen etwa auf 90 %
summiert, (oder) wie gesagt,
bei Brennwertnutzung auch bis zu 100 %.
Das Gerät hat große Abmaße:
9,2 Meter Länge,
2,8 Meter Breite und 3,4 Meter Höhe,
also ein ziemlicher Brummer.
Die Stirling-Technologie,
(die ist) ganz anders gestrickt.
Ein Stirlingmotor läuft nämlich
nur dann, wenn er von außen beheizt wird
und gekühlt wird.
Da findet die
Verbrennung nicht im Zylinder statt
wie beim Hubkolbenmotor, sondern
man hat eine stationäre externe Verbrennung
und das Abgas dieser
kontinuierlichen externen Verbrennung,
das würde dann hier zum Beispiel,
bei dieser Ausführung eines Stirlingmotors,
über diesen Wärmeübertrager,
Wärme an den im Motor ablaufenden
Kreisprozess abgeben.
Und diese beiden Kolben, die hier
eingezeichnet sind, die schwingen hin und her.
Und der obere, der produziert dann
hier auch an der Spule den Strom
wenn der hin und her schwingt.
Die schwingen aber nur dann hin und her
wenn hier auch gekühlt wird,
also Wärme zum Beispiel
an das Heizungswasser abgeführt wird.
Der Vorteil ist also im Prinzip
diese stationäre externe Verbrennung.
Das kann man in der Regel besser betreiben
als eine innere Verbrennung
in einem Zylinder, was ja sehr schnell
auch funktionieren muss, wo der Kolben
sehr schnell hin und her zirkuliert.
Der Nachteil hier ist, dass es relativ
geringe elektrische Wirkungsgrade gibt,
von nur 10 bis 20 %.
Dieses Beispiel ist von der Firma Ökofen.
Ökofen stellt Holzpelletheizungen her und
das ist für diesen Brennstoff
natürlich eine sehr gute Möglichkeit,
auch Strom zu produzieren.
Und so werden die auch
vermarktet als stromerzeugende Heizungen.
Und der Motor, der hier eingebaut ist,
das ist ein Motor der
Firma Microgen Engine Corporation.
Das war eine Gemeinschafts-Entwicklung
mehrerer Hersteller und einzelne
Hersteller setzen das auch noch ein,
wie zum Beispiel die Firma Ökofen.
Es gibt aber insgesamt nur
wenige Produkte am Markt.
Kleine Leistungen hat dieser Motor,
ein halbes kW bis 1 kW elektrisch.
Der kann also modulieren, d.h. die Leistung verändern,
Das Gerät hat einen
elektrischen Wirkungsgrad von 15 % und
die thermische Leistung schwankt
zwischen 3 und 6 kW.
Das waren die beiden Motor-Technologien.
Jetzt kommt die Brennstoffzelle.
Ja, in der Brennstoffzelle
findet auch eine Verbrennung statt.
Allerdings spricht man da eher von
klater Verbrennung weil es keine Flamme gibt.
Zur Reaktion kommen Wasserstoff und Sauerstoff. Und wenn die beiden sich
direkt begegnen würden, würde das
eine sehr heftige Reaktion werden,
die sogenannte Knallgasreaktion.
Das möchte man natürlich nicht.
Deshalb trennt man diese beiden
Komponenten durch eine Membran
oder einen Elektrolyten.
Durch diese Membran können dann nur
die positiv geladenen
Wasserstoff-Protonen
hindurchwandern.
Die Elektronen müssen den Umweg über
dieses elektrisch leitende Kabel nehmen.
Und auf der Sauerstoffseite
können sich dann alle drei
Komponenten vereinigen, nämlich
der Sauerstoff, die Wasserstoff-Protonen
und die Elektronen - und es entsteht Wasser.
Zwei Typen möchte ich hier hervorheben.
Das sind nicht die einzigen,
aber die wichtigsten,
nämlich zunächst die PEM-Brennstoffzelle.
Die funktioniert so, dass hier
eine protonenleitende Membran
installiert ist. Davon kommt auch der Name.
Die Betriebstemperatur liegt
etwa bei 80 Grad Celsius.
Und man kann diese PEM-Brennstoffzelle
direkt mit Wasserstoff betreiben oder
der Wasserstoff kommt heutzutage häufig
aus Methan oder einer
(vorgeschalteten) Methan-Reformierung.
Da wird dann aus dem Methan
der Wasserstoff abgetrennt und dann
der Brennstoffzelle zugeführt.
Charakteristisch ist, dass die
PEM-Brennstoffzellen recht gut regelbar sind,
also modulierend ihre Leistung
verändern können.
Die zweite Variante ist die
SOFC-Brennstoffzelle, Solid Oxid Fuel Cell.
Eine oxidkeramische Brennstoffzelle,
deren Betriebstemperatur deutlich höher
liegt, (bei circa) 500 Grad Celsius.
Das hat Vor- und Nachteile. Der Vorteil ist,
dass die Methan-Reformierung intern
ablaufen kann, aufgrund der hohen Temperaturen.
Nachteilig ist, dass diese
Brennstoffzelle nicht so häufig
(hoch- und runter moduliert) werden kann.
Sie läuft in der Regel stationär bei einer Leistung.
Prinzipiell haben Brennstoffzellen
den Vorteil, dass sie recht hohe elektrische
Wirkungsgrade haben, 35 bis 60 % und
die Leistung modular skaliert werden kann.
Also in der Regel sind größere Leistungen
aus vielen kleinen Brennstoffzellen aufgebaut,
sogenannten Brennstoffzellen-Stacks,
die dann hintereinander geschaltet werden.
Nachteilig ist allgemein, dass die
Lebensdauer häufig noch nicht so hoch ist,
die Brennstoffzellen-Stacks
müssen immer wieder ausgetauscht werden.
Das führt zu hohen Kosten. Und natürlich
(teuer ist) im Moment zumindest noch
diese Wasserstoff-Erzeugung aus Erdgas.
Das wird sicherlich deutlich günstiger
wenn Wasserstoff auch anders
verfügbar ist, wenn Wasserstoff durch
Elektrolyse großtechnisch
hergestellt wird und dann Wasserstoff
direkt hier zum Einsatz kommen kann.
Der Markt kann man als volatil charakterisieren
habe ich hier hingeschrieben.
Also es gibt immer mal Hersteller,
die kommen auf den Markt und gehen wieder und
dann kommen wieder neue. Also da passiert Einiges,
auch in Forschung und Entwicklung.
Insgesamt ist es in jedem Fall
ein aufstrebender Markt. Man kann erwarten,
dass Brennstoffzellen in Zukunft
eine Rolle spielen werden.
Das Wichtigste habe ich
noch gar nicht erwähnt,
zumindest nicht explizit.
Dadurch, dass die Elektronen hier den Umweg
nehmen müssen, entsteht der Strom,
den man nutzen kann an einem Verbraucher.
Und diese Reaktion hier an der Kathodenseite,
da entsteht dann auch Wärme,
die abgeführt wird und genutzt wird.
Nun der Wechsel zu den Turbinen,
zunächst die Gasturbine. Wie funktioniert eine
solche Gasturbine? Hier die Turbine selbst.
Wir haben hier zunächst mal Luft,
die angesaugt wird und
über einen Verdichter geführt wird.
Die Luft wird dann vorgewärmt und
in der Brennkammer
mit Erdgas zusammen verbrannt und
dieses heiße Abgas kommt dann
in die Turbine rein, wird dort entspannt
und kühlt sich auch ab. Aber es ist
immer noch heiß genug um Wärme abzugeben,
hier zur Vorwärmung der Luft
und immer noch heiß genug um dann
hier Wärme zum Beispiel
in ein Wärmenetz (oder) Heizungsnetz abzugeben.
Und diese Welle, die die Turbine antreibt,
die treibt wieder einen Generator,
der den Strom produziert
und auch den Verdichter hier für
die Luftansaugung.
Gasturbinen gibt es auch schon lange.
Es ist eine bewährte Technik. Es gibt
viele Hersteller. Man hat eine relativ
große Bandbreite an Leistungen, nicht ganz
so groß wie bei den Blockheizkraftwerken,
nicht ganz so tief runter wie bei den
Blockheizkraftwerken, dafür aber
weiter darauf: mit 500 MW gibt es auch
sehr große Gasturbinen.
Die können nun auch hochtemperierte
Wärme liefern. Das kommt hier auf
das Verhältnis dieser Komponenten an,
bei welcher Temperatur
die Wärme hier noch bereitgestellt wird.
Und diese Geräte sind sehr
kompakt gebaut, sehr viel Leistung
auf kleinem Raum.
Zwei Beispiele, eine kleine
Mikrogasturbine von der Firma Capstone,
die 50 kW elektrische Leistung und
26% elektrischen Wirkungsgrad hat.
Und hier ein großes Aggregat von der Firma
Siemens mit 450 MW elektrisch
und einem Wirkungsgrad von 41 %.
Neben der Gasturbine gibt es auch
Dampfturbinen, wobei man die nicht
separat einsetzt, sondern
Dampfturbinen sind in der Regel eingebettet
in ein stromerzeugendes Kraftwerk.
Das wäre dieser Teil hier, der sogenannte
Dampfkraftprozess, ein klassischer Prozess
in der Stromerzeugung,
wie er in Kohlekraftwerken und anderen
Kraftwerkstypen genutzt wird.
Hier sitzt die Dampfturbine und,
wie der Name schon sagt,
verarbeitet die kein heißes Gas,
sondern heißen Dampf.
Der wird hier in einem
"Abhitzedampferzeuger" erzeugt.
Das ist allgemein der Dampferzeuger,
in dem dann z.B. die Verbrennung von Kohle,
Müll, Biomasse oder Erdgas stattfindet,
um aus flüssigem Wasser, was hier ankommt,
Wasserdampf zu produzieren.
Dieser Wasserdampf, der wird dann hier
in der Turbine wieder entspannt, (auf)
niedrigeren Druck und niedrigere Temperatur.
Man kann hier Wärme abführen,
in ein Wärmenetz.
Meistens reicht das nicht. Es braucht
auch noch einen Kühlturm, in dem
weitere Wärme abgeführt wird. Und dann
beginnt der Kreislauf von Neuem. Das wäre
der klassische Dampfkraftprozess, wobei hier
an der Turbine wieder der Generator sitzt.
Also bewährte Technik,
große Leistungen.
Schon seit längerer Zeit
ergänzt man diesen Prozess
um eine vorgeschaltete Gasturbine.
Das sind dann sogenannte
GUD-Kraftwerke, -Heizkraftwerke,
Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerke.
Das Gasturbinenprozess habe ich Ihnen ja
schon erläutert und jetzt macht man
genau das, was ich vorhin schon
angesprochen habe: man nutzt
dieses heiße Gas hier nicht
um die Luft vorzuwärmen oder nur
zum geringen Teil um Luft vorzuwärmen
und auch nicht um hier Wärme auszukoppeln
in ein Wärmenetz, sondern man nutzt das
heiße Abgas, das heiße Gas hier,
um hier den Wasserdampf zu produzieren.
Gegebenenfalls wird
hier auch noch zugefeuert.
Man kann das aber auch so betreiben,
dass nur dieses heiße Abgas genutzt wird,
um den Wasserdampf zu produzieren.
Und diese gekoppelten Prozesse, die haben
dann sehr hohe Wirkungsgrade von bis über 60 %.
Das sind die stromerzeugenden Kraftwerke,
die die höchsten Wirkungsgrade besitzen.
Und zusätzlich wird noch Wärme ausgekoppelt.
Zum Abschluss dieses Videos zeige ich
Ihnen noch eine Überblicksfolie, wo jetzt
alle Technologien nochmal zusammen
aufgeführt sind, mit ihren
charakteristischen Eigenschaften, nämlich
der Leistung, der Leistungsbandbreite,
in denen sie gebaut und benutzt werden
und dem elektrischen Wirkungsgrad.
Zunächst sei hier auch nochmal allgemein
festgehalten, dass der elektrische
Wirkungsgrad gerätespezifisch
unterschiedlich ist. Das hier
sind ja die einzelnen Gerätetypen,
die hier eingetragen sind und dass
er tendenziell immer mit der
Geräte-Nennleistung, die hier unten auf
der x-Achse dargestellt ist, ansteigt.
Ja, und die zweite
charakteristische Eigenschaft habe ich Ihnen
auch schon vorhin genannt, dass
die Summe aus elektrischem und thermischem
Wirkungsgrad etwa 90 % beträgt
beziehungsweise bei Brennwertnutzung
sogar bis zu 100 %.
Ja, 80 % bis 90 % steht hier, bei sehr
großen Aggregaten sind es eher diese 80 %.
Der elektrische Wirkungsgrad und
die elektrische Leistung, (darauf hin) gehen
wir die einzelnen Technologien nochmal durch,
Wir beginnen hier mit dem
Stirling-Motor. (Der wurde) bisher nur
in kleinen Leistungen realisiert,
bei Wirkungsgraden von 10 bis 20 %.
Hier (sind) die Hubkolbenmotoren,
(mit) einem sehr großen Leistungsbereich:
Beginnend mit sehr kleinen Motoren,
(quasi ab der Größe von Rasenmähermotoren)
wirklich nicht groß,
Aber Motoren
kann man einfach
sehr klein aber auch sehr groß bauen,
hier bis in den Megawatt-Bereich,
sogar über 10 Megawatt hinaus.
Hier sehen Sie die beiden Brennstoffzellenarten,
die PEM-Brennstoffzelle und
die SOFC-Brennstoffzelle, die letztere hat den
energetischen Vorteil,
dass man sie kombinieren kann
mit einer Gasturbine.
Das hebt noch mal den Wirkungsgrad und
führt natürlich zu höheren Leistungen.
Die Gasturbine hier hat auch einen
großen Leistungsbereich, sie fängt etwas später an
als der Hubkolbenmotor, geht aber dafür
auch in höhere Leistungsbereiche
bis 500 MW hinein.
Und es gibt die klassischen Heizkraftwerke
mit Dampfturbine, wo man
nicht nur Erdgas verbrennt.
Die meisten anderen basieren ja auf Erdgas.
In Heizkraftwerken mit Dampfturbinen
werden auch Kohle, Biomasse, Müll und
solche Brennstoffe genutzt.
Und dann sehen Sie hier die Kopplung dieser
Dampfturbine mit einer Gasturbine
in den sogenannten GuD-Kraftwerken.
Ja, das war es zum Thema
der Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung.