Energietechnik || Kraft-Wärmekopplung und Blockheiz-Kraftwerke BHKW

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10 Kraft-Wärmekopplung und Blockheiz-Kraftwerke BHKW

Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % und Diesel-Motoren nicht über 50 %. Kombinations-Kraftwerke, Gas- und Dampfturbi-nen-Prozesse können an die 60 % thermischer Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zuge-führten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heizzwecke genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 °C bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt. Wird neben der mechanischen Energie auch Wärme als Nutzen angesehen, so reicht der ther-mische Wirkungsgrad th = Pmech/ zuQ nicht mehr zur Beschreibung der Prozessgüte aus. Zweckmäßig ist der Brennstoffnutzungsgrad Bst, der die Nutzwärme NutzQ gleichwertig zur elektrischen bzw. mechanischen Arbeit setzt:

Bst = ( NutzQ + Pel)/ zuQ 1 Gl. 10.1

bzw.2 Bst = ( NutzQ + Pmech)/ zuQ Gl. 10.2

Der Brennstoffnutzungsgrad ist zur Beurteilung der Güte einer Anlage nicht geeignet. Die Stromzahl S ist eine notwendige zusätzliche Kenngröße, um eine Kraft-Wärme-Kopplungs-anlage ausreichend zu beschreiben:

S = Pel/ NutzQ Gl. 10.3

Sie gibt an, wie die beiden Nutzleistungen Pel und NutzQ im Verhältnis zueinander stehen. Bei S = 0 liegt eine reine Feuerung vor, die nur Wärme erzeugt. Bei einem Kraftwerk zur aus-schließlichen Stromerzeugung ist S . Alternativ findet zur Stromzahl S der Wärmemehrbedarf WMB zur Stromerzeugung Verwen-dung, mit zuQ als zusätzlichem Wärmestrom, um Strom zu erzeugen:

WMB = zuQ / Pel Gl. 10.4

Der Zusammenhang zwischen WMB, th und S ist bei vollständiger Nutzung der Abwärme:

( )

( ) ( )Nutz zu zu el zu zu

1 1zu el zu el zu el

Q Q Q und S P / Q Q :

S Q / P Q / P Q / P WMB− −

= − = −

= − = − Gl. 10.5

1 NutzQ ist die genutzte Wärmeleistung, Pel die elektrische Leistung, Pmech die mechanische Leistung,

zuQ der über den Brennstoff dem Kreisprozess zugeführte Wärmestrom. 2 Da der Wirkungsgrad großer Generatoren über 95 % liegt, ergibt sich nur ein geringer Unterschied der

beiden Definitionen Gl. 10.1 und 10.2.

H.-J. Allelein et.al., Energietechnik DOI 10.1007/978-3-8348-2279-6_10, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013

242 10 Kraft-Wärmekopplung und Blockheiz-Kraftwerke BHKW

Da Pel bei großen Anlagen mit gutem Generatorwirkungsgrad fast Pmech entspricht, genügt meist:

S (1/ th – WMB)–1 Gl. 10.6

Mit der vollständigen Abwärmenutzung, ausgedrückt durch Nutz zu elQ Q P= − ergibt sich:

S (1/ th – 1)-–1 Gl. 10.7 Die Nutzung von Abwärmen aus thermischen Prozessen zur Erzeugung von Kälte bzw. Klima-tisierung durch Absorptions-Kältemaschinen oder zur Temperaturanhebung für Heizzwecke durch Wärmepumpen wird ebenfalls in diesem Kapitel behandelt.

10.1 Wärmeauskopplung bei Dampfkraftwerken Die Abwärme von Kondensations-Dampfkraftwerken fällt bei der Temperatur der Wärmesen-ke (direkte Flusswasser- oder Kühlturm-Kühlung) nur wenig über Umgebungstemperatur an. Damit ist das im Kondensator nur gering erwärmte Kühlwasser als Nutzwärme nicht geeignet. Versuche, diese Niedertemperaturwärme zur Beheizung nahegelegener Gewächshäuser, Ackerböden oder Fischteiche zu nutzen, sind unwirtschaftlich. Trotzdem bieten Dampfkraft-werke Möglichkeiten, Wärmeströme wirtschaftlich auszukoppeln.

10.1.1 Gegendruckbetrieb Der Dampf in der Turbine wird zur Wärmeauskopplung nur bis zur gewünschten Temperatur entspannt und bei dem zugehörig höheren Sättigungsdruck kondensiert. Es wird hierzu eine “Gegendruck-Turbine“ benutzt, die im Gegensatz zur Kondensations-Turbine einen höheren Entspannungsenddruck aufweist. Damit wird allerdings die Turbinenleistung vermindert. Das heiße Kühlwasser, das aus dem erhöhten Kondensatordruck resultiert, wird dem Verbraucher zugeführt. Damit lässt sich die gesamte Abwärme nutzen. Der Brennstoffnutzungsgrad Bst erreicht nur wegen den Verlusten der Feuerung und des Dampferzeugers keine 100 %. Ebenso sind Ausführungen üblich, bei denen der Turbinenabdampf direkt dem Verbraucher für indust-rielle Zwecke zugeführt oder in eine Dampfsammelschiene gespeist wird. Derartige Anlagen lassen sich für Sommer- und Winterbetrieb durch einen separaten, abkop-pelbaren Kondensations-Turbosatz (Niederdruck-Turbine) konzipieren. In den Sommermona-ten wird keine Wärme benötigt und der Turbosatz arbeitet im Kondensationsbetrieb mit einer Wärmesenke bei möglichst geringer Temperatur. Es wird die maximale elektrische Energie erzeugt. Im Winter, wenn Wärme verlangt wird, wird der Kondensationsteil des Turbosatzes abgekoppelt und der heiße Abdampf aus der Mitteldruck-Turbine dem Verbraucher zugeführt, wo er kondensiert und der Speisewasserpumpe zurückgeführt wird. Bild 10.1 zeigt den Wär-meschaltplan eines Dampfkraftwerks zur KWK mit Abkopplung der Niederdruck-Kondensationsturbine.

10.1 Wärmeauskopplung bei Dampfkraftwerken 243

Bild 10.1: Wärmeschaltplan eines Dampf-kraftwerks zur KWK im Gegendruckbetrieb für Sommer- und Winterbetrieb

Die Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mit der Gegendruckturbine ist starr gekoppelt. Wird mehr Wärme gefordert, muss der Dampfstrom durch die Turbine erhöht wer-den. Dadurch wird gleichzeitig mehr Strom generiert. Dies ist durchaus von Vorteil, da in Zeiten erhöhten Wärmebedarfs oft auch der Strombedarf steigt. Dampfkraftwerke mit Gegendruckturbinen sind gut zur Bereitstellung von Dampf für industri-elle Verfahren geeignet. Die Anlage kann hinsichtlich des Bedarfs von Strom und Wärme für den Industriebetrieb optimiert werden. Dampferzeuger, befeuert mit fossilen Energieträgern, liefern Dampfdrücke, die für verfahrenstechnische Prozesse meist zu hoch sind. Der benötigte Druck muss also erniedrigt werden. Aus exergetischen und ökonomischen Gründen ist eine Drosselung meist ungünstig. Bevorzugt geschieht die Druckabsenkung mit angepassten Indust-riedampfturbinen, die im Gegendruckbetrieb arbeiten. Somit wird bei der notwendigen Druckabsenkung elektrische Energie erzeugt. Große Indust-riefirmen unterhalten Dampfnetze verschiedener Drücke. Hierzu bietet es sich an, Industrietur-binen einzusetzen, die den Frischdampf entweder direkt auf die verschiedenen Dampfdrücke reduzieren, oder dies kaskadenförmig realisieren, indem zwischen den einzelnen Dampf-schienen die Turbinen eingebaut sind, die bedarfsorientiert einspeisen. Bild 10.2 gibt einen Überblick des Programms eines deutschen Herstellers von Industrie-Dampfturbinen für die verschiedenen Drücke und Leistungen. Zur Auswahl der Maschine für die individuelle Anfor-derung ist das gewünschte Dampfdruckverhältnis über dem Verhältnis von Leistung zu Turbi-neneintrittsdruck eingezeichnet. Jede der angebotenen Turbinen hat ihren begrenzten Einsatz-bereich.

Leistung/Frischdampfdruck kW/bar

0,1 1 10 100

100

10

1

Frischdam

pfd

ruck/A

bdam

pfd

ruck

BF4/

50

BF2,5BF3,5

BF4/

80

CF4 CF5

CF8

BF

4/125

Bild 10.2: Programm eines Herstellers von Industrie-Dampfturbinen, Auszug [10.1]


Bild 10.3 ist das einfache Verfahrensfließbild einer Anlage zur Dampfbereitstellung in der Lebensmittelindustrie, z. B. zur Herstellung von Palmöl [10.1]. Eine oder mehrere Gegen-druckturbinen 2 werden durch den Dampferzeuger 1 mit Frischdampf beaufschlagt. Der Ab-dampf wird in einem Dampfspeicher 4 bei gefordertem Gegendruck gesammelt. Bild 10.4 zeigt das zugehörige Sankey-Diagramm. 70 bis 80 % der Brennstoffenergie werden als Nutz-wärme und elektrische Energie genutzt.

1: Dampferzeuger 2: Gegendruckturbine 3: Sicherheitsreduzierventil 4: Dampfspeicher 5: Dampfabnahme 6: Dampfverbraucher 7: Wasseraufbereitung

Bild 10.3: Verfahrensfließbild einer Anlage zur Dampfbereitstellung

Bild 10.4: Sankey-Diagramm einer KWK-Anlage zur Palmölherstellung [10.1]

10.1.2 Entnahme- und Anzapfbetrieb Dampfturbinen erlauben die Entnahme von Dampf bei verschiedenen Zuständen zwischen den entsprechenden Turbinenstufen (Kap. 4). Dieser Anzapfdampf eignet sich zu Heizzwecken. Diese Lösung ist bei großen Dampfkraftwerken bevorzugt, da für die Wärmeauskopplung die für die regenerative Speisewasser-Vorwärmung schon bestehende Installation benutzt werden kann. Bild 10.5 zeigt den vereinfachten Wärmeschaltplan eines Großkraftwerks mit den der Speisewasser-Vorwärmung parallel geschalteten Wärmeauskopplungen bei verschiedenen Temperaturen. Ein Teil des Anzapfdampfes wird auf die Wärmeübertrager des Heizkreises

10.1 Wärmeauskopplung bei Dampfkraftwerken 245

geleitet. Um eine exergetisch günstige Erwärmung des Heizwassers zu erzielen, wird der kalte Rücklauf zuerst durch Anzapfdampf geringer Temperatur vorgewärmt, dann sukzessive weiter durch Anzapfungen höherer Temperatur erhitzt. In Bild 10.5 sind die üblichen drei Vorwärm-stufen des Heizwassers eingezeichnet. Auf konventionelle Zusatzkessel kann wegen der Ver-sorgungssicherheit selbst bei Großkraftwerken nicht verzichtet werden.

Bild 10.5: Vereinfachter Wärmeschaltplan eines Dampfkraftwerks mit Wärmeauskopplung durch Turbinenanzapfungen

Eine solche Wärmeauskopplung erlaubt die weitgehend unabhängige Erzeugung von elek-trischer und thermischer Energie. Wird mehr Wärme verlangt, so kann die Speisewasser-Vorwärmung reduziert werden, was den thermischen Wirkungsgrades etwas senkt. Die Wär-meleistung des Dampferzeugers ist entsprechend zu erhöhen. Diese Wärmeauskopplung aus einem Großkraftwerk ist höchst flexibel. Nachteilig ist die Ferne der Großkraftwerke von Besiedlungsgebieten, weshalb der Wärmeträger Heißwasser (z. B. bei 130 °C, 5 bar [10.2]) über größere Entfernungen gepumpt werden muss. Im Versorgungsgebiet der Neckarwerke Stuttgart tritt bei über 12 km Wärmeschienenlänge lediglich 3 °C Temperaturabfall auf [10.2]. Wird der Dampf der Turbine ungeregelt entnommen, so liegt eine Anzapfung vor. Wird der Dampf über ein Regelventil entnommen, das den Druck in der Abströmleitung konstant hält, so handelt es sich um eine Dampfentnahme. Bei Teillast im Gleitdruckbetrieb sinken der Druck und die Temperatur des Anzapfdampfes. In diesem Falle kann auf die nächste Anzapf-stelle mit höherer Temperatur umgeschaltet werden, um dem Wärmeverbraucher weiterhin die notwendige Temperatur zu liefern. Man spricht von einer Wanderanzapfung. Das Regelventil der Entnahmestelle drosselt demgegenüber entsprechend dem Teillastbetrieb den Druck mehr oder weniger. Das Regelventil verursacht zwar Exergieverluste, gewährleistet dem Verbrau-cher jedoch eine gute Druckkonstanz, was eine Wanderanzapfung nicht leistet. Das qualitative Entnahmediagramm, Bild 10.6, gilt für eine Dampfentnahme konstanten Druckes an einer Turbinenstufe. Aufgetragen ist der Dampfmassenstrom über der Turbinen-leistung. Parameter ist der entnommene spezifische Massenstrom Heizm . Bei Heizm = 0 han-delt es sich um den reinen Kondensationsbetrieb zur Stromerzeugung, bei gesamter Entnahme des Dampfstromes aus einer Turbinenstufe liegt der Grenzfall der Gegendruckturbine vor, bei dem kein Dampf mehr durch den Kondensator geht. Es lassen sich Gegendruck- und Anzapfbetrieb zur Wärmeauskopplung kombinieren, in dem aus exergetischen Gründen an mehreren Anzapfstellen der Turbine Dampf entnommen wird und der gesamte Restdampf bei noch hinreichend hoher Temperatur vor dem Kondensator dem Verbraucher überlassen wird.


100 %

0

0 100 %

Konstante Heiz-

massenströme

Volle Wärme-

auskopplung

m = mHeiz Heizmax

Keine Wärme-

auskopplung m = 0Heiz

.

..

Elektrische Leistung Pel

Bild 10.6: Qualitatives Entnahmediagramm; Turbi-nenleistung bei Dampfentnahme an einer bestimmten Turbinenstufe

10.2 Wärmeauskopplung bei Gasturbinen Die Temperatur der Abgase von Gasturbinen ist hinreichend hoch, um ohne Einschränkung3 der Stromerzeugung direkt Nutzwärme oder gar Prozessdampf zu erzeugen. Das Turbinenab-gas, das bei neuen Gasturbinen eine Temperatur von etwa 500 °C bis 600 °C aufweist, wird hierfür durch einen Abhitzekessel geleitet, der Wasser erhitzt oder Dampf erzeugt. Der Abhit-zekessel entspricht entweder einem Heizwasserkessel oder einem Dampferzeuger mit seinen einzelnen Strecken (Economiser, Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer), der rohr-außenseitig mit dem Turbinenabgas beaufschlagt ist. Bild 10.7a) ist das T, Q -Diagramm eines Abhitze-Heizwasserkessel, Bild 10.7b) das Diagramm eines Abhitzekessels zur Erzeugung überhitzten Dampfes. Die Abhitzekessel sind Wärmeübertrager im Gegenstromprinzip. In Kap. 7 sind Schaltungen von Abhitzekesseln näher erläutert. Als andere Abwärmequellen sind die Generatorkühlung und die Kühlung für die Lagerschmierung zu nennen.

Bild 10.7: T, Q -Diagramme von Abhitzekes-seln a) Heizwasserkessel b) Erzeugung überhitzten Dampfes

Viele Gründe haben dazu geführt, dass die Gasturbine mit Abhitzekessel die traditionellen Dampfkraftwerke zur Strom- und Dampferzeugung in der Industrie verdrängt: Geringe Investitionskosten flexibler Betrieb kurze Anfahrzeiten

3 Der Abhitzekessel setzt der Abgasströmung einen Widerstand entgegen. Der Druck am Turbinenaustritt

ist deshalb etwas höher als bei der direkten Abströmung über Schalldämmer in die Atmosphäre, was eine geringe Leistungseinbuße bei der Stromerzeugung bedingt.

10.3 Wärmeauskopplung bei Kombikraftwerken (GuD) 247

hohe Laständerungsgeschwindigkeiten reine Stromerzeugung möglich (Spitzenlastabdeckung) geringe Baugröße hohe Zuverlässigkeit, hohe Verfügbarkeit geringer Wartungs- und Unterhaltungsaufwand Erdgas als sauberer und per Pipeline problemlos verfügbarer Brennstoff keine Brennstoffvorhaltung mit entsprechendem Platz- und Finanzbedarf

Bild 10.8 schematisiert eine Gasturbine mit Auskopplung von Industriedampf. Zur Versor-gungssicherheit ist noch ein konventioneller Dampferzeuger, der den gesamten Wärmebedarf des Betriebes übernehmen kann, installiert. Eine Reserveeinheit zur Wärmebereitstellung ist notwendig, um Produktionsausfälle zu vermeiden.

Bild 10.8: Gasturbine mit Abhitzekessel

Stationäre Gasturbinen werden mit elektrischen Leistungen von etwa 30 kW bis 300 MW angeboten. Die kleinen Gasturbinen, die komplett in Blockbauweise in Containern geliefert werden, sind deshalb auch als Heizzentralen geeignet. Ein BHKW kann nicht nur einen Kol-benmotor, sondern auch eine kleine Gasturbine beinhalten.

10.3 Wärmeauskopplung bei Kombikraftwerken (GuD) Bei Kombikraftwerken (Kap. 7) stehen mehrere Optionen zur Wärmeauskopplung zur Verfü-gung. Die Wärme kann dem Gasturbinen-Abgas aus dem Abhitzekessel entnommen werden oder der Dampfturbine nach dem Gegendruck- oder Anzapfprinzip. Falls eine sehr flexible Strom- und Wärmeversorgung beabsichtigt ist, ist von der auf den Wirkungsgrad optimierten Kombianlage ohne Zusatzfeuerung abzuweichen. Der Block 2 des Heizkraftwerks in Alt-bach/Deizisau wurde als Verbundprozess gemäß Bild 7.2e ausgelegt, bei dem das Gasturbi-nenabgas im reinen Strombetrieb nur das Speisewasser des Dampfkraftwerkes vorwärmt, wäh-rend die Verdampfung und Überhitzung des Dampfes im Kohlekessel geschieht. Bild 10.9 zeigt die Wärmeschaltung. Die beiden Prozesse können unabhängig voneinander gefahren werden, und eine Fernwärmeauskopplung ist sowohl bei reinem Dampfturbinenbetrieb (An-zapfturbine) als auch bei reinem Gasturbinenbetrieb (Abhitzekessel) möglich. Damit lassen sich für die einzelnen Betriebsarten die in Tabelle 10.1 gelisteten Leistungsdaten für Strom- und Wärmelieferungen erzielen. Die maximale Leistung des Verbundprozesses im reinen Strombetrieb beträgt im Auslegungsfall 381 MWel, bei 44 % thermischem Wirkungsgrad. Die


maximale Wärmeleistung ist 280 MWth. Die überragende Flexibilität der Anlage zeigt sich, wenn sowohl maximale Wärme- als auch elektrische Leistung gefordert wird. Die elektrische Leistung des Verbundprozesses sinkt bei der Abgabe von 280 MWth nur geringfügig auf 334 MWel. Der Brennstoffnutzungsgrad ist 70 %. Der reine Gasturbinenbetrieb, der zur Ab-deckung von elektrischer Spitzenlast interessant ist, erreicht mit maximaler Wärmeauskopp-lung sogar einen Brennstoffnutzungsgrad von über 80 %.

Tabelle 10.1: Betriebsarten und Leistungsdaten des Blocks 2 des Verbundkraftwerks Altbach/Deizisau [10.2]

Betriebsart Strom MWel

FernwärmeMWth

thermischer Wirkungsgrad

Brennstoff-Nutzungsgrad

Verbundbetrieb, nur Strom Strom und Wärme

381 334

0 280

44 % –

44 % 70 %

Dampfkraftwerk allein, nur Strom Strom und Wärme

303 248

0 280

41 % –

41 % 72 %

Gasturbine allein, nur Strom Strom und Wärme

65 63

0 87

35 % –

35 % 83 %

Bild 10.9: Wärmeschaltplan eines Verbund-kraftwerkes mit Wärmeauskopplung (vereinfacht)

10.4 Wärmeauskopplung bei Kolbenmotoren Auch bei Kolbenkraftmaschinen ist die Temperatur des Abgases mit über 500 °C für eine direkte Wärmeauskopplung oder Dampferzeugung mittels Abhitzekessel ausreichend. Einen noch größeren Abwärmeanteil erbringt die interne Zylinder- und Motorblockkühlung. Im All-gemeinen wird der Massenstrom des Kühlwassers so geregelt, dass dessen Temperatur am Kühlerauslass etwa 90 °C beträgt, weshalb es direkt zu Heizzwecken geeignet ist. Der Wärme-übertrager ist kostengünstig, da das wärmeauf- und -abgebende Fluid flüssiges Wasser ist.

10.4 Wärmeauskopplung bei Kolbenmotoren 249

Der Wärmestrom des Kühlwassers übersteigt den des Abgases, wie Bild 10.10 für einen Gas-motor zeigt. Der Ölkühler lässt sich durch einen weiteren flüssig-flüssig Wärmeübertrager nutzen. Große Generatoren haben Wirkungsgrade um 95 %, was wenig zur Abwärme beiträgt. Der Wirkungsgrad sehr kleiner Generatoren ist allerdings geringer, so dass das Generator-kühlwasser durchaus noch als Nutzwärme Verwendung finden kann. Nur das Abgas hat das Temperaturniveau, um mittels Abhitzekessel Dampf für industrielle Zwecke zu erzeugen, während das Kühlwasser für Brauchwasser und Raumheizung beschränkt bleibt. Das Kühl-wasser gibt seine Wärme üblicherweise in einem einfachen Gegenstrom-Wärmeübertrager an das Brauchwasser ab. Bild 10.11 zeigt die Wärmeauskopplung eines Gasmotors.

Bild 10.10: Abwärmeanteile bei einem Gasmotor [10.3] a: Brennstoffleistung b: Kühlwasserwärmestrom c: Abgaswärmestrom, auf 120 °C abgekühlt d: Ölkühlstrom e: mech. Motorleistung

Bild 10.11: Wärmeschaltplan eines BHKW mit Kolbenmotor, vereinfacht, nach [10.3]


Übliche BHKW-Motoren, meist mit Erdgas betrieben, werden im Leistungsbereich zwischen 5 kWel und 1 MWel angeboten, wobei der nutzbare Abwärmeanteil entsprechend des thermi-schen Wirkungsgrades, der bei sehr kleinen Motoren geringer ist, zwischen 12,5 kWth und 1,3 MWth liegt. BHKW größerer Leistung basieren auf Konstruktionen von Schiffsdieselmotoren [10.3, 10.4]. Die Förderung über das Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG und das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz macht Pflanzenöle als Kraftstoffe für Dieselmotoren-BHKW wirt-schaftlich attraktiv, insbesondere wenn das preiswerte Palmöl genutzt wird. Die Dieselmotoren benötigen hierzu jedoch Modifikationen zur Aufwärmung des Pflanzenöls (Viskositätsreduzie-rung) vor dem Einspritzsystem. Für Leistungen über 1 MWel werden wegen der Kosten und des Platzbedarfs kleine Gasturbinen bevorzugt. Zuverlässige Stirling-Motoren sind erst seit kurzem als Aggregate für BHKW erhältlich [10.12].

10.5 Wärmeauskopplung bei anderen Prozessen Brennstoffzellen sind eine Alternative zu thermischen Anlagen der Stromerzeugung. Je nach Technik als Nieder-, Mittel- oder Hochtemperaturzelle, mit oder ohne vorgeschalteten Refor-mer, fällt Abwärme unterschiedlich hoher Temperatur an. Wärmeträger ist das die Zelle ver-lassende warme Kühlwasser, die Produktgase oder das Reformergas-Kühlwasser. Für eine industrielle Dampferzeugung sind nur Hochtemperaturzellen geeignet (Kap. 9). Bild 10.12 zeigt das vereinfachte Fließschema einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach [10.5]. Die Abgase hoher Temperatur und hohen Druckes der Hochtemperatur-Brennstoffzelle können sogar zum Betrieb einer Gasturbine verwandt werden. Pilotanlagen sind derzeit in Vorberei-tung. Kraft-Wärme-Kopplung ist ebenso bei einigen regenerativen und unerschöpflichen Energie-quellen möglich, z. B. bei der Geothermie und bei der Nutzung biologisch generierter gasför-miger oder flüssiger Brennstoffe. Dies wird in separaten Kapiteln diskutiert. Bei solaren Kraftwerken mittels thermodynamischem Prozess ist die Wärme- oder Dampfauskopplung möglich, doch meist fehlt es in den entsprechenden Breitengraden an Wärmeverbrauchern. Bei industriellen Prozessen, die Kühlstrecken benötigen oder bei denen Abwärme mit hoher Temperatur anfällt, wird die prozessinterne Wärmerückgewinnung oder Wärmenutzung dann angewandt, wenn sie wirtschaftlich oder ökologisch geboten ist. Die Vielfalt der Möglichkei-ten ist groß. Besondere Möglichkeiten ergeben sich bei den hohen Temperaturen der Stahl-erzeugung [10.6]. Die industriellen Dampfschienen unterschiedlicher Drücke werden meist in Kraft-Wärmekopplung aus Dampfkraftwerken oder Gasturbinen gespeist.

Bild 10.12: Wärmeschaltplan einer Hoch-temperatur-Brennstoffzelle mit Wärmeauskopplung, vereinfacht

10.6 Dimensionierung von BHKW 251

10.6 Dimensionierung von BHKW

Die Wärmeauskopplung bei Großkraftwerken ist oft zur Abdeckung des Wärmebedarfs großer Versorgungsgebiete ausreichend, ohne die Stromversorgung wesentlich einzuschränken (Tab. 10.1). Trotzdem sind für betriebs- oder reparaturbedingte Kraftwerksausfälle vorzusorgen. In große Fernwärmenetze speisen mehrere Kraftwerke ein, so dass auf eine Notversorgung ver-zichtet werden kann. Bei nur einem Wärmelieferanten ist jedoch ein Reservekessel vorzuse-hen, der den Wärmebedarf voll abdeckt. Anders stellt sich die Situation bei der dezentralen Versorgung kleiner Gebiete, wie z. B. von Neubausiedlungen, dar. Da der optimale Betrieb von BHKW-Anlagen i. Allg. nicht gleichzei-tig den Bedarf von Wärme und elektrischer Energie abdecken kann, muss entschieden werden, welche der beiden Energieformen verbrauchsorientiert zu erzeugen ist. Bei Unterdeckung der anderen Energieform muss diese extern bezogen oder separat bereitgestellt werden. Entspre-chendes gilt bei Überschuss, der entweder ungenutzt bleibt oder in andere Versorgungsgebiete zu leiten ist. Die Mehrzahl der BHKW ist wärmegeführt, die Installation dient zur bedarfsori-entierten Wärmeversorgung. Der fehlende bzw. überschüssige Strom ist über das Stromnetz problemlos und kostengünstig ausgleichbar. Durch Einspeiserecht und Mindestpreise für die eingespeiste Energie werden BHKW derzeit in Deutschland durch das Energieeinspeisegesetz gefördert. Der Verbraucher ist an einer preisgünstigen und sicheren Energieversorgung interessiert. Nur langsam beginnt die Bereitschaft, für ökologisch günstige Energien freiwillig einen höheren Preis zu bezahlen. Die Entscheidung über Investitionen in die dezentrale Energieversorgung durch BHKW beruht in erster Linie auf wirtschaftlichen Erwägungen. Die VDI-Richtlinie 2067 beschreibt die exakte Wirtschaftlichkeitsanalyse gerade für BHKW [10.7, 10.8]. Grund-lage hierfür ist die Kenntnis des Energiebedarfs und der Investitionskosten. Für die Auslegung wärmegeführter Anlagen dient die Wärmebedarfs-Jahresdauerlinie. Entwe-der ist diese bekannt oder sie kann in Kenntnis der vorgesehenen Bauten und Abnehmerstruk-tur abgeschätzt werden [10.10]. Eine typische Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs für Raum-heizung und Brauchwasser zeigt Bild 10.13, wobei die Werte geglättet sind (über einige Tage gemittelt). Daraus ist die geordnete Jahresdauerlinie zu ermitteln, bei der die Wärmeleistung über der Jahresstundenzahl geordnet aufgetragen wird. Eine geordnete Jahresdauerlinie zeigt Bild 10.14 [10.9]. Es fällt ein vom Spitzenbedarf nahezu exponentiell abfallender Verlauf auf, d. h. hohe Wärmeleistungen sind nur für kurze Zeit gefordert.

Jan Sommer Dez

Wärm

ele

istu

ng 600

400

200

0

kW

Bild 10.13: Jahresdauerlinie einer Wohnsied-lung


Je länger die Betriebszeit der BHKW, desto wahrscheinlicher ist ein wirtschaftlicher Betrieb. Ein BHKW, deren Wärmeleistung sogar die Wärmespitzen abdeckt, wird nur ganz kurz in seinem optimalen Auslegungspunkt betrieben werden können, ansonsten abgeschaltet sein oder im Teillast mit ungünstigem Wirkungsgrad arbeiten. Ein wirtschaftlicher Betrieb ist bei derartiger Auslegung nicht zu erwarten. Die Laufzeit von BHKW ist wesentlich höher, wenn deren thermische Leistung nur ein Teil des gesamten Wärmebedarfs abdeckt. In Bild 10.14 sind vier BHKW angepasster Leistung in die Jahresdauerlinie eingetragen, die ausreichende Laufzeiten versprechen [10.9].

Bild 10.14: Geordnete Jahresdauerlinie einer reinen Wohnsiedlung mit vier ein-gepassten BHKW [10.9]

Ein BHKW läuft mit über 8000 Stunden pro Jahr statistisch praktisch rund um die Uhr, das zweite 6300 Stunden, das dritte über 4500 Stunden. Selbst das vierte BHKW läuft noch nahe-zu 4000 Stunden. Mit den vier BHKW werden knapp 30 % des Spitzenwärmebedarfs abge-deckt. Der Rest ist von einem Spitzenlastkessel abzudecken, der gleichzeitig der Reservekessel ist. Die Leistung dieses konventionellen Kessels muss aus Sicherheitsgründen, um den Ausfall eines oder mehrerer BHKW ausgleichen zu können, mindestens 70 % des Spitzenwärmebe-darfs betragen. Die Kosten werden nicht in erster Linie von der Größe des konventionellen Kessels bestimmt, so dass er eher überdimensioniert werden sollte. Die Installation von Wär-mespeichern verlängert die Laufzeit der BHKW. So können die Module für gewisse Zeit ohne Rücksicht auf die aktuelle Wärmeabnahme betrieben werden, z. B. um zu Zeiten elektrischen Spitzenbedarfs Strom zu erzeugen. Die generierte Wärme wird gespeichert. Eine derartige Fahrweise, wenn es noch durch das lokale Energieversorgungsunternehmen in Zeiten hohen Strombedarfs ferngesteuert gestartet werden darf, erhöht die Vergütung der Stromeinspeisung beträchtlich. Nur eine Wirtschaftlichkeitsanalyse kann zeigen, ob sich die Investition thermi-scher Speicher lohnt. Vielversprechend ist die Versorgung von Wirtschaftsbetrieben, Sport-anlagen oder Freibädern. Deren Wärmebedarf ist meist gleichförmig und vorhersehbar. Die Beheizung eines Freibads bringt eine Vergleichmäßigung der Wärmeabnahme über das Jahr, da das Freibad in den Sommermonaten betrieben wird, wenn keine sonstige Wärmeabnahme vorliegt [10.11]. Die Wirtschaftlichkeit von BHKW wird wegen des theoretisch hohen Brenn-stoffnutzungsgrades, der aber wegen des fehlenden gleichmäßigen Wärmebedarfs über das Jahr nicht erreicht wird, überschätzt. Die Installation eines BHKW zur Versorgung von Wohngebieten verspricht nur bei An-schlusszwang der betreffenden Häuser einen wirtschaftlichen Erfolg. Bei nachträglicher Instal-lation in Altbaugebieten kann derzeit ein Anschlusszwang nicht erwirkt werden, es würde zu

10.7 Klimatisierung (Kälteerzeugung) durch Abwärme und Wärmepumpen 253

finanziellen Härten führen, da schon individuelle Heizungen installiert sind. Für die Nahwär-meversorgung durch BHKW ist mit hohen Investitionen zu rechnen, die aus der Verlegung des Verteilungsnetzes und den individuellen Wärmeübertragungsstellen resultiert. Auch ist mit Wartungs- und Reparaturaufwand zu rechnen. Als Faustregel für den wirtschaftlichen Betrieb von BHKW mit Kolbenmotoren ist festzuhal-ten: Mehrere – mindestens drei – unabhängig betreibbare Module, um die Wirtschaftlichkeit bei

Ausfall einzelner BHKW sicherzustellen Die statistische Laufzeit des einzelnen Moduls sollte mindestens 40 % über das Jahr betra-

gen. Dies entspricht bei den charakteristischen Jahresdauerlinien von Wohngebieten einer Abdeckung des Spitzenwärmebedarfs von weniger als 50 %.

Der Spitzenlastkessel ist so zu dimensionieren, dass selbst bei Ausfall einzelner BHKW der Spitzenwärmebedarf bereitgestellt werden kann.

Wirtschaftlichkeitsanalyse zur Installation thermischer Speicher, um die Laufzeit zu erhö-hen und um hoch vergüteten Spitzenlaststrom zu erzeugen

Anschlusszwang der Wärmeverbraucher im Versorgungsgebiet Möglichst Einbindung von Gewerbe- und Industriebetrieben, Sportanlagen und Freibädern

10.7 Klimatisierung (Kälteerzeugung) durch Abwärme und Wärmepumpen

Gegenstand dieses Textbuches sind rechtslaufende thermodynamische Kreisprozesse, wie der Clausius-Rankine- oder der Joule-Brayton Prozess, die durch Wärmezufuhr Arbeit nach außen abgeben. Bei linkslaufenden Kreisprozessen kehren sich die Vorzeichen von Wärme und Ar-beit um, d. h. es wird Arbeit zugeführt und Wärme nach außen abgegeben; bei oberer Prozess-temperatur wird Wärme abgeführt und bei unterer Temperatur Wärme aus der Umgebung zugeführt. Dadurch wird Wärme niederen Temperaturniveaus durch Arbeitszufuhr in Wärme höherer Temperatur umgewandelt, d. h. die Exergie der Wärme wird erhöht. Derartige Prozes-se, bevorzugt mit Phasenwechsel, da dann Zustandsänderungen bei konstanter Temperatur ablaufen, werden sowohl als Wärmepumpen zu Heizzwecken (Nutzung der Wärmeabfuhr) als auch zur Kühlung (Nutzung des Wärmeflusses aus der Umgebung bei niederer Temperatur) genutzt. Bild 10.15 veranschaulicht einen linkslaufenden Prozess mit Phasenwechsel. Zwar lassen sich die Kälteprozesse mit Wasser als Arbeitsfluid betreiben, doch werden aus Dicht-heitsgründen bei den geringen Temperaturen bevorzugt Fluide mit höheren Dampfdrücken eingesetzt. Es handelt sich bei diesen Kältemitteln meist um teilfluorierte oder teilchlorierte Kohlenwasserstoffe, deren Ozonschädigungspotential verglichen zu den früheren Fluorkoh-lenwasserstoffen gering ist. Früher kam auch Ammoniak zum Einsatz. Ein umgekehrter Carnot-Prozess könnte prinzipiell im Zweiphasengebiet gemäß Bild 10.16 realisiert werden. Es scheitert jedoch an der auftretenden Phasentrennung von Flüssigkeit und Dampf während der Verdichtung, d. h. es wird nur Dampf mit geringem Feuchteanteil oder aber leicht überhitzt verdichtet.


Bild 10.15: Kälteprozess (linkslaufend) im T,s-Zustandsdiagramm 1-2 Wärmezufuhr 2-3 Verdichtung 3-4 Wärmeabfuhr 4-1 Drosselung

Bild 10.16: Idealer Kälteprozess (linkslaufend) im T,s-Zustandsdiagramm

Bei einer Wärmepumpe ist die Leistungszahl W für reversible adiabate Prozesse:

W = Qab / dQ bzw. Qab /( Qab - Qzu ) > 1 Gl. 10.8 Qab ist die nutzbare Heizwärme.

Für reale, verlustbehaftete Wärmepumpen ist die Leistungszahl mit der zugeführten Arbeit Wzu zu bilden:

W = Qab /Wzu Gl. 10.9

Für Kühlprozesse ist die der Umgebung entzogene Wärme, also dem Kreisprozess zugeführte Wärme der Nutzen, was folgende Definition für die Leistungszahl K ergibt:

K = Qzu / dQ bzw. Qzu /( Qab – Qzu ) bzw. K = Qzu /Wzu Gl. 10.10

Qzu ist die dem zu kühlenden Medium entzogene Wärme, die „Kälte“. Diese Kennzahlen sind entsprechend auch mit Leistungen und Wärmeströmen berechenbar. Im Gegensatz zu Wirkungsgraden ist die Leistungszahl bei Wärmepumpen größer Eins. Der ideale Fall nach Bild 10.16 führt zu den Carnot’schen Leistungszahlen

W = T3/(T3 – T1) Gl. 10.11a

K = T1/(T3 – T1) Gl. 10.11b Mit T1 < T3 ist die Leistungszahl des gleichen Prozesses im Heizbetrieb generell größer als im Kühlbetrieb:

W > K Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gilt für beide Verwendungen:

Qab = Qzu + Wzu bzw. abQ = zuQ + Pzu Gl. 10.12

mit Pzu der zugeführten mechanischen Leistung und zuQ dem zugeführten Wärmestrom.

10.7 Klimatisierung (Kälteerzeugung) durch Abwärme und Wärmepumpen 255

10.7.1 Kompressions-Kältemaschinen Bei üblichen Kältemaschinen, Bild 10.17, verdampft das bei geringer Temperatur siedende Kältemittel unter Aufnahme der Verdampfungswärme aus der Umgebung. Ein Verdichter erhöht den Druck und die Temperatur des Dampfes. Bei dem druck- und temperaturerhöhten Zustand kondensiert das Fluid unter Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebung. Die Entspannung erfolgt bei einfachen Aggregaten mittels Drosselventil. Kompressions-Kälte-maschinen mit mechanischem Antrieb sind nicht direkt für die Abwärmenutzung geeignet.

Bild 10.17: Anlagenschaltung Kompressions-Kältemaschine

10.7.2 Absorptions-Kältemaschinen Kompressions-Kältemaschinen erfordern eine beträchtliche mechanische Leistung für die Dampfverdichtung. Wenn das Arbeitsfluid in flüssigem Zustand auf höheren Druck gebracht wird, ist die notwendige mechanische Leistung nur ein Bruchteil. Dies ist möglich, wenn das Arbeitsfluid in einer Trägerflüssigkeit bei tiefer Temperatur absorbiert und danach auf den hohen Druck gepumpt wird. Bei oberem Prozessdruck ist es von der Trägerflüssigkeit zu tren-nen, damit über die Drossel entspannt werden kann. Geeignete Stoffpaare sind beispielsweise Ammoniak oder Lithiumbromid [10.4] als Arbeitsfluid und Wasser als Trägerflüssigkeit. Am-moniakdampf (das Folgende gilt auch für andere geeignete Arbeitsfluide) wird bei niederer Temperatur gut von flüssigem Wasser absorbiert. Die Löslichkeit von Ammoniak nimmt bei hoher Temperatur über 100 °C stark ab, so dass sich die Arbeitsfluide bei oberem Druckniveau wieder trennen lassen. Bild 10.18 zeigt die einfachste Anlagenschaltung, während Bild 10.19 das Fließbild einer kommerziell hergestellten Absorptions-Kältemaschine wiedergibt.

Bild 10.18: Absorptions-Kältemaschine, einfachste Anlagenschaltung

Bei der Anlage Bild 10.19 strömt Ammoniak vom Verdampfer, der die Kühlleistung erzeugt, in den Absorber, wo es sich mit dem Trägerfluid Wasser, das vom Trenn-Dampferzeuger zu-rückfließt, vermischt und bei der niederen Temperatur absorbiert wird. Die Pumpe fördert


diese „starke“ Lösung auf das hohe Druckniveau in den Trenngenerator, der durch externe Wärmezufuhr auf 100 bis 150 °C gehalten wird, wobei die Mischung zunächst flüssig ist. Die hohe Temperatur im Dampferzeuger treibt das Ammoniak dampfförmig aus dem Wasser aus. Das abgetrennte Wasser (mit einem geringen Ammoniakanteil: „schwache“ Lösung) fließt über einen Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung in den Absorber zurück. Aus dem Dampferzeuger strömt der Ammoniakdampf (mit gewissem Wasseranteil) durch den Restwas-ser-Trennkondensator, den Ammoniak-Kondensator, über das Entspannungsventil und den Verdampfer zurück in den Absorber.

Bild 10.19: Fließbild einer üblichen Absorptions-Kältemaschine (Beispiel mit Ammoniak)

Mittels eines dem Trenngenerator nachgeschalteten Analysators wird die Ammoniaktrennung und somit der Kälteprozess verbessert. Der aus dem Generator kommende heiße Wasser-Ammoniak-Dampf strömt hierzu durch einen Spray kälterer, starker Lösung. Dadurch konden-siert noch ein beträchtlicher Teil Wasserdampf, wobei zusätzlich auch Ammoniak aus der starken Lösung verdampft. Nach dem Analysator wird dem Kondensator ein Rektifizierer, ein wassergekühlter Wärmeübertrager, vorgeschaltet, in dem das nach dem Analysator verbliebene Restwasser aus dem Ammoniakdampf auskondensiert, so dass nahezu reiner Ammoniakdampf kondensiert und entspannt wird. Das ausgetriebene Wasser wird in den Analysator oder Ab-sorber zurückgeführt. Da sich Ammoniak gut in Wasser löst, kann die Kältemaschine in einem weiten Zustandsbe-reich betrieben werden. Der mechanische Leistungsbedarf der Absorptionsanlage ist gering, jedoch fällt eine beträchtliche Wärmezufuhr im Dampferzeuger an. Diese Kältemaschinen sind dann wirtschaftlich, wenn Dampf oder eine andere Wärmequelle im Temperaturbereich von 100 bis 150 °C zur Verfügung steht. Sie eignen sich zur Abwärmenutzung aus industriellen thermischen Prozessen (z. B. wird Abwärme der Brüdendämpfe in Brauereien zur Kälte-erzeugung genutzt) und Kraftwerksprozessen (Anzapfdampf von Dampfturbinen, Dampf aus Abhitzekesseln etc.). Diese Kältemaschine ist ideal zur Nutzung der Solarwärme, da in son-nenbegünstigten Breiten Klimatisierungs- und Kühlbedarf besteht. Neben Absorptionsfluiden können auch Adsorptionsmedien, d. h. Feststoffe, verwendet wer-den (Adsorptions-Kälteanlagen).

10.8 Wärmepumpen 257

10.8 Wärmepumpen

Mit Wärmepumpen kann durch Zufuhr mechanischer Arbeit thermische Energie auf ein höheres Temperaturniveau geho-ben werden. Damit kann Niedertemperaturwärme, die sonst nicht nutzbar ist, auf eine Temperatur gehoben werden, beider sie nutzbar ist. Da der Antrieb von Wärmepumpen meist über elektrische Motoren erfolgt, sollte für einen ökonomisch und ökologisch sinnvollen Einsatz von Wärmepumpen die Leistungszahl, Gl. 10.8, etwa 3 oder größer sein. Dies ergibt sich, weil der mittlere thermische Wirkungsgrad zur Strom-erzeugung, einschließlich Spitzenlasterzeugung und Vertei-lungsverluste 33 % nicht übersteigt. Die Schaltung und der zugehörige idealisierte Vergleichsprozess in T,s- und p,h-Zustandsdiagrammen des einfachsten Wärmepumpenprozes-ses ist in Bild 10.20 dargestellt. Bild 10.20: Schaltung einer Wärmepumpe und Vergleichsprozess in T,s- und p,h-Zustandsdiagrammen

Der Arbeitsmitteldampf wird im Idealfall isentrop verdichtet (Änderung 1 2), im Kondensa-tor anschließend bei hoher Temperatur isobar verflüssigt (2 3). Die abgegebene Kondensa-tionswärme ist die nutzbare Wärme. Im nachgeschalteten Expansionsventil erfolgt die Ent-spannung isenthalp unter Entropiezunahme (3 4). Danach verdampft das Zweiphasenfluid bei niederer Temperatur (4 1), wobei die Verdampfungswärme der Niedertemperaturwär-mequelle (z. B. Umgebungsluft) entzogen wird. Die maximale Leistungszahl eines linkslaufenden Prozesses ist nach Gl. 10.11b der reziproke Carnot-Wirkungsgrad:

C = max = TO/(TO – TU) = 1/ C Gl. 10.13 mit TO der oberen und TU der unteren Prozesstemperatur.

C ist die theoretische Leistungsziffer des Wärmepumpenprozesses. Zwar steigt die Leistungs-ziffer mit abnehmender Temperatur TU, doch kann sich trotzdem eine Nutzwärme bei geringe-rer Temperatur ergeben, so dass zu prüfen ist, ob die resultierende Wärme noch nutzbar ist.


Kälteprozesse und Wärmepumpen werden in log p, h-Diagram-men dargestellt, da dort die aufzuwendende spezifische Arbeit sowie die zu- und abgeführten spezifischen Wärmen direkt als Enthalpiedifferenzen abgelesen werden können, was direkt aufdie Leistungsziffer führt:

= (h2 – h3) / (h2 – h1) Gl. 10.14 Reale Wärmepumpenprozesse weichen aus bekannten Real-effekten vom idealen Carnot-Prozess ab. Die erreichbaren Leis-tungsziffern erreichen etwa 50 bis 60 % von C. Bild 10.21zeigt den Schaltplan eines Wärmepumpenprozesses zu Heizzwe-cken. Der Kreisprozess entspricht dem von Bild 10.20, jedoch wird das obere Temperaturniveau zu Heizzwecken genutzt. Bild 10.21: Schaltplan einer Wärmepumpe

Abwärmeströme aus thermischen Prozessen oder anderen Wärmequellen niederer Temperatu-ren (Außenluft, Geothermie, etc.) können durch relativ geringe Zufuhr mechanischer Energie auf ein Temperaturniveau für eine sinnvolle Nutzung angehoben werden. So ist es lohnend, die Wärmepumpe durch einen Verbrennungsmotor anzutreiben, Bild 10.22, weil dessen Abwärme ebenfalls zu Heizzwecken nutzbar ist. Die Gesamtwärmebilanz in einem derartigen Fall ist, ausgehend vom unteren Heizwert des Kraftstoffs:

B U m KW Abh Verlm H P Q Q Q= + + + Gl. 10.15

mit KWQ der nutzbaren Wärmeleistung des Motorkühlwassers, AbhQ nutzbarer Wärmestrom des Abhitzekessels, Pm mechanische Motorleistung gemäß Bild 10.22. Die Motorleistung dient zum Wärmepumpenantrieb, so dass gilt:

( )WP m umg m mQ / P Q P / P= = + Gl. 10.16

wobei WPQ der von der Wärmepumpe abgegebene Nutzwärmestrom und umgQ der von der Wärmepumpe aufgenommene Umgebungswärmestrom ist. Der Brennstoffnutzungsgrad Bst ergibt sich damit zu:

( ) ( )Bst KW Abh WP B UQ Q Q / m H= + + Gl. 10.17

Bild 10.22: Wärmepumpenantrieb durch Ver-brennungsmotor mit Abwärmenut-zung

10.9 Kraft-Wärme-Kälte-Verbund 259

Die nutzbaren Wärmeanteile KWQ und AbhQ eines Verbrennungsmotors betragen mit gutem Abhitzekessel etwa 40 % bis 50 % und die mechanische Leistung Pm eines guten Motors etwa 40 % der eingesetzten Kraftstoffenergie mB HU. Mit einer Leistungsziffer von = 3 ergibt sich aus Gl. 10.16 WPQ = 3·Pm = 1,2· Bm ·HU und damit aus Gl. 10.17: Bst = 1,6. Es wird also mehr Nutzwärme abgegeben, als Energie über den Kraftstoffstrom zugeführt wird. Da von der Wärmepumpe Energie einer Niedertemperatur-Wärmequelle entzogen wird, widerspricht dies nicht dem ersten Hauptsatz. Konventionelle Heizungen, selbst Brennwert-Kessel, sind bei weitem von diesem hohen Wert entfernt. Unter Annahme steigender Brennstoffpreise haben Wärmepumpen ein hohes Zukunftspotential.

10.9 Kraft-Wärme-Kälte-Verbund Anlagen mit Verbrennungskraftmaschine, Elektrogenerator und Wärmeübertrager für Heiz-zwecke und Absorptionskälteanlage an einer Wärmeschiene, Bild 10.23, lassen Strom-, Wär-me- und Kälteerzeugung zu. Somit können generelle jahreszeitliche Lastverläufe wie in Bild 10.24 qualitativ skizziert, für diese unterschiedlichen Energiearten umfassend erfüllt werden. Insbesondere setzen sich derartige Anlagen bei industriellen Anwendungen durch, wo alle diese Energiearten benötigt werden, wie beispielsweise in Brauereien.

Bild 10.23: Kraft-Wärme-Kälte-Verbund

Bild 10.24: Qualitative Lastprofile für elektrische, thermische und Kälte-Leistung


Übungsaufgaben 10.1 Weshalb ist bei Blockheizkraftwerken trotzdem noch ein regulär befeuerter Kessel

üblich? 10.2 Nennen Sie technische Ausführungen der Kraft-Wärme-Kopplung. 10.3 Was ist der Unterschied zwischen thermischem Wirkungsgrad und dem Brennstoffnut-

zungsgrad? 10.4 Welche Kennzahlen werden zur Charakterisierung der Kraft-Wärme-Kopplung be-

nutzt? 10.5 Welche Kraftwerkstypen können ohne nennenswerte Einbußen der Stromerzeugung für

die Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden? 10.6 Zeichnen Sie eine typische geord-

nete Jahresdauerlinie für eine reine Wohnsiedlung in Deutschland.

10.7 Gegeben ist die nebenstehende geordnete Jahresdauerlinie. Wel-che thermische Leistung würden Sie für einzelne BHKW-Module wählen? Wie viele BHKW-Module würden Sie einsetzen?

0 80002000 4000 6000

3600

2400

1200

kW

Wär

mel

eist

ung

Stunden/Jahr 10.8 Überhitzter Dampf aus der Anzapfung einer Dampfturbine diene zur Erwärmung von

Heizwasser. Daten des Anzapfdampfes: TA = 473 K = 200 °C; pA = 3 bar; Massenstrom mA = 10 kg/s. Daten des Heizwassers: Vorlauftemperatur TV = 30 °C; Wärmeübertrager: Grädigkeit bzw. Pitch point 20 °C; Spezifische Wärmen: Flüssiges Wasser cpfl = 4,2 kJ/(kgK); Dampf cpD = 2 kJ/(kgK) a) Zeichnen Sie qualitativ das T,Q-Diagramm des Wärmeübertragers und kennzeich-

nen Sie den Pitch point. b) Welcher Massenstrom kann erreicht werden, wenn das Heizwasser maximal aufge-

heizt werden soll? c) Auf welche Temperatur kann das Heizwasser maximal aufgeheizt werden?

10.9 Sie haben als technischer Leiter eines Energieversorgungsunternehmens die Aufgabe, die Installationen zu veranlassen, um an einen Großabnehmer in nächster Kraftwerks-nähe über einen langen Zeitraum 50 MW Wärme bei einer Vorlauftemperatur von 95 °C liefern zu können. Diese Wärme soll aus bestehenden Kraftwerken ausgekoppelt werden. Aus Kapazitäts- und Wirtschaftlichkeitsgründen soll die Stromerzeugung nicht eingeschränkt werden. Folgende Kraftwerke mit je 150 MW elektrischer Leistung werden betrieben: a) Flusswassergekühltes, kohlenbefeuertes Kraftwerk „Schwarze Sohle“ (Grundlastbetr.) b) Gasturbinenkraftwerk „Hot Blower“ (oberer Mittellastbetrieb, ca. 4 Std./Tag Be-

trieb) c) Erdgasbefeuerte Gasmotoren „Quickies“ (Spitzenlastbetrieb, ca 1 Std./Tag Betrieb).

Welche Anlage wählen Sie für den Zweck aus? Begründen Sie Ihre Entscheidung.

Übungsaufgaben 261

10.10 Kompressions-Kälteanlage; Hilfsmittel: p,h-Diagramm und Dampftafel von R 123 (Solkane 123): Die folgenden Daten sind für eine Kompressions-Kälteanlage gegeben: Druckverhältnis = 25, Temperatur der kalten Seite: 5 °C, Kompression und Drosse-lung gehen vom gesättigten Zustand aus. a) Skizzieren Sie den idealen Kälteprozess im p,h Diagramm von R123 (ohne Verluste). b) Skizzieren Sie den realen Kälteprozess, unter Berücksichtigung von

– einem isentropen Wirkungsgrad der Kompression von S = 80 % – Druckverluste von of 10 % für die Wärmeübertragungs-Zustandsänderungen.

c) Welche Kühl-Leistungszahl K erzielt der reale Prozess? 10.11 Wärmepumpe; Hilfsmittel: p,h-Diagramm und Dampftafel von R 123 (Solkane 123):

Es liegen die folgenden Daten einer Kompressions-Kältemaschine vor: Druckverhältnis = 10; Temperatur, kaltseitig: 30 °C; Isentrope Kompression des ge-sättigten Dampfes; die Drosselung geht vom gesättigten Zustand aus a) Skizzieren Sie den idealen Wärmepumpe-Kreisprozess im p,h-Diagramm von R 123

(verlustfrei). b) Bei welcher Temperatur wird die Wärme abgegeben? c) Welche spezifische Wärme q wird freigesetzt? d) Welche Leistungsziffer ergibt sich? Hilfsmittel: p,h-Diagramm und Dampftafel von R 123 (Solkane 123):

Hinweis: Die Lösungen der Übungsaufgaben befinden sich am Ende des Buches hinter Kap. 20.


Literatur zu Kapitel 10 263

Literatur zu Kapitel 10 [10.1] Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch, Steam Turbines for Power Generation in

the Palm Oil Industry, Firmenschrift KKK 01-04953 E1 1.82 RD [10.2] Bernhard Lehmann, Technik und Umweltschutz im neuen Heizkraftwerk 2 der

Neckarwerke Stuttgart AG am Standort Altbach/Deizisau; in: Informationsschrift der VDI-GET, Entwicklungstendenzen in der Energieversorgung, R. Zahoransky (Editor), VDI Düsseldorf, 1998

[10.3] Deutz MWM, Gasmotor TBG 616/Technische Daten, Firmenschrift 0031 4300, 5/94 [10.4] MAN dezentrale Energiesysteme GmbH, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und Gene-

rator-Aggregate mit Gasmotoren für dezentrale Energiesysteme, Firmenschrift 900 122 bb 97043 d

[10.5] D. Bettmann, W. Drenckhahn, K. Reiter, Blockheizkraftwerke – vom Gasmotor bis zur Brennstoffzelle, Power Journal 2, 1993

[10.6] R. Kehlhofer et al., Gasturbinenkraftwerke, Kombikraftwerke, Heizkraftwerke und Industriekraftwerke, Handbuchreihe Energie, Band 7 (Hrsg. T. Bohn), Techn. Verlag Resch/Verlag TÜV Rheinland, 1984

[10.7] VDI Richtlinie 2067, neueste Ausgabe, zu beziehen durch Beuth Verlag GmbH, Ber-lin

[10.8] R. Zahoransky, Vorlesung Planung und Kosten energietechnischer Anlagen; Korrek-tur „11.3 Berechnungsbeispiel für eine BHKW- oder Kesselanlage“ und 11.3.1 Wirt-schaftlichkeitsberechnung nach der Kapitalwertmethode“ aus VDI 2067, 1996

[10.9] K. Schätzle, Auslegung eines Blockheizkraftwerkes und Emissionsvergleich zwischen der gekoppelten und getrennten Strom- und Wärmeerzeugung am Projekt Kreuzberg IV der Stadtwerke Crailsheim GmbH, Diplomarbeit FH Offenburg, 1995

[10.10] M. Jülg, Entwicklung eines Nahwärmekonzeptes für das Stoelckerareal in Ettenheim, Diplomarbeit FH Offenburg, 1996

[10.11] R. Hirt, Energiekonzept zur Erweiterung des Blockheizkraftwerkes Freibad Mark-wasen, Diplomarbeit FH Offenburg, 1995

[10.12] SOLO Kleinmotoren GmbH, SOLO Stirling 161 Firmenprospekt, 2001

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Energietechnik || Kraft-Wärmekopplung und Blockheiz-Kraftwerke BHKW