Heizung

Blockheizkraftwerk / Stromerzuegung

Blockheizkraftwerk (BHKW) / Stromerzeugung

Ein Blockheizkraftwerk ist eine Anlage, die nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeitet.
KWK ist die gleichzeitige Bereitstellung von Elektrizität und Wärme innerhalb eines thermischen Verbundprozesses, deren bei der Erzeugung entstehende Abwärme und Abgase zu Heiz- oder Kühlzwecken verwendet werden.
Durch die Ausnutzung der anfallenden Abwärme können bei Blockheizkraftwerken sehr hohe Wirkungsgrade bei zugleich relativ geringen Verlusten erreicht werden.
Im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken kann durch das KWK-Konzept bis zu 40 % Primärenergie eingespart werden. Hiermit verbunden ist ebenfalls eine Reduzierung des CO₂ -Ausstoßes. Blockheizkraftwerke können strom- oder wärmegeführt (Regelfall) werden. Ca. 1/3 der erzeugten Energie wird als elektrischer Strom und 2/3 als Wärme abgegeben.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips der Kraft-Wärme-Kopplung eines Motor-BHKW

Mittels der Brennstoff- und Luftzufuhr verrichtet der Verbrennungsmotor die mechanische Arbeit, die im Generator zur Stromproduktion verwendet wird. Die Abwärme, welche im Motorblock anfällt (Motorkühlung), wird über einen Wärmetauscher zur Erwärmung des Heizwassers genutzt. Die im Abgas enthaltene Energie wird zur Dampferzeugung (Prozesswärme) und/oder ebenfalls mittels eines Wärmetauschers zur Brauchwassererwärmung verwendet.

	Elektrischer Nutzungsgrad	Thermischer Wirkungsgrad	Gesamt- wirkungsgrad
Konventioneller Gaskessel ohne Abgaskondensation	-	0,85 - 0,92	0,85 - 0,92
Modulierender Gaskessel mit Abgaskondensation	-	0,92 - 1,08	0,92 - 1,08
Gasmotor-BHKW	0,30 - 0,34	0,55 - 0,58	0,85 - 0,92
Gasturbinen-BHKW	0,20 - 0,30	0,50 - 0,60	0,75 - 0,85
Gasturbinen-BHKW mit Rückgewinnung der Strahlungsverluste sowie Abgaskondensation	0,25 - 0,30	0,68 - 0,73	0,95 - 1,00

Nutzungs- und Wirkungsgrade verschiedener BHKWs im Vergleich zu Gaskessel-Anlagen

Gasbetriebenes BHKW
im Altenheim Stuttgart-Sonnenberg
Elektrische Leistung: 50 kW
Thermische Leistung: 100 kW

Betriebsarten und Einsatzorte von BHKWs
- Netzparallelbetrieb: Industrie, Verwaltungsgebäude, Schwimmbäder, Hotels
- Netzparallelbetrieb mit Notstromversorgung: Krankenhäuser, Verwaltungsgebäude (EDV)
- Inselbetrieb: Nicht durch das Stromnetz versorgte Liegenschaften

Bauarten
- Stationär: BHKW befindet sich immer am gleichen Standort
- Mobil: BHKW kann transportiert werden

Antriebsvarianten der Motoren
- Dieselmotoren mit den Brennstoffen Diesel, Heiz- oder Pflanzenöl, Altöl
- Otto-Motoren mit den Brennstoffen Erd-, Flüssig-, Deponie-, Gruben-, Holz- oder Biogas

Jahresdauerlinie und Laufzeiten
Die Gesamtlaufzeit der BHKWs liegt zwischen 8 und 12 Jahren (ca. 70.000 bis 105.000 Stunden). Sie ist jedoch stark abhängig vom Einsatz, dem Hersteller und der Wartung der Anlage.
Um die Wirtschaftlichkeit des BHKWs zu gewährleisten, sollte eine Mindestlaufzeit von 5.000 h/a erreicht werden.

Leistungsspektrum
Das Leistungsspektrum reicht von 1,3 bis 17.000 kW(el) [el: elektrisch]

Wirtschaftlichkeit
Jede Anlage muss wegen der verschiedenen Ausgangsparameter einzeln betrachtet werden. Pauschale Aussagen über die Wirtschaftlichkeit sind daher nicht möglich.
Folgende Eckdaten sollten für die Wirtschaftlichkeit beachtet werden.
- Auslastung des BHKWs (hohe Vollbenutzungsstunden, ca. 5.000 h/a)
- installierte Leistungsgröße (niedrige spezifische Investition)
- Brennstoffbezugspreis möglichst gering
- Strombezugspreis möglichst gering
- Stromerlös möglichst hoch

Vorteile
- geringe Verluste durch das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung
- Einsatz im Sommer zur Kälteerzeugung
- saisonaler, gleich bleibender Wärmebedarf

Nachteil
- hohe Investitionskosten

Wärmepumpe

Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe ist eine technische Einrichtung, welche mit Hilfe von Antriebsenergie (Elektro-, Verbrennungsmotor, Turbine oder Stirling) Wärme aus einer Wärmequelle (Erdreich, Luft, Grundwasser) aufnimmt und diese an ein anderes System wieder abgibt - d. h. es wird die Wärmeabgabe genutzt.
Wird hingegen die Kälteabgabe genutzt, bezeichnet man die Anlage als Kälteanlage. Diese nimmt die Wärme aus dem Raum auf und gibt sie an die Kältequelle (Erdreich, Luft, Grundwasser) wieder ab.

Die Energie der Wärmequelle ist kostenlos, um diese nutzen zu können, arbeitet die Wärmepumpe nach dem thermodynamischen Prinzip des Kreisprozesses, dem Camot-Prozess. Das Arbeitsmedium (Kältemittel) nimmt Wärme aus der Quelle auf und gibt diese an das zu erwärmende System wieder ab. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kältemittels ändert es den Aggregatzustand, die Temperatur und den Druck. Entscheidend ist jedoch das physikalische Gesetz der Wärmeaufnahme beim Verdampfen des Mediums bzw. die Wärmeabgabe beim Kondensieren des Mediums.

Energiefluss der Wärmepumpe

pumpe_energiefluss

Die Abbildung zeigt den Energiefluss einer Wärmepumpe und verdeutlicht, dass die kostenlose Wärmequelle durch einen relativ geringen Einsatz von Antriebsenergie genutzt werden kann.

Es werden zwei Arten von Wärmepumpen unterschieden:

- Kompressionswärmepumpe
- Absorptionswärmepumpe

Ca. 98 % aller installierten Wärmepumpen in Deutschland sind Kaltdampfkompressionswärmepumpen. Der Leistungsbereich der Wärmepumpen liegt zwischen 0,1 kW und mehreren MW.

Funktionsschema einer Kompressionswärmepumpe

Die Kompressionswärmepumpe besitzt einen geschlossenen Kreislauf, in welchem das Kältemittel in einer Richtung folgende Schritte durchläuft.

1.	Das Kältemittel ist im ersten Wärmetauscher (Verdampfer) flüssig und hat einen niedrigen Druck. Die Wärmequelle weist eine höhere Temperatur auf als das Arbeitsmittel. Durch das Temperaturgefälle beginnt es, im Wärmetauscher zu sieden und verdampft schließlich. Das Kältemittel entzieht dabei der Wärmequelle einen Teil der Energie.
2.	Das Arbeitsmittel wird durch das Verdichten im Kompressor komprimiert und erwärmt. durch den entstehenden Druck wird das Kältemittel auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und geht in den Aggregatzustand Dampf über.
3.	Im Kondensator / Verflüssiger gibt das Arbeitsmedium durch Kondensation seine Wärme an den Heizkreis ab (der Heizkreis hat eine niedrigere Temperatur als das Kältemittel). Durch diesen Vorgang verflüssigt sich der Kältemitteldampf wieder.
4.	Im letzten Schritt des Kreisprozesses wird durch das Entspannungsventil der Druck und somit auch die Temperatur wieder abgebaut. Der Prozess beginnt nun wieder von neuem.

Solare Trinkwarmwassererwärmung

Solare Trinkwarmwassererwärmung

Speichergestützte Systeme zur Warmwasserbereitung - besser bekannt unter der Bezeichnung "Solarthermische Anlagen" - wandeln mit Hilfe von Absorbern bzw. Kollektoren die direkte und diffuse solare Einstrahlung in Wärme um, welche zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.

wasser_schema

Die Abbildung zeigt das prinzipielle Funktionsschema einer solarthermischen Warmwasserbereitung.

Die im Kollektor aus der solaren Einstrahlung gewonnene Wärme wird über einen geschlossenen Kreislauf mittels eines Wasser-Frostschutzmittel-Gemisches zum Trinkwasserspeicher geführt und dort gespeichert.
Der mechanisch betriebene Kreislauf ist temperaturgesteuert, wobei das Überschreiten der maximal zulässigen Brauchwassertemperatur und das Unterschreiten der Ladetemperatur am Kollektor die Stellgrößen sind. Derartig einfache Systeme zur solaren Warmwasserbereitung sind oft im Einfamilienhaussektor anzutreffen.
Im Mehrfamilienhaussektor werden üblicherweise zusätzliche Pufferspeicher verwendet, um eine möglichst gleichmäßige Ausnutzung der solarthermischen Anlage zu erreichen. Weiterhin ist zu beachten, dass der Warmwasserspeicher und die Warmwasserleitungen einmal täglich auf über 60 °C erwärmt werden sollten, um der Legionellenbildung vorzubeugen. Ist ein separater solarer Pufferspeicher vorhanden, kann darin die solare Wärme auf einem geringeren Temperaturniveau zwischengespeichert werden.
Mit einer effizient arbeitenden solarthermischen Anlage können bei der Trinkwassererwärmung solare Deckungsgrade von über 50 % erreicht werden.