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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 Elektrizit√§t und W√§rme innerhalb eines thermischen Verbundprozesses, deren bei der Erzeugung entstehende Abw√§rme und Abgase zu Heiz- oder K√ľhlzwecken 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 % Prim√§renergie eingespart werden. Hiermit verbunden ist ebenfalls eine Reduzierung des CO2 -Aussto√ües. Blockheizkraftwerke k√∂nnen strom- oder w√§rmegef√ľhrt (Regelfall) werden. Ca. 1/3 der erzeugten Energie wird als elektrischer Strom und 2/3 als W√§rme abgegeben.

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

 

Mittels der Brennstoff- und Luftzufuhr verrichtet der Verbrennungsmotor die mechanische Arbeit, die im Generator zur Stromproduktion verwendet wird. Die Abw√§rme, welche im Motorblock anf√§llt (Motork√ľhlung), wird √ľber einen W√§rmetauscher zur Erw√§rmung des Heizwassers genutzt. Die im Abgas enthaltene Energie wird zur Dampferzeugung (Prozessw√§rme) und/oder ebenfalls mittels eines W√§rmetauschers zur Brauchwassererw√§rmung 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 R√ľckgewinnung 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

bhkw_foto

 

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-, Fl√ľssig-, 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 √ľber die Wirtschaftlichkeit sind daher nicht m√∂glich.
Folgende Eckdaten sollten f√ľr 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 pumpe_funktion

 

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

1. Das K√§ltemittel ist im ersten W√§rmetauscher (Verdampfer) fl√ľssig und hat einen niedrigen Druck. Die W√§rmequelle weist eine h√∂here Temperatur auf als das Arbeitsmittel. Durch das Temperaturgef√§lle beginnt es, im W√§rmetauscher zu sieden und verdampft schlie√ülich. Das K√§ltemittel entzieht dabei der W√§rmequelle einen Teil der Energie.
2. Das Arbeitsmittel wird durch das Verdichten im Kompressor komprimiert und erw√§rmt. durch den entstehenden Druck wird das K√§ltemittel auf ein h√∂heres Temperaturniveau gebracht und geht in den Aggregatzustand Dampf √ľber.
3. Im Kondensator / Verfl√ľssiger gibt das Arbeitsmedium durch Kondensation seine W√§rme an den Heizkreis ab (der Heizkreis hat eine niedrigere Temperatur als das K√§ltemittel). Durch diesen Vorgang verfl√ľssigt sich der K√§ltemitteldampf 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

 

Speichergest√ľtzte Systeme zur Warmwasserbereitung - besser bekannt unter der Bezeichnung "Solarthermische Anlagen" - wandeln mit Hilfe von Absorbern bzw. Kollektoren die direkte und diffuse solare Einstrahlung in W√§rme 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 W√§rme wird √ľber einen geschlossenen Kreislauf mittels eines Wasser-Frostschutzmittel-Gemisches zum Trinkwasserspeicher gef√ľhrt 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 √ľblicherweise zus√§tzliche Pufferspeicher verwendet, um eine m√∂glichst gleichm√§√üige Ausnutzung der solarthermischen Anlage zu erreichen. Weiterhin ist zu beachten, dass der Warmwasserspeicher und die Warmwasserleitungen einmal t√§glich auf √ľber 60 ¬įC erw√§rmt werden sollten, um der Legionellenbildung vorzubeugen. Ist ein separater solarer Pufferspeicher vorhanden, kann darin die solare W√§rme auf einem geringeren Temperaturniveau zwischengespeichert werden.
Mit einer effizient arbeitenden solarthermischen Anlage k√∂nnen bei der Trinkwassererw√§rmung solare Deckungsgrade von √ľber 50 % erreicht werden.

 

 

 
© 2013
Fraunhofer-Institut für Bauphysik