Kraftwerke

KWK/WKK - KWKK

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
Bosy-online-ABC


Nur ca. 40 % der eingesetzten Energie kommt beim Verbraucher an

Ein Kraftwerk (Stromerzeugungsanlage) ist eine Anlage, die nur Strom erzeugt. Solche Anlagen werden auch als Wärme- oder Kondensations-Kraftwerke bezeichnet, da die Stromproduktion über den Umweg Wärmeerzeugung realisiert wird. Die anfallende Abwärme muss, wenn sie nicht anderweitig genutzt werden kann, durch Kühlanlagen (z. B. Kühltürme) mittels Kondensation gekühlt werden, also vernichtet werden muss.
Das Prinzip der Stromgewinnung ist bei allen Kraftwerktypen ähnlich. Aber es gibt erhebliche Unterschiede zwischen einem Kohle-, Gas-, Öl-, Solar-, Wasser-, oder Kernkraftwerk. Dazu gehören nicht nur die Kosten, sondern auch die mit der Stromgewinnung verbundenen Belastungen für die Umwelt, der Gesundheit und des soziales Zusammenlebens.


Kraftwerksturbine
Quelle: Kraftwerke Mainz-Wiesbaden AG


Funktionsweise eines Naturzug-Nasskühlturm
Quelle: VSE AG

Kraftwerks- bzw. Anlagenarten

Wärmekraftwerke

Wasser- und Meereskraftwerke

Windkraftanlagen

Photovoltaikanlagen

Solarthermische Solarkraftanlagen

  • CSP-Technologie (Concentrated Solar Power)
    - Parabolrinnen-Kraftwerk
    - Parabolspiegel-Kraftwerk (Dish-Stirling-Kraftwerk)
    - Solarturm-Kraftwerk
    - Sonnenöfen
  • Aufwindkraftwerk

Kernkraftwerke

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Unterschied zwischen einer konventionellen Wärme- und Stromversorgung eines Gebäudes (Strombezug und Brennwert-Heizkessel) und einer Versorgung mittels hocheffizienter Mini-KWK-Anlage.

Kraftwerke: konventionelle und erneuerbare Energieträger - Umweltbundesamt
Kraftwerke - Wikipedia
Öffentliche Nettostromerzeugung in Deutschland in 2022
- energy-charts.info - Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Kraft-Wärme-Kopplung / Wärme-Kraft-Kopplung
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bzw. Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ist die gleichzeitige Umwandlung von Primärenergie in mechanische oder elektrische Energie und Nutzwärme. Sie ist das effizienteste Prinzip zur energetischen Nutzung von fossilen oder erneuerbaren Brennstoffen. Denn im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken, welche die bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen unweigerlich entstehende Wärme über Kühltürme oder durch die Einleitung in Gewässer ungenutzt entsorgen, wird bei Einsatz von KWK die entstehende Wärme sinnvoll genutzt.
Viele große Kraftwerke erzeugen Strom, bei denen von der eingesetzten Primärenergie im Schnitt nur 38 % in Strom umwandelt werden. 62 % der Ursprungsenergie fallen als Wärme an, die oftmals nicht genutzt wird und z. B. über Kühltürme abgeführt wird. Um neben dem Strom auch die Wärme nutzen zu können, braucht man kleinere Kraftwerkseinheiten, die dezentral in der Nähe der Wärmeabnehmer arbeiten.
Typische Einsatzgebiete von KWK-Anlagen sind:

  • Mehrfamilienhäuser
  • Wohnsiedlungen
  • Bürogebäude
  • Krankenhäuser
  • Industrie- und Gewerbebetriebe

Nicht nur zur Gebäudeversorgung mit Heizwärme und Warmwasser, sondern auch als Prozesswärme, zur technischen Kälteerzeugung (wärmebetriebene Kälteanlage - KWKK) und zur Druckluftversorgung kann die Wärme eingesetzt werden. Eine KWK bzw. WKK kann durch viele Technologien realisiert werden. Das Hauptprinzip ist dabei die dezentrale Nutzung der (gleichzeitig) bereitgestellten Elektrizität und Wärme im näheren Umkreis.


Prinzip einer Wärme-Kraft-Kopplung
Quelle: BHKW-Infozentrum GbR

Die Verbrennungskraftmaschinen (Motor, Gasturbine) unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Art der Abwärme. Während bei Verbrennungsmotoren der größte Teil der Abwärme im Kühlwasser anfällt, wird die Wärme beim Gasturbinenprozeß in einem höheren Temperaturbereich durch das Abgas abgegeben. Daraus resultieren u. a. auch die unterschiedlichen Anwendungsfelder dieser beiden Technologien. So werden Gasturbinen insbesondere im Bereich der Industrie zur Bereitstellung von Niedertemperatur-Prozeßwärme (bis 500°C) eingesetzt, während die Motorenanlagen vor allem im Bereich der Raumwärmetemperatur-Bereitstellung ihre Anwendung finden.

In den meisten Fällen setzt sich eine BHKW-Anlage aus folgenden Hauptkomponenten zusammen

  • Motor, Gasturbine oder Stirlingmotor als Generatorantrieb / Brennstoffzelle
  • Generator zur Stromerzeugung
  • Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus Abgas, Motorabwärme und Ölkreislauf
  • Diverse elektrische Schalt- und Steuereinrichtungen zur Stromverteilung bzw. zum Kraftmaschinenmanagement
  • Hydraulische Einrichtungen zur Wärmeverteilung

Insbesondere im Bereich der Raumwärmebereitstellung wird das BHKW-System meistens durch einen Spitzenkessel sowie einen Wärmespeicher ergänzt.
Markus Gailfuß, BHKW-Infozentrum Rastatt

Mit einer Brennstoffzelle kann eine andere Art der KWK umgesetzt werden. In einer Brennstoffzelle wird die Enthalpie des Brennstoffes direkt in elektrische und thermische Energie gewandelt. Sie vermeidet damit Zwischenschritte bei der Energiewandlung und unterliegt nicht den Beschränkungen durch den Carnot-Wirkungsgrad, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.
Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Während bei der Elektrolyse durch Zufuhr von elektrischer Energie das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H2 und O2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer Energie zu Wasser. > hier ausführlicher

Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung - Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V.
Blaue Energie - Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V.

 

Wärmebetriebene Kälteanlage - KWKK
Bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) wird die Wärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zur Kälteerzeugung in einer wärmebetriebenen Kältemaschine eingesetzt. Diese nutzen Prozessabwärme, Wärme von einer Solarthermie-Anlage oder einer KWK-Anlage (z. B. BHKW), um dadurch einen Kälteprozess nach dem Verdunstungsprinzip aufrecht zu erhalten.

Die dreifache Nutzung des Energiequelle (Brennstoff, Solarthernie, Geothermie) in Form von Strom, Wärme und Kälte wird im wird als Trigeneration bezeichnet. Mit dieser Technologie werden ökologische und ökonomische Aspekte sichergestellt. Außerdem wird durch die Nutzung der Wärme in wärmegetriebenen Kältemaschinen die Jahresnutzungsdauer, wenn in den Sommermonaten kein Raumwärmebedarf vorhanden ist, die Wirtschaftlichkeit eines BHKW verbessert.
Das KWKK-Prinzip kommt hauptsächlich in großen Blockheizkraftwerken zum Einsatz, mit denen z. B. Einkaufszentren, Bürogebäude, Krankenhäuser Pflegeheime, Flughäfen ganzjährig klimanisiert werden sollen.

Absorptionskältemaschinen (AKM)
Absorptionskältemaschinen (AKM) sind thermisch angetriebene Kältemaschinen, die Wärme durch unmittelbare Anbindung an ein Fernwärmenetz oder eine KWK-Anlage beziehen, wodurch sie bei diesen Anlagen auch in Zeiten geringerer Wärmeabnahme für eine bessere Auslastung sorgen.


Absorptionskältemaschinen (AKM)
Quelle: BHKW-Infozentrum GbR

Wasser-Lithiumbromid-AKM
Bei einer H2O-LiBr-Anlage erfolgt die thermische Verdichtung des Kältemittels mit Hilfe eines kombiniertem Lösungsmittel- und Kältemittelkreislaufes. Die elektrisch betriebene Lösungsmittelpumpe wälzt die hygroskopische Wasser-LiBr-Lösung um. Das Kältemittel Wasser verdampft auf niedrigem Temperaturniveau und wird von der Wasser-LiBr-Lösung absorbiert. Die dadurch verdünnte Lösung wird auf ein höheres Druckniveau gepumpt und unter Wärmezufuhr wird das Kältemittel Wasser als Dampf freigesetzt. Dieser kondensiert im Kondensator. Das Kondensat wird entspannt und im Verdampfer unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung verdampft.

Ammoniak-Wasser-AKM
Der Absorptionskälteprozess in einer Ammoniak-Wasser-Kälteanlage ist ähnlich dem der H2O-LiBr-AKM. Jedoch erfolgt hier nach dem Austreibungsprozess zusätzlich ein thermisches Trennverfahren (Rektifikation) der aufgrund der geringen Dampfdruckdifferenz von Wasser und Ammoniak. Diese Variante der thermischen Kälteerzeugung wird nur bei einem Kältebedarf unter 5 °C eingesetzt. Mit einem einstufigen Prozess (SE-AKM) können Verdampfertemperaturen von bis zu -60° C erreicht werden. Typische Anwendungsfelder für NH3-H2O-AKM sind zum Beispiel die Lebensmittelindustrie und die Lagerhaltung. Zweistufige AKM (DL-AKM) werden wegen ihrer hohen Investitionskosten nur bei Antriebstemperaturen >150 °C wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar.

Absorptionskältemaschinen (AKM)
- BHKW-Infozentrum GbR

AKA ecoFreezer
Die ecoFreezer50 ist eine kompakte Absorptionskälteanlage der neuesten Generation, die mittels Abwärme im Bereich von 100 bis 180 °C energieeffizient Kälteträgertemperaturen von bis zu -30 °C erzeugt. Im Vergleich zu den energieintensiven Kompressionskälteanlagen wird der benötigte Energiebedarf auf ein viel geringeres Maß reduziert, sodass sich die Kälteerzeugungskosten durch die ecoFreezer drastisch senken lassen.
Die Innovation der ecoFreezer besteht sowohl in ihrem sehr energieeffizienten Anlagenbetrieb als auch in ihrer kompakten Bauweise. Der Mehrwert liegt in der Reduzierung von CO2-Emissonen infolge des geringen Energiebedarfs und der Verwendung des natürlichen und preiswerten Kältemittels Ammoniak, das nicht zum Treibhauseffekt (GWP) und dem Ozonabbau (ODP) beiträgt. Es ist ein ökologisches und ökonomisches Wirtschaften möglich.


Kraft-Wärme-Kältekopplung - AKA ecoFreezer - Industriefabrik Schneider GmbH

 

Adsorptionskältemaschinen (AKM)


Adsorptionskältemaschinen (AdKM)
Quelle: BHKW-Infozentrum GbR

Die AdKM-Anlage sind wie eine AKM thermisch angetriebene Kälteanlage. Sie besteht aus zwei mit Sorptionsmittel gefüllten Arbeitskammern sowie einem Kondensator und einem Verdampfer. Als Sorptionsmittel wird Silicagel und als Kältemittel Wasser eingesetzt.
Es laufen gleichzeitig zwei Prozesse ab. Zum einen die Verdampfung des Kältemittels und Adsorption des entstehenden Kältemitteldampfes durch das Adsorptionsmittel. Zum anderen die Desorption des im Adsorptionsmittel gebundenen Kältemittels und nachfolgend die Kondensation des entstehenden Dampfes. Da zwischen zwei Adsorberbetten zyklisch umgeschaltet werden muss, kann mit AdKM nur ein quasi kontinuierlicher Prozess realisiert werden. Wasser-Silicagel-AdKM sind insbesondere für Fernwärme und Solarthermie geeignet, da sie noch Antriebstemperaturen von 60 °C nutzen können.
Der niedrige COP (ca. 0,4), die hohen Investitionskosten sowie das große Gewicht und Bauvolumen erschweren den Einsatz von AdKM und lassen sie meist unwirtschaftlich werden. Zudem beträgt die maximal zulässige Auskühlung des Heizwassers 13 K, bei tiefen Temperaturen jedoch nur 5 – 6 K.

Adsorptionskältemaschinen (AKM)
- BHKW-Infozentrum GbR

DEC-Anlage


DEC-Anlage
Quelle: BHKW-Infozentrum GbR

Beim DEC-Verfahren (Desiccant Evaporative Cooling/Trockenmittel-Verdunstungskühlung) wird die Kälte durch sorptive Lufttrocknung und anschließende Verdunstungskühlung erzeugt. Das Kältemedium bei diesem offenen Adsorptionsprozess ist die zu klimatisierende Luft.
Die zu kühlende Luft wird durch den Luftfilter in den Zuluftkanal gesaugt und durch Kondensation im mit Silicagel oder Zellulose/LiCI bestückten Sorptionsrad getrocknet. Mit Hilfe des Wärmerückgewinnungsrad wird die erwärmte Luft abgekühlt und im Verdunstungsbefeuchter weiter abgekühlt. Die konditionierte Luft gelangt in das Gebäude. Die Abluft gelangt in den Abluftkanal der DEC-Anlage wird erst durch Befeuchtung gekühlt und danach vom Wärmerückgewinnungsrad erwärmt, wobei dieses sich abkühlt und zur Kühlung des Zuluftstromes beitragen kann. Die vorgewärmte Abluft wird durch den Regenerationserhitzer weiter auf 55 – 65 °C erwärmt. Dadurch werden die Trocknungsmittel im Sorptionsrad regeneriert und können wieder zur Entfeuchtung der Zuluft eingesetzt werden. Hierfür können verschiedene Wärmequellen wie Abwärme, Fernwärme, oder Solarwärme genutzt werden, wobei die Höhe der Regenerationstemperatur von der erforderlichen Trocknungsleistung abhängig ist.
Eine DEC-Anlage ist für kleine Kälteleistung bis 400 kWh bzw. Zuluftmengen bis 50.000 m3/h geeignet. Der Einbau der DEC-Komponenten in bestehende Zentralklimaanlagen ist ebenso möglich wie die Bereitstellung von Warmluft durch den Einbau eines Lufterhitzers in die DEC-Anlage.

DEC-Verfahren
- BHKW-Infozentrum GbR

DEC-Anlage - Trocknen und Kühlen ohne Kältemaschine
- Klingenburg GmbH

Planung und Wirtschaftlichkeit von DEC-Anlagen im Umfeld der Energiewende
- Dipl.-Ing. Ronny Mai, ILK Dresden gGmbH, Bereich Luft- und Klimatechnik

KWKK-Technologien - BHKW-Infozentrum GbR
Grundlagen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung - BHKW-Infozentrum GbR
KWKK- Kraft, Wärme und Kälte aus einer Anlage
- ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V.

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