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Wärmekraftkopplung  

Definition
Wärmekraftkopplung (WKK) ist im Prinzip eine Heizung, die gleichzeitig Strom produziert. Oder ein Kraftwerk, das auch Wärme liefert ¿ zum Heizen, für Warmwasser, für Prozesse oder zum Kühlen. WKK produziert Strom und Wärme dezentral dort, wo man sie braucht. Weil im Winter mehr Wärme gebraucht wird, steigt auch die Stromproduktion ¿ dies entspricht dem Bedarf. Aus thermodynamischer Sicht geht bei der Erzeugung von Wärme im Heizkessel die Arbeitsfähigkeit (Exergie) des Brennstoffs verloren. Wärme ist Anergie, sie lässt sich nicht mehr in andere Energieformen umwandeln ¿ im Gegensatz zur Exergie: Aus Strom wird z. B. Licht, Bewegung, Wärme. Wärmekraftkopplung nutzt durch Erzeugung elektrischen Stroms die Exergie des Brennstoffs. Der Wert einer Energieform hängt von ihrem Exergiegehalt ab. Deshalb ist Strom in der Regel teurer als Wärme ¿ und dies macht WKK wirtschaftlich.

Begriffe
WKK-Anlagen sind meist Blockheizkraftwerke (BHKW), d. h. die Kombination von Verbrennungsmotor und Generator mit Abwärmenutzung aus Motorenkühlung und Abgas, < 5 kWe auch Mini-BHKW genannt, < 1kWe Micro-BHKW. Gasturbinen eignen sich vor allem für die Industrie (ab ca. 1 MW). Erzeugt der Dampf aus dem Abhitzekessel der Gasturbine mit einer Dampfturbine nochmals Strom, spricht man von Kombi- oder GuD (Gas und Dampf) Anlagen. Kleine Geräte bezeichnet man als Microgasturbinen (ca. 30-300 kWe, Strom-Wirkungsgrad 25-30 %, Gesamt- Wirkungsgrad ca. 80 %). Stirlingmotoren, bei denen die Flamme eines Brenners einen oder mehrere Kolben treibt (externe statt interne Verbrennung im Zylinder von Verbrennungsmotoren), sind vorgesehen für Mini- oder Micro- BHKW. Neu sind BHKW als Dampf-Entspannungs-Geräte: Ein Gasbrenner sorgt für Dampf, der einen Kolben treibt (= Strom); die Restwärme dient zum Heizen. Die Geräte können ihre Leistung modulieren (0,2-3 kWe, 2-16 kWth). Zur Wärmekraftkopplung zählen auch Brennstoffzellen, die elektrochemisch Strom und Wärme erzeugen, indem sie die unterschiedliche Mobilität der Elektronen zweier Materialien ausnützen, nämlich das sog. Potentialgefälle zwischen Wasserstoff (meist aus Erdgas) und Sauerstoff, die an einem speziellen Elektrolyten zusammenkommen. Brennstoffzellen sind lieferbar mit 200 kWe (Elektrolyt = Phosphorsäure) und 250 kWe (Elektrolyt = Schmelzkarbonat), aber sehr teuer.

Gasmotor BHKW
Gasmotoren sind Ottomotoren, d. h. Fremdzünder mit Zündkerzen. Ihr Strom-Wirkungsgrad liegt bei Mini-BHKW bei rund 25 %, mittlere Anlagen bei 33-39 %, über 1 MW bei 40-43 %. Mit Wärmenutzung beträgt der Gesamt-Wirkungsgrad 90-95 %, mit Abgas-Kondensation bis über 108 %. Gasmotoren werden in BHKW meist mit Nennlast betrieben. Gewisse Motoren gestatten Teil- und Überlast. Von 3-20 kWe sind Gas-BHKW mit stufenloser Leistungsregelung erhältlich, welche die Wärmeabgabe wie ein modulierender Gaskessel an den jeweiligen Bedarf anpassen können; die Wechselrichterelektronik hält die Stromspannung konstant.

Umwelt
Der Grenzwert der Luftreinhalteverordnung (LRV) für Stickoxid (NOx) bei Gas- und Dieselmotoren beträgt 250 mg/m3 (5%O2). Dies unterschreiten einige Gas Magermotoren dank einem mageren Gas/Luft- Gemisch, d. h. mit «zu viel» Luft und «zu wenig» Brennstoff. Gas- Magermotoren haben meist Turbolader. Es ergibt sich ein hervorragendes Platzbedarf/Leistungsverhältnis. Bei tieferen Grenzwerten (Massnahmegebiete), benötigen Magermotoren SCR-Katalysatoren (SCR= Selective catalytic reduction) mit Harnstoffeindüsung. Harnstoff wird u. a. als Dünger verwendet, in fester Form angeliefert und an Ort mit Flüssigkeit gemischt. Spezielle SCR-Katalysatoren erreichen extrem tiefe Schadstoffwerte z. B. für CO2-Begasung in Gärtnereien. Am häufigsten wird jedoch der Lambda-1-Gasmotor mit Dreiwege- Katalysator wie beim Auto verwendet. Auch dieses System eignet sich problemlos für alle Massnahmegebiete (< 50 mg/m3 NOx). Generell gelten die CO2-Vorteile von Erdgas auch für Erdgas-BHKW im Vergleich zu Heizöl. Mit Betriebs-Schwerpunkt im Winter (höherer CO2-belasteter Importanteil am Strommix) ist die CO2-Bilanz, bezogen auf den europäischen UCTE-Strommix, positiv.

Einsatz
BHKW sollten (ausser Mini) nur die Wärme-Grundlast abdecken (lange Motorlaufzeit). Den Rest besorgt ein Kessel. Überschüssige Wärme wird gespeichert. Wichtig ist das Speichermanagement: Bei gutem Preis für Hochtarif- oder Spitzenstrom muss der Speicher die bei Stromerzeugung anfallende Wärme aufnehmen können. Deshalb sind bei der Auslegung die Rücknahmetarife der EVU zu beachten. Ideal wäre die Verwendung der gesamten Stromproduktion im eigenen Haus. Notstrom ist möglich mit Zusatzausrüstung. Bei Grossanlagen lohnt es sich, mit dem EVU Verträge über Spitzen- oder Austausch von Notstromlieferungen abzuschliessen.

WKK gut für Niedrigenergiehausfont
Der Niedrigenergie- Standard bewertet Strom mit Faktor 2: Die doppelte Menge des im Haus erzeugten Stroms kann von der Bilanz abgezogen werden. So erreicht man Niedrigenergie-Standard je nach Objekt auch mit Einsparungen an der Gebäudehülle, ohne Sonnenkollektoren oder dort, wo keine Wärmepumpe möglich ist. Modulierende BHKW mit kleiner Leistung sind zu bevorzugen, weil sie übers Jahr die höchste bilanzwirksame Stromproduktion erzielen

 


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