04104 Der Weg zur wirtschaftlichen Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) dient zur dezentralen Versorgung von einer oder mehreren Anlagen mit Wärme und elektrischer Energie (Strom). Die mechanische Energie einer Verbrennungskraftmaschine wird mithilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt. Gleichzeitig wird ein großer Teil der bei der Verbrennungsmaschine frei werdenden Wärme zu Heizzwecken genutzt. Man spricht dann von einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).

Wird die Abwärme zur Beheizung einer Absorptionskälteanlage genutzt, spricht man von Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung.

Der schematische Aufbau einer KWKK-Anlage mit Verbrennungsmotor ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die KWK-Technik und zunehmend auch die KWKK-Technik wird inzwischen in vielen Bereichen eingesetzt, in denen eine dezentrale und zeitgleiche Bereitstellung von Strom und Wärme bzw. Kälte erwünscht ist. Betreiber können Industriebetriebe, aber auch Stadtwerke sein, die den erzeugten Strom in das eigene Netz einspeisen und gleichzeitig die Abwärme nutzen können.

Blockheizkraftwerke werden zur Deckung der Grundlast von Wärme, der allgemein wirtschaftlicheren Variante, aber auch zur Abdeckung von Leistungsspitzen (vor allem bei der elektrischen Energie) eingesetzt. Daneben sind sie auch zur Energieversorgung einzelner Produktionsanlagen geeignet. Die Nutzungsstundendauer kann erhöht werden, wenn die Abwärme in der Übergangszeit und im Sommer zur Kühlung verwendet wird.

Im Weiteren wird das BHKW-Modul, die zentrale Komponente einer KWK-Anlage, näher erläutert. Das Modul besteht aus genau aufeinander abgestimmten Komponenten.

Für den Betrieb in Blockheizkraftwerken kommen meist umgebaute oder für den Dauerbetrieb modifizierte Pkw-, Lkw-, Schiffs- oder Industriemotoren als Langsamläufer mit 1500 U/min zum Einsatz. Als Verbrennungskraftmaschinen können Hubkolbenmotoren (2- und 4-Takt) mit Erdgas, (Bio-) Diesel oder Pflanzenöl als Kraftstoff sowie Gasturbinen eingesetzt werden. Die Motoren können nach dem Zweitakt- oder Viertaktprinzip arbeiten. Zweitaktmotoren sind wartungsärmer, da sie keine Ein- und Auslassventile haben. Dafür haben sie aber höhere Abgasemissionen.

In Gas-Ottomotoren können neben Erdgas auch Flüssiggas (ein Gemisch aus Propan und Butan) und Biogas als Brennstoff genutzt werden. Die Verbrennung erfolgt weitgehend rußfrei, was eine geringe Belastung des Schmieröls mit physikalischen Verunreinigungen, somit geringen Verschleiß und eine hohe Lebensdauer der Anlagenteile erwarten lässt. Eine Lastregelung bis zu 50 % der Nennleistung ist ohne nennenswerte Verschlechterung des Wirkungsgrads möglich. Bei schwefelarmen Brennstoffen ist die Abkühlung der Motorabgase auf 120 °C zugelassen.

Verschiedene Antriebe
Eine weitere Motorenart für gasförmige Brennstoffe sind Magermix-Motoren. Es handelt sich dabei um einen Ottomotor, der mit hohem Luftüberschuss arbeitet (λ = 1,4–1,6). Das Luft- Kraftstoff-Gemisch wird so eingestellt, dass wesentlich mehr Sauerstoff in den Brennraum gelangt, als stöchiometrisch zur Verbrennung des Kraftstoffs notwendig ist. Die Emissionen, insbesondere von Stickoxiden (NOX), sowie der Kraftstoffverbrauch sind geringer als beim üblichen, nahezu stöchiometrischen Betrieb (λ = 0,99–1,01). Allgemein erzeugen Gasmotoren im Vergleich zum Dieselmotor einen höheren Wärmeanteil und sind derzeit etwa 30–35 % teurer als Dieselmotoren mit vergleichbarer elektrischer Leistung.

Gleichdruckverbrennung
Beim Dieselmotor erfolgt die Gemischbildung am Ende der Verdichtung durch die Einspritzung des Brennstoffs. Der Brennstoff entzündet sich durch die hohen Verdichtungstemperaturen und -drücke von selbst (innere Gemischbildung). Die Verbrennung erfolgt bei annähernd konstantem Druck (Gleichdruckverbrennung). Die Verdichtung der Ansaugluft liegt deutlich höher als beim Ottomotor, um die Zündtemperatur zuverlässig zu erreichen. Da Dieselkraftstoff eine höhere Viskosität als Ottokraftstoff hat, neigt ein Dieselmotor zur Rußbildung. Um zu starke Rußbildung zu vermeiden, wird mit Luftüberschuss (λ > 1,5) gefahren. Durch Anpassung von Dieselmotoren ist die Verwendung von Pflanzenölen, gereinigten Altspeiseölen und Biodiesel möglich.

Nach dem Zündstrahlprinzip wird ein Dieselmotor im Zweibrennstoffbetrieb gefahren. Das Anlassen und Abschalten des Motors erfolgt im reinen Dieselbetrieb. Bei Erreichen der Nennleistung wird dem Motor ein verdichtetes Brenngas-Luft-Gemisch zugeführt. Dieses wird dann durch Einspritzung einer geringen Menge von Dieselkraftstoff (5–10 %) gezündet. Durch die Einspritzung von Dieselkraftstoff (Zündöl) ist eine gewisse Leistungsregulierung möglich. Es kann sogar unterbrechungsfrei auf reinen Dieselbetrieb umgeschaltet werden. Diese Verfahren sind für die Verwertung von Biogas, Klärgas und Deponiegas besonders geeignet, da deren Methangehalt schwanken und fehlendes Methan durch Zündöl ausgeglichen werden kann.

Teillastbetrieb ungünstiger
Das Abgas ist, wie beim reinen Dieselmotor, mit Rußpartikeln belastet und enthält bei der Verwendung von Biogas Schwefeldioxid. Dies ist bei der Dimensionierung der Wärmeübertrager, der Verwendung von Katalysatoren (Schwefel ist ein Katalysatorgift) sowie der Abkühlung der Rauchgase (Vermeidung der Kondensation von schwefliger Säure) zu berücksichtigen. Das Teillastverhalten ist im Vergleich zum reinen Gasmotor ungünstiger.

Durch den unvollständigen Verbrennungsablauf im Teillastbetrieb bleibt ein Teil des Gases unverbrannt. Der Teillastbetrieb von unter 70 % sollte daher vermieden werden. Gase mit niedriger Methanzahl wie Biogas oder Klärgas können nur in Abstimmung mit den Herstellern eingesetzt werden.

Der Einsatz von Heizöl EL (Dieselkraftstoff) ist Stand der Technik. Daneben können aber auch flüssige Brennstoffe biogenen Ursprungs wie pflanzliche Öle oder Biodiesel (Methylester) eingesetzt werden. Die Verbrennung von Pflanzenölmethylestern erfordert im Gegensatz zur Verbrennung von naturbelassenem Pflanzenöl keine Änderung in der Motorentechnik (Ausnahme: Dichtungen und Kraftstoffschläuche müssen beständig gegen Methylester sein). Die wichtigsten Eigenschaften von Heizöl EL, Rapsölmethylester und Rapsöl sind vergleichbar (s. Tab. 1).