HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

2.6 Wärme-Kraft-Kopplung

Ausgewählte Firmen der Wärmeerzeugung

2.1 Bemessungsfragen
2.2 Öl- und Gasfeuerung
2.3 Holzfeuerung
2.4 Wärmepumpen
2.5 Aktive Solarsysteme
2.6 Wärme-Kraft-Kopplung
2.7 Heizzentrale
2.8 Systemvergleich
Was ist WKK?

Wärme-Kraft-Kopplung ist die kombinierte Er­zeu­gung von Nutzwärme und mechanischer Energie. In technischen wie in biologischen Systemen entsteht bei der Umwandlung chemischer Energie in me­cha­ni­sche Energie auch Wärme. Aus ther­mo­dy­na­mi­schen und konstruktiven Gründen kann bei der Ver­bren­nung nur rund 1/3 der Brennstoffenergie in me­cha­ni­sche Energie umgewandelt werden. Wenn die restlichen 2/3 Wärme genutzt werden, spricht man von WKK. Bei der Nutzung dieser Wärme niedriger Wer­tig­keit sind Ge­samt-Wir­kungs­grade ähnlich den­je­ni­gen von Heiz­kes­seln erreichbar. Die mechanische Ener­gie wird in einem Generator in elektrische Ener­gie umgewandelt oder direkt zum Antrieb einer Wär­me­pum­pe ver­wen­det. Es gibt verschiedene Ausführungsformen:

  1. Thermisches Kraftwerk 1 bis 1000 MW(el), Fernheiznetz
  2. BHKW (Blockheizkraftwerk) 5 bis 5000 kW(el), Gas- oder Dieselmotor mit Ge­ne­ra­tor
  3. Gas- oder Diesel-Wär­me­pum­pe
  4. Brennstoffzellen
WKK mit Gas- oder Dieselmotor

Die durch Motor- und Abgaskühlung anfallende Wär­me wird ins Heizsystem eingespeist (Bilder 2.41, 2.42). Auf diese Weise ergibt sich ein Jahresnut­zungs­grad (bezüglich Brennwert) des BHKW-Speicher-Systems von 80 bis 90 % (Wärme + Strom). Dieser Nutzungsgrad lässt sich durch Abgaskondensation und Strahlungswärmerückgewinnung mit Wärmepumpe erreichen. Wird mit dem erzeugten Strom eine Wärmepumpe angetrieben, so ergibt sich ein Nut­zungs­grad von etwa 1,4 (Bild 2.43), d.h. etwa die Hälfte mehr als mit einem Kessel.

Prinzipschema eines BHKW
Bild 2.41 Prinzipschema eines BHKW
BHKW in der Gesamtanlage
Bild 2.42 BHKW in der Gesamtanlage
Energieflussbild eines BHKW (bezüglich Brennwert), dessen Strom für eine WP verwendet wird
Bild 2.43 Energieflussbild eines BHKW (bezüglich Brennwert), dessen Strom für eine WP verwendet wird

Das BHKW wird normalerweise nach dem Wärmebedarf betrieben, sodass der Strom vorwiegend im Win­ter anfällt. Andernfalls braucht es eine Notkühlung für den Motor (z.B. bei Not­­strom­a­g­gre­gat). Mit der produzierten Elektrizität wird in erster Linie der Eigenbedarf gedeckt. Der Überschuss wird ins öffentliche Netz eingespeist. Die Dimensionierung des BHKW hat (wie bei Wärmepumpen) einen entscheidenden Ein­fluss auf die Wirtschaftlichkeit. Wird das BHKW zu gross dimensioniert, so erreicht es die vorgesehene Volllast-Laufzeit (> 4000 h/a) und Stromproduktion nicht. Das BHKW wird auf 15 bis 35 % des Wär­me­lei­stungs­be­darfs bei der massgebenden Aus­sen­tem­pe­ra­tur aus­ge­legt (Bild 2.44). Kurve m stellt die Tem­pe­ra­tur­häu­fig­keit, Kurve q den Heiz­lei­stungs­be­darf gemäss Anhang 11.4 dar. Ein BHKW mit 300 kW Wärmeleistung deckt den Heiz­ener­gie­be­darf ent­spre­chend der grau­en Flä­che. Das BHKW liefert zwar nur 30 % des Lei­stungs­be­darfs, aber fast 60 % des Ener­gie­be­darfs des Ge­bäu­des. Die Volllast-Laufzeit des BHKW kann mit 4300 h/a abgelesen wer­den. Die Volllast-Laufzeit er­höht sich, wenn das BHKW gan­z­jäh­rig die Was­se­rer­wär­mung über­nimmt.

Temperaturhäufigkeitsdiagramm für ein Gebäude mit Wärmeleistungsbedarf 1 MW
Bild 2.44 Temperaturhäufigkeitsdiagramm für ein Gebäude mit Wärmeleistungsbedarf 1 MW

Ein kleines BHKW weist 20 kW elektrische und 40 kW thermische Leistung auf. Eine Anlage mit zwei solchen Modulen ist somit geeignet für Gebäude mit einem Wärmeleistungsbedarf ab etwa 240 kW. Noch kleinere Anlagen sind bisher ökonomisch und ökologisch etwas fraglich. Im Übrigen wird die untere Leistungsgrenze wesentlich durch die Betreuung mitbestimmt.

Günstige Voraussetzungen für WKK-Anlagen sind:

  • gleichzeitiger Wärme- und Strombedarf
  • Stromproduktion > 50 kW
  • gleichmässiger Wärmebedarf (Prozesswärme)
  • Notstromanlage erforderlich
  • preisgünstiges Gas: Biogas, Erdgas
  • hoher Stromtarif im An- und Verkauf
  • eigener technischer Dienst
Brennstoffzellen

Mit Brennstoffzellen kann chemische Energie, ohne Umweg über mechanische Energie, direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Um­wand­lung in Elektrizität ist somit nicht durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Der elektrische An­teil kann theoretisch höher sein als beim BHKW. Der gesamte Nutzungsgrad (Wärme + Strom) entspricht auch hier demjenigen eines Kessels. Die Verbrennung in Brennstoffzellen emittiert relativ wenig Schadstoffe, da sie, wie bei Kesseln, haupt­sächlich stationär erfolgt.