Kraft-Wärme-Kopplung

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Als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird eine Technik bezeichnet, mit der gleichzeitig aus Energieträgern wie Öl, Gas oder Kohle Strom und Wärme erzeugt wird. Ziel der Kraft-Wärme-Kopplung ist die Verbesserung des Wirkungsgrades der Stromerzeugung, der im Durchschnitt bei konventioneller Stromerzeugung unter 50% liegt. Der ohnehin hohe Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung wird durch diese Technik nicht verbessert. Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung werden auch als Blockheizkraftwerke (BHKW) bezeichnet. Auch Brennstoffzellen gehören zu den KWK-Anlagen.

Üblicherweise wird eine KWK-Anlage mit einem Verbrennungsmotor oder Stirlingmotor realisiert. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor wird bei Brennstoffzellen die elektrische Energie durch elektrochemische Umwandlungsprozesse erzeugt auch bei der Brennstoffzelle entsteht Wärmeenergie.

Kennzahlen

Wichtige Kennzahlen für ein BHKW sind:

Stromkennzahl [math]\displaystyle{ \sigma = \frac{P_{el}}{P_{th,CHP}} }[/math] (typische Werte ca. 25-25% bei Verbrennungsmotoren)
Nutzungsgrad der KWK [math]\displaystyle{ \eta_{CHP,Hi} = \frac{Q_{f,prod,CHP,a} + Q_{outg,CHP,a}}{Q_{f,CHP,a}} = \frac{P_{el} + P_{th,CHP}}{P_{CHP,Hs}} }[/math]

dabei sind:

  • Qf,CHP brennwertbezogener Energiebedarf der KWK-Anlage
  • Qoutg,CHP Erzeugernutzwärmeabgabe der KWK-Anlage (thermische Energie)
  • Qf,prod,CHP KWK-Netto-Stromproduktion (elektrische Energie)
  • PCHP,Hs Leistungsaufnahme der KWK-Anlage bezogen auf den Brennwert des Energieträgers
  • Pth,CHP Wärmeleistung der KWK-Anlage (thermische Energie)
  • Pel KWK-Netto-Stromleistung (elektrische Energie)

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage ist die Laufzeit der Anlage. Eine möglichst lange Laufzeit garantiert eine hohe Wirtschaftlichkeit. Theoretisch wäre eine Laufzeit von 8760 Std./a (also täglich 24 Std. an 365 Tagen) möglich. Praktisch werden bei üblichen Anlagen Laufzeiten von 4.000 - 6.000 Std./a erreicht.

Für die Energetische Bilanzierung ist der erreichbare Primärenergiefaktor entscheidend. Dieser hängt wesentlich davon ab, zu welchem Prozentsatz der jährlich notwendige Energiebedarf für Wärme durch KWK gedeckt wird (Deckungsanteil k). Bei einem Deckungsanteil von üblicherweise 80% wird ein Primärenergiefaktor von pp von etwa 0,7 erreicht. Der Deckungsanteil k ist nicht mit dem Leistungsanteil der KWK an der Gesamtanlage gleichzusetzen.

[math]\displaystyle{ f_p = max \left[ f_{p,HP} \cdot \frac{1-k}{\eta_{HP}} + \cdot f_{p,CHP} \cdot \frac{(1 + \sigma)\cdot k}{\eta_{CHP}} - f_{p,Strom} \cdot \sigma \cdot k;0 \right] }[/math]
  • ηHP Nutzungsgrad des Spitzenlastkessels (bezogen auf Hi)
  • ηCHP Nutzungsgrad der KWK-Anlage (bezogen auf Hi)

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