Wirtschaftlichkeit und Technologie von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)-Anlagen


Hausarbeit, 2020

26 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorbemerkungen

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Verzeichnis der Formelzeichen, Symbole und Indizes

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Hinführung auf das Thema
1.2 Zielsetzung und Motivation
1.3 Vorgehensweise

2 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
2.1 Stand der Technik
2.2 Unterscheidung zwischen KWKK und KWK
2.3 Anlagetypen
2.4 Vergleich verschiedener Kälteanlagen

3 Wirtschaftlichkeit
3.1 Verfahren zur Berechnung
3.2 Kosten und Erlöse

4 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Vorbemerkungen

Die vorgelegte Arbeit stellt eine Zusammenstellung der technischen Kenntnisse dar. Aufgrund der speziellen Situation im Sommersemester 2020 hatte ich keine Möglichkeit, die Bibliothek zu nutzen. Aufgrund dessen sind hier die überwiegende Anzahl der Quellen aus dem Internet. Mit einem detaillierten Literaturstudium (technische Literatur, Formeln und Zahlenwerte aus Tabellen etc.) lässt sich diese Arbeit sinnvoll ergänzen.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vergleich zwischen KWK und getrennter Erzeugung von Energien (Strom, Wärme) bezüglich der Brennstoffmenge sowie der Verluste. 5

Abbildung 2: KWK mit einer Erweiterung eines Adsorptionskälteaggregat zum KWKK 7

Abbildung 3: Arten der KWK-Aggregate & mögliche Brennstoffe 5

Tabellenverzeichnis

Tabelle1: Darstellung sämtlicher für KWK technisch geeigneten Wärmekraftmaschinen bezogen auf ihre elektrischen und thermischen Wirkungsgrade 10

Tabelle 2: Gegenüberstellung einer Kompressionskälteanlage mit verschiedenen thermisch betriebenen Kälteanlagen

Verzeichnis der Formelzeichen, Symbole und Indizes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Hinführung auf das Thema

Nachhaltigkeit ist die Zukunft und bestimmt das weitere Leben auf der Erde und der Nachfahren. Um ein nachhaltiges Wirtschaften der Unternehmen ermöglichen zu können, müssen nachhaltige und erneuerbare Energiequellen genutzt werden. Als Teil der Energiewende spielt die Erzeugung von emissionsfreier Energie eine signifikante Rolle. Durch das Aufkommen neuer Transportmöglichkeiten wie das Elektroauto wird Energie in Form von Strom mehr denn je benötigt. Konventionelle Quellen müssen ersetzt werden, beispielsweise durch Sonnenenergie, Wasserkraft oder Windenergie. 1 Konventionelle Anlagen hingegen lassen sich stetig verbessern und den Effizienzgrad deutlich steigern.

„Umweltschonender und effizienter ist daher die dezentrale Wärme- und Stromerzeugung. Beim Betrieb von KWK-Anlagen sind die Wege viel kürzer und die gesamte mit dem Brennstoff zugeführte Energie kann nahezu verlustfrei genutzt werden. Der Wirkungsgrad – also die Gesamtleistung für Wärme und Strom – kann bis zu 95 Prozent betragen. Durch KWK werden die spezifischen CO2-Emissionen reduziert und durch die lokale Stromproduktion die elektrischen Netze entlastet. Die Verbrauchskosten von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bestimmen sich im Wesentlichen aus dem eingesetzten Energieträger. Erdgas ist dabei gegenüber Heizöl deutlich günstiger und seit Jahren relativ preiskonstant.“ (Zukunft ERDGAS e. V. 2019)

Deutschland hat sich bis zum Jahr 2050 hochfliegende Pläne gesetzt und möchte die CO2-Emissionen möglichst bis zu 95 Prozent im Vergleich zu 1990 herabsetzen. Zwischenziele sollen dabei eingehalten werden und Effizienzmaßnahmen und nachhaltige Energiequellen geltend gemacht werden. Emissionen können nicht vollständig verhindert werden, aber der Verbrauch nachhaltig und im großen Maße durch vorhandene Technologie gesenkt werden. 2

Da der Schutz der Umwelt, des Klimas und der natürlichen Ressourcen wichtiger denn je ist, sollten wir seriös und kreativ daran arbeiten, die aus den thermodynamischen Prozessen wie bei den Verbrennungsmotoren-Anlagen entstehenden Energien wie Wärme sowie Strom sinnvoll zu Nutze zu machen und sie keinesfalls zu verschwenden. Somit könnten wir zu vielen wichtigen Ergebnissen kommen u.a. den CO2-Emissionsfaktor stark herunterfahren, um höhere Wirkungsgrade zu erreichen und damit Geld zu sparen.

Im Laufe der letzten Jahre hat die KWKK-Anlage dadurch zunehmend an Bedeutung gewonnen, dass sie sich bei der Energieumwandlung besonders wirksam ausgezeichnet hat. 3

1.2 Zielsetzung und Motivation

Ein behagliches Raumklima in Gebäuden zu schaffen, ist für unser Wohlgefühl von großer Bedeutung. Das gilt nicht nur für Winterzeiten, wo man heizen soll aber auch für Sommerzeiten, wo dann die eindringende Wärmezufuhr bzw. die zunehmenden Temperaturen in unseren Räumen zu regulieren ist. Aus diesem Grund ist dann das Kühlen von Gebäuden ebenfalls wichtig wie das Heizen in Bezug auf die Modernisierung der Qualität innerhalb einer Gebäudehülle. Dabei bedeutet das Kühlen im Gegenteil zu Heizen das Abführen von Energiemengen.

Um eine Alternative für erneuerbare Energien darstellen zu können, wird die Kraft-Wärme-Kopplung im Rahmen dieser Arbeit besonders betrachtet. Da Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) neben der Produktion von Strom auch Wärme produzieren und die Effizienz steigern können, wird der Einfluss und die Wirkung einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage (KWKK) betrachtet. Besonders aus wirtschaftlicher und technologischer Sicht soll der Kostenfaktor gegenüber dem Nutzen vorgestellt werden.

Die Wichtigkeit der Kopplungstechnik, genauer gesagt die energetische Rolle des Einsatzes der thermischen Kältebereitstellung im Zuge von der Optimierung von potenzialen wichtigen Faktoren wie Energieeffizienz und der Energieeinsparung von KWK-Anlagen, ist im Zusammenhang mit dieser Hausarbeit zu offenbaren.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Technologie der KWK bzw. KWKK unter die Lupe zu stellen, auf verschiedene Aspekte einzugehen, um auf die Effizienz dieser innovativen Technologie bezüglich der Energieumwandlungsprozesse aufmerksam zu machen. Weiter ist es wichtig, Beiträge solcher Anlagen zur Umwelt darzustellen u.a. das Primärenergiesparpotenzial sowie die Reduzierung von CO2-Emissionen.

1.3 Vorgehensweise

Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Vergleich in Bezug auf die Qualität und die Effizienz bei der Energieerzeugung bzw. der Gebäudeenergieversorgung zwischen den KWKK-Anlagen und der typischen getrennten Energieerzeugung dargestellt. Dann wird der Unterschied der beiden Anlagen KWK und KWKK vorgestellt. Mit einer unterschiedlichen Anlage werden Strom, Wärme und Kälte produziert. Dazu wird die Funktionsweise der beiden Anlagen erläutert und analysiert, sodass im nächsten Schritt und in Kapitel 3 die Wirtschaftlichkeit bewertet werden kann.

2 Grundlagen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

2.1 Stand der Technik

In Deutschland erfolgt überwiegend getrennte Erzeugung vom Strom und Wärme. Das heißt einerseits, dass die elektrische Energie in einem zentralisierten Großkraftwerk bereitgestellt, dann ins Netz eingespeist und nach Hause transportiert wird. Folglich wird die dabei entstehende Abwärme verschwendet und an die Umgebung abgeführt. Andererseits heißt das, dass die für Hauszwecke benötigte Wärme dann vor Ort Zuhause durch ein Heizsystem zur Verfügung gestellt wird.4

Im Gegensatz zur getrennten Erzeugung funktioniert eine KWKK-Anlage so, dass die bei der Strombereitstellung entstehende Prozesswärme nicht verloren geht, sondern für mehrere Zwecke wie z.B. für Heizen, Kühlen und Warmwasser sinnvoll genutzt wird, um folglich einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Vergleich zwischen KWK und getrennter Erzeugung von Energien (Strom, Wärme) bezüglich der Brennstoffmenge sowie der Verluste. 5

Aus der Abbildung 1 lässt sich leicht erkennen, dass KWK viel effizienter und sparsamer ist, verglichen mit der traditionellen getrennten Erzeugung, deren Energieanteile aus zwei unterschiedlichen Quellen (thermisch durch einen Kessel, elektrisch durch ein Kraftwerk) so bereitgestellt werden, dass sie 66 % mehr Brennstoffmenge benötigen , um die gleiche Energiemengen sowohl thermisch als auch elektrisch zur Verfügung zu stellen. Betrachten wir die Energieverluste, finden wir, dass sich bei getrennter Erzeugung aus der Produktion der erforderlichen Energie insgesamt 78 % Energieverluste ergeben, was energetisch gesehen katastrophal ist, während durch die Technologie der KWK nur 12 % von der Energie verloren gehen.

„Durch teilweise oder vollständige Substitution der Kesselanlage, die alternativ zur Wärmeerzeugung eingesetzt würde, wird eine Ressourcenschonung und damit verbunden eine CO2-Einsparung erreicht“ (Climate Change 20/2011 Umwelt Bundesamt)

Damit die Wirtschaftlichkeit einer Energiequelle bewertet werden kann, muss zunächst die technologische Grundlage aber auch das theoretische Verständnis geschaffen werden, um möglichst Einfluss- und Störfaktoren auf die Wirtschaftlich-keit nachvollziehen zu können.

2.2 Unterscheidung zwischen KWKK und KWK

Bei einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage wird im gleichen Moment eine nutzbare mechanische Energie aber auch ein nutzbarer Wärmeanteil gewonnen. In diesem thermodynamischen Prozess wird die mechanische Energie sofort in elektrischen Strom umgewandelt. In der Industrie wird die entstehende Wärme anschließend in Form von Prozesswärme genutzt.

Gleichzeitig neben Strom und Wärme auch Kälte zu produzieren, bietet die Möglichkeit alle Produkte in einer Anlage zu verbünden. Eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) kann in einer bestimmten Anwendung die Synergieeffekte der einzelnen Quellen nutzen und eine Anwendung aller Produkte anbieten. Beispielsweise wird in Gebäuden und Industrien die gleichzeitige Nutzung der Energiequellen beansprucht. Durch die Nutzung einer KWKK kann nur auf eine Anlage zurückgegriffen werden, die ressourcenschonend und wirtschaftlich gegenüber anderen Systemen ist. 6

Um dies zu realisieren muss neben dem bekannten KWK-Aggregat, welches in der Abbildung 2 als BHKW betitelt ist, ein Adsorptionskälteaggregat zugeschaltet werden. Diese erzeugt aus der im BHKW gewonnenen Wärme „Kälte“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: KWK mit einer Erweiterung eines Adsorptionskälteaggregat zum KWKK 7

Die Verbrennungskraftmaschine (z. B. Motor, Gasturbine) liefert dem Verbraucher elektrische Energie (Strom), indem sie einen Generator betreibt . Die erzeugte elektrische Energie kann ggf. gleich genutzt werden, um eine Maschine oder einen Kompressor (z. B. bei der Drucklufterzeugung) in Gang zu bringen. Die dabei entstehende Wärmeenergie (Abwärme), wird zur Bereitstellung des Heizwassers eingesetzt. Die im Abgas enthaltene Energiemenge (Verdampfungswärme), die beim Kondensieren des Wasserdampfes frei wird, wird möglicherweise unter Einsatz von Wärmeüberträger zur Betriebswassererhitzung und/oder zur Dampferzeugung. 8

Die Kraft-Wärme-Kopplung stellt jedoch aus einem ausschlaggebenden Grund ein energetisches Problem dar, und zwar weil in den Sommermonaten keine Wärme für Heizzwecke abgenommen wird. Also sind jährlich die sogenannten Sommerlücken vorhanden, was im Wesentlichen eine Energieverschwendung ist. Wird eine wärmegetriebene Kälteanlage nachgeschaltet, so kann der Gesamt-wirkungsgrad deutlich erhöht werden. Da sich der Wirkungsgrad in diesem Fall aus einem elektrischen und thermischen Wirkungsgrad zusammensetzt, wird Gesamtwirkungsgrad in Höhe von 90 Prozent erreicht. Vor allem die Kälteanlage leistet einen großen Beitrag und sorgt für die Gewährleistung dreier Energien durch eine Anlage. Inwiefern die Anlagen funktionieren und welche Brennstoffe verwendet werden, wird im nächsten Kapitel beschrieben.

2.3 Anlagetypen

Wie bereits im Kapitel 2.2 dargestellt wurde, nutzen wärmegetriebene Kälteanalgen die Abwärme aus einem vorgeschalteten Prozess, einer KWK-Anlage. Der Kälteprozess basiert auf dem Verdunstungsprozess.

„Neben dem wirtschaftlichen Aspekt ist die Umweltbilanz des Konzepts äußerst positiv: Rauchgase werden durch einen Dreiwege-Katalysator auf modernstem technischem Stand gereinigt und unterschreiten die geforderten Emissionswerte deutlich. Das nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeitende Herz-stück der Anlage, ein hocheffizienter Erdgasmotor, gekoppelt mit einem Stromgenerator und einem Wärmetauscher, erreicht einen Gesamtnutzungs-grad – dies ist das Verhältnis der nutzbaren zur eingesetzten Energie – von 90 Prozent. Somit wird deutlich weniger Energie benötigt, als zur getrennten Er-zeugung von Heizwärme, Kälte und Strom nötig wäre.“ (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen / KWKK-Anlagen o. J.)

Während in einer KWK-Anlage bzw. einem Blockheizkraftwerk (BHKW) aus einem Brennstoff Strom und Wärme produziert wird, nutzt die nachgeschaltete Kälteanlage ein Teil des Stroms und der Wärme, um Pumpen anzutreiben und aus der Wärme Kälte herzustellen. Der größte Anteil des BHKW wird zur Einspeisung in das Stromnetz genutzt 9. „Die meisten Anlagen arbeiten immer noch mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Heizöl oder Diesel. Zunehmend werden aber auch Biomasseprodukte wie Hackschnitzel, Pellets, Pflanzenöle oder Biogas eingesetzt, was zu einer Verringerung der CO2- Emissionen beiträgt.“ ( Verein e-genius 2020: 7)

In der Technik gibt es zahlreiche Arten von KWK-Aggregate wie z.B. mit Dampf bzw. Gas angetriebene Turbinen, Brennkraftmaschinen oder Brennstoffzellen, die sich dann sowohl in BHKW als auch in größere HKW einrichten lassen. Erwähnenswert ist es, dass die Technologie der Brennstoffzellen heutzutage immer mehr an Aufmerksamkeit gewinnt. Sie versteht sich nämlich als eine potenzielle umweltfreundliche Methode zur Erzeugung von elektrischer Energie, deren Energieträger Wasserstoff ist. Dies bedeutet, dass sich aus der Reaktion dann nur Wasser als Produkt bildet, was im Wesentlichen zur Dämmung der CO2-Emissionen führt.

„Als umweltfreundlich werden Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie vor allem aus einem Grund bezeichnet: In Zukunft soll Energie, die aus regenerativen Quellen gewonnen wurde, in Form von Wasserstoff gespeichert und transportiert und mittels Brennstoffzellen effizient und schadstofffrei in Strom und Wärme umgewandelt werden.“ (Wissenschaft im Dialog)

In der Tabelle 1 werden unterschiedliche KWK-Aggregate mit ihren elektrischen bzw. thermischen Wirkungsgraden gezeigt. Der Wirkungsgrad versteht sich als das Verhältnis zwischen der gewonnenen Energie bzw. Leistung und die zugeführte Energie bzw. Leistung. Im Falle des thermischen Wirkungsgrades ist die eingesetzte Energie „Wärme“ und die Nutzenergie „Mechanische Energie “, während beim elektrischen Wirkungsgrad der Strom die zugeführte Endenergie ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Darstellung sämtlicher für KWK technisch geeigneten Wärmekraftmaschinen bezogen auf ihre elektrischen und thermischen Wirkungsgrade 10

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Abbildung 3 wird sowohl die Funktionsweise, Antriebsenergien als auch mögliche Aggregate einer KWK-Anlage nochmal verdeutlicht und vereinfacht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Arten der KWK-Aggregate & mögliche Brennstoffe 5

Für die nachgeschaltete Kälteanlage können unterschiedliche Technologien verwendet werden. Dazu zählen vor allem Absorptionskälteanlagen, Adsorptionskälteanlagen und DEC-Anlagen.

Bei einer Absorptionskälteanlage wie die Maschine thermisch angetrieben. Über die Wärmezufuhr wird ein Wasserdampfstrom genutzt, um Kaltwasser für die Klimatisierung bereitzustellen. Dazu wird Wasser als Kältemittel genutzt, welches im Verdampfer verdampft. Durch die Erhöhung des Drucks mittels einer Pumpe wird die Gasform wieder verflüssigt. 11

Eine Adsorptionskältemaschine funktioniert ähnlich. Dieser Prozess ist quasi kontinuierlich und wird mit Hilfe des Sorptionsmittels Silicagel und dem Kältemittel Wasser durchgeführt. „Es laufen gleichzeitig zwei Prozesse ab. Zum einen die Verdampfung des Kältemittels und Adsorption des entstehenden Kältemitteldampfes durch das Adsorptionsmittel.“ (Adsorptionskältemaschine (AdKM) – KWKK 2020)

„Dies ist besonders interessant für Firmen, die neben Wärme und Strom auch Kühlung brauchen, wie z.B. die Bolta Werke GmbH in Diepersdorf für ihre Galvanikanlage. Durch den Einsatz einer solchen hocheffizienten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage wird nicht nur der Strom selbst erzeugt und genutzt, Büros und Warmwasser mit Wärme versorgt, die Galvanikanlage gekühlt, sondern auch noch jährlich bis zum 8.000 Tonnen CO2 eingespart“. (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen / KWKK-Anlagen o. J.)

2.4 Vergleich verschiedener Kälteanlagen

Um einen erweiterten Blick in die Kältetechnik zu gewinnen, erfolgt zunächst ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Technologien in der Kältebereitstellung. Somit kann man sich mit einem wichtigen Teil vom Prinzip der KWKK-Anlagen vertraut machen.

Die Tabelle 2 setzt einige Grunddaten der Kälteanlagen entgegen. Auf dem ersten Blick erkennt man daraus den Hauptunterschied zwischen zwei Anlagentypen von Kältemaschinen und zwar die Art der Antriebsenergie. Der erste Typ ist die Kompressionskälteanlage, die mit elektrischer Energie betrieben wird. Die restlichen 3 Kälteanlagen nutzen hingegen die Abwärme von thermodynamischen Prozessen, um dann Kälte zu erzeugen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Gegenüberstellung einer Kompressionskälteanlage mit verschiedenen thermisch betriebenen Kälteanlagen.

Quelle: (bhkw-infozentrum.de)

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Ende der Leseprobe aus 26 Seiten

Details

Titel
Wirtschaftlichkeit und Technologie von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)-Anlagen
Hochschule
Fachhochschule Westküste Heide
Note
1,3
Autor
Jahr
2020
Seiten
26
Katalognummer
V917642
ISBN (eBook)
9783346235909
ISBN (Buch)
9783346235916
Sprache
Deutsch
Schlagworte
wirtschaftlichkeit, technologie, kraft-wärme-kälte-kopplung, kwkk
Arbeit zitieren
Ghaith Shehri (Autor:in), 2020, Wirtschaftlichkeit und Technologie von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)-Anlagen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/917642

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